风暴海流的三维数值模拟及在工程上的应用
中国是全球遭受风暴灾害最频繁和最严重的国家之一，受灾区域几乎遍及整个中国沿海，风暴给沿海人们的生命财产造成了极大的损失，据专家估算，中国海洋灾害的损失约占全部自然灾害总损失的10％，而风暴造成的损失又为海洋灾害之首，因此，为最大程度的减少风暴造成的损失，深入地开展风暴研究工作已显得越来越迫切。
目前，风暴的研究工作主要通过建立二维数值模型，预测风暴造成的灾害，研究重心放在风暴增水的预报及后报，前者多应用于增水灾害预报，辅助政府制定人员疏散计划，后者更多的应用于工程建设中；而风暴海流的研究尚未引起足够重视，研究成果也不多见。但事实上，如海上石油平台、海底管线、港口建设等重大工程更多关注的是风暴这种极端天气条件下的水流分布，其垂向分布结构、底层流速等参数直接关系着工程能否长期、安全使用，关系到国计民生，因此对风暴过程中海流结构及时空变化的研究显得越来越迫切，本文写作构想即是在这种背景下产生的。
得出以下结论：
1）首先对实测潮位及流资料进行了风暴增水与风暴海流资料的提取，按照目前普遍应用的“差值分离法”（即风暴增水=实测潮位-预报潮位；风暴海流=实测流I-预报潮流I, ），经过计算得到两测站的实测风暴增水及风暴海流，并用它来率定数值模型，模型计算峰值与实测峰值符合较好，说明“差值分离法”对提取风暴海流是适用的。
2）对01、02站实测风暴海流资料分析表明，近岸01站水深较浅，风暴海流垂向变化较小；02站位于水道内，表层与中、底层流速变化较大，说明当水深浅时，水体是作为一个“整体”对风暴作出响应的。
同时，01、02两测站风暴增水曲线极为相似，出现峰值时间也基本相同，但最大风暴海流速出现是明显不同步的，时间上差异较大，说明流的局地性较强，受地形、岸形尤其是测站附近各“潮汐通道”水流影响较大。
3）当0205号台风（或北上型台风）来临时，在台风风场作用下，浙中沿海出现南下的风暴海流，风暴海流向主要受地形因素制约，表层受风影响较大。据对两观测站的分析，风暴海流量级可在80~110cm/s；据风暴海流模式计算结果，沿岸风暴海流可达100~200cm/s量级，可见风暴海流的流速量级是较大的，与潮流流速相当，这对海洋工程及沿岸物质输运都将产生重要影响，应该引起相关部门的注意。
在5612号台风（或登陆地在象山的台风）来临时，浙江近岸水域普遍出现南下的风暴海流，局地风暴海流流向还受地形及岸线的影响，在牛鼻山水道内，风暴海流表现为“落潮流”方向；台风登陆时，在牛鼻山水道内，水流表现为较强的“涨潮流”，大量海水进入象山港内，形成灾害；台风过境后，研究海域水体在强风作用下，形成貌似“涨潮流”的强流，其流向基本与风向一致。
总得来说，研究海域风暴流场主要受风场影响，流向与风向较为一致。
4）本文利用风暴海流模式对不同风拖曳力系数及底应力系数进行了实验，表明，风拖曳力系数对风暴增水及风暴海流的量值影响是较大的，经过对三个方案的比较，smith方案比其它两个方案验证结果更理想；同时也发现，对于单纯计算风暴增水而言，风拖曳力系数取为常数（即0.0026，在目前的二维风暴潮模式中应用较广泛）基本已满足要求。
底应力系数取值对风暴增水的影响较小，但对风暴海流的影响较大，经过比较，当曼宁系数取值为0.012时，计算结果更为理想，鉴于不同风暴潮模式中底应力表达式可能有所差异，可根据相关公式进行转换计算。
5）通过数模计算结果进行了风暴海流的大面流场分析，得出：在风暴湍切应力作用下，海水亦出现类似的气旋型环流，且随着风暴的移动而移动，但由于能量向深层水体传输需要一个过程，不同深度的海水环流中心出现明显的不同步、滞后现象；另从计算结果中可以知道，台风作用深度可到达水面下100米左右。
6）随着台风中心向更高纬度移动、科氏效应增强及风应力的减弱，由风场诱发的海水环流形状也将出现变化，逐渐偏离圆形流场，向椭圆形变化。
7）垂向涡粘系数大致呈（椭）圆形分布，圆心大致位于1/2水深处，其附近较大，并从圆心向四周（表层、底层及近岸水域）逐渐减小；圆心附近变化率较表、底层小。
8）台风中心由于低气压作用出现增水，海面上隆，由于质量连续，深层海水辐聚进行补偿，台风中心出现上升流，但流速相对较小；由于海面上隆，台风中心前后两侧出现水位梯度，形成辐散流动：前侧水面平坦、梯度小，流速不大，而后侧水位梯度较大，流速远远强于前侧。
9）本文最后用两种方法计算了研究海域的重现期流速及可能最大风暴海流速。并尝试着用重现期风暴海流速与可能最大潮流进行组合，求解极值流速，为工程上计算设计流速提供一个方法参考。
风暴海流;三维数值模拟;极值流速
国家海洋局第二海洋研究所
硕士
河口近岸动力学
羊天柱
2007
中文
P731.21
91
2008-07-28（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）