寒潮和台风期间渤海波浪响应特征及动力机制研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 彭婕 |
| 答辩日期 | 2024-11-27 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 导师 | 毛淼华 |
| 英文摘要 | 寒潮和台风是影响我国海洋动力环境，造成海洋波浪灾害的重要天气过程。渤海作为我国最北端的内陆海，频繁受到寒潮影响。同时，由于近年来西北太平洋台风的强度和频率增大，并且台风路径呈现极向迁移趋势，渤海的台风事件也值得关注。由于受到风区限制和浅水环境作用的影响，半封闭海中的波浪动力学更为复杂，有进一步研究的必要性。本论文以渤海为研究海域，通过数值模拟和观测数据相结合的方法，对半封闭海在寒潮和台风期间的波浪特征及动力过程进行研究，从而为极端天气条件下波浪灾害的预报预警提供科学依据，并且为近岸工程建设与港口航道等项目的设计和施工提供重要参考。本研究主要包括以下三个部分。 首先，利用第三代波浪模型 SWAN（Simulating Waves Nearshore）模拟四次不同强度寒潮事件下（2014 和 2022 年西北风向与 2015 和 2021 年东北风向）渤海的波浪特征、时空演化、主导海况以及波高对风场（风向、风速、风时和风区等条件）的敏感性，对波浪在半封闭海的生成过程进行系统的研究。结果表明，在寒潮过程中，风是波浪产生的主要原因，各海区的海况主要是风浪主导的。由于两次寒潮事件的风区差异有限，并且高风速的持续时间较短，因此两者产生的最大有效波高数值相似。本研究还对各种波浪耗散所主导的海域进行空间量化，并对波浪向岸传播过程中各类能量耗散的变化情况进行讨论。白浪耗散在深水区占主导，当波浪向岸传播到达 5-10 米水深时，底摩擦耗散逐渐占主导。水深诱导的波浪能量耗散集中在南部近岸的一条狭长海域但强度明显高于白浪与底摩擦耗散。在此基础上将水动力模型 FVCOM（Finite Volume Community Ocean Model）与 SWAN 进行单向耦合，定量分析水位增减与海表流速对有效波高时空分布的影响。东北风寒潮事件中，南部近岸由于风暴潮增水导致该区域有效波高增大（最大值达到 0.59 米）；渤海中部海盆海表流向与波向趋于一致，这导致了有效波高减小（最大值达到-0.30 米）。 其次，应用 SWAN模拟五次不同路径台风事件中渤海波浪的时空变化特征。通过分析波浪谱数据，对波浪谱峰值个数、波浪能量密度以及主导海况进行研究。结果表明有效波高分布与台风路径和台风风场结构有关。从渤海中部穿过的台风（温比亚（2018）和烟花（2021））的高波浪能对应的主导海况为涌浪和混合海况，对应的时间段为台风中心到达前和离开后。对于沿渤海边缘经过的台风（麦德姆（2014）、利奇马（2019）和梅花（2022）），高波浪能对应的主导海况为风浪，对应的时间段为于台风中心经过时。在渤海，因为风区长度受到半封闭海地理特征限制，台风路径左侧（渤海湾）比路径右侧（莱州湾）的波浪能量密度高。在开阔海域中由于台风移动速度与气旋风速叠加，通常台风路径右侧的波浪能量密度较大，这突出体现了半封闭浅海与开阔大洋的差异性。在此基础上建立最大风速半径（ ）参考系，系统讨论不同象限内的波浪谱特征。研究表明，涌浪通常在 半径范围内占主导，而风浪主导其他区域。风浪和涌浪的传播方向具有显著差异的双峰波浪谱主要出现在第二、三象限的1/2 和 位置上。 最后，针针对台风和冷空气共同影响渤海的特殊事件利奇马（2019），采用修正的 Rankine 气旋模型进行混合风场分离。研究了台风气旋风场和背景西北向冷空气风场对波浪产生及主导海况的相对贡献。结果表明，当台风气旋的前部开始影响渤海时，混合风场对有效波高产生加强作用。随着冷空气侵入台风中心，混合风场与两类分离风场相比分别对不同海区的有效波高值产生了抑制作用。台风过境期间莱州湾的海况变化最强，台风中心进入莱州湾前，两类风场均具有正向作用，形成以涌浪为主导的海况；随着台风中心进入，莱州湾逐渐成为一个低风速海区，背景冷空气风场产生的涌浪占据主导地位。同时本文探讨了更频繁入侵渤海的东北冷空气与台风气旋叠加时的情况。研究发现，新的混合风场会在渤海湾湾口产生超过 7 米的灾害性波浪。这项工作揭示了台风和冷空气共同影响下渤海波浪的生成机制，提高了对此类特殊事件下波浪动力学机制研究的认识。 本工作通过对渤海在寒潮与台风等极端天气过程中的波浪动力学研究进行系统梳理，对近岸海区波浪预报模式改进以及波浪灾害的预警工作提供重要的科学参考。本论文涉及到海洋动力学中的强风、气旋、波浪生成、波高分布、海况、波浪能量耗散、风暴潮水位、流速等诸多研究对象，并且突出体现了风区有限的半封闭浅海中的波浪动力学相较于开阔大洋具有特殊性，将对其他半封闭海区在极端天气下的波浪研究具有重要的参考意义。 |
| 语种 | 中文 |
| 源URL | [http://ir.yic.ac.cn/handle/133337/38082]  |
| 专题 | 中科院烟台海岸带研究所知识产出_学位论文 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 彭婕. 寒潮和台风期间渤海波浪响应特征及动力机制研究[D]. 中国科学院大学. 2024. |
入库方式： OAI收割
来源：烟台海岸带研究所
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