台风条件下近岸浪流相互作用的数值研究

Studies have demonstrated that the wave-current interaction plays an important role in the nearshore hydrodynamic and sediment transport processes, and this effect is more pronounced under typhoon conditions. Establishment of a wave-current coupled model is an important method and a trend for studying the wave-current interactions. Insufficient consideration is taken on the vertical structure of the current when studying the effect of current on surface waves, based on a wave-current coupled model. Another problem is that less simultaneous observations of waves and currents under typhoon conditions were done in the past, so it is difficult to verify such numerical simulation results. In this project, effect of the vertical structure of the current on surface waves is firstly studied based on the numerical tank, and the research conclusion will be considered in the following wave-current coupled model. A wave-current coupled model considering a variety of coupling mechanisms will be established for Fujian sea area, and this model will be verified by the simultaneously measured wave and current data under typhoon conditions. The effect of different coupling mechanisms on the surface waves, water level and three-dimensional currents, under typhoon conditions, will be studied by means of designing numerical experiments considering different coupling methods, and the relative importance of different coupling mechanisms will be evaluated. This study will lead to further understanding of the wave-current interaction, and thus improve the physical mechanisms of the wave-current coupled model, having important scientific significance and application value.

已有研究证实，浪流相互作用对近岸的水动力和泥沙输运等过程有着重要的作用，在台风过程中，这种作用更加明显。研究海浪和海流之间的相互作用，建立浪流耦合模式是一个非常重要的手段和趋势。目前利用耦合模式，研究海流对海浪的影响时，海流的垂向结构考虑不足，同时，由于台风条件下所进行的海浪和海流同步观测较少，对该条件下的模拟结果验证也较难进行。本课题拟首先利用数值水槽研究海流垂向结构对海浪的影响，并将研究结论用在之后的浪流耦合模式中。针对福建海域建立考虑多种耦合机制的浪流耦合模式，利用台风期间的海浪和海流同步观测资料，对该耦合模式进行验证。之后通过设计考虑不同浪流耦合机制的数值试验，研究台风条件下不同耦合机制对海浪、水位和三维流场的影响机制和程度，评估不同耦合机制的相对重要性。该研究将加深对浪流相互作用的认识，完善浪流耦合模式的机制，具有重要的科学意义和应用价值。

围绕项目的研究目标，研究了台风条件下浪流相互作用对海流、风暴潮和海浪的影响。在该项目支持下，建立了基于耦合器耦合的非结构网格的SWAN+ADCIRC耦合模式，当计算核数足够多时，耦合器耦合模式的最高计算效率比直接耦合模式的最高效率提高35%以上；基于该耦合模式，研究了台风条件下浪致辐射应力对风暴潮和近岸流的影响；研究了台风条件下海浪通过风应力对风暴潮的影响；研究了时空变化的水位和流场对近岸浪的影响；基于非结构网格的浪流耦合模式，模拟了1997-2016年间，所有影响浙江和福建海域的台风过程期间的风暴潮和海浪过程，并分析了过去20年间（1997-2016）该海域的台风风暴潮变化趋势及其与ENSO的关系。.研究显示，在耦合模式中，如果同时考虑海浪对风应力的影响、浪致辐射应力以及海流和水位变化对海浪的调制作用，模拟得到的海浪和风暴潮与实测结果更加符合。进一步的研究显示，在该次台风过程中，浪致辐射应力的作用，可以使近岸风暴潮增水增加，最大可达0.75米，而通过考虑海浪对风应力的影响，却可使近岸最大风暴潮增水变化-0.82至0.49米。此外，通过分析浙江和福建海域多年的台风风暴潮结果发现，福建北部海域风暴潮灾害有增加的风险。.该研究将为业务化风暴潮和海浪耦合预报模式的选取提供依据，同时对于防灾减灾也具有重要的意义。