Nghiên cứu mô hình thủy động lực và sóng cho mô phỏng triều bão: Trường hợp bão Floyd 1999

Luận án tiến sĩ phân tích coupling of hydrodynamic and wave models for storm tide simulations a case study for hurricane, xây dựng cơ sở lý luận, kiểm chứng thực nghiệm, đóng góp

• Tác giả: Yuji Funakoshi
• Người hướng dẫn: Dr. Scott C. Hagen
• Trường học: University of Central Florida
• Chuyên ngành: Civil and Environmental Engineering
• Đề tài: Coupling of Hydrodynamic and Wave Models for Storm Tide Simulations: A Case Study for Hurricane Floyd (1999)
• Loại tài liệu: dissertation
• Năm xuất bản: 2006
• Địa điểm: Orlando

Mục lục chi tiết

• 1. CHAPTER 1: INTRODUCTION
• 1.1. The Western North Atlantic Tidal (WNAT) Model Domain
• 2. CHAPTER 2: WAVE MECHANICS AND DYNAMICS
• 2.1. The Basic Types of Ocean Waves
• 2.2. Statistical Treatment of Wind Waves
• 2.3. Generation of Wind Waves
• 2.4. The Governing Equation for Wind Waves and Swell
• 2.5. Tides and Tidal Currents
• 2.6. The Governing Equations for Tides and Storm Surges
• 2.7. The Depth-Integrated Equations
• 3. CHAPTER 3: LITERATURE REVIEW
• 3.1. Coupling of Wave and Hydrodynamic Models
• 3.2. Coupling of Wave model and Atmospheric Models
• 3.3. Coupling of Hydrodynamic and Atmospheric Models
• 3.4. Ultimate Coupling Model and Discussion
• 4. CHAPTER 4: MODEL DESCRIPTIONS
• 4.1. WAM and SWAN
• 4.2. Wave Radiation Stresses
• 4.3. Wind Field Model
• 4.4. Wind Stresses for ADCIRC-2DDI
• 4.5. Wind Stresses for WAM and SWAN
• 5. CHAPTER 5: FINITE ELEMENT MESHES AND FINITE DIFFERENCE GRID DEVELOPMENT
• 5.1. Johns River Region
• 5.2. Finite Element Mesh Development
• 5.2.1. The Global-Scale ADCIRC Mesh (WNAT-SJR Mesh)
• 5.2.2. The Local-Scale ADCIRC Mesh (Pseudo-Operational Mesh)
• 5.3. Finite Difference Grid Development
• 5.3.1. The Global-Scale WAM Grid
• 5.3.2. The Local-Scale SWAN Grid
• 5.4. Coupling Model Domain
• 6. CHAPTER 6: MODEL SETUP
• 6.1. The ADCIRC Model
• 6.1.1. Astronomical Tides Verification
• 6.1.2. River Inflow Verification
• 6.1.3. Hurricane Floyd Wind Forcing Verification
• 6.1.4. Coupling of the SWAN model for Hurricane Floyd Storm Tide Simulation
• 6.2. The SWAN Model
• 6.3. Model Output Locations
• 7. CHAPTER 7: SIMULATION RESULTS
• 7.1. The ADCIRC Model Simulation
• 7.1.1. Astronomical Tide Verification
• 7.1.2. River Inflow Verification
• 7.1.3. Wind Forcings Verification and 122-day Simulation
• 7.1.4. Hydrograph Boundary Condition Verification
• 7.1.5. Hurricane Floyd Wind Forcings Verification
• 7.2. The Uni-Coupling Model Simulation
• 7.2.1. The Uni-Coupling Procedure
• 7.2.2. Wind-Induced Wave Verification
• 7.3. The Coupling Model Simulation
• 7.3.1. The Coupling Procedure
• 7.3.2. Wave-Current Interaction Verification
• 7.3.5. Creation of the Best Hydrograph
• 8. CHAPTER 8: CONCLUSION AND FUTURE WORK
• APPENDIX A: ADCIRC-2DDI INPUT FILE: MESH DESCRIPTION
• APPENDIX B: ADCIRC-2DDI INPUT FILE: MODEL PARAMETER
• APPENDIX C: SWAN INPUT FILE: MODEL PARAMETER
• APPENDIX D: NUMERICAL SIMULATION RESULTS: THE ADCIRC RESULTS
• APPENDIX E: NUMERICAL SIMULATION RESULTS: THE UNI-COUPLING AND COUPLING RESULTS
• LIST OF REFERENCES

Tóm tắt

I. Mô hình thủy động lực và sóng trong mô phỏng triều bão

Nghiên cứu này tập trung vào việc phát triển mô hình thủy động lực ADCIRC-2DDI và mô hình sóng SWAN để mô phỏng triều bão. Mô hình thủy động lực được sử dụng để tính toán thủy triều và nước dâng, trong khi mô hình sóng SWAN mô phỏng sóng do gió tạo ra. Sự kết hợp giữa hai mô hình này cho phép nghiên cứu tác động của sóng lên triều bão, đặc biệt là trong trường hợp bão Floyd 1999. Kết quả cho thấy sóng do gió làm tăng mực nước đỉnh triều bão khoảng 10-15% so với khi không có sự kết hợp.

1.1. Mô hình thủy động lực ADCIRC 2DDI

Mô hình thủy động lực ADCIRC-2DDI giải quyết các phương trình nước nông phi tuyến tính, tích hợp độ sâu hai chiều. Mô hình này tính toán thủy triều và nước dâng dựa trên các yếu tố như thủy triều thiên văn, dòng chảy từ các nhánh sông, tác động khí tượng (gió và áp suất), và sóng do gió tạo ra. Mô hình hóa thủy văn này cho phép mô phỏng chính xác các hiện tượng thủy động lực học trong khu vực ven biển và cửa sông.

1.2. Mô hình sóng SWAN

Mô hình sóng SWAN là mô hình thế hệ thứ ba, được sử dụng để mô phỏng sóng do gió tạo ra trong khu vực ven biển và cửa sông. Mô hình này dựa trên phương trình cân bằng năng lượng sóng, được điều khiển bởi gió, mực nước biển và điều kiện dòng chảy. Mô phỏng sóng này cung cấp thông tin về các thông số sóng, hỗ trợ việc nghiên cứu tác động của sóng lên triều bão.

II. Nghiên cứu trường hợp bão Floyd 1999

Nghiên cứu này áp dụng mô hình thủy động lực và mô hình sóng để mô phỏng triều bão trong trường hợp bão Floyd 1999. Bão Floyd là một cơn bão nhiệt đới mạnh, gây ra thiệt hại lớn dọc theo bờ biển Đông Bắc Mỹ. Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương tác giữa sóng và dòng chảy làm giảm đỉnh và tăng đáy trong đồ thị thủy triều. Nghiên cứu trường hợp này cung cấp cái nhìn sâu sắc về cơ chế hình thành triều bão và tác động của sóng lên mực nước.

2.1. Mô phỏng triều bão

Mô phỏng triều bão được thực hiện bằng cách kết hợp mô hình thủy động lực ADCIRC-2DDI và mô hình sóng SWAN. Kết quả cho thấy sóng do gió làm tăng mực nước đỉnh triều bão khoảng 10-15% so với khi không có sự kết hợp. Triều cường và bão lũ được mô phỏng chính xác, giúp dự báo và quản lý rủi ro lũ lụt tại các khu vực ven biển.

2.2. Tương tác sóng và dòng chảy

Sự tương tác giữa sóng và dòng chảy được mô tả thông qua mô hình kết hợp. Kết quả cho thấy tương tác này làm giảm đỉnh và tăng đáy trong đồ thị thủy triều. Động lực học sóng và động lực học biển được nghiên cứu chi tiết, cung cấp thông tin quan trọng cho việc dự báo thời tiết và quản lý rủi ro thiên tai.

III. Ứng dụng thực tiễn và giá trị nghiên cứu

Nghiên cứu này cung cấp một nguyên mẫu cho việc mô phỏng thời gian thực triều bão và sóng, hỗ trợ các nỗ lực dự báo lũ quét và mực nước sông của các trung tâm dự báo thời tiết quốc gia. Mô hình toán học và mô phỏng khí tượng được sử dụng để dự báo chính xác các hiện tượng thời tiết cực đoan. Kết quả nghiên cứu có giá trị cao trong việc quản lý rủi ro thiên tai và bảo vệ cộng đồng ven biển.

3.1. Dự báo thời tiết và quản lý rủi ro

Dự báo thời tiết và quản lý rủi ro được cải thiện đáng kể nhờ việc sử dụng mô hình thủy động lực và mô hình sóng. Nghiên cứu này cung cấp công cụ mạnh mẽ để dự báo và quản lý các hiện tượng thời tiết cực đoan như bão nhiệt đới và triều bão.

3.2. Bảo vệ cộng đồng ven biển

Kết quả nghiên cứu giúp bảo vệ cộng đồng ven biển bằng cách cung cấp thông tin chính xác về triều bão và sóng. Thủy văn học và động lực học biển được áp dụng để phát triển các chiến lược quản lý rủi ro thiên tai hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

COUPLING OF HYDRODYNAMIC AND WAVE MODELS FOR STORM TIDE SIMULATIONS: A CASE STUDY FOR HURRICANE FLOYD (1999) by YUJI FUNAKOSHI B. Chuo University, Tokyo, Japan, 2000 M. Chuo University, Tokyo, Japan, 2002 A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in the Department of Civil and Environmental Engineering in the College of Engineering and Computer Science at the University of Central Florida Orlando, Florida Fall Term 2006 Major Professor: Scott C. Hagen UMI Number: 3242434 UMI Microform 3242434 Copyright 2007 by ProQuest Information and Learning Company.

All rights reserved. This microform edition is protected against unauthorized copying under Title 17, United States Code. ProQuest Information and Learning Company 300 North Zeeb Road P. Box 1346 Ann Arbor, MI 48106-1346 © 2006 Yuji Funakoshi ii ABSTRACT This dissertation presents the development of a two-dimensional St.

Johns River model and the coupling of hydrodynamic and wave models for the simulation of storm tides. The hydrodynamic model employed for calculating tides and surges is ADCIRC-2DDI (ADvanced CIRCulation Model for Shelves, Coasts and Estuaries, Two-Dimensional Depth Integrated) developed by Luettich et al. The finite element based model solves the fully nonlinear shallow water equations in the generalized wave continuity form. Hydrodynamic applications are operated with the following forcings: 1) astronomical tides, 2) inflows from tributaries, 3) meteorological effects (winds and pressure), and 4) waves (wind-induced waves).

The wave model applied for wind-induced wave simulation is the third-generation SWAN (Simulating WAves Nearshore), applicable to the estimation of wave parameters in coastal areas and estuaries. The SWAN model is governed by the wave action balance equation driven by wind, sea surface elevations and current conditions (Holthuijsen et al. The overall work is comprised of three major phases: 1) To develop a model domain that incorporates the entire East Coast of the United States, Gulf of Mexico and Caribbean Sea, while honing in on the St. Johns River area; 2) To employ output from the SWAN model with the ADCIRC model and produce a uni-directional coupling of the two models in order to investigate the effects of the wave radiation stresses; 3) To couple the ADCIRC model with the SWAN model to describe the complete interactions of the two physical processes.

iii Model calibration and comparisons are accomplished in three steps. First, astronomical tide simulation results are calibrated with historical NOS (National Ocean Service) tide data. Second, overland and riverine flows and meteorological effects are included, and computed river levels are compared with the historical NOS water level data. Finally, the storm tides generated by Hurricane Floyd are simulated and compared with historical data.

This research results in a prototype for real-time simulation of tides and waves for flash flood and river-stage forecasting efforts of the NWS Forecasting Centers that border coastal areas. The following two main conclusions are reported: 1) regardless of whether one uses uni-coupling or coupling, wind-induced waves result in an approximately 10 – 15 % higher peak storm tide level than without any coupling; and 2) the wave-current interaction described by the coupling model results in decreasing peaks and increasing troughs in the storm tide hydrograph. Two main corollary conclusions are also drawn from a 122-day hindcast for the period spanning June 1 – October 1, 2005. First, wind forcing for the St.

Johns River is equal to or greater than that of astronomic tides and generally supersedes the impact of inflows, while pressure variations have a minimal impact. Secondly, water levels inside the St. Johns River depend on the wind forcings in the deep ocean; however, if one applies an elevation hydrograph boundary condition from a large-scale domain model to a local-scale domain model the results are highly accurate. iv ACKNOWLEDGMENTS I would like to express my appreciation to those people whose assistance helped me finalize this research.

First, I would like to thank Dr. Hagen for his exceptional support and advice on this project as well as the many pleasant conversations I had with him during my stay at UCF. I also would like to thank Dr. Gour-Tsyh Yeh, Dr.

Necati Catbas, and Dr. Alain Kassab for agreeing to serve on my committee; Dr. Pedro Restrepo of NOAA/NWS/OHD and Ms. Reggina Cabrera of SERFC, for providing the vital information about the St.

Johns River; Dr. Sucsy of SJRWMD, for providing the bathymetric data associated with the St. Johns River; Andrew T. Cox of Oceanweather Inc., for providing the wind field information; R.

Jensen of USACE, for providing the wave field information; Peter Bacopoulos, for checking the English usage in this dissertation; and many thanks to both current and past lab members: Daniel Dietsche, Derek Giardino, David Coggin, Juliano Elias, Michael Parrish, Mike Salisbury, Ryan Murray, Satoshi Kojima, Naeko Takahashi, and Qing Wang. Last but not least, I am very grateful to have such a wonderful family in my life. This research was in part conducted under award NA04NWS4620013 from the National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA), U. Department of Commerce, and Award N00014- 02-1-0150 from the National Oceanographic Partnership Program (NOPP) administered by the Office of Naval Research (ONR).

The statements, findings, conclusions, and recommendations are those of the authors and do not necessarily reflect the views of NOAA, the Department of Commerce, ONR or NOPP and its affiliates. v TABLE OF CONTENTS LIST OF FIGURES. x LIST OF TABLES. xvii LIST OF ABBREVIATIONS.

xviii CHAPTER 1 INTRODUCTION .1 The Western North Atlantic Tidal (WNAT) Model Domain. 8 CHAPTER 2 WAVE MECHANICS AND DYNAMICS.1 The Basic Types of Ocean Waves .1 Statistical Treatment of Wind Waves .2 Generation of Wind Waves.4 The Governing Equation for Wind Waves and Swell .5 Tides and Tidal Currents.7 The Governing Equations for Tides and Storm Surges .1 The Depth-Integrated Equations. 32 CHAPTER 3 LITERATURE REVIEW .1 Coupling of Wave and Hydrodynamic Models .2 Coupling of Wave model and Atmospheric Models .3 Coupling of Hydrodynamic and Atmospheric Models.4 Ultimate Coupling Model and Discussion. 43 CHAPTER 4 MODEL DESCRIPTIONS.2 WAM and SWAN.1 Wave Radiation Stresses.3 Wind Field Model.1 Wind Stresses for ADCIRC-2DDI.2 Wind Stresses for WAM and SWAN.

60 CHAPTER 5 FINITE ELEMENT MESHES AND FINITE DIFFERENCE GRID DEVELOPMENT. Johns River Region.2 Finite Element Mesh Development .1 The Global-Scale ADCIRC Mesh (WNAT-SJR Mesh) .2 The Local-Scale ADCIRC Mesh (Pseudo-Operational Mesh) .3 Finite Difference Grid Development .1 The Global-Scale WAM Grid .2 The Local-Scale SWAN Grid .4 Coupling Model Domain. 77 CHAPTER 6 MODEL SETUP.1 The ADCIRC Model.1 Astronomical Tides Verification.2 River Inflow Verification.3 Hurricane Floyd Wind Frocing Verification.4 Coupling of the SWAN model for Hurricane Floyd Storm Tide Simulation .2 The SWAN Model .3 Model Output Locations. 82 CHAPTER 7 SIMULATION RESULTS .1 The ADCIRC Model Simulation .1 Astronomical Tide Verification .2 River Inflow Verification.3 Wind Forcings Verification and 122-day Simulation .4 Hydrograph Boundary Condition Verification .5 Hurricane Floyd Wind Forcings Verification .2 The Uni-Coupling Model Simulation .1 The Uni-Coupling Procedure .2 Wind-Induced Wave Verification.3 The Coupling Model Simulation .1 The Coupling Procedure .2 Wave-Current Interaction Verification .5 Creation of the Best Hydrograph.

138 CHAPTER 8 CONCLUSION AND FUTURE WORK. 145 APPENDIX A ADCIRC-2DDI INPUT FILE: MESH DESCRIPTION. 146 APPENDIX B ADCIRC-2DDI INPUT FILE: MODEL PARAMETER. 148 APPENDIX C SWAN INPUT FILE: MODEL PARAMETER.

153 APPENDIX D NUMERICAL SIMULATION RESULTS: THE ADCIRC RESULTS. 155 APPENDIX E NUMERICAL SIMULATION RESULTS: THE UNI-COUPLING AND COUPLING RESULTS. 192 LIST OF REFERENCES. 207 ix LIST OF FIGURES Figure 1.1: The WNAT model domain with boundary.3: Hurricane Floyd track September 6 to 18, 1999 (NOAA).4: Hurricane Floyd maximum wind speed (mph, blue line) and minimum pressure (mb, red line) September 8 to 17, 1999 (NOAA).1: Schematic distribution of wave energy in frequencies (Massel 1996).2: Energy spectrum of waves (Bowden 1983).3: Definition of a directional wave spectrum (Bowden 1983).4: Forces involved in the formation of a spring tide (PhysicalGeography.5: Forces involved in the formation of a neap tide (PhysicalGeography.1: A schematic of the storm tides (Graber et al.2: A schematic of one- and two-way coupling of wave and hydrodynamic models.3: A schematic of coupling of wave and atmospheric models.4: An image from the first ocean circulation/atmospheric coupling model (Manabe et al.5: A schematic of coupling of wave and hydrodynamic models.6: A schematic of coupling of wave, hydrodynamic, and atmospheric models.1: Hurricane Floyd wind field.

Johns River region. Johns River and major drainage basins (Sucsy and Morris 2002).3: Finite element mesh for the WNAT-SJR model.4: Bathymetry for the WNAT-SJR model.5: Finite element mesh and bathymetry for St.6: Finite element mesh and bathymetry for the St. Johns River: inset α .7: Finite element mesh and bathymetry for the St. Johns River: inset β .8: Finite element mesh and bathymetry for the St.

Johns River: inset γ .9: Finite element mesh and bathymetry for the St. Johns River: inset δ .10: Finite element mesh and bathymetry for the Pseudo-Operational model.11: Wave field of the WAM model and maximum significant wave height generated by Hurricane Floyd (1999).12: Finite difference grid for the SWAN domain.13: Bathymetry for the SWAN domain.14: Overlapped finite element mesh and finite difference grid and NOS tidal gauge stations.1: NOAA\NOS tidal gauge locations for the Florida Atlantic Coast and the St.1: Astronomical tide comparison at Mayport.2: Astronomical tide comparison at I-295 Bridge West End.3: Astronomical tide comparison at Wekala.4: a) USGS gauge and river inflow locations and b) a relationship between precipitation [in] and average wind speed [mph] at Sanford.5: River level comparison at Mayport.6: River level comparison at I-295 Bridge West End.7: River level comparison at Buffalo Bluff.8: a) The 2005 Atlantic storm tracks and timeline (Wikipedia) and b) precipitation [in] and average wind speed [mph] at Jacksonville during simulation period.9: River level comparison at Main Street Bridge.10: Water level comparison (September 1 through 15, 2005) at Mayport.11: Water level comparison (September 16 through 30, 2005) at Mayport.12: Water level comparison (September 1 through 15, 2005) at I-295 Bridge.13: Water level comparison (September 16 through 30, 2005) at I-295 Bridge.14: Water level comparison (September 1 through 15, 2005) at Buffalo Bluff.15: Water level comparison (September 16 through 30, 2005) at Buffalo Bluff.16: Water level comparison (September 1 through 15, 2005) at Mayport.17: Water level comparison (September 16 through 30, 2005) at Mayport.18: Water level comparison (September 1 through 15, 2005) at I-295 Bridge.19: Water level comparison (September 16 through 30, 2005) at I-295 Bridge.20: Water level comparison (September 1 through 15, 2005) at Buffalo Bluff.21: Water level comparison (September 16 through 30, 2005) at Buffalo Bluff.22: Water level comparison based on the wind forcings at Fernandina Beach.23: Water level comparison based on the wind forcings at Mayport.24: Water level comparison based on the wind forcings at St.25: Water level comparison based on the wind forcings at Wekala.26: Water level comparison applying two domain sizes and hydrograph boundary conditions at Mayport.27: Water level comparison with various bottom frictions at Mayport.28: Water level comparison with various bottom frictions at Fernandina Beach.29: Water level comparison with several drag coefficients at Mayport.30: Water level comparison with several drag coefficients at Wekala.31: A diagram of uni-coupling SWAN and ADCIRC models.32: Water level comparison in non- and uni-couplings at Fernandina Beach.33: Water level comparison in non- and uni-couplings at Mayport.34: Water level comparison in non- and uni-couplings at St.35: Nested SWAN domain.36: Water level comparison using different boundary conditions at Mayport.37: Water level comparison applying the different modes in SWAN at Mayport.38: The methodology of the coupling of SWAN and ADCIRC models.39: Water level comparison among three models at Fernandina Beach.40: Water level comparison among three models at Mayport.41: Water level comparison among three models at St.42: Water level comparison used several exchange times at Mayport.43: Water level comparison by applying the hydrograph BC at Mayport.44: Maximum storm tide counters with the coupling model around Mayport.45: Water level comparison in three hydrographs at Fernandina Beach.46: Water level comparison in three hydrographs at Mayport.47: Water level comparison in three hydrographs at St.1: Simulation results (1 – 3, 1-4) at WWTD Mayport Naval Station.