基于SWAN模式和折绕射模式的近岸海浪数值模拟

作者:李煊;李庆杰;周良明;王智峰; 刊名:海洋湖沼通报 上传者:陈翠霞

【摘要】基于SWAN模式和折绕射模式,本文对台湾海峡和平潭岛附近海域的海浪要素进行数值模拟.首先通过SWAN模式得到实时预报的高时空分辨率的波高、周期和波向等海浪要素数据,为折绕射模型提供波浪边界,进而对重点海区近岸波浪进行折绕射计算,最后对数值预报结果进行统计检验及预报分析.经过验证,预报结果与实测数据基本一致,预报效果较好.研究成果可为平潭海浪预警报业务提供技术支撑,也可为海浪灾害应急管理及沿海规划等提供参考依据.

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引言波浪是海洋环境要素中非常要重要的一种,灾害性海浪更是一种不可忽略的海洋灾害,研究海浪的传播变形对海洋工程、渔业捕捞、海上运输以及海上军事活动等方面都有重要意义。平潭岛位于台湾海峡西北部,岸线曲折,海况复杂,其面临的的西北太平洋台风活动频繁,台风导致的巨浪对平潭乃至福建省都会产生较大的影响,因而在平潭附近海区建立完整的海浪数值预报系统对于平潭附近海域海浪要素的研究和预报具有重要意义。海浪模拟预报数值模型的建立经历了一个漫长的发展过程。早在1944年,Sverdroup和munk[1]在二战期间为诺曼底登陆进行了早期海浪预报。1957年Gelci等人最先开展了基于能量平方程的海浪数值预报模式研究,在此基础上形成第1代海浪模式。1960年Hasselmann[2-4]严格推导出了描述组成波成长的普遍方程,之后证实了波-波间非线性能量转换的存在和重要性,发展出了第2代海浪模式。1985年WAN小组[5]开发出第3代海浪模式WAN模式,在此基础上Risetal和Booijetal[6]发展出了适用于海岸湖泊及河口地区的浅水波浪数值预报模式SWAN。海浪由外海传入近岸地区时,受地形变浅和岛屿的影响,会发生折射、绕射和破碎等现象。1972年,Berkhoff[7]在前人基础上推导出了二维线性传播方程,在此缓坡方程的基础上折绕射模型逐渐发展起来。1980年,Lozano等人[8]导出了线性的折射方程和抛物近似下的绕射方程,Kirby[9]给出缓坡上Stokes波的联合模型。1985年,Liu等[10]给出抛物近似法线性波的联合模型,同年Ebsole[11]给出线性波在缓坡上传播的联合模型。1989年,尹宝树[12]等针对Lozano模式中理论进行了改进,给出了更为完善的抛物金丝峡的折绕射联合模式。以此为基础,蒋德才[13-15]在1993年建立了折绕射数值模型并进行了数值实验。1995年,李孟国[16]指出应在浅水区考虑底摩擦作用,并将此联合折绕射数学模型应用于瓯江口海区。2000年喻天罡[17]引入破碎概率修正缓坡方程,建立了近岸波浪折射-绕射-破波耗散的有限元数值模式。1模型介绍1.1SWAN模型本研究中我们将利用第3代波浪模式SWAN(SimulatingWavesNearshore)构建平潭附近海域波浪实时预报系统。SWAN是由荷兰Delft技术大学(DelftUniversityofTechnology)研制开发的第3代近岸浅水海浪数值计算模式,经过多年的改进,已经逐渐趋于成熟。在许多浅海数值研究中得到了广泛的运用。SWAN利用波作用量密度谱对海浪进行描述。这是因为在流存在的情况下,波作用量密度是守恒的而能量密度不是守恒的。波作用量密度定义为能量密度除以固有频率:N(,;x,y,t)=E(),;x,y,t)/(1)波作用量的守恒方程在笛卡尔坐标下描述为:tN+xCxN+yCyN+CN+CN=S(2)其中,,x,y,t为频率、波向、空间和时间等几个坐标。方程左边的第1项代表波作用量密度在时间上的局地变化;第2和第3项代表在空间的传播;第4项代表由于水深和流的变化引起的折射;第5项表示水深和流引起的折射,方程右边S是源项,它代表了波能的产生,耗散和再分布。其中S=Sin+Sn/3+Sn/4+Sds,w+Sds,b+Sds,br(3)Sin为风能输入项,Sm/3和Sn/4是3波和4波相互作用,Sds,w代表白冠破碎,Sds,b表示底摩擦引起的耗散,Sds,br表示水深变浅引起的波浪破碎。cx和cy为在x和y方向的相速度,c,c谱空间的传播速度;这些传播速

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