波流耦合模型下风浪的推算

摘要

开发利用海洋资源已经是一个趋势，对我国而言开发利用南海这一巨大宝库也是必然的选择，狂风恶浪是必然要面对的一个巨大挑战，然而南海海域面积约为350万平方公里，实测资料缺乏，进行风浪的推算就显得尤为重要。再以往的研究中多直接采用SWAN模式进行风浪的推算，本文考虑波浪和潮流的相互作用，基于南海和台湾海峡的实际地形以及真实的季风和台风风场，对发生在南海和台湾海峡区域的风浪进行推算。耦合数学模型中，波浪模块采用的是基于SWAN改进的模型FVCOM-SWAVE，它和SWAN考虑的物理机理相同，只是在数值离散上采用与FVCOM相同的有限体积法以便于耦合的实现，环流模型采用的是FVCOM。
　　本文通过与Hamm波生流经典物理模型实验对比，结果验证耦合模型的可靠的。使用FVCOM的二维环流模式对南海海域(4°N～26.5°N，100°E～122.5° E)的潮汐、潮流场模拟，与验潮站M2、S2、K1、O1这四个主要分潮调和数据对比，并绘制南海海域的同潮时图，验证结果表明对模拟结果的是可靠的，从而为后面波流耦合模型提供可靠的水位强迫边界。利用耦合模型推算“启德”、“天兔”和季风风浪，在与非耦合模型及实测数据对比后发现，波流耦合下结果会跟符合实测结果，利用耦合模型可以改进风浪模拟的精度。耦合模型计算波浪步长通常在1min左右，计算耗时较长，耦合模型与非耦合模型在波高模拟的整体分布上比较相近，在通常模式下采用SWAN进行模拟也是可行的。波流相互作用对风浪波高模拟会有空间差异，主要体现在近岸区域和台湾海峡地区，建议关心区域位于200m水深以下时风浪推算时考虑波流相互作用。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究目的与意义

1．2 台风风场研究进展

1．3 波浪及波流耦合模型研究进展

1．3．1 动谱平衡方程海浪模型

1．3．2 波流耦合模型研究进展

1．4 本文研究内容

2 数值模式介绍

2．1 FVCOM环流模式介绍

2．1．1 基于直角坐标系的控制方程

2．1．2 垂向σ坐标变换

2．1．3 内外模分离算法

2．1．4 模型定解边界条件

2．1．5 干湿网格处理

2．1．6 模型网格设计

2．1．7 方程的数值求解

2．2 海浪模式FVCOM-SWAVE介绍

2．2．1 SWAN模式控制方程

2．2．2 SWAN模式对于源汇项的处理

2．2．3 FVCOM-SWAVE模式数值方法

2．3 波流耦合模型

2．3．1 水流模块

2．3．2 波浪模块

2．2．3 耦合机制

2．4 本章小结

3 波流耦合模型验证

3．1 Hamm理想地形模拟

3．1．1 实验介绍

3．1．2 模型设置

3．1．3 实验结论

3．2 波流耦合模型台风天兔的台风浪推算

3．2．1 台风“天兔”简介

3．2．2 实验方案介绍

3．2．3 模式结果验证

3．2．4 流场对台风浪时空分布的影响

3．3 本章小结

4 南海潮汐潮流数值模拟

4．1 数据介绍

4．1．1 岸线和水深数据

4．1．2 调和常数数据

4．2 计算区域与网格划分

4．3 边界和初始条件

4．4 模型结果验证

4．5 潮汐分布

4．5．1 全日潮分布特征

4．5．2 半日潮分布特征

4．6 本章小结

5 波流耦合模型在风浪的推算及影响分析

5．1 波流耦合模型台风浪的推算及影响分析

5．1．1 启德风场

5．1．2 方案设置

5．1．3 模式设置

5．1．4 模拟结果验证

5．1．5 波流相互作用对台风浪时空分布的影响

5．2 波流耦合模型季风浪的推算及影响分析

5．2．1 实测资料介绍

5．2．2 实验方案介绍

5．2．3 模式设置

5．2．4 NCEP再分析风场介绍

5．2．5 模拟结果验证

5．2．6 波流相互作用对季风风浪时空分布的影响

5．3 本章小结

6 结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢