波浪边界层模型与SWAN的耦合及风浪相互作用研究

摘要

在波浪边界层平衡域谱模型和波浪边界层动量-能量模型的基础上,建立了波浪边界层模型并与SWAN 进行了耦合.耦合模型利用SWAN 计算海浪谱的含能部分,与波浪边界层内平衡域的解析谱相结合,并通过波浪边界层内的动量和能量守恒计算浪致应力和局地湍流应力并最终决定平均风速剖面.模型中仅涉及一个需依经验确定的经验参数,即遮蔽波长. 本文通过几组数值实验研究了定常均匀风场作用下的充分成长风浪的特性. 结果显示,充分成长风浪条件下本文得到的遮蔽波长估计值处在前人研究给出的合理范围内;无因次粗糙度（Charnock 系数）与无因次波龄的幂成正比,但比例系数与文献结果相比小很多;本文给出的无因次粗糙度随摩擦风速增大而略有减小,其值在0.007和0.0185 之间;高风速下本文计算得到的拖曳系数与SWAN 原始的拖曳系数参数化方案相比较小,低风速时则与经典研究结果吻合;波浪边界层内的风速剖面不再是经典的对数廓线,而是在波浪边界层顶部略陡于对数廓线,波浪边界层底部附近风速剖面变得平缓. 此外本文还针对不同方向的涌浪对波浪边界层结构的影响进行了研究.研究发现当涌浪有与风浪反向的分量但不共线时湍流应力在波浪边界层顶部被抑制,在底部被加强;平均风速剖面在波浪边界层顶部变缓（相对于不存在涌浪的情况） ，在底部变陡;涌浪朝向其他方向传播时则与此相反.遮蔽波长、粗糙度和拖曳系数等参量在涌浪有与风浪反向的分量但不共线时存在一个突变,其他情况下遮蔽波长小于纯风浪值,粗糙度和拖曳系数大于纯风浪值. 利用波浪边界层模型与SWAN的耦合模型计算了飓风Katrina 作用下的风浪场.计算得到的有效波高与浮标实测数据的对比显示原始的SWAN 模型高估了有效波高,而耦合模型计算结果则与观测数据符合较好.比较原始SWAN 模型与耦合模型计算的最大波高发现二者的差在飓风行进方向的右侧比较大,且波高越大两种模型计算结果差异也越大.耦合模型计算的拖曳系数在高风速下趋于不变,远小于原SWAN 模型的计算结果.飓风路径左侧波浪的方向分布较宽,而右侧较窄.飓风中心附近风向与浪向不一致,浪向总是偏向风向右侧一定角度;而风应力方向与风向夹角在几度以内;垂直方向上风速的矢端曲线与湍流应力相切.

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章研究背景

第二章SWAN 数值模式

第三章波浪边界层模型

第四章实验设计

第五章结果

第六章结论和总结

参考文献

致谢

个人简历和作者在学期间取得的学术成果