渤海海浪的数值模拟和涌浪对风浪影响的研究

摘要

海浪在海洋动力环境和海气相互作用等领域具有重要地位，海浪的数值模拟一直是海浪研究的重点，涌浪对风浪影响的研究也一直存在争议。本文借助第三代海浪模式SWAN，对渤海海浪进行数值模拟，并通过对比改进SWAN模式参数，使得该模式更适用于渤海海浪的模拟；此外借助实验室数据和海上观测数据，研究在实验室条件下和外海条件下，涌浪对风浪成长的影响。 本文采用的模式输入风场为QuikSCAT/NCEP混合风场，实测数据来源于渤海石油平台海上观测。本文首先通过数值实验发现，不同计算网格对SWAN的模拟结果影响较小：在SWAN模式中白浪耗散项对风浪的成长和耗散起主要作用，对模式的计算结果影响较大。 SWAN模式有三种风输入表达式和四种白浪耗散表达式共有六种工作机制可供选择。为研究不同工作机制下SWAN在渤海适应性，本文针对这六种工作机制分别进行实验，先采用SWAN默认的参数设置进行计算，结果发现SWAN模式的波高和周期都比实测值偏小。为此，修改每种工作机制中白浪耗散项的相关参数，使得修改参数后的SWAN模拟值与实测值符合得更好，从而找到了适合渤海的SWAN模式参数值，也改进了SWAN模式在渤海的适应性。此外对比改进后的六种工作机制，发现Komen风输入加Komen白浪耗散机制和饱和模型相对更为适合渤海海浪的模拟。 另外，本文分别从实验室和海上两种条件去研究涌浪对风浪的影响。首先，借助中国海洋大学风浪水槽中的实验数据：纯风浪数据和加入了不同涌浪成份的混合浪数据。研究发现：大多数情况下，与风同向的涌浪会抑制风浪的成长，而且这一抑制作用随涌浪波陡的增加、波龄倒数的增大及涌浪频率与纯风浪谱峰频率之比的增大而增强。通过数据分析还发现，混合浪中风浪能量与纯风浪能量的比值依赖于无因次参量R=(1+80(πS)2)19(f()/fwp)0.9(u/c)0.27的变化，并拟合得到它们之间的经验关系式。此外，在实验中还发现，在某些情况下，涌浪的存在使风浪能量增加。 在海上条件下，本文研究发现：SWAN模式的不同工作机制下，涌浪对风浪的影响也不同。在饱和模型下，风浪的成长基本不受涌浪影响，在SWAN默认工作机制下，正反向涌浪都会促进风浪的成长。本文在与实测数据比较时发现：正向涌浪对风浪成长基本没有影响，反向浪涌会使风浪的谱峰频率降低。

目录

文摘

英文文摘

声明

1引言

1.1本文研究的意义

1.2海浪数值模式的研究与进展

1.2.1波浪模式概述

1.2.2国外海浪数值模式研究的回顾与进展

1.2.3国内海浪数值模式的研究与SWAN模式的应用概述

1.3涌浪与风浪相互作用的发展概述

1.4本文的主要工作

2 SWAN模式简介

2.1模式基本方程

2.2源汇项的处理

2.2.1风输入能量

2.2.2能量耗散项

2.2.3 非线性波-波相互作用

2.3流对波浪的影响

2.4障碍物的影响

2.5波浪引起的增水

2.6模拟衍射

2.7数值实现

2.8边界条件和初始条件

3渤海海上数据测量

3.1海浪波面位移的测量

3.2站点风矢量数据的记录

4渤海海浪的数值模拟

4.1资料来源

4.1.1风场资料

4.1.2地形和水深数据

4.1.3站点数据

4.2模式建立

4.3模式模拟结果

4.3.1数值实验设计

4.3.2模式默认设置结果

4.3.3修改模式参数的实验和结果分析

4.4小结

5涌浪对风浪的影响

5.1实验室条件下涌浪对风浪的影响

5.1.1实验介绍

5.1.2实验结果和讨论

5.1.3结语

5.2海上条件下涌浪对风浪的影响

5.2.1模型实验

5.2.2海上观测结果

5.3小结

6结论和展望

参考文献

附录

致谢

个人简历、发表的学术论文