專利名稱：一種輻射沙脊群臺風(fēng)浪數(shù)值模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于近海波浪場數(shù)值模擬和預(yù)報的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及ー種輻射沙脊群臺風(fēng)浪數(shù)值模擬方法。
背景技術(shù)：
輻射沙脊群的臺風(fēng)浪受復(fù)雜地形、底質(zhì)分布、臺風(fēng)、潮流的相互影響，呈中、低潮位波高較低，高潮位波高較大的特征。建立輻射沙脊群臺風(fēng)浪數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確地預(yù)報臺風(fēng)大浪，對于在輻射沙脊群實施灘涂圍墾和開辟新港址，具有重要的理論和實踐意義。模擬輻射沙脊群的波浪傳播，國內(nèi)傳統(tǒng)方法是采用波浪折射繞射聯(lián)合方程對不利エ況條件下工程區(qū)極端波高進行預(yù)報。這種方法雖能較為精確地預(yù)報極端不利波高，但沒 有全面考慮臺風(fēng)浪期間波、流、地形、底質(zhì)的相互作用，不能為深入研究臺風(fēng)浪期間的波流泥沙環(huán)境提供技術(shù)支撐。世界范圍內(nèi)雖有成功利用風(fēng)場和氣壓場推算近岸波浪場成功的案例，但在輻射沙脊群海域，由于缺乏對粉砂淤泥底質(zhì)產(chǎn)生阻尼損耗對波浪傳播影響的深刻認(rèn)識，鮮有成功的實踐。

發(fā)明內(nèi)容
發(fā)明目的針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種輻射沙脊群臺風(fēng)浪數(shù)值模擬方法，建立考慮不同潮位底質(zhì)摩阻和阻尼損耗差異的輻射沙脊群臺風(fēng)浪數(shù)值模型，以期對輻射沙脊群的臺風(fēng)浪過程進行準(zhǔn)確預(yù)報。技術(shù)方案為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為ー種輻射沙脊群臺風(fēng)浪數(shù)值模擬方法，包括如下步驟(I)建立數(shù)學(xué)模型首先建立某海域(例如南黃海海域)的ニ維風(fēng)暴潮數(shù)學(xué)模型，為臺風(fēng)浪模型提供潮位、潮流過程，在此基礎(chǔ)上建立臺風(fēng)浪數(shù)學(xué)模型，模擬輻射沙脊群臺風(fēng)浪過程。波浪控制方程為
P.QQpg
—M(<y %0) — c N (ct.0) 4*..................c A (ex.0) +.......................c N (cr. 0) 4*-CiiM(cr ) = ************ i^P)
ci(/X xdyd€fc6o*S — Sin-Swc-Snl4-Sbot-Sbrk-Snl3②其中，N(0，0)為動譜密度，N(0，0) =E(o, 0)/0 ,E(0, 0)為能譜密度，o為波浪的頻率，Q為波浪方向，彌散方程O 2 = gk tanh(kd), k為波數(shù)，d為水深式中左側(cè)第一項代表波浪運動隨時間的變化，第二三項代表波浪在地理空間上的傳播，cx, Cy分別為波浪在地理空間X，y方向的傳播速度，左側(cè)第四項為因平均水深和流速變化導(dǎo)致的輻射頻率O的漂移，C。為譜頻率空間傳播速度，第五項代表由水深和水流引起的折射，C0為譜方向空間傳播速度式右項代表波能的產(chǎn)生，彌散和重新分布。Sin代表輸入的風(fēng)能，采用Phillips (1957)和Miles (1957)描述風(fēng)到波的能量傳遞；SW。代表因白帽引起的波能彌散，采用Hasselmann(1974)模型進行計算；Snl4代表四波(quadruplet wave)相互作用，采用Hasselmann et al. (1985)模型；在淺水區(qū)域，主要考慮底摩阻引起的波能損耗Sbrt和破波引起的波能損耗Stok,以及非線性三波(triad wave)相互作用Snl3 (Eldeberky etal.，1996)。其中底摩阻引起的波能損耗采用Collins (1972)模式，破波引起的波能損耗采用Battjes et al. (1978)模式。計算中，白帽、破波相互作用均采用SWAN默認(rèn)模式。在利用SWAN模擬大范圍風(fēng)浪場的基礎(chǔ)上，建立考慮折射繞射的局部嵌套模型，模擬復(fù)雜地形的波浪場。折射繞射采用Holthuijsen et al. (2003)同步降稱折射繞射近似計算模式。(2)將適用于剛性海床的摩阻(Collins)計算模式擴展至柔性海床。綜合分析近年來國內(nèi)外主流的剛性海床摩阻計算模式，發(fā)現(xiàn)調(diào)整Collins模式的摩阻系數(shù)，可將Collins模式的應(yīng)用范圍擴展至粉砂淤泥質(zhì)柔性海床，滿足概化模擬粉砂淤泥底質(zhì)阻尼損耗的需求。
采用波能摩阻損耗計算模式Cf = 2c〈U2>1/2③
r 1バ(u2y=\ ff.......................^......................E(a.0)dad6④
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+ g'smh'(ftd)其中，c為波浪摩阻系數(shù)(簡稱“摩阻系數(shù)”)，U為近底波質(zhì)點軌跡流速，Cf為波能耗散系數(shù)。 (3)采用隨潮位漲落變化的變摩阻系數(shù)進行模擬。由于輻射沙脊群的粉砂淤泥底質(zhì)主要分布于_5m以深區(qū)域，其對波浪傳播的影響，主要集中在中、低潮位階段。因此，在中、低潮位采用較大的摩阻系數(shù)，以期模擬粉砂淤泥底質(zhì)產(chǎn)生的阻尼損耗；而在高潮階段，采用較小的摩阻系數(shù)，模擬_5m以淺較粗顆粒泥沙產(chǎn)生的摩阻損耗。(4)根據(jù)現(xiàn)場實測臺風(fēng)浪率定較為適宜的摩阻系數(shù)。根據(jù)某臺風(fēng)(例如“9711”臺風(fēng))期間輻射沙脊群某水道(例如“爛沙洋水道”)的大浪過程，對臺風(fēng)浪模型的摩阻系數(shù)進行率定。最終確定，中、低潮位階段，摩阻系數(shù)取c=l 9，高潮位階段，摩阻系數(shù)取c=0. 01，破波系數(shù)取0. 78時(破波引起的波能損耗Sbrit強弱受破波系數(shù)影響)，臺風(fēng)浪模型較好地模擬了爛沙洋“9711”大浪過程。有益效果本發(fā)明能夠較為準(zhǔn)確地模擬輻射沙脊群臺風(fēng)浪過程。其具有以下幾個優(yōu)點(I)充分反映了臺風(fēng)浪期間，復(fù)雜地形、底質(zhì)分布、臺風(fēng)、潮流對波浪傳播的影響，因而能夠較為準(zhǔn)確地模擬輻射沙脊群臺風(fēng)浪中、低潮位波高較小，而高潮位波浪較高的特征。(2)模型采用隨潮位變化的摩阻系數(shù)，使得模型能夠反映臺風(fēng)浪的波能損耗，在中、低潮位以沿程摩阻和阻尼損耗為主，而在高潮位則以破波損耗為主。為分析、研究輻射沙脊群臺風(fēng)浪期間的波流環(huán)境及泥沙運動奠定了堅實的基礎(chǔ)。


圖I為輻射沙脊群概圖，圖中較大的虛線框內(nèi)是輻射沙脊群，較小的虛線框內(nèi)是爛沙洋水道，實線框內(nèi)為江蘇沿海海域；圖2為爛沙洋水道地形和底質(zhì)分布圖；圖3為大范圍風(fēng)浪場模型范圍圖，圖中虛線框為折射繞射嵌套模型范圍；圖4為圖3虛線框處的放大圖；圖5為計算結(jié)果與實際現(xiàn)場測量的比較圖。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和具體實施例，進ー步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。下面結(jié)合輻射沙脊群爛沙洋“9711”臺風(fēng)浪數(shù)學(xué)模型的技術(shù)開發(fā)給出本發(fā)明提出的輻射沙脊群臺風(fēng)浪數(shù)值模擬方法的實施方案(I)建立數(shù)學(xué)模型。爛沙洋水道位于江蘇輻射沙脊群中南部，灘闊槽深，如圖I和圖2所示。根據(jù)“9711”臺風(fēng)的風(fēng)場和氣壓場資料，首先建立ニ維風(fēng)暴潮模型提供潮位和潮流過程，在此基礎(chǔ)上建立臺風(fēng)浪嵌套模型，如圖3和圖4所示。其中，由大范圍風(fēng)浪場模型計算整個南黃海海域的臺風(fēng)浪場，為嵌套模型提供波浪邊界。小范圍嵌套模型進ー步考慮波浪的折射繞射，計算爛沙洋水道的臺風(fēng)浪。(2)選擇合適的摩阻計算模式。常用的底摩阻計算模式，未曾考慮粉砂淤泥的阻尼損耗，僅適用于剛性海床。在比較近年來主要幾種摩阻計算模式，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)調(diào)整Collins摩阻系數(shù)，能夠一定程度上模擬粉砂淤泥的摩阻損耗。(3)變摩阻系數(shù)思路的提出。輻射沙脊群與常見的粉砂淤泥質(zhì)海岸或河口的底質(zhì)分布特征不同。前者粉砂淤泥位于-5m以深；后兩者則位于潮灘，深水區(qū)以沙質(zhì)為主。因而粉砂淤泥質(zhì)產(chǎn)生波能損耗的階段不同。爛沙洋水道的最大潮差近8m，高潮時，理論基面-5m以深的實際水深超過13m，波質(zhì)點接觸_5m以淺的幾率増大；且由于波能大幅増大(有效波高>2m)，根據(jù)Gratiot的結(jié)論，粉砂淤泥可能直接掀揚，其對波浪的影響反而減弱。而中低潮位，水深較淺，粉砂淤泥質(zhì)底質(zhì)對波浪的影響較大，因此現(xiàn)場實測有效波高〈I. 5m。綜上，宜隨潮位變化考慮采用不同的波浪摩阻系數(shù)。(4)摩阻系數(shù)率定。采用“9711”爛沙洋水道實測臺風(fēng)浪，對摩阻系數(shù)進行率定。比較不同組次的計算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)當(dāng)中、低潮位摩阻系數(shù)為I 9，而高潮位摩阻系數(shù)取值為0.01時，如圖5所示，計算結(jié)果能夠反映輻射沙脊群臺風(fēng)浪的特征。
權(quán)利要求
1.一種輻射沙脊群臺風(fēng)浪數(shù)值模擬方法，包括如下步驟 (1)建立臺風(fēng)浪數(shù)學(xué)模型，模擬輻射沙脊群臺風(fēng)浪過程，波浪控制方程為
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述ー種輻射沙脊群臺風(fēng)浪數(shù)值模擬方法，其特征在于在高潮位采用的摩阻系數(shù)為0.01，在中、低潮位采用的摩阻系數(shù)為I至9。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種輻射沙脊群臺風(fēng)浪數(shù)值模擬方法，包括如下步驟建立數(shù)學(xué)模型；將剛性海床摩阻計算模式擴展至柔性海床；采用隨潮位漲落變化的變摩阻系數(shù)進行模擬；根據(jù)現(xiàn)場實測臺風(fēng)浪率定較為適宜的摩阻系數(shù)。本發(fā)明建立考慮不同潮位底質(zhì)摩阻和阻尼損耗差異的輻射沙脊群臺風(fēng)浪數(shù)值模型，以期對輻射沙脊群的臺風(fēng)浪過程進行準(zhǔn)確預(yù)報。
文檔編號G06F19/00GK102831313SQ201210300530
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月22日
發(fā)明者張瑋, 徐卓, 王啟明, 陸培東, 儲明生 申請人:河海大學(xué)