（物理海洋學專業(yè)論文）江蘇沿海風、浪特征研究.pdf

摘要 江蘇省人口眾多，陸地資源相對匱乏，沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展滯后。為建設“海 上蘇東”，帶動蘇北地區(qū)的發(fā)展，要大力丌發(fā)海洋資源，發(fā)展海洋捕撈、水利、 交通運輸、港口建設等事業(yè)，必須對沿岸水動力、尤其是風、浪等極惡劣海況下 的水動力信息有具體詳盡的了解，并及時查詢相應水動力數(shù)據(jù)供實際應用。 江蘇沿海只有兩個長期波浪觀測站，此前人們只對+ 些特定海域和工程區(qū)的 風( 包括臺風) 、浪特性做過研究，資料匱乏，沒有進行全面的細致的探討，更 談不上建立整個江蘇省沿海海浪數(shù)據(jù)庫。加之近岸海浪數(shù)值預報，尤其是臺風、 海浪數(shù)值預報一直是國際海洋學界研究的前沿課題，因此本研究不僅力圖使其具 有學術(shù)價值，也具有工程應用價值，同時也是防止和減小海洋災害所必須解決的 問題之一。 本文研究的主要內(nèi)容包括： l i 根據(jù)江蘇省沿岸各測站實測的多年風資料，分析江蘇沿海風特性，確定 江蘇沿海各氣象站的設計風要素，各海區(qū)不同重現(xiàn)期設計風速；對江蘇海岸風浪 數(shù)值模式進行研究，根據(jù)風浪相關(guān)關(guān)系確定深水區(qū)波浪要素；通過第三代淺水波 浪數(shù)值模型s w a n 模擬江蘇沿海風浪場，并對江蘇沿海的波浪場特征進行分析研 究。 2 利用國家氣象局發(fā)布的1 9 8 9 2 0 0 0 年的熱帶氣旋年鑒，首次對影響江蘇 沿海的熱帶氣旋進行統(tǒng)計分析，研究其時空分布特點；結(jié)合8 1 1 4 號臺風，提出 用藤田臺風模型計算深水有效波高的方法，并對結(jié)果進行比較分析，得出較為合 理的結(jié)論。 3 文章嘗試利用d e l p h i 高級編程語言開發(fā)m a p x 控件，在對計算結(jié)果建立 數(shù)據(jù)庫的同時利用d e l p h i 高級編程語言調(diào)用數(shù)據(jù)庫，進行波浪計算結(jié)果顯示， 為本文的計算結(jié)果提供了一個較為友好的查詢界面。 關(guān)鍵詞：s w a n 數(shù)值模型：風特性；臺風；m a p x 控件；江蘇沿海風浪 河海大學碩士論文 a b s t r a c t j i a n g s ui sap o p u l o u s ，t e r r e n e s o u r c es c a r c ep r o v i n c ea n dt h ee c o n o m yo f t h e r e g i o na l o n gt h es e a s h o r ei su n d e v e l o p e d t ob u i l d “s u d o n go nt h es e a ，d r i v et h e n o r t hr e g i o no fj i a n g s ut od e v e l o p ，n e e dt oe x p l o i to c e a ns o u r c e ，d e v e l o pf i s h i n g ， i r r i g a t i o nw o r k s ，w a t e rt r a n s p o r t a t i o na n dp o r tc o n s t r u c t i o n ，a l 】t h e s em e n s i o n e dh e r e r e q u i r et h ed e t a i l e dk n o w l e d g eo fc o a s t a lh y d r o d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fj i a n g s u p r o v i n c e ，e s p e c i a l l yt h ee x t r e m es e ac o n d i t i o n ss u c ha st y p h o o n i n d u c e dw a v e s ，a n d a l s or e q u i r et h ei n t i m eh y d r o d y n a m i ci n f o r m a t i o n q u e r y w i t h o n l yt w ol o n g t e r mw a v e s o b s e r v a t i o ns t a t i o n s i ti si m p o s s i b l et os t u d yt l l e w i n da n dw a v e so ft h ew h o l ec o a s t a lz o n es y s t e m a t i c a l l y , n o tt os a yt h e 、i n da n d w a v e s d a t a b a s e u pt i l ln o w , 、v i n d ( i n c l u d i n gt r o p i c a lc y c l o n e ) a n dw a v e s h a v eb e e n s t u d i e do n l yi ns o m es p e c i a lc o a s t a la n de n g i n e e r i n ga r e a s i na d d i t i o n w i n d w a v e n u m e r i c a lf o r e c a s tt h e o r ys t i l lh a ss o m em e c h a n i s m st ob ei m p r o v e d w i n d w a v e n u m e r i c f o r e c a s t ，e s p e c i a l l y t h e t y p h o o n i n d u c e dw a v e ，i ss t i l l t h ef o c u so f i n t e r n a t i o n a lo c e a nr e s e a r c hf i e l d ，s ot h ew o r ko ft h i sd i s s e r t a t i o ni sn o t o n l yi n t e n dt o s o l v ee n g i n e e r i n g p r o b l e m s ，b u ta l s oh a sa c a d e m i c v a l u ea n d m a i nc o n t e n t so f t h i sd i s s e r t a t i o nc o n s i s to f t h r e e p a r t sa sf o l l o w s ： 1 a c c o r d i n gt ot h eo b s e r v a t i o nw i n dd a t a ( 2 0 y e a r s ) o ft h es t a t i o n sa l o n gt h e c o a s t a l1 i n eo fj i a n g s up r o v i n c e w i n dc h a r a c t e r i s t i c so fe a c h r e g i o n i ss t u d i e d s t a t i s t i c a l l y , a n dt h ed e s i g nw i n df a c t o r sa r ed e t e r m i n e d w 協(xié)d w a v en u m e r i cm o d e l o fj i a n g s uc o a s t a la r e ai ss t u d i e d ；w a v ef a c t o r si nt h ed e e pw a t e ra c c o r d i n gt ot h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nw i n da n dw a v ea r eo b t a i n e d ；w a v e 矗e l da n dw a v ef a c t o r so f i n t e r e s t i n gp o i n t sa r es i m u l a t e dt h l - o n g ht h et h i r dg e n e r a t i o nw a v em o d e ls 【甜q a n d t h ew a v ef i e l dc h a r a c t e r i s t i c so f j i a n g s uc o a s t a ll i n ei sa n a l y z e d 2 b a s e do nt h et r o p i c a l c y c l o n ei n f o r m a t i o no v e rt h en o r t h w e s tp a c i f i cf r o m 19 8 9t o2 0 0 0i s s u e d b y t h es t a t ew h e t h e r b u r e a u ，i n t e r m o n t h l y , i n t e r a r m u a l v a r i a t i o np r o p e r t i e sa n ds p a c ed i s t r i b u t i o no ft h et r o p i c a l c y c l o n e sa l o n gt h ec o a s t f r o m l i a n y u n g a n g h a r b o rt oh a n g z h o ub a yw e r e s t a t i s t i c a l l ya n a l y s e d 3 t a k en o 811 4t y p h o o na se x a m p l e ，a c c o r d i n gt ot h ec o r r e l a t e d p a r a m e t e r s ，a 嘩wq u i c kf o r e c a s t i n gm e t h o dt od e t e r m i n ew a v eh e i g h ti nd e e pw a t e rb a s e do nt h e f u j i t at y p h o o nm o d e li sp r o b e di n t o ，c o m p a r i s o na n da n a l y s i ss h o wt h er e a s o n a b i l i t y o f t h er e s u l t s 4 t h i sd i s s e r t a t i o na l s ot r yt od e v e l o pm a p xa n dl i n ka n du s ed a t a b a s e b yd e l p h i t oc r e a t ea f i i e n d l yi n q u i r i n gf o r m f o rt h er e s u l t so f w a v ec a l c u l a t i o n k e y w o r d s ：s w a nm o d e l ；t y p h o o n ；m a p x ；t h ec o a s t l i n eo fj i a n g s u ；t h e c h a r a c t e r i s t i co f w i n d 2 學位論文獨創(chuàng)性聲明： 本人所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作 及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果。與我一同工 作的同事對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并 表示了謝意。如不實，本人負全部責任。 論文作者( 簽名) ： 2 0 0 5 年3 月1 9 日 學位論文使用授權(quán)說明 河海大學、中國科學技術(shù)信息研究所、國家圖書館、中國學術(shù)期 刊( 光盤版) 電子雜志社有權(quán)保留本人所送交學位論文的復印件或電 子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文 檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允 許論文被查閱和借閱。論文全部或部分內(nèi)容的公布( 包括刊登) 授權(quán)河 ，海大學研究生院辦理。 論文作者( 簽名) ： 2 0 0 5 年3 月1 9 日 頸t 論曼江蘇沿海風，浪特征研究 1 1 問題的提出 第一章緒論 海洋之于人類活動，在當今具有特別重要的意義，不僅在于海洋可利用的各 種- # 富的生物、礦產(chǎn)資源，海洋日益嚴峻的環(huán)境保護問題，還表現(xiàn)在海洋與人類 生命的息息相關(guān)。海浪、風暴潮一直是人類關(guān)注的焦點，海浪是海面上種十分 復雜的波動現(xiàn)象，它影響著海上活動的者方面，在科學技術(shù)發(fā)展的今天，疾風和 f i 浪所造成的海難仍占世界海難的6 0 一8 0 。海浪會引起船舶橫搖、縱搖、艏 搖、縱蕩、橫蕩和垂蕩運動，巨浪到了近海和岸邊，具有摧毀各種建筑物和岸堤 的能量，有時海浪雖不大，但當海浪周期與海洋平臺等建筑物的自振周期相近時， 也可造成建筑物的毀滅性破壞。近代研究表明，海上自然力的破壞力9 0 來自 海浪，我們平常說得“避風”，實際上是“避浪”，因為任何避風港和錨地都避不 了風，而只能避浪，可見海浪是海上災害的主要原因之一。 我國海岸線綿延1 8 0 0 0 余公里，沿海地區(qū)經(jīng)常遭受不同程度的臺風及巨浪 的襲擊，據(jù)國家海上安全指揮部門統(tǒng)計，在1 9 4 9 1 9 8 2 年的3 4 年里，僅被交通 和海軍救助的船只就達6 2 9 5 艘次，中國海由海浪引起的海難每年平均有7 0 次， 經(jīng)濟損失每年約l 億多元，死亡5 0 0 余人。尤其是沿岸近海臺風浪所造成的海難 更是觸目驚心。1 9 8 9 年全年有1 0 個登陸臺風，據(jù)浙江、廣東和海南三省防汛部 門的統(tǒng)計，因臺風浪沉損船只3 4 0 8 艘，沖壞海堤1 0 8 5 4 處，沖毀海堤9 0 0 公里， 巧亡2 0 0 余人，傷近千人，海浪造成的直接損失約5 億元。據(jù)有關(guān)調(diào)查，每年僅 由臺風向岸浪對我國海岸防護工程的破壞、對近岸海域船舶和海水養(yǎng)殖業(yè)的危 害，所造成的經(jīng)濟損失就超過7 億元?？梢娺M行風浪及臺風浪的研究有著極為重 要的現(xiàn)實意義。 1 2 海浪的預報 1 2 1 海浪預報的發(fā)展 波浪研究作為一種科學于1 9 世紀在歐洲產(chǎn)生，將波浪尺度( 波浪特征值) 與風速u - o 、風區(qū)f 相聯(lián)系，試圖用定量關(guān)系表達的工作，在2 0 世紀初開始，但 第一章緒論 是將其體系化的1 = 作是由s v e r d r u p 及m u n k 所做( 1 9 4 2 1 9 4 7 ) ，他們撇開波浪 理論的細節(jié)問題，導出有效波波要素與海面風域性質(zhì)( u 。f 、t ) 的關(guān)系。后根 據(jù)較高精度的波浪觀測資料，經(jīng)b r e t c h n e i d e r ( j 9 5 2 ) 的修正，使之實用化， 稱為s m b 法，迄今仍在使用。 1 9 4 8 年英國b a e r 和u r s e l l 對英國沿岸所作的波浪觀測記錄作了分析，得到 波浪譜，并研究了波浪譜和大西洋風暴之間的關(guān)系，暗示了根據(jù)譜的概念進行波 浪預報的可能性，他們提出的概念是：復雜的海面波動由很多成分波疊加而成， 因此可以將它們分解成各成分波，研究各成分波的變化，然后再加以疊加，即可 表達復雜的海面的變化，此概念和統(tǒng)計綜述表達的有效波不同，其優(yōu)點是可以進 一步揭示波動本質(zhì)。 幾乎同時，美國獨立進行了利用譜概念進行波浪預報的開發(fā)研究。1 9 5 5 年 p i e f s o n 、n e u m a n n 、7 a m e s 三人完成的波浪推算法正式公布，稱為p n j 法。p n 丁 法的理論基礎包括：充分成長的波浪即為同一風速長期吹刮下海面波浪達到一定 程度，不再因歷時增加或揚波距離加長而增大的飽和狀態(tài)的波浪譜的標準形，即 n e u m a n n 譜；l o n q u e t h i g g i n s 開創(chuàng)的波浪統(tǒng)計理論。以p n j 法為契機，各國都 開始重視波浪預報方法的研究，同時，關(guān)于波浪理論和實驗研究也比較廣泛的開 展起來。 電子計算機自1 9 4 6 年問世以來，至六十年代已在各個科學技術(shù)領(lǐng)域中日益 得到廣泛的應用。七十年代起，針對譜組成波模式中源函數(shù)的選擇和計算上的一 些困難，有人提出了風浪的參數(shù)模式，后又有人提出了第二種譜模式，即所謂的 耦合模式。這一時期，是波浪數(shù)值預報研究十分盛行的時期，不少國家開始進行 業(yè)務預報。1 9 8 0 年至1 9 8 3 年間，由美、日、英、西德、法、荷、意等國波浪專 家組成了一個小組，即所謂的s w a m p 小組，針對各國業(yè)已提出的代表性波浪模 型進行分類，并對幾種理想風場情況下，實驗其模式性能，試驗結(jié)果認為，各種 模式各具有其優(yōu)缺點，不存在誰優(yōu)誰劣的問題。 西歐一些國家自1 9 8 5 年起著手開始了所謂第三代波浪數(shù)值預報的研究計 劃，成立了個w a m 小組，他們的目的是更全面地考慮能量平衡方程中的源函 數(shù)中的各項，以包括更多的物理過程，開發(fā)一個全新的波浪數(shù)值預報模式，并且 對波浪的動力學機制，以及人造衛(wèi)星、浮標站，定時波浪觀測報告等的觀測資料 2 硬上論文 江蘇沿海風、浪特征研究 的同化等作進一步深入的研究。 我國的海浪預報已有很長的歷史，如上海徐家匯氣象臺自1 8 7 2 年成立起， 就開始發(fā)布海洋氣象預報，其中包括海浪要素，迄今己有一百多年的歷史。河海 大學洪廣文教授等根據(jù)福建莆田試驗站觀測資料，考慮風速、風區(qū)和水深的影響， 提出了一個適用深、淺水的風浪要素計算方法，即莆田公式，已為我國水利部碾 壓式上石壩規(guī)范所采用；中國海洋大學文圣常教授等采用解析方法求得深水水 域和淺水水域的風浪頻譜，并列入我國海港水文規(guī)范( 1 9 9 4 ) 。 建立在海洋學、流體動力學和數(shù)學緊密結(jié)合基礎上的海浪數(shù)值預報自2 0 世 紀4 0 年代以來得到不斷的發(fā)展，尤其在近十幾年中人們對海浪生成、耗散、 傳播等的物理機制和物理過程進行了大量、深入、廣泛的研究工作。海浪包括風 浪、涌浪和近岸浪三種，其中近岸海浪與人類實踐活動關(guān)系密切，對近岸海洋環(huán) 境、資源和工程建設等都有重大的影響，它主要是由外海的風浪或涌浪傳到海岸 附近時，受地形作用而改變波動性質(zhì)的海浪，其計算一直深受重視。但是，海浪 向近岸傳播過程中，海底地形、摩擦耗散、破碎、水流、海浪之間的非線性作用 等因子對其都有很大的影響，具有比深海和開闊陸架海域更復雜的演變規(guī)律和更 快速的時空變化，給其演變規(guī)律的描述和計算帶來很大的困難。 1 2 2 近岸海浪數(shù)值計算的主要方法 關(guān)于海浪的預報，人們采用了多種不同的手段，有統(tǒng)計的方法，也有數(shù)值模 擬的方法。除統(tǒng)計模型，目前可用于近岸海浪數(shù)值模擬的主要模型基本上可以分 為三類：第一類是基于b o u s s i n e s q 方程的計算模型，它是直接描述海浪波動過程 水質(zhì)點運動的模型：第二類是基于緩坡方程的計算模型，它基于海浪要素在海浪 向期和波長的時空尺度上緩變的事實，描述的是海浪波動能量、波高、波長、頻 率等要素的變化；第三類是基于能量平衡方程的計算模型，主要用于深海和陸架 海的海浪計算，基于它建立起來的第三代近岸海浪數(shù)值模式中各源函數(shù)的物理過 程已研究得較為深入，利用它對海浪進行模擬和預報已經(jīng)成為可能，在近岸較大 范圍波浪計算中也表現(xiàn)出很大優(yōu)勢。三類模型的基本方程及其求解介紹如下。 i 2 2 1 b o u s s i n e s q 方程計算模型 1 8 7 2 年，b o u s s i n e s q 假定水平速度上下均勻，垂向速度從底面為零線性到自 由表面的最大值，得到了經(jīng)典的一維非線性控制方程，稱為b o u s s i n e s q 方程1 4 1 。 第一章緒論 刁，+ 【( 矗+ 叩) “ ：= 0 h l d t + u u x + g r - 2 一i 式中：玎為波面相對于靜水面的高度 為重力加速度( 下同) 。 ( 1 一1 ) ( 1 2 ) “為x 向沿水深平均速度，h 為靜水深，g p e r e g r i n e ( 1 9 6 7 年) 推導出了變水深條件下的二維b o u s s i n e s q 方程，稱為 經(jīng)典b o u s s i n e s q 方程，或稱b o u s s i n e s q 方程的標準形式?？杀磉_為： 仇+ v 【( + 叩) h 】= 0 ( 1 3 ) q m 叼u + g v r i = 至lh 西ov 【v - 訓一吉6 2 曇v ( v ( 1 - 4 ) 式中：h 為沿水深平均水平速度矢量，r 、h 和g 與上同。 從控制方程來看，b o u s s i n e s q 方程可以較好地體現(xiàn)波浪傳播過程的非線性 特點，適用于底坡非緩慢變化，計算淺水波的效果較好，在處理反射波時較方便， 但是其缺點也很明顯，b o u s s i n e s q 方程從淺水波導出，對水深的適用是有范圍限 制的，不適用于實際工程需要1 5 1 。雖然有學者提高了色散解的精度來拓展水深適 用范圍，但是這種處理使方程變得十分復雜，而且其拓展效果也是有限的：另外， 它不易推廣于不規(guī)則波動，雖然它具有處理波波相互作用的優(yōu)點，但正是因為這 個特點，波動能量在組成波之閉的轉(zhuǎn)移會因為組成波分解形式的不同而變化，加 上計算網(wǎng)格辨別能力的限制所帶來的混淆誤差，對于大范圍、長距離傳播的波浪， 應用b o u s s i n e s q 方程極易導致計算失真。從數(shù)值求解的角度來看，與另外兩類模 型相比，b o u s s i n e s q 方程求解具有計算量大的缺點。b o u s s i n e s q 方程計算模型空 間步長缸及時間步長出不能突破海浪波長和周期限制，一般血莖2 8 和 a t t 8 【6 】。要想作近岸較大范圍、較長時間的數(shù)值模擬計算，計算量極為龐大。 1 2 2 2 緩坡方程計算模型 在緩坡條件( v 川舳“1 ) 的假定下，b e r k h o f f ( 1 9 7 2 ) 從描述水波運動的三 維l a p l a c e 方程出發(fā)，在線性理論中引入一個表示地形緩變的小參數(shù)，并利用攝 動法( p e r t u r b a t i o nm e t h o d ) 和沿水深積分的方法，推導出一二階微分方程，被 稱為緩坡方程或b e r k h o f f 方程【7 i ，其表達式如下： v ( c c2 吸緲2 0 ( 1 - 5 ) 4 碗生論文江蘇沿海風、浪特征研究 廬= r e ( p ( y ) e 1 “ ( 1 - 6 ) 其中，為速度勢函數(shù)；c 波浪相速度；e 為波浪群速度；t 為波數(shù)( 下同) 。 從控制方程來看，緩坡方程將勢波理論的三維問題化為：維問題，使問題處 理得以簡化；緩坡方程具有很寬的波浪頻率( 從短波到長波) 和水深( 從淺水到深水) 的適用范圍；緩坡方程綜合了波浪的折射和繞射，解決了傳統(tǒng)折射模型無法處理 的( 如焦散點附近的波浪計算等) 問題【8 l 。但是，緩坡方程同樣存在缺陷，由于方 程本身依賴于勢波理論，對風攝入波動能量、底摩擦能量損耗、波浪破碎、波浪 的非線性和波流相互作用等物理過程的理論依據(jù)不很充分，用于大范圍計算時不 是很適合，另外，緩坡方程不適用于小尺度較急劇變化地形，而且不易反映底坡 反射作用，因此，對于局部小區(qū)域，尤其是地形較復雜的小區(qū)域，要提高其波浪 計算精度，采用緩坡方程也是很困難的。從數(shù)值求解的角度看，橢圓型緩坡方程 的求解也要求每個波長上至少要有8 個( 一般8 一l o 個) 網(wǎng)格節(jié)點，其計算量盡管 比b o u s s i n e s q 方程小，但是仍然需要求解龐大的矩陣，b e r k h o f f 等將計算域限制 在不超過1 0 個l ( l 為波長) 的尺度范圍。不過，對于一些簡化為e b e r s o l e 型 或類似形式的方程，計算網(wǎng)格和時間步長可以突破海浪波長和頻率的限制( 9 】1 1 0 l 。 1 2 3 能量平衡方程預報淺水風浪 1 2 3 1 能量平衡方程預報淺水風浪的發(fā)展進程 六十年代和七十年代初期發(fā)展起來的第一代海浪模式避開了顯式地模擬完 全的能量平衡這一問題。這些模式通常假定波的各分量達到飽和狀態(tài)時，突然停 止增長( p h i l l i p s ，1 9 5 8 ) ，p h i l l i p s 的一維f 5 頻譜和一種經(jīng)驗平衡方向分布所代表 的飽和譜是給定的，因而，對于正在成長的風浪，模擬譜的預測范圍實際上只限 于譜峰周圍的波的各分量1 】。 在七十年代，廣泛的波浪成長試驗( m i t s u y a s u ，1 9 6 8 ；h a s s l m a r m 等人，1 9 7 3 ) 以及風輸入給波浪能量的直接觀鋇d ( s n y d e r 等人，1 9 8 1 ；h a s s e l m a n n 等人，1 9 8 ， 從根本上改變了作為第一代預報模式基礎的譜能量平衡觀點，從而導致了第二代 海浪模式的發(fā)展，然而，這些模式由于采用簡化的參數(shù)化形式，非線性傳輸就受 到一定限制，即需要給定高出峰值頻率的那部分高頻風浪譜的譜形，給定譜形的 工作或推導傳輸方程的開頭就引進( 如參數(shù)化或混合型模式) 或者在計算譜值時 第一章緒論 作為附帶條件引k ( 離散型模式) ，盡管從理論上可證實對于一般天氣尺度的風 場將波譜調(diào)整為準通用譜形這一做法是可行的( h a s s e l m a n n 等人，1 9 7 6 ) ，但是， 第一：代海浪模式不能合適地模擬快速變化風場中產(chǎn)生的風浪，例如：颶風、小尺 度強氣旋或鋒面，這些模式在處理風浪與涌浪傳輸時也遇到了一些基本的難題。 w a m 模式是繼1 9 8 0 一1 9 8 3 年美、同、英、德、荷蘭等國的海洋專家組成 s w a m p ( s e a w a v e m o d e l l i n gv r o j e c t ) g 開究組，針對世界各困十個有代表性的海浪 數(shù)值模式，進行分類和對比試驗研究之后，西歐一些國家( 英、法、德、荷蘭、 娜威等1 自1 9 8 5 年起，由s h a s s e l m a n n 、k h a s s e l m a n n 、e b a u e r 、p a ，e m j a n s s e n 等人，f 發(fā)研制成第三代海浪數(shù)值模式1 2 l 。 在第二代海浪模式中，主要問題在數(shù)值計算方面，而不是物理機制問題。 s w a m p ( 1 9 8 5 ) 已提出了克服這些困難的方法，建議應以這些方法作為基礎發(fā)展 第三代海浪模式，即海浪譜值只用積分基本譜傳輸方程來計算，事先并不對譜形 加以任何限制。 第三代深水模式方程如下： 二維海浪譜f ( 廠，玩弘互，f ) 的演變，在球坐標的控制方程為： 百o f + ( c 。s 妒) 。殺c 。s 妒，) + 擊陋) + 芻妞) = s ( 1 - ，) 式中f ( f ，皖伊，五，f ) 是依賴于頻率f 和傳播方向0 ( 相對于正北順時針測量) 的 二維波譜，伊和五分別為緯度和經(jīng)度，t 為時刻，s 是描述一傳播波群能量變化 的凈源函數(shù)。 一 能量平衡方程用于預報淺水風浪起始于八十年代后期，s w a m p g r o u p 將適 用于深海的相平均譜波浪模型進行改進，使其適用于近岸及沿岸風浪預報：法國 電力研究所的m i c h e lb e n i o t 等采用有限元法離散淺水計算區(qū)域，提出了能合理 擬合水底地形和海岸線的t o m a w a c 波浪模型；t o l m a n 提出了基于動譜能量平 衡方程的w a v e w a t c h 第三代波浪預報模型；“七五”期問青島海洋大學進 行了海浪數(shù)值預報研究，該模式將海浪分為風浪和涌浪兩部分，采用有效波表示 的波浪能量平衡方程，由于未計及波與波之間非線性相互作用和水深變淺后的淺 水折射，屬于混合模式：r c r i s ，l h h o l t h u i j s e n 和n b o o 西總結(jié)歷年來波浪能量 6 碩+ 論文江蘇沿海風、浪特征研究 輸入、損耗及轉(zhuǎn)換的研究成果，提出并發(fā)展了適用海岸、湖泊及河 j 地區(qū)的s w a n 淺水波浪數(shù)值預報模型。 1 2 3 2s w a n 模型預報海浪的應用研究現(xiàn)狀 陳希1 1 3 1 等采用s w a n 模式，利用自嵌套的方式提供模式的波譜邊界條件， 對1 9 9 0 年1 5 號臺風浪對我國東海的影響過程進行了模擬，并與實測臺風浪資 料進行對比，結(jié)果理想。徐福敏f 1 4 l 等利用s w a n 模型計算在不同水深時流場 對波浪傳播的影響，將模型應用于海安灣的淺水波浪數(shù)值計算，并與觀測結(jié)果進 行比較，驗證表明符合良好。陳希1 1 6 i 等利用s w a n ，對襲擊臺灣島鄰近海域的 9 0 1 5 號臺風浪過程進行模擬研究，s h a n - - h w e i0 u i ”1 等利用s w a n 模型對臺灣附 近海域的臺風浪場進行模擬，得到合理的結(jié)果，并且研究表明對s w a n 模型加密 嵌套網(wǎng)格可以提高計算精度，k f c h e n g l l 8 l 等在模擬熱帶氣旋引起的風暴潮和波 浪時，針對大洋、海域，近岸不同的地理區(qū)域，采用四種模型嵌套的方式，模型 計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合得很好。陳希等1 9 1 用s w a n 模型對影響南海湛江港海域 的3 次臺風浪過程進行模擬研究，結(jié)果表明所采用方案可為該海域臺j x l 浪的模擬 預報提供較好的參考。 迄今為止，第三代淺水波浪模型s w a n 在模擬海岸、河口、湖泊等風、 流、地形復雜水域的波浪場時，理論及現(xiàn)場驗證均顯示了模型的可行性及合理性， 較之其他波浪模型的優(yōu)越性是顯而易見的。模型的開發(fā)和應用具有極大潛力，仍 有待于進一步探索。 1 2 3 3 能量平衡方程預報海浪所存在的問題 波浪淺水數(shù)值計算模型仍處在探索階段，還存在很多不足，例如s w a n 模型， 它最大的缺憾就是沒有將波浪繞射考慮進去，另外由于大氣海洋相互作用的機理 至今不清楚，導致s w a n 中風能輸入不能準確表達，同時波浪破碎機制仍是學者研 究的熱點，沒有定論，因此波浪破碎指數(shù)也還沒有統(tǒng)一公認的形式2 0 2 4 。許多 學者在各個方面都做了積極的努力： d e b o r a h j w o o d l 2 5 】等在規(guī)則波和不規(guī)則波試驗中，引入g o d a 公式描述臨界波 陡，具體表達式： 等十十s 撲，s 贏 c ，一s ， 7 第一章緒論 其中_ f b 代表波陡，h b 代表破碎水深，a 是常系數(shù)根據(jù)情況取值。 l o 通過試驗發(fā)現(xiàn)對于規(guī)則波和不規(guī)則波，當a 取不同的值時，g o d a 公式給出的 i | 島界波陡與試驗值都吻合得較好。另外試驗研究表明當?shù)灼氯 a n t ：z = 1 3 0 時， 晟大破碎指數(shù)! ! i 蘭規(guī)則波取o 8 5 ，不規(guī)則波取o 7 0 比較符合試驗結(jié)果。文章首 先檢驗了s w a n 模型中的n e l s o n 公式，發(fā)現(xiàn)n e l s o n 公式計算誤差較大，并將前面 試驗得出的結(jié)論用于s w a n 模型，發(fā)現(xiàn)破碎常數(shù)取0 7 8 ，模型結(jié)果與實驗結(jié)果吻合 得最好然而g o d a 公式在模型實際應用中并不理想。 w e r o g e r s 2 6 j 等試圖增大s w a n 模型計算中的穩(wěn)定性，現(xiàn)在普遍用的s w a n 4 0 叭不能用于大尺度的計算主要原因之一就是它采用的階迎風隱格式易離 散。w e r o g e r s 等分別將b s b t ( f i r s to r d e r ，u p w i n d ，i m p l i c t ) 、s o r d u p ( s e c o n do r d e r ，u p w i n d ) 、s & l ( s t e l l i n ga n dl e c n d e r s t e ) 、b o x 、n i s l ( n o n - i n t e r p o l a t i n g ，s e m i - l a g r a n g i a nl a x w e n d r o 田、b c m l ( b a c k w a r dc h a r a c t e r i s t i cm e t h o d ，l a g r a n g i a ni n t e r p o l a t i o n ) 格式，用于s w a n 靜態(tài)、動態(tài)模型，經(jīng)大量詳盡的數(shù)學分析和數(shù) 值實驗驗證，為降低s w a n 模型在模擬波浪傳播時的離散，建議將s o r d u p 、s & l 兩種二階有限差分格式放入模型，作為可選項之一。 r p a d i l l a - h e m a n d e z ) 等矧?qū) w a n 模型中計算淺水區(qū)域由底摩擦引起的能 量耗散做了進一步的研究，研究認為不同的底摩擦耗敖公式主要區(qū)別在于耗散系 數(shù)c f 的表達式不同。將s w a n 模型中已經(jīng)具備的三種模式j o n s w a p 模式、 m a d s e n 模式、c o l l i n s 模式和w e b e re d d y - v i s e o s i t y 模式分別在靜態(tài)模型、有限水深 以及有限風區(qū)三種情況下計算，將結(jié)果同實測值進行對比分析，發(fā)現(xiàn)計算淺水區(qū) 域時采用w e b e re d a y v i s c o s i t y 模式的底摩擦表達式， s w a n 模型的計算精度最 高。這一是由于w e b e re d d y v i s c o s i t y 模式合理地將底部粗糙度作為一個顯式參數(shù) 考慮進底摩擦耗散中，進而能體現(xiàn)在不同波況、波流下，不同的底部摩阻在能量 耗散上產(chǎn)生的差異，另外對于潮流作用顯著的近岸地區(qū)，w e b e r e d d y v i s c o s i t y 模 式亦很好的拓展到波流相互作用的情況，因此建議將w e b e r e d d y v i s c o s i t y 模式納 入s w a n 模型中。 可以看出，利用能量平衡方程預報淺水波浪，很多問題還有待探索。 碩士論文江蘇沿海風、浪特征研究 1 3 臺風浪推算及研究現(xiàn)狀 臺風浪的計算一直是海洋科學中的熱點和難點，它巨大的破壞力常常給國民 經(jīng)濟和現(xiàn)代化建設帶來極大的影響，據(jù)統(tǒng)計，熱帶風暴是破壞力最大的自然災害 之一，它所帶來的強風、風暴潮和隨之而來的巨浪是造成災害的主要原因。海浪 計算的難點在于產(chǎn)生浪的風本身具有很大的隨機性和復雜性，造成浪的預報十分 困難，關(guān)于海浪生成的物理機制，至今尚未得到十分圓滿的解決1 2 8 3 引。因此， 積極探索深水臺風浪預報的合理方法顯得很有必要。 1 3 1 臺風浪推算主要方法 目前供實際應用的臺風浪推算方法，主要有b r e t s c h n e i d e r 的半經(jīng)驗公式和宇 野木早苗公式，基于s m b 法的臺風浪推算法，即w i l s o n 關(guān)于移動風區(qū)深水風浪 推算法等，以上方法均應輸入風特征參數(shù)。 1 3 2 臺風浪推算的研究進展 陳?！? 5 1 等提出將人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)應用在臺風浪預報中，建立南海硇洲島海 區(qū)較為理想的臺風浪人工神經(jīng)網(wǎng)絡預報模型；陳孔沫3 6 1 等提出新的臺風風場計算 方法，新方法改進了j e 氏和r a n k i n e 風場模式；張經(jīng)漢等明在( ( 港口工程技 術(shù)規(guī)范) ) 的波浪成長理論基礎上，提出受陸岸影響淺水區(qū)臺風浪的快速計算方 案；李巖等【3 卅使用改進的藤田氣壓模型和m y e r s 氣壓模型，對臺風海面風場進 行數(shù)值計算，得到較好的結(jié)果；孔亞珍【3 9 1 等為了解長江口附近海域臺風浪特征， 利用s b e 一2 6 型浪潮儀進行波浪觀測，對測到的全部9 0 組波面記錄進行功率譜 分析：高建華等【4 川對我國沿海臺風災害影響進行研究，對我國沿海地區(qū)受臺風影 響的危險度進行分析研究：鞠笑生f 4 1 1 采用1 9 8 0 年1 9 8 9 年臺風年鑒，對因臺風 登陸或影響對我國3 0 。n 以南地區(qū)造成的風災進行客觀分析；陸麗云等舊研究 了江蘇沿海的風暴潮災害及其防御對策：葉英等4 3 1 利用1 9 5 0 年1 9 9 9 年西北 太平洋熱帶氣旋資料，對五十年來登陸我國的熱帶氣旋的月際、年際和年代際變 化進行統(tǒng)計分析。 z h u j i a n r o n g m 】等改進發(fā)展了雙層非線性大洋模型研究臺風發(fā)生時的大洋效 應；r y o u n g 等f 4 5 j 將從g e o s a t 衛(wèi)星上收集到的、充分成長的臺風有效波高、風 速的觀測資料進行分析證實了臺風最大風速和移速在決定有效波高場的大小和 9 第一章緒論 分布中的重要性：y a nm e n g 等【4 6 j 對臺風邊界層的風場進行了數(shù)值研究，研究認 為要推測由于臺風引起的風速極大值不淪在實際操作還是在分析方法上都有困 難：s m a r tc o l e s 等1 4 7 1 采用參數(shù)化的模型以及可能最大值作為模型參數(shù)，拓展了 模型的空間分析能力，能得到不同區(qū)域資料問的相關(guān)性；v l a d i n f i r v m a s j u k o v 等 1 4 8 1 認為臺風波浪場的形成部分原因在丁- 低氣壓場的移動，他們采用m a p l e v 模 擬臺風引起的波浪場，提供臺風的一些重要信息；f u h k w os h i a h 等4 9 1 對臺灣 兩北中國東南海地區(qū)海洋生態(tài)的影響進行了研究；a m a l c p h a d k e 5 0 1 等將w a m 模型中用來計算臺風風場的r a n k i n e 渦數(shù)、s l o s h 、h o l l a n d 三種常用參數(shù)模型 進行對比，文章將對i n i k i 臺風的模擬結(jié)果與浮標實測資料進行對比，兩者很一 致。i r y o u n g l 5 i i 將q c h i 、y o u n g 、b u r c h e l l 等人不同研究結(jié)果得到的臺風浪的數(shù) 據(jù)做了總結(jié)對比，發(fā)現(xiàn)波浪場比之風場更加不均勻，同時還建立了一套在設計近 岸固定或浮動結(jié)構(gòu)中用來定義波浪場譜形的標準；n k l i a n g 5 2 】等對臺風形成的 涌浪的多普勒效應進行了研究：v s a n i lk u m a r 等5 3 1 預測n a g a p a t t i n a m 海岸臺風 風浪場的特征，研究采用標準h y d r o m e t 氣壓模式后報風場，用考慮了移動風場 的y o u n g 模型推測最大有效波高和對應的譜峰，并提出風速、波高、波周期之間 的經(jīng)驗公式。 綜上所述，在臺風浪計算方面，國內(nèi)外學者一直在做著不懈的努力和探索。 1 4 波浪計算結(jié)果顯示 1 4 1g i s 廈用 g i s 這個術(shù)語是1 9 6 3 年由加拿大測繪專家r f t o m l i n s o n 首先提出的，并建 立了世界上第個g i s - - c g i s ，即加拿大地理信息系統(tǒng)【5 4 】。顯然，“地理信息系 統(tǒng)”這個術(shù)語，是從英語g e o g r a p h i c a li n f o r m a t i o ns y s t e m 翻譯過來的，通常用 g i s 這個英文縮寫來代替。中國地理信息系統(tǒng)【5 習起步于2 0 世紀8 0 年代，首先由 中國科學院地理研究所資源與環(huán)境信息國家重點實驗室引進美國e s r 公司的 a r c i n f o 地理信息系統(tǒng)軟件。近年來，g i s 技術(shù)在我國愈發(fā)得到重視，隨著社 會的發(fā)展、環(huán)境的破壞和陸地資源的消耗，人類將目光轉(zhuǎn)向了海洋這個自然資源 寶庫，2 1 世紀將是“海洋的世紀”，海洋將成為下個世紀國際競爭和開發(fā)的重點 領(lǐng)域。盡管人們對海洋領(lǐng)域有著濃厚的興趣，但是只有一些互相獨立的單位分別 l o 殞 論文 江蘇沿海鳳、浪特征研究 進行研究，收集數(shù)據(jù)的格式只有他們自己能使用，這種研究方式工作效率非常低， 數(shù)據(jù)的使用率也很低，從而導致各種信息資源的浪費，正是基于這種原因，其應 用扶傳統(tǒng)的城市規(guī)劃、土地利用、測繪等陸地領(lǐng)域，逐步滲透到海洋資源調(diào)查等 方面【5 6 j 【5 7 】。 地理信息系統(tǒng)在海岸海洋學科上征越來越得到廣泛的應用，林暉蟑斟等運用 g i s 提供的數(shù)據(jù)采集管理、空間分析和制圖功能，結(jié)合海洋流體動力學模型，對 南黃海海區(qū)的潮波系統(tǒng)進行了三維高精度研究，取得了一批突破性的成果。張鷹 等【5 9 l 利用g i s 工具軟件a r c i n f o 分析了浙江舟山漁港地形沖淤變化，建立了 該水域1 9 6 2 年、1 9 8 7 年和1 9 9 6 年三個不同時期的數(shù)字高程模型( d e m ) ，為建 港環(huán)境條件分析提供了依據(jù)。美國太平洋海底環(huán)境實驗室【6 0 1 的海洋信息系統(tǒng)能夠 對海嘯、厄爾尼諾等現(xiàn)象提供三維動態(tài)顯示。美國國家海洋大氣局0 從) 的海 岸研究中心建立了“海洋規(guī)劃與管理地理信息系統(tǒng)”，美國蒙特暈灣生物研究協(xié) 會( m b a r i ) 建立了基于a r c i n f o 平臺的“蒙特里灣海洋地理信息系統(tǒng)”。我國國 家海洋局1 9 9 7 年建立了國家海洋信息系統(tǒng)( n m i s ) 。同年河海大學建立了基于 m a p i n f o 平臺的“江蘇海島資源環(huán)境信息系統(tǒng)”。張慶河等 6 1 j 提出建立中國沿海 海域波浪信息系統(tǒng)的構(gòu)想，并對其研究現(xiàn)狀和可行性進行了論述；徐鋼等 6 2 1 提出 了以河口海岸漫長的自然適應過程為背景材料的所謂的“人工控制”過程；馮浩 鑒等f 6 3 j 在“八五”期間與國家海洋環(huán)境預報中心合作以天津地區(qū)9 2 1 6 號風暴 潮為例，將漫灘計算與g i s 相結(jié)合，較為準確地顯示了風暴潮淹沒陸地范圍；馬 勁松等畔】設計并實現(xiàn)了一個海岸海洋潮流模擬虛擬現(xiàn)實的原型軟件系統(tǒng) v r o c e a n ，并在南黃海輻射沙洲等的潮流數(shù)值模擬試驗中進行了實際對比檢驗。 以此同時海洋地理信息系統(tǒng)o v l a r i n eg e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，簡稱m g i s l 的提出和建立為各