深度破碎效应对近岸台风浪计算影响的数值研究

论文摘要

本文首先改进了SWAN模式中弥散关系的算法,提出了一个由频率计算波数和波长的经验公式。提出的拟合方法不同于一般的多项式拟合,是在比较系统地分析了待拟合函数性质的基础上提出了拟合函数应具有的形式。定量地给出了拟合误差的分布情况,拟合误差小于5‰的结论适合于所有水深和周期的情况,对于无限深水和极端浅水,拟合函数对于待拟合函数是严格拟合的。本文用满足一定精度要求的经验公式来替代Newton法,从而改进了SWAN模式中频散关系的算法,使SWAN在近岸浪-流相互作用研究中更加便利。 其次,本文将SWAN模式应用于研究深度破碎效应在近岸登陆台（飓）风浪计算中的影响。研究的区域为美国东南海域,考察了2个强飓风过程用浮标观测数据检验了模式的计算结果。研究表明研究深度破碎效应在近岸登陆台（飓）风浪的计算具有重要影响。如果不考虑深度破碎效应模式计算的有效波高会显著地大于观测结果。忽略深度破碎效应导致的有效波高模式计算值过大在飓风路径的右侧比左侧更加显著。造成深度破碎效应关于飓风路径的非对称分布有两个原因。一是当飓风接近海岸线时,飓风路径右侧的风浪主要是从深水向浅水向岸传播并成长,而飓风路径左侧的风浪则主要是从浅水向深水离岸传播并成长,飓风路径右侧的风浪的成长相对于左侧要更加充分些。二是飓风路径右侧的风浪的主要传播方向与飓风中心移动的方向一致,生成的风浪还有可能继续受到风场的作用从风中吸取能量得到继续成长,而飓风路径左侧的风浪的主要传播方向与飓风中心移动的方向相反,使得一部分生成的风浪脱离风的作用而不能继续成长。尽管目前在国际上得到广泛应用的第三代海浪模式WAM和WAVEWATCH等都不包含深度破碎效应,有时还被用于近岸海浪的计算,但是本文的研究表明,将这些模式用于计算近岸台（飓）风浪的计算时必须考虑深度破碎效应,并且需要在每一计算时步加以考虑,否则由于传播效应会使不发生深度破碎的区域也产生计算误差。

论文目录

• 1 前言
• 2 SWAN模式
• 2.1 SWAN的物理模式
• 2.1.1 控制方程
• 2.1.2 风能输入源函数
• 2.1.3 耗散源函数
• 2.1.4 非线性波-波相互作用
• 2.2 SWAN的数值模式
• 3 SWAN模式中频散关系算法的改进
• 3.1 拟合方法
• 3.2 结果与讨论
• 4 深度破碎效应对近岸台风浪计算影响的数值研究
• 4.1 计算区域与模型的参数设置
• 4.2 风场的计算
• 4.3 深度破碎对飓风浪计算的影响
• 4.3.1 飓风 Bonnie（1998）过程
• 4.3.2 飓风 Floyd（1999）过程
• 5 结语与展望
• 参考文献
• 附录
• 致谢