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海洋内波与海浪的数值模拟

辜俊波  
【摘要】:海洋内波和海浪是海洋波动的主要形式,与人类生产、生活密切相关,对海洋环境、海岸防护、海洋及海岸工程、渔业生产、军事和航海等方面都有重要影响。本文的内容分为两部分: 第一部分,海洋内波的数值模拟。基于Euler方程,使用有限体积法建立了一种密度为连续分层情况下、适应水深变化的水域中内波传播的数值模式。为了使计算能够达到二阶精度,对流项的处理使用TVD格式;将SIMPLE算法引入连续分层海洋中内波的数值计算,为了简化计算并方便地适应多种TVD格式,改进了SIMPLE算法;出流边界的处理采用阻尼消波和Sommerfeld辐射条件相结合的方式,以使内波得到有效的衰减和释放。将等水深水域小振幅内波的数值解和理论解进行了详细比较,两者吻合较好,并对等深水域小振幅内波的传播特性进行了分析。利用数值模型计算了小振幅内波在越过潜堤时的传播,以及由密度扰动引起的内波的产生和传播过程。计算结果表明,本文建立的数值模式能有效地模拟内波的传播和变形。 第二部分,海浪的数值模拟。基于CCMP卫星遥感海面风场数据,通过将WAVEWATCH III和SWAN模型嵌套的方法,数值模拟了珠江口附近海域的风浪场。将总计10个月的数值模拟的有效波高、波周期和波向分别与相应的观测值进行了定量比较。结果说明,有效波高的平均绝对误差为15.4cm,分散系数SI为0.240,相关系数为0.925;波周期的平均绝对误差为1.9s,分散系数为0.433,相关系数为0.636;波向的平均绝对误差为23.9°。计算的波高和波向与观测结果的变化趋势相吻合。由于第三代海浪模式本身的缺陷,导致所计算的波周期偏小。总体说来,本文所采用的数值模式能较好地模拟珠江口附近海域的风浪场。使用CCMP风场、模型风场以及两者叠加后的风场模拟了2006年两个台风过程的台风浪。初步讨论了不同台风风场对台风浪的影响。


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