海面空气动力粗糙度参数化方案的适用性研究

【摘要】：近年来大量试验观测表明海表面粗糙度与海况有关,风吹过海面传递给海水动量产生波浪,风浪又反过来影响大气流动。不同发展程度的风浪具有不同的结构,使界面流场及动量交换产生显著变化。风浪的发展状况取决于风区和风时,可用波龄cp/u*来度量,另外涌浪的存在也是影响海面粗糙度的一个重要因子。因此,目前国际上常用的海表面空气动力学粗糙度方案用两种模型表征海表面粗糙度与风浪状态,1)与波龄有关,如O02、DGHQ03. GW06和PS07方案等；2)与波陡有关,如TY01方案。为确定这两种模型方案在不同试验条件下的适用性,本文从量纲分析及试验验证两方面着手进行研究。 本文由流体力学粗糙度的定义导出,海面阻力系数与海表面粗糙度长度及大气稳定度有关,海表面粗糙度长度又与风速、风区、风时、有效波高、波龄、波陡等海况因子有关。当海面无风浪,完全光滑、海气表面是粗糙湍流条件、大气为中性层结条件下由量纲分析导出无因次海面粗糙度z0/Hs、Charnock参数都与波龄有关。Hsu(1974)提出粗糙度与波陡成比例,由此导出,在深水条件下,无因次的海面粗糙度长度zo/Hs与波龄的平方有关。在浅水条件下,无因次的海面粗糙度长度z0/Hs不仅与波龄的平方有关,还与水深、波长有关。且无因次粗糙度长度z0/Hs比在深水条件下要大π倍以上。可见,波龄与波陡有很好的相关性。 利用HEXMAX试验、RASEX试验、BIO稳定平台试验、FETCH试验、SWADE试验及SOWEX试验资料,HEXMAX试验代表有限水深的开阔洋面条件、RASEX试验代表有限风区浅水试验条件、BIO稳定平台试验包括深水开阔洋面条件以及长风区条件,这三个试验都是纯风海条件或是以风浪为主海况条件；FETCH试验代表深水有限风区条件,资料包括纯风海条件,也包括风速较小时以涌浪为主的海况条件；SWADE试验代表纯风浪及风浪与涌浪共存条件下的浅水试验、SOWEX试验代表开阔洋面无限长风区条件,其中包括涌浪观测资料。进一步明确海面粗糙度与海浪的特征——波龄与波陡二者之间的关系,测试这两种粗糙度方案模型的适用性。结果得出：在不同试验条件下,波龄粗糙度方案模型比波陡模型具有更好的普适性。在纯风海或以风海为主海况条件下,DGHQ03、PS07方案计算的粗糙度长度与实测资料计算的结果最接近,GW06方案次之,O02方案计算结果明显偏高；以涌浪为主海况条件下6种方案计算的粗糙度长度均偏低,O02方案计算的粗糙度长度的误差相对较小,YT96方案次之,DGHQ03方案最差。 将6种海面粗糙度方案应用于风暴潮、流、浪耦合模式中。选取湛江港3次历史台风资料,计算湛江港增水及硇洲岛海浪,与实测增水及海浪浪高相比较,验证几种海面粗糙度方案的适用性,结果得出DGHQ03方案与PS07方案应用于湛江港风暴潮流、浪耦合模式后计算的湛江港的波浪场与风暴增水与实况相符最好。