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上海海洋大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：我恪守学术道德，崇尚严谨学风。所呈交的学 位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。 除文中已经明确注明和引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品及成果的内容。论文为本人亲自撰 写，我对所写的内容负责，并完全意识到本声明的法律结果由本人 承担。 学位论文作者签名：主氓 日期：伽”年1 月7 宇日 上海海洋大学学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅或借阅。本人授权上海海洋大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密 口 ，在年解密后适用本版权书。 不保密 函 学位论文作者签名：赵脚a 日期：驯1 年f 月8 日 指导教师签名制 日期：如1 1 年月l i 寻 上海海洋大学硕十学位论文 答辩委员会成员名单 姓名工作单位职称备注 吴耿锋上海大学教授主席 钱平中国农科院研究员委员 邹国良上海海洋大学教授委员 于庆梅上海海洋大学教授委员 郑永德上海海洋大学工程师秘书 答辩地点i 口，l ：一，一l 口【答辩日期2 0 11 1 1 4 上海海洋大学硕士学位论文 基于w e bs e r v i c e 的风暴潮灾害数值模拟及可视化 摘要 我国曾多次遭受风暴潮袭击，是世界上风暴潮灾害发生最频繁且所受影响最 严重的国家之一，风暴潮给我国国防、工农业生产和国民经济带来重大的损失。 对风暴潮灾害的数值模拟方法的研究，及时对灾害情况做出准确预报，把伤亡和 损失减少到最低程度，对中国和世界上所有的国家都有着迫切的现实意义。 本文研究了风暴潮灾害洪水数值模拟方法和基于w e bs e r v i c e 技术的数值模拟 结果与受灾区域地理要素g i s 数据结合可视化表达，具有较高的实际应用价值。 本文由笛卡尔坐标系下的二维浅水方程开始，分析了不同网格剖分方法( 如 单一矩形差分网格、矩形嵌套网格、曲线网格、非结构网格等) 的优缺点，最后 选择非结构网格剖分研究区域地形。同时以长江口风暴潮数值模拟为例，对影响 风暴潮过程的边界条件( 如干湿边界、涡粘系数、底床摩擦力、科氏力等) 做了 详细阐述，得到长江口区域的风暴潮灾害发生各时刻的水深分布图和流场分布图。 但是，这些分布图形的表达是通过第三方软件展示，不能与已有的g i s 数据结合 展示，不利于显示风暴潮灾害地理空间信息。为克服这一缺陷，本文探讨风暴潮 结果数据的可视化方法。结合w e bs e r v i c e 技术将矢量地图和风暴潮数值模拟结果 数据结合动态展示，使得研究人员对风暴潮灾害过程认识更客观、准确，有助于 防灾减灾部门做出适当的决策。 最后将风暴潮数值模拟与可视化结合展示，设计实现了一个基于w e bs e r v i c e 的风暴潮灾害数值模拟可视化系统。整个系统以向用户提供服务的方式，实现整 个风暴潮灾害的可视化流程无缝集成，不需要人工干预，具有跨平台性和实时性， 可以与其它应用系统集成。 关键词：风暴潮，w e bs e r v i c e ，数值模拟，非结构网格 1 上海海洋大学硕士学位论文 n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dv i s u a l i z a t i o no fs t o r m s u r g e d i s a s t e r sb a s e do n 腑bs e r v i c e a bs t r a c t c h i n ah a sr e p e a t e d l ys u f f e r e df r o ms t o r ms u r g ea n di so n eo ft h ec o u n t r i e si n w h i c hs t o r ms u r g eh a sf r e q u e n t l yh 印p e n e da n dm a d eas e r i o u si n f l u e n c ei nt h ew o r l d s t o r ms u r g eh a sb r o u g h ts i g n i f i c a n tl o s st oo u rc o u n t r y sn a t i o n a ld e f e n s e ，i n d u s t r i a l a n da g r i c u l t u r a lp r o d u c t i o na n dn a t i o n a le c o n o m y r e s e a r c h i n go nt h es i m u l a t i o n m e t h o do fs t o r ms u r g et om a k ea na c c u r a t ef o r e c a s t ，a n dm i n i m i z i n gt h ec a s u a l t i e sa n d l o s sf r o mt h ed i s a s t e ri sam a t t e ro fg r e a ts i g n i f i c a n c et oc h i n aa n do t h e rc o a s t a l c o u n t r i e si nt h ew o r l d t l l i st h e s i ss t u d i e so nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o da n dv i s u a l i z e st h e h u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do nw e bs e r v i c ec o m b i n e dw i t hg i sd a t ao f d i s a s t e r - a f f e c t e dr e g i o n a lg e o g r a p h i cf a c t o r s , w h i c hi so fg r e a tv a l u eo np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n t l l i st h e s i ss t a r t sf r o mt h et w o d i m e n s i o n a ls h a l l o ww a t e re q u a t i o n so fc a r t e s i a n c o o r d i n a t es y s t e m ，a n a l y z e st h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fd i f f e r e n tm e s h g e n e r a t i o nm e t h o d s ( s u c ha ss i n g l er e c t a n g u l a rd i f f e r e n c e 鲥d ，r e c t a n g u l a rn e s t e d 鲥d ， c u r v em e s h ，f m 鲥d ，e t c ) ，a n df i n a l l yc h o o s e su n s t r u c t u r e dg r i dg e n e r a t i o nt os t u d yt h e a r e a m o r e o v e r , t a k i n gt h es t o r ms u r g es i m u l a t i o no fy a n g t z ee s t u a r ya sa ne x a m p l e ， t h ea u t h o rm a k e sad e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ( s u c ha sf l o o da n d d r yb o u n d a r y ，e d d yv i s c o s i t y , b e dr e s i s t a n c e ，c o r i o l i sf o r c i n g , e t c ) f o rt h ep r o c e s so f s t o r ms u r g e s ，a n do b t a i n st h ed i s t r i b u t i o ng r a p ho fw a t e rd e p t ha n df l o wf i e l do f y a n g t z ee s t u a r y a te a c h t i m ew h e nt h es t o r m s u r g eh a p p e n s h o w e v e r , t h e s e d i s t r i b u t i o ng r a p h sa r ed i s p l a y e db yt h et h i r d - p a r t ys o f t w a r ea n dc a n n o tb ec o m b i n e d 2 上海海洋大学硕士学位论文 w i t ht h ee x i s t i n gg i sd a t aw e l l ，w h i c hu n d e r m i n e st h ed i s p l a yo f g e o s p a t i a li n f o r m a t i o n t oo v e r c o m et h i ss h o r t c o m i n g , t h i st h e s i sd i s c u s s e sv i s u a l i z a t i o nm e t h o d so ft h er e s u l t s o fs t o r ms u r g e b yc o m b i n i n gv e c t o rm a p sw i t hs t o r ms u r g es i m u l a t i o nr e s u l t sb a s e do n w e bs e r v i c et e c h n o l o g ya n ds h o wt h ed a t ad y n a m i c a l l y , r e s e a r c h e r sc a nh a v ea n o b j e c t i v e ，a c c u r a t eu n d e r s t a n d i n go ft h ep r o c e s so f s t o m as u r g e ，w h i c hi sg o o dt om a k e t h ea p p r o p r i a t ed e c i s i o n si nd i s a s t e rp r e v e n t i o na n dm i t i g a t i o n f i n a l l y ，av i s u a l i z a t i o ns y s t e mf o rn u m e r i c a ls i m u l a t i o no fs t o r ms u r g eb a s e do n w e bs e r v i c ei s d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h es y s t e m a c h i e v e st h es e a m l e s s i n t e g r a t i o nt ov i s u a l i z a t i o np r o c e s so fs t o r ms u r g ed i s a s t e r si nt h ew a yo fp r o v i d i n g s e r v i c e st ou s e r sw i t h o u th u m a ni n t e r v e n t i o n t h es y s t e mh a st h ec h a r a c t e ro f c r o s s - p l a t f o r ma n dr e a l t i m ed e t e c t i o na n d c a nb ei n t e g r a t e dw i t ho t h e ra p p l i c a t i o n s k e yw o r d s ：s t o r ms u r g e ，w e bs e r v i c e ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，u n s t r u c t u r e dg r i d 3 上海海洋大学硕十学位论文 目录 摘要1 a b s t r a c t 2 第1 章绪论1 1 1 问题的提出1 1 2 风暴潮简述2 1 3 风暴潮数值模拟及可视化研究现状及方法3 1 4 本文的主要工作5 第2 章二维风暴潮计算模型7 2 1 浅水水动力数值方法7 2 1 1 有限差分法( f d m ) 。7 2 1 2 有限元法( f e m ) 8 2 1 3 有限体积法( f v m ) 。8 2 1 4 有限分析法( f a m ) 。9 2 2 基本方程9 2 2 1 提出假设。9 2 2 2 笛卡儿坐标系下的二维浅水方程。9 2 3 二维风暴潮数值计算1 1 2 3 1 网格剖分1 1 2 3 2 非结构网格有限体积法1 2 2 3 3 边界条件的确定1 3 2 4 长江口风暴潮数值模拟1 3 2 4 1 计算区域与网格1 5 2 4 2 设置边界条件1 6 2 4 3 数值模拟的模型参数1 9 2 4 4 数值模拟的计算结果1 9 i 上海海洋大学硕士学位论文 2 5 本章小结2 5 第3 章基于w e bs e r v i c e 的风暴潮数值模拟可视化系统2 6 3 1 w e bs e r v i c e 原理2 6 3 2 可视化处理2 6 3 2 1 风暴潮计算网格规范化2 7 3 2 2 风暴潮灾害数据的映射与绘制2 9 3 3 风暴潮数值模拟与可视化系统集成2 9 3 4 系统设计3 0 3 4 1 系统总体设计3 0 3 4 2 系统功能设计3 1 3 5 本章小结3 3 第4 章结论与建议3 4 4 1 结 念3 4 4 2 建议3 5 参考文献3 6 发表论文和参加科研情况说明3 9 致谢4 0 上海海洋大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 问题的提出 风暴潮所引起的海洋灾害常常表现为增水灾害，如淹没土地、海滩侵蚀、航 道及港池骤淤、冲毁堤坝、毁坏房屋、夺人生命等，严重实例不胜枚举。风暴潮 引起的减水同样会给国民经济带来重大损失，表现为：航运受阻、电厂取水困难、 港口码头作业不便等。其实风暴过境，除了引起增减水的现象之外，对流场也会 产生很大影响。台风过境常常引起水平和垂直环流，这些环流对海洋水体的温度 场、盐度场及海洋污染物的扩散有很大影响。风暴潮造成淹没农田、冲垮盐场、 摧毁码头、破坏沿岸的国防和工程设施，也是开发浅海油田时难防的大患。改革 开发以来，我国沿海地区的经济飞速发展，其在国家经济建设中具有十分重要的 地位。台风风暴在我国沿海地区的频繁登陆，给沿海地区的经济、国防、工农业 生产和国民经济带来意外的损失，只有及时准确的预报才会使人员伤亡和损失程 度减少到最低。故研究引起风暴潮形成、发展的内在规律，以及探讨风暴潮数值 模拟及可视化方法，对中国乃至世界上所有的国家都有着积极的现实意义【1 ，2 3 ，4 】。 水动力数学模型是进行风暴潮数值模拟的重要工具。随着数学模型及其理论 的不断持续发展，同时数学模型作为科学研究和分析问题的基础具有比较廉价， 易于使用和操作等特点。因此，它逐渐取代复杂的物理模型和传统的物理实验， 成为研究浅水流动规律的理论基础和重要方法。水动力数学模型以水动力流体力 学为理论基础，以水体流动为研究对象，采用数值求解偏微分方程的数学方法作 为理论支撑，是一门新型应用科学。水动力数学模型是对各种数值模拟方法的抽 象概括。水动力数学模型运用严格的数学方法论证对复杂的物理现象做抽象的数 值模拟。然后比较分析不同数值计算方法来近似求解复杂问题。随着数学模型理 论研究的不断成熟，水动力数学模型已经在各行业得到广泛应用。例如水文水利 预警预报、气象气候预警预报、水环境检测预警预报、航天科技流体动力等领域 中，都可以看到水动力数学模型对自然演变过程的重现。目前水动力数学模型的 一个重要研究方向即为浅水流数值模拟。 上海海洋大学硕+ 学位论文 我国地域辽阔，拥有许多河流资源，其中有5 万多条河流面积超过1 0 0 平方 公里，1 5 0 0 多条河流面积达到1 0 0 0 平方公里以上。其中长江、黄河、海河、滦河、 淮河、珠江及辽河松花江流域面积大，为著名的七大江河。其中长江出海口的沿 岸为我国经济较发达地区之一，一旦发生诸如风暴潮这类破坏性巨大的自然灾害， 将导致严重的国民经济损失。要真正实现对这些丰富水利资源的可持续化利用和 防灾减灾能力建设，对影响这些水域的风暴潮灾害预警预报和灾害的过程重现即 可视化展示是一个迫切的问题。 1 2 风暴潮简述 风暴潮是来自海上的一种巨大的自然界灾害，系指由于强烈的大气扰动( 如 强风和气压骤变) 所导致的海面异常升高的现象。它结合了通常的天文潮，特别 是若赶上了高潮阶段，则往往会使其影响所及的海域水位暴涨，乃至海水浸溢内 陆，造成漫滩【4 ，6 】。我国海岸带跨越几大气候带，是风暴潮灾多发地斟7 1 。 根据诱发风暴潮的大气扰动特征，通常将风暴潮分为由热带风暴( 如台风、 飓风等) 所引起的和由温带气旋所引起的两大类。这两类风暴潮的明显区别在于： 由热带风暴引起的风暴潮，一般伴有急剧的水位变化；而由温带气旋引起的风暴 潮起水位变化时持续而非急剧的。可以认为，这是因为热带风暴比温带气旋移动 迅速、而且其风场和气压变化也来得更急剧的缘故。另外，在我国北方的渤、黄 海还存在另一种类型的风暴潮，大概是我国所特有的。它是由寒潮或冷空气引起 的，特点是水位变化持续而不急剧，由于寒潮或冷空气不具有低压中心，因而可 称这类风暴潮为风潮。 根据诱发风暴潮的不同类型天气系统，常常将风暴潮现象分为飓风或台风风 暴潮( 热带风暴潮) 和温带风暴潮两大类。两种不同的类型的大气扰动所引起的 风暴潮灾害特点不一样。由台风引起的风暴潮强度强，移动迅速，通常带有急剧 的水位变化，所产生的风暴潮增水较大，危害也要大；而温带风暴潮由西风带天 气系统造成，相对而言大气扰动强度较弱，引起的增水相对不急剧，但持续时间 比较长。 引起和影响风暴潮灾害过程的内在因素是很复杂的，在我们研究的重点区域 即浅水域中，导致风暴潮的主要因素有低气压和风场引起的共振，以及研究区域 的陆地水底地形地貌、涡粘系数、底床摩擦力、地球自转产生的科氏力等，它们 2 上海海洋大学硕士学位论文 导致风暴潮的形成的发展，明确了风暴潮产生的轮廓，以及风暴潮强度的数量级。 风场和气压场相比而言，浅海水域风暴潮的一个特点是风场是风暴潮的主要推动 力。仅当水域水深达到较深的程度时，风场和气压场相对比才显示为比较小的量 1 1 4 o 风暴潮能否成灾，在很大程度上取决于其最大风暴潮位是否与天文潮高潮相 叠，尤其是与天文大潮期的高潮相叠。当然，也决定于受灾地区的地理位置、海 岸形状、岸上及海底地形，尤其是滨海地区的社会及经济( 承灾体) 情况。如果 最大风暴潮位恰与天文大潮的高潮相叠，则会导致发生特大潮灾。我国曾多次遭 到风暴潮的袭击，也造成了巨大的经济损失和人员伤亡。1 9 4 9 到1 9 9 3 年的4 5 年 中，我国共发生过程最大增水超过1 米的台风风暴潮2 6 9 次，其中风暴潮位超过2 米的4 9 次，超过3 米的1 0 次，共造成了特大潮灾1 4 次，严重潮灾3 3 次，较大 潮灾1 7 次和轻度潮灾3 6 次【i 引。如8 9 2 3 和9 2 1 6 号台风风暴潮。1 9 9 2 年8 月2 8 日至9 月1 日，受第1 6 号强热带风暴和天文大潮的共同影响，我国东部沿海发生 了1 9 4 9 年以来影响范围最广、损失非常严重的一次风暴潮灾害。潮灾先后波及 福建、浙江、上海、江苏、山东、天津、河北和辽宁等省、市。风暴潮、巨浪、 大风、大雨的综合影响，使南自福建东山，北到辽宁省沿海的近万公里的海岸线， 遭受到不同程度的袭击。受灾人口达2 0 0 0 多万，死亡1 9 3 人，毁坏海堤1 1 7 0 公 里，受灾农田1 9 3 3 万公顷，成灾3 3 3 万公顷，直接经济损失9 0 多亿元【1 0 , 1 1 , 1 2 】。 风暴潮灾害居海洋灾害之首位，世界上绝大多数因强风暴引起的特大海岸灾 害都是由风暴潮造成的。特别是2 0 0 5 年在美国东海岸k a t r i n a 飓风引起的风暴潮 灾害造成海岸防护堤坝严重损毁，海水侵入内陆，导致新奥尔良城被海水淹没， 直接经济损失就超过1 0 0 0 亿美元，综合经济损失在2 5 0 0 亿美元( c b sn e w s ) 虽然当今科学技术正在高速发展，但是我们对自然灾害的认识和对自然环境的保 护还是有很多需要做的工作。因此，根据风暴潮形成的规律，建立合理的风暴潮 数值模拟模型，不仅在科学理论的研究上，而且在实际应用中都有着重要意义。 1 3 风暴潮数值模拟及可视化研究现状及方法 随着科学技术的不断进步，对流体的性质及运动规律的研究也会不断深入。 于流体运动的极度复杂，人们对它的认识还存有很大的局限。物理模型试验虽流 体运动的常用手段，但对于实际工程中大量存在的边界形状复杂的区段内的于其 3 上海海洋大学硕士学位论文 复杂性和测量困难性，实验往往只能给出总流的参数，而对区段内的流场的不能 详细给出，而数值模拟则能给出相关流场的具体信息。正是因为数值模拟具的优 点，逐渐成为研究流体力学强有力的手段。 风暴潮数值预报技术经国家“七五 和“八五 重点科技攻关而日臻完善， 并逐渐形成了风暴潮数值预报系统【6 j 。风暴潮的监测和通讯系统也已在全国范围内 建立。风暴潮数值预报与监测系统的完善，使得根据预报监测风暴潮增水值和潮 汐值叠加的预报潮位值进行风暴潮灾害数值模拟成为可能。 随着预报技术的进步，经过2 0 多年的努力，逐步建立了一套行之有效的台风 风暴潮数值模拟预报模型。 l 、二维台风风暴潮模型。该模型是由王喜年、尹庆江等建立的，具有作业操 作简便、预报产品丰富和便于应用等特点。 在1 9 9 1 1 9 9 5 年中，该模式已对登陆或影响我国沿海的4 9 次台风( 含强热带 风暴和热带风暴) ，进行了2 2 0 次的台风风暴潮模式跟踪预报，成为实时预报的主 要手段，曾为多次成功的风暴潮预报提供了可靠依据。 2 、s l o s h 飓风风暴潮数值预报模型。该模型是美国国家海洋大气管理局 ( n o a a ) 、国家天气局( n w s ) 早在1 9 8 1 年就开始的一项关于飓风风暴潮数值 预报的美国国家研究项目，截至1 9 9 2 年发表技术报告为止，经历了l o 多年的研 制和改进。它是美国最新一代国家风暴潮预报模型，在防灾预报中发挥了重要作 用。 s l o s h 模型采用类似扇形的网格点进行计算，每个网格的范围并不固定，由 接近中心点的1 0 0 0 米至最外边的7 0 0 0 米，使到中心点附近预报区有较高水平的 分辨率。模型需要网格点上的水深或高度资料，也可包含更细小的地理特征如围 墙、堤坝、河流和沟渠等。s l o s h 也可模拟风暴潮进入海峡、海湾、三角洲和沿 岸河流流域的途径，并且计算风暴潮进入内陆时的高度。该模型也是二维模型。 模型计算区域覆盖部分大陆架、内陆水体以及障碍物。所有计算域采用均匀伸展 的极坐标网格。这种网格的优点是t 岸边重要区域的网格可以很细( 1 0 0 0 米左右) ， 能很好地反映复杂地形对风暴潮的影响；离岸边较远的深水区网格较粗，节约内 存、而不影响计算精度【l5 1 。 如今，风暴潮灾害数值模拟的发展过程主要是围绕理论分析和物理实验得到 的结果，通过相关计算程序得到具有足够可靠性的结果数据，然后经过可视化处 4 上海海洋大学硕士学位论文 理使得科研人员能了解计算过程与理解计算的结果数据。其中的图形化处理多是 手动处理，或另外开发程序进行后处理。这样的处理模式对于风暴潮这一具有实 时性的灾害模拟是不适合的。同时，风暴潮灾害的大多数研究侧重于数学模型理 论和参数设置，给出的结果是大量枯燥数据和根据这些数据花大量时间制作的各 种静态图像。而原始数据和计算参数来源的多样性及结果显示繁杂，往往使得风 暴潮灾害研究者难以理解计算产生的结果数据，阻碍研究工作的深入进行【1 6 1 。 因此，随着风暴潮数值模拟方法的日趋成熟，对这一灾害结果的可视化便成 为丞待解决的问题。可视化概念首先来自科学计算可视化，它侧重于科学和工程 领域数据的可视化问题。它是指在人脑中形成对某物( 某人) 的图像，是一个心 智处理过程，促进对事物的观察力及建立概念等。1 9 8 7 年美国国家科学基金会给 出可视化新的定义，认为“可视化是一种将抽象符号转化为几何图形的计算方法， 以便研究者能够观察其模拟和计算的过程和结果，包括图像的理解和综合。也就 是说，可视化是一个工具，用来解释输入计算机中的图像数据和根据复杂的多维 数据生成图像【1 7 , 1 8 】。 传统的风暴潮灾害数据可视化方式通常是用户对本地数据进行处理显示。虽 然网络为人们共享数据等各种资源提供了必要的前提和手段，但是，传统的网络 在共享数据中往往是简单的将数据共享于网络之中，用户与数据服务之间缺乏必 要的交互性。而且，由于网络中数据格式的多样性，以及网络环境等的不同，使 得具有空间信息的风暴潮模拟数据只能以单一模式显示，不能与已有的g i s 空间 数据进行结合展示。例如，由丹麦水动力研究所开发的m i k e 2 1 水动力计算模块， 对于风暴潮计算数据的二维、三维可视化处理技术是比较成熟的，但是其展现模 式局限于它本身的数据格式和c s 架构，不便与已有的空间图层( 如s h a p ef i l e 文 件) 和卫星遥感数据结合显示，这对于研究人员进行实时的数据浏览及分析是不 便的。因此，如何通过网络使研究人员能够实时获取远程服务器上的数据，继而 对远程服务器上的数据进行可视化表达，为风暴潮辅助决策支持提供服务，是当 前丞需解决的问题。 1 4 本文的主要工作 本文所探讨的风暴潮二维水动力计算模型对研究区域建立合适的数学模型进 行研究，对模型的计算域包括陆地和海底地形、边界条件等重点研究方向做了深 s 上海海洋大学硕士学位论文 入阐述。并运用在水动力计算方面较常用的方法一非结构网格有限体积法，对 模型进行计算。通过适当的参数模拟长江口风暴潮二维水动力过程，可作为长江 口防灾减灾的参考资料。进而，针对风暴潮灾害可视化的需求，结合w e bs e r v i c e 技术，探讨风暴潮灾害数据可视化的关键技术与实现方法，通过网络为研究人员 提供实时的风暴潮灾害数值模拟以及水位和流场的时空分布可视化展示与查询。 为研究风暴潮计算数值模拟方法以及计算结果数据可视化展示问题，本文总 体上分为四章，从第二章开始具体内容简述如下： 第二章是对浅水水动力数值计算的4 种方法进行阐述，继而针对风暴潮灾害 特点提出假设，引出笛卡尔坐标系下的二维浅水方程，包括连续性方程和控制方 程。并在此基础上，分析影响长江口水动力边界条件的参数( 如潮汐变化、风暴 潮增水、底床摩擦力等) ，探讨二维风暴潮数值计算的结构网格和非结构网格方法。 最后以长江口风暴潮数值模拟计算为例，计算得到长江口不同时刻的网格单元水 深、水位、水平方向和垂直方向流速，以及不同时刻的风暴潮洪水演进水深分布 图和流场分布图。 第三章是对风暴潮数值模拟计算的结果进行实时可视化展示。结合w e b s e r v i c e 的特点，设计b s 架构的风暴潮实时数值模拟可视化系统，将风暴潮数值 模拟过程和可视化展示集成。重点讨论了可视化需求的风暴潮计算网格规范化方 法，以及风暴潮灾害数据的映射与绘制方式。 最后是对本文研究工作的总结，以及对下一步工作的建议与展望。 6 上海海洋人学硕士学位论文 第2 章二维风暴湖计算模型 2 1 浅水水动力数值方法 目前在实际工作中运用最多、最广泛的数学模型是平面二维数学模型【4 】，其计 算方法也得到充分的发展。应用于潮流数值计算的方法，就其基本思想不同，大 致可分为四大类：有限差分法、有限元法、有限体积法和有限分析法。 2 1 1 有限差分法( f d m ) 在计算机模拟中，起初就是用f d m 来计算浅水流动。f d m 是最古老的，同 时也是最有生命力的数值模拟方法，至今仍得到最为广泛的应用。f d m 以t a y l o r 级数展开为工具【1 9 】，对水流运动微分方程中的导数项用差分式来逼近【2 0 】，从而在 每一计算时段可得到一个差分方程组。如差分方程组解，即各方程可独立求解， 称为显格式，反之，若需联立求解，称为隐格式。随着所用t a y l o r 展开式的不同， 差分格式可按逼近精度的解分为一阶、二阶，以至更高阶，也可按格式的性质分 为中心及逆风( 或偏心) 格式两大类。 f d m 是建立在经典的数学逼近理论基础上的，按差分格式又可分为显式、隐 式、半隐半显式等。其离散原理简单且容易被人们接受，数学推导和程序编制的 工作量小，占用计算机内存少，处理效率较高。使用f d m 要使差分方程正确反映 水流的物理机制，如用中心格式来计算急流，只利用解的连续性，在物理上是不 合适。控制微分方程表达了质量守恒与动量守恒的物理定律，而差分方程有时不 能严格保持守恒性质，数值解会出现水量、动量不平衡的守恒误差。经典f d m 常 常也不能用来正确计算间断解。通过多年研究人们总结出了建立守恒逆风差分格 式的方向。在二维情形，由于使用t a y l o r 级数展开，故f d m 一般只用于矩形或正 交曲线网格。f d m 通常在计算域概化及数值解精度方面，存在带根本性的困难【8 】。 一般矩形网格很难与复杂或不规则边界充分贴合。为克服传统f d m 的这一缺陷， c r o n l e y ，b a r f i e l d 和t h o m p s o n 等人提出了边界拟合坐标法，赵士清( 1 9 8 3 ) 应用 三角差分法原理提出了有限节点法。f d m 的数值方法还有特征线法、d u f o r t f r a n k e l 方法、h h 法、a d i 方法、l a x w e n d r o f r 方法、分裂算子法、d s i 法、物理分步法 7 上海海洋大学硕士学位论文 所产生的正或负动水压力) ，问题便迎刃而解，既简单又准确。这为推广f v m 、发 挥其优点开拓了道路。推而广之，只要依据基本力学原理，可考虑计算域内各种 局部障碍和阻力( 如边界转折、断面迅速扩缩等) 所产生的能量损耗。此外，f v m 既适用于连续解，也适用于间断解，可以严格遵循物理守恒律。对二维问题可使 用f e m 网格和斜底格子以准确拟合地形；采用一维守恒逆风差分格式( 尤其是高性 能特征逆风格式) 来计算跨越控制体界面的通量，并通过有限控制体的水量动量平 衡来建立离散的f v m 方程组供求数值解使用。f v m 的误差主要来自对界面通量 的估算，它严格遵循守恒律，不存在任何的水量动量不平衡的守恒误差，这不同 于f d m 的误差主要来自用差商逼近偏导数而带来的截断误差，后者使f d m 不适 用于时空变率大的情况。因此，f v m 吸取了f d m 与f e m 的优点，并同时具有自 己的独特优点，尤其对二维水动力计算问题，f v m 可发挥巨大作用【2 0 1 。 2 1 4 有限分析法( f a m ) f a m 是由陈景仁于1 9 8 0 年提出的。它的基本思想是将计算区域剖分成有限个 规则子域，按解析法求得子域内各变量和子域边界变量之间的解析关系，然后将 所有子域上的关系汇集成一组代数方程，再加上边界条件，可解出域内各点因变 量。此法的优点是为计算工作量小、稳定性好、精度亦高，特别适用求解大r e y n o l d s 数的问题【2 2 1 。 2 2 基本方程 2 2 1 提出假设 ( 1 ) b o u s i n e s q 涡粘假定： 将紊动应力和时均流速梯度建立起关系：涡粘 1 9 ：q _ o u ：万 宓 ( 2 1 ) ( 2 ) 静水压假设： 垂向加速度远小于重力加速度，因此在垂向动量方程中忽略垂向加速度而近 似采用静水压假定。 2 2 2 笛卡儿坐标系下的二维浅水方程 水流连续方程 9 上海海洋大学硕士学位论文 丝+ 掣+ 挲：h s ( 2 2 ) + + =i z zj o t觑加 、。 警+警t爹。v一一曲警一去誓一丽gh2瓦tvhoy 。2 哪 + + =一助一? 一_ a融 。 。苏风苏2 风苏， 一! ( 擎+ 孕) + 拿( 乙) + 拿( j l l 巧) + j l l 材，s 一。 p q o x dx c r y 。 警+ 警+ 爹一乃肛劝万o r 一去等一丽g h 2 万a p。2 q 刁1 一t o s y o x + 擎o y ) + 昙( + 昙( 椭，s 一 氏 呶 o ) 。 g 为重力加速度；p 为水密度；死为大气压力；p o 为水的参考密度；s 为源项入流 上述方程组中，一h 挈，一h 誓项为水面的气压梯度项。 上海海洋大学硕士学位论文 2 3 二维风暴潮数值计算 2 3 1 网格剖分 网格剖分即格网生成并不是简单的用多面体来填充空间，格网类 两种：结构格网和非结构格网。结构网格用直角坐标系中的矩形网格( 一定为矩形) ，容易确定网格间的邻接关系，也利于用差分逼近导数。 于组织数据结构，程序设计简单，适于各种算法，处理效率较高。但 处理边界上的奇点( 尤其是内凹点) ，边界附近网格的误差较大。所以选 格的形式，采用凸多边形构成不规则网格，便于控制网格密度，易作 性调整。 对于具有复杂地形地貌的河口海岸带，传统的结构网格如图2 1 中 差分网格、矩形嵌套网格和曲线网格不易拟合岸线，因此需要将非结 河口海岸风暴潮水动力数学模型的研究中，使岸线边界充分拟合。 a 单矩形差分网格 拳遵 黧差 互竺= 怼；磊，雾 d 非结构网格 图2 - 1 传统结构网格( a 单矩形差分网格；b 矩形嵌套网格；c 曲线网格；d 非结构网格) f i g u r e 2 - 1t h et r a d i t i o n a l $ t r u c t t 鹏g r i d ：( a ) r e e t a n g u l a rd i f f e r e n c eg r i d ；( b ) r e c t a n g u l a rn e s t e d g r i d ；( c ) c u r v i l i n e a rg r i d ；( d ) u n s t r u c t u r e d 鲥d 因长江口边界形状和海底地形比较复杂，本文模型采用能较好拟合岸线边界 ： 上海海洋大学硕士学位论文 的非结构三角形网格作为剖分地形的计算网格。如图2 2 ，结构网格相比与非结构 网格，更加拟合岸线。 结构网格 j 结构网格 逝谨， 海洋 图2 2 结构网格与非结构网格比较 f i g u r e 2 2c o m p a r i s o ns t r u c t u r e dg r i da n du n s t r u c t u r e dt r i a n g l eg r i d 2 3 2 非结构网格有限体积法 ( 1 ) 结构和非结构网格 1 ) 结构网格【2 3 】( f d m 网格) 最早使用直角坐标系中的矩形网格，即结构网格，规定每个格子的边长比及 相邻格子的边长比需满足一定限制、以保证模型计算的精度。矩形网格的优点是 有利于用差分逼近导数，容易确定格子间的邻接关系，便于组织数据结构，程序 设计简单，适用于各种算法，计算效率较高。主要缺点是把计算域概化成锯齿形 边界，陆地边界附近出现不符合实际的曲折水流，难以处理边界上的奇点( 尤其是 内凹点) ，导致边界附近解的误差较大。 使用曲线网格，虽然可以使得网格线和与计算域边界贴合，但其只对几何形 状简单的建立计算域网格，对于形状复杂区域需用若干割线将计算域剖分为简单 的子域后分别建网格，这时需解决分块之间的解不协调问题。 2 ) 非结构网格( f e m 网格) 非结构网格最早使用在有限单元法中。常用任意三角形或四边形构成不规则 网格。由于四边形网格显格式时敲三角形大；节点数相同时三角形网格的格子 和边的数目为四边形网格的两倍或多倍，因而计算量大：拉长的三角形上一阶方 法的精度和稳定性很差；四边形网格的解较好，且二阶粘性项较易处理，因此， 目前倾向于多用凸四边形网格。两者可混合使用，以四边形为主体，以三角形为 补充，后者用在局部地形巨变、粗细网格过渡及曲折边界处。 上海海洋大学硕士学位论文 非结构网格的优点是：与岸线地形拟合较好，有利于边界条件的实现；便于 控制网格密度，易作修改和适应性调整；构造网格比曲线网格容易，大型三角网 可用程序自动生成。缺点是：网格的排列不规则，需要占用大量计算机内存来建 立数据结构、检索格子间关系；隐格式求解效率低，一般使用迭代法，数值解后 处理工作较大。 非结构网格和结构网格也可结合使用，在模拟河流、浅海等浅水流时，计算 域内部大体上按流网建立有结构四边形网格，边界不规则部分建立三角形网格( 称 辅助域法) 。如三角形按f j 者的行或列布置，并看作某一边长为零的四边形，仍可 按结构网格处理。 2 3 3 边界条件的确定 大区域边界取静压水位叠加由1 0 个分潮推算的天文潮位。包含八个主要分潮 m 2 、s 2 、k 1 、0 1 、n 2 、p 1 、k 2 、q 1 以及两个长周期分潮m f , m m ，这1 0 个分潮 基本能够构造出外海深水处真实的天文潮过程。各开边界处的水位由下式给出： 1 0 h o ( x ) = l l ，( x ) + 4 ( 工) s i n ( w i t + a ，( x ) ) ( 2 - 6 ) i m 式中，为边界处的潮位，i i i 。为边界处静压水位，i 等于1 至1 0 ，分别对应m 2 、 s 2 、k l 、o l 、n 2 、p 1 、勉、q 1 、m f , m m 等分潮，4 、a i 分别为分潮在三条边 界处的振幅和迟角，w 为分潮的角频率。 2 4 长江口风暴潮数值模拟 我国入海的江河较多，较大的有鸭绿江、辽河、海河、黄河、长江、钱塘江、 闽江、珠江等。由于受到洪水、流量、河床等因素的影响，江河的潮汐不同于海 洋潮汐。 长江口水域开阔、口内多浅滩和沙岛，流场分布规律比较复杂，是我国第一 大河口。如图2 3 所示，自徐六泾以下，长江河口段由崇明岛将长江分为南支和北 支，南支又由长兴、横沙岛分南、北两港，南港再由由九段沙分为南槽和北槽形 成长江口三级分流、四口入海的河势格局。在长江口水域建立二维风暴潮数学模 型，有利于对长江口水动力特性和海洋灾害的影响从宏观上加以研究。同时河口 上海海洋大学硕士学位论文 平面二维数学模型的求解方法已比较成熟，且运算量相对较小。采用平面二维数 学模型能够利用现有的计算设备，并在较短的运