（物理海洋学专业论文）江苏沿海风、浪特征研究.pdf

摘要 江苏省人口众多，陆地资源相对匮乏，沿海地区经济发展滞后。为建设“海 上苏东”，带动苏北地区的发展，要大力丌发海洋资源，发展海洋捕捞、水利、 交通运输、港口建设等事业，必须对沿岸水动力、尤其是风、浪等极恶劣海况下 的水动力信息有具体详尽的了解，并及时查询相应水动力数据供实际应用。 江苏沿海只有两个长期波浪观测站，此前人们只对+ 些特定海域和工程区的 风( 包括台风) 、浪特性做过研究，资料匮乏，没有进行全面的细致的探讨，更 谈不上建立整个江苏省沿海海浪数据库。加之近岸海浪数值预报，尤其是台风、 海浪数值预报一直是国际海洋学界研究的前沿课题，因此本研究不仅力图使其具 有学术价值，也具有工程应用价值，同时也是防止和减小海洋灾害所必须解决的 问题之一。 本文研究的主要内容包括： l i 根据江苏省沿岸各测站实测的多年风资料，分析江苏沿海风特性，确定 江苏沿海各气象站的设计风要素，各海区不同重现期设计风速；对江苏海岸风浪 数值模式进行研究，根据风浪相关关系确定深水区波浪要素；通过第三代浅水波 浪数值模型s w a n 模拟江苏沿海风浪场，并对江苏沿海的波浪场特征进行分析研 究。 2 利用国家气象局发布的1 9 8 9 2 0 0 0 年的热带气旋年鉴，首次对影响江苏 沿海的热带气旋进行统计分析，研究其时空分布特点；结合8 1 1 4 号台风，提出 用藤田台风模型计算深水有效波高的方法，并对结果进行比较分析，得出较为合 理的结论。 3 文章尝试利用d e l p h i 高级编程语言开发m a p x 控件，在对计算结果建立 数据库的同时利用d e l p h i 高级编程语言调用数据库，进行波浪计算结果显示， 为本文的计算结果提供了一个较为友好的查询界面。 关键词：s w a n 数值模型：风特性；台风；m a p x 控件；江苏沿海风浪 河海大学硕士论文 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 协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 哗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 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 2 0 0 5 年3 月1 9 日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 ，海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 2 0 0 5 年3 月1 9 日 颈t 论曼江苏沿海风，浪特征研究 1 1 问题的提出 第一章绪论 海洋之于人类活动，在当今具有特别重要的意义，不仅在于海洋可利用的各 种- # 富的生物、矿产资源，海洋日益严峻的环境保护问题，还表现在海洋与人类 生命的息息相关。海浪、风暴潮一直是人类关注的焦点，海浪是海面上种十分 复杂的波动现象，它影响着海上活动的者方面，在科学技术发展的今天，疾风和 f i 浪所造成的海难仍占世界海难的6 0 一8 0 。海浪会引起船舶横摇、纵摇、艏 摇、纵荡、横荡和垂荡运动，巨浪到了近海和岸边，具有摧毁各种建筑物和岸堤 的能量，有时海浪虽不大，但当海浪周期与海洋平台等建筑物的自振周期相近时， 也可造成建筑物的毁灭性破坏。近代研究表明，海上自然力的破坏力9 0 来自 海浪，我们平常说得“避风”，实际上是“避浪”，因为任何避风港和锚地都避不 了风，而只能避浪，可见海浪是海上灾害的主要原因之一。 我国海岸线绵延1 8 0 0 0 余公里，沿海地区经常遭受不同程度的台风及巨浪 的袭击，据国家海上安全指挥部门统计，在1 9 4 9 1 9 8 2 年的3 4 年里，仅被交通 和海军救助的船只就达6 2 9 5 艘次，中国海由海浪引起的海难每年平均有7 0 次， 经济损失每年约l 亿多元，死亡5 0 0 余人。尤其是沿岸近海台风浪所造成的海难 更是触目惊心。1 9 8 9 年全年有1 0 个登陆台风，据浙江、广东和海南三省防汛部 门的统计，因台风浪沉损船只3 4 0 8 艘，冲坏海堤1 0 8 5 4 处，冲毁海堤9 0 0 公里， 巧亡2 0 0 余人，伤近千人，海浪造成的直接损失约5 亿元。据有关调查，每年仅 由台风向岸浪对我国海岸防护工程的破坏、对近岸海域船舶和海水养殖业的危 害，所造成的经济损失就超过7 亿元。可见进行风浪及台风浪的研究有着极为重 要的现实意义。 1 2 海浪的预报 1 2 1 海浪预报的发展 波浪研究作为一种科学于1 9 世纪在欧洲产生，将波浪尺度( 波浪特征值) 与风速u - o 、风区f 相联系，试图用定量关系表达的工作，在2 0 世纪初开始，但 第一章绪论 是将其体系化的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 ) ，他们撇开波浪 理论的细节问题，导出有效波波要素与海面风域性质( u 。f 、t ) 的关系。后根 据较高精度的波浪观测资料，经b r e t c h n e i d e r ( j 9 5 2 ) 的修正，使之实用化， 称为s m b 法，迄今仍在使用。 1 9 4 8 年英国b a e r 和u r s e l l 对英国沿岸所作的波浪观测记录作了分析，得到 波浪谱，并研究了波浪谱和大西洋风暴之间的关系，暗示了根据谱的概念进行波 浪预报的可能性，他们提出的概念是：复杂的海面波动由很多成分波叠加而成， 因此可以将它们分解成各成分波，研究各成分波的变化，然后再加以叠加，即可 表达复杂的海面的变化，此概念和统计综述表达的有效波不同，其优点是可以进 一步揭示波动本质。 几乎同时，美国独立进行了利用谱概念进行波浪预报的开发研究。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，称为p n j 法。p n 丁 法的理论基础包括：充分成长的波浪即为同一风速长期吹刮下海面波浪达到一定 程度，不再因历时增加或扬波距离加长而增大的饱和状态的波浪谱的标准形，即 n e u m a n n 谱；l o n q u e t h i g g i n s 开创的波浪统计理论。以p n j 法为契机，各国都 开始重视波浪预报方法的研究，同时，关于波浪理论和实验研究也比较广泛的开 展起来。 电子计算机自1 9 4 6 年问世以来，至六十年代已在各个科学技术领域中日益 得到广泛的应用。七十年代起，针对谱组成波模式中源函数的选择和计算上的一 些困难，有人提出了风浪的参数模式，后又有人提出了第二种谱模式，即所谓的 耦合模式。这一时期，是波浪数值预报研究十分盛行的时期，不少国家开始进行 业务预报。1 9 8 0 年至1 9 8 3 年间，由美、日、英、西德、法、荷、意等国波浪专 家组成了一个小组，即所谓的s w a m p 小组，针对各国业已提出的代表性波浪模 型进行分类，并对几种理想风场情况下，实验其模式性能，试验结果认为，各种 模式各具有其优缺点，不存在谁优谁劣的问题。 西欧一些国家自1 9 8 5 年起着手开始了所谓第三代波浪数值预报的研究计 划，成立了个w a m 小组，他们的目的是更全面地考虑能量平衡方程中的源函 数中的各项，以包括更多的物理过程，开发一个全新的波浪数值预报模式，并且 对波浪的动力学机制，以及人造卫星、浮标站，定时波浪观测报告等的观测资料 2 硬上论文 江苏沿海风、浪特征研究 的同化等作进一步深入的研究。 我国的海浪预报已有很长的历史，如上海徐家汇气象台自1 8 7 2 年成立起， 就开始发布海洋气象预报，其中包括海浪要素，迄今己有一百多年的历史。河海 大学洪广文教授等根据福建莆田试验站观测资料，考虑风速、风区和水深的影响， 提出了一个适用深、浅水的风浪要素计算方法，即莆田公式，已为我国水利部碾 压式上石坝规范所采用；中国海洋大学文圣常教授等采用解析方法求得深水水 域和浅水水域的风浪频谱，并列入我国海港水文规范( 1 9 9 4 ) 。 建立在海洋学、流体动力学和数学紧密结合基础上的海浪数值预报自2 0 世 纪4 0 年代以来得到不断的发展，尤其在近十几年中人们对海浪生成、耗散、 传播等的物理机制和物理过程进行了大量、深入、广泛的研究工作。海浪包括风 浪、涌浪和近岸浪三种，其中近岸海浪与人类实践活动关系密切，对近岸海洋环 境、资源和工程建设等都有重大的影响，它主要是由外海的风浪或涌浪传到海岸 附近时，受地形作用而改变波动性质的海浪，其计算一直深受重视。但是，海浪 向近岸传播过程中，海底地形、摩擦耗散、破碎、水流、海浪之间的非线性作用 等因子对其都有很大的影响，具有比深海和开阔陆架海域更复杂的演变规律和更 快速的时空变化，给其演变规律的描述和计算带来很大的困难。 1 2 2 近岸海浪数值计算的主要方法 关于海浪的预报，人们采用了多种不同的手段，有统计的方法，也有数值模 拟的方法。除统计模型，目前可用于近岸海浪数值模拟的主要模型基本上可以分 为三类：第一类是基于b o u s s i n e s q 方程的计算模型，它是直接描述海浪波动过程 水质点运动的模型：第二类是基于缓坡方程的计算模型，它基于海浪要素在海浪 向期和波长的时空尺度上缓变的事实，描述的是海浪波动能量、波高、波长、频 率等要素的变化；第三类是基于能量平衡方程的计算模型，主要用于深海和陆架 海的海浪计算，基于它建立起来的第三代近岸海浪数值模式中各源函数的物理过 程已研究得较为深入，利用它对海浪进行模拟和预报已经成为可能，在近岸较大 范围波浪计算中也表现出很大优势。三类模型的基本方程及其求解介绍如下。 i 2 2 1 b o u s s i n e s q 方程计算模型 1 8 7 2 年，b o u s s i n e s q 假定水平速度上下均匀，垂向速度从底面为零线性到自 由表面的最大值，得到了经典的一维非线性控制方程，称为b o u s s i n e s q 方程1 4 1 。 第一章绪论 刁，+ 【( 矗+ 叩) “ ：= 0 h l d t + u u x + g r - 2 一i 式中：玎为波面相对于静水面的高度 为重力加速度( 下同) 。 ( 1 一1 ) ( 1 2 ) “为x 向沿水深平均速度，h 为静水深，g p e r e g r i n e ( 1 9 6 7 年) 推导出了变水深条件下的二维b o u s s i n e s q 方程，称为 经典b o u s s i n e s q 方程，或称b o u s s i n e s q 方程的标准形式。可表达为： 仇+ v 【( + 叩) h 】= 0 ( 1 3 ) q m 叼u + g v r i = 至lh 西ov 【v - 训一吉6 2 昙v ( v ( 1 - 4 ) 式中：h 为沿水深平均水平速度矢量，r 、h 和g 与上同。 从控制方程来看，b o u s s i n e s q 方程可以较好地体现波浪传播过程的非线性 特点，适用于底坡非缓慢变化，计算浅水波的效果较好，在处理反射波时较方便， 但是其缺点也很明显，b o u s s i n e s q 方程从浅水波导出，对水深的适用是有范围限 制的，不适用于实际工程需要1 5 1 。虽然有学者提高了色散解的精度来拓展水深适 用范围，但是这种处理使方程变得十分复杂，而且其拓展效果也是有限的：另外， 它不易推广于不规则波动，虽然它具有处理波波相互作用的优点，但正是因为这 个特点，波动能量在组成波之闭的转移会因为组成波分解形式的不同而变化，加 上计算网格辨别能力的限制所带来的混淆误差，对于大范围、长距离传播的波浪， 应用b o u s s i n e s q 方程极易导致计算失真。从数值求解的角度来看，与另外两类模 型相比，b o u s s i n e s q 方程求解具有计算量大的缺点。b o u s s i n e s q 方程计算模型空 间步长缸及时间步长出不能突破海浪波长和周期限制，一般血茎2 8 和 a t t 8 【6 】。要想作近岸较大范围、较长时间的数值模拟计算，计算量极为庞大。 1 2 2 2 缓坡方程计算模型 在缓坡条件( v 川舳“1 ) 的假定下，b e r k h o f f ( 1 9 7 2 ) 从描述水波运动的三 维l a p l a c e 方程出发，在线性理论中引入一个表示地形缓变的小参数，并利用摄 动法( p e r t u r b a t i o nm e t h o d ) 和沿水深积分的方法，推导出一二阶微分方程，被 称为缓坡方程或b e r k h o f f 方程【7 i ，其表达式如下： v ( c c2 吸缈2 0 ( 1 - 5 ) 4 碗生论文江苏沿海风、浪特征研究 庐= r e ( p ( y ) e 1 “ ( 1 - 6 ) 其中，为速度势函数；c 波浪相速度；e 为波浪群速度；t 为波数( 下同) 。 从控制方程来看，缓坡方程将势波理论的三维问题化为：维问题，使问题处 理得以简化；缓坡方程具有很宽的波浪频率( 从短波到长波) 和水深( 从浅水到深水) 的适用范围；缓坡方程综合了波浪的折射和绕射，解决了传统折射模型无法处理 的( 如焦散点附近的波浪计算等) 问题【8 l 。但是，缓坡方程同样存在缺陷，由于方 程本身依赖于势波理论，对风摄入波动能量、底摩擦能量损耗、波浪破碎、波浪 的非线性和波流相互作用等物理过程的理论依据不很充分，用于大范围计算时不 是很适合，另外，缓坡方程不适用于小尺度较急剧变化地形，而且不易反映底坡 反射作用，因此，对于局部小区域，尤其是地形较复杂的小区域，要提高其波浪 计算精度，采用缓坡方程也是很困难的。从数值求解的角度看，椭圆型缓坡方程 的求解也要求每个波长上至少要有8 个( 一般8 一l o 个) 网格节点，其计算量尽管 比b o u s s i n e s q 方程小，但是仍然需要求解庞大的矩阵，b e r k h o f f 等将计算域限制 在不超过1 0 个l ( l 为波长) 的尺度范围。不过，对于一些简化为e b e r s o l e 型 或类似形式的方程，计算网格和时间步长可以突破海浪波长和频率的限制( 9 】1 1 0 l 。 1 2 3 能量平衡方程预报浅水风浪 1 2 3 1 能量平衡方程预报浅水风浪的发展进程 六十年代和七十年代初期发展起来的第一代海浪模式避开了显式地模拟完 全的能量平衡这一问题。这些模式通常假定波的各分量达到饱和状态时，突然停 止增长( p h i l l i p s ，1 9 5 8 ) ，p h i l l i p s 的一维f 5 频谱和一种经验平衡方向分布所代表 的饱和谱是给定的，因而，对于正在成长的风浪，模拟谱的预测范围实际上只限 于谱峰周围的波的各分量1 】。 在七十年代，广泛的波浪成长试验( 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 ) 以及风输入给波浪能量的直接观钡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 ， 从根本上改变了作为第一代预报模式基础的谱能量平衡观点，从而导致了第二代 海浪模式的发展，然而，这些模式由于采用简化的参数化形式，非线性传输就受 到一定限制，即需要给定高出峰值频率的那部分高频风浪谱的谱形，给定谱形的 工作或推导传输方程的开头就引进( 如参数化或混合型模式) 或者在计算谱值时 第一章绪论 作为附带条件引k ( 离散型模式) ，尽管从理论上可证实对于一般天气尺度的风 场将波谱调整为准通用谱形这一做法是可行的( h a s s e l m a n n 等人，1 9 7 6 ) ，但是， 第一：代海浪模式不能合适地模拟快速变化风场中产生的风浪，例如：飓风、小尺 度强气旋或锋面，这些模式在处理风浪与涌浪传输时也遇到了一些基本的难题。 w a m 模式是继1 9 8 0 一1 9 8 3 年美、同、英、德、荷兰等国的海洋专家组成 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 开究组，针对世界各困十个有代表性的海浪 数值模式，进行分类和对比试验研究之后，西欧一些国家( 英、法、德、荷兰、 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 发研制成第三代海浪数值模式1 2 l 。 在第二代海浪模式中，主要问题在数值计算方面，而不是物理机制问题。 s w a m p ( 1 9 8 5 ) 已提出了克服这些困难的方法，建议应以这些方法作为基础发展 第三代海浪模式，即海浪谱值只用积分基本谱传输方程来计算，事先并不对谱形 加以任何限制。 第三代深水模式方程如下： 二维海浪谱f ( 厂，玩弘互，f ) 的演变，在球坐标的控制方程为： 百o f + ( c 。s 妒) 。杀c 。s 妒，) + 击陋) + 刍妞) = s ( 1 - ，) 式中f ( f ，皖伊，五，f ) 是依赖于频率f 和传播方向0 ( 相对于正北顺时针测量) 的 二维波谱，伊和五分别为纬度和经度，t 为时刻，s 是描述一传播波群能量变化 的净源函数。 一 能量平衡方程用于预报浅水风浪起始于八十年代后期，s w a m p g r o u p 将适 用于深海的相平均谱波浪模型进行改进，使其适用于近岸及沿岸风浪预报：法国 电力研究所的m i c h e lb e n i o t 等采用有限元法离散浅水计算区域，提出了能合理 拟合水底地形和海岸线的t o m a w a c 波浪模型；t o l m a n 提出了基于动谱能量平 衡方程的w a v e w a t c h 第三代波浪预报模型；“七五”期问青岛海洋大学进 行了海浪数值预报研究，该模式将海浪分为风浪和涌浪两部分，采用有效波表示 的波浪能量平衡方程，由于未计及波与波之间非线性相互作用和水深变浅后的浅 水折射，属于混合模式：r c r i s ，l h h o l t h u i j s e n 和n b o o 西总结历年来波浪能量 6 硕+ 论文江苏沿海风、浪特征研究 输入、损耗及转换的研究成果，提出并发展了适用海岸、湖泊及河 j 地区的s w a n 浅水波浪数值预报模型。 1 2 3 2s w a n 模型预报海浪的应用研究现状 陈希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谱边界条件， 对1 9 9 0 年1 5 号台风浪对我国东海的影响过程进行了模拟，并与实测台风浪资 料进行对比，结果理想。徐福敏f 1 4 l 等利用s w a n 模型计算在不同水深时流场 对波浪传播的影响，将模型应用于海安湾的浅水波浪数值计算，并与观测结果进 行比较，验证表明符合良好。陈希1 1 6 i 等利用s w a n ，对袭击台湾岛邻近海域的 9 0 1 5 号台风浪过程进行模拟研究，s h a n - - h w e i0 u i ”1 等利用s w a n 模型对台湾附 近海域的台风浪场进行模拟，得到合理的结果，并且研究表明对s w a n 模型加密 嵌套网格可以提高计算精度，k f c h e n g l l 8 l 等在模拟热带气旋引起的风暴潮和波 浪时，针对大洋、海域，近岸不同的地理区域，采用四种模型嵌套的方式，模型 计算结果与实测数据吻合得很好。陈希等1 9 1 用s w a n 模型对影响南海湛江港海域 的3 次台风浪过程进行模拟研究，结果表明所采用方案可为该海域台j x l 浪的模拟 预报提供较好的参考。 迄今为止，第三代浅水波浪模型s w a n 在模拟海岸、河口、湖泊等风、 流、地形复杂水域的波浪场时，理论及现场验证均显示了模型的可行性及合理性， 较之其他波浪模型的优越性是显而易见的。模型的开发和应用具有极大潜力，仍 有待于进一步探索。 1 2 3 3 能量平衡方程预报海浪所存在的问题 波浪浅水数值计算模型仍处在探索阶段，还存在很多不足，例如s w a n 模型， 它最大的缺憾就是没有将波浪绕射考虑进去，另外由于大气海洋相互作用的机理 至今不清楚，导致s w a n 中风能输入不能准确表达，同时波浪破碎机制仍是学者研 究的热点，没有定论，因此波浪破碎指数也还没有统一公认的形式2 0 2 4 。许多 学者在各个方面都做了积极的努力： d e b o r a h j w o o d l 2 5 】等在规则波和不规则波试验中，引入g o d a 公式描述临界波 陡，具体表达式： 等十十s 扑，s 赢 c ，一s ， 7 第一章绪论 其中_ f b 代表波陡，h b 代表破碎水深，a 是常系数根据情况取值。 l o 通过试验发现对于规则波和不规则波，当a 取不同的值时，g o d a 公式给出的 i | 岛界波陡与试验值都吻合得较好。另外试验研究表明当底坡取t a n t ：z = 1 3 0 时， 晟大破碎指数! ! i 兰规则波取o 8 5 ，不规则波取o 7 0 比较符合试验结果。文章首 先检验了s w a n 模型中的n e l s o n 公式，发现n e l s o n 公式计算误差较大，并将前面 试验得出的结论用于s w a n 模型，发现破碎常数取0 7 8 ，模型结果与实验结果吻合 得最好然而g o d a 公式在模型实际应用中并不理想。 w e r o g e r s 2 6 j 等试图增大s w a n 模型计算中的稳定性，现在普遍用的s w a n 4 0 叭不能用于大尺度的计算主要原因之一就是它采用的阶迎风隐格式易离 散。w e r o g e r s 等分别将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 静态、动态模型，经大量详尽的数学分析和数 值实验验证，为降低s w a n 模型在模拟波浪传播时的离散，建议将s o r d u p 、s & l 两种二阶有限差分格式放入模型，作为可选项之一。 r p a d i l l a - h e m a n d e z ) 等矧对s w a n 模型中计算浅水区域由底摩擦引起的能 量耗散做了进一步的研究，研究认为不同的底摩擦耗敖公式主要区别在于耗散系 数c f 的表达式不同。将s w a n 模型中已经具备的三种模式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 模式分别在静态模型、有限水深 以及有限风区三种情况下计算，将结果同实测值进行对比分析，发现计算浅水区 域时采用w e b e re d a y v i s c o s i t y 模式的底摩擦表达式， s w a n 模型的计算精度最 高。这一是由于w e b e re d d y v i s c o s i t y 模式合理地将底部粗糙度作为一个显式参数 考虑进底摩擦耗散中，进而能体现在不同波况、波流下，不同的底部摩阻在能量 耗散上产生的差异，另外对于潮流作用显著的近岸地区，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况，因此建议将w e b e r e d d y v i s c o s i t y 模式纳 入s w a n 模型中。 可以看出，利用能量平衡方程预报浅水波浪，很多问题还有待探索。 硕士论文江苏沿海风、浪特征研究 1 3 台风浪推算及研究现状 台风浪的计算一直是海洋科学中的热点和难点，它巨大的破坏力常常给国民 经济和现代化建设带来极大的影响，据统计，热带风暴是破坏力最大的自然灾害 之一，它所带来的强风、风暴潮和随之而来的巨浪是造成灾害的主要原因。海浪 计算的难点在于产生浪的风本身具有很大的随机性和复杂性，造成浪的预报十分 困难，关于海浪生成的物理机制，至今尚未得到十分圆满的解决1 2 8 3 引。因此， 积极探索深水台风浪预报的合理方法显得很有必要。 1 3 1 台风浪推算主要方法 目前供实际应用的台风浪推算方法，主要有b r e t s c h n e i d e r 的半经验公式和宇 野木早苗公式，基于s m b 法的台风浪推算法，即w i l s o n 关于移动风区深水风浪 推算法等，以上方法均应输入风特征参数。 1 3 2 台风浪推算的研究进展 陈希【3 5 1 等提出将人工神经网络技术应用在台风浪预报中，建立南海硇洲岛海 区较为理想的台风浪人工神经网络预报模型；陈孔沫3 6 1 等提出新的台风风场计算 方法，新方法改进了j e 氏和r a n k i n e 风场模式；张经汉等明在( ( 港口工程技 术规范) ) 的波浪成长理论基础上，提出受陆岸影响浅水区台风浪的快速计算方 案；李岩等【3 卅使用改进的藤田气压模型和m y e r s 气压模型，对台风海面风场进 行数值计算，得到较好的结果；孔亚珍【3 9 1 等为了解长江口附近海域台风浪特征， 利用s b e 一2 6 型浪潮仪进行波浪观测，对测到的全部9 0 组波面记录进行功率谱 分析：高建华等【4 川对我国沿海台风灾害影响进行研究，对我国沿海地区受台风影 响的危险度进行分析研究：鞠笑生f 4 1 1 采用1 9 8 0 年1 9 8 9 年台风年鉴，对因台风 登陆或影响对我国3 0 。n 以南地区造成的风灾进行客观分析；陆丽云等旧研究 了江苏沿海的风暴潮灾害及其防御对策：叶英等4 3 1 利用1 9 5 0 年1 9 9 9 年西北 太平洋热带气旋资料，对五十年来登陆我国的热带气旋的月际、年际和年代际变 化进行统计分析。 z h u j i a n r o n g m 】等改进发展了双层非线性大洋模型研究台风发生时的大洋效 应；r y o u n g 等f 4 5 j 将从g e o s a t 卫星上收集到的、充分成长的台风有效波高、风 速的观测资料进行分析证实了台风最大风速和移速在决定有效波高场的大小和 9 第一章绪论 分布中的重要性：y a nm e n g 等【4 6 j 对台风边界层的风场进行了数值研究，研究认 为要推测由于台风引起的风速极大值不沦在实际操作还是在分析方法上都有困 难：s m a r tc o l e s 等1 4 7 1 采用参数化的模型以及可能最大值作为模型参数，拓展了 模型的空间分析能力，能得到不同区域资料问的相关性；v l a d i n f i r v m a s j u k o v 等 1 4 8 1 认为台风波浪场的形成部分原因在丁- 低气压场的移动，他们采用m a p l e v 模 拟台风引起的波浪场，提供台风的一些重要信息；f u h k w os h i a h 等4 9 1 对台湾 两北中国东南海地区海洋生态的影响进行了研究；a m a l c p h a d k e 5 0 1 等将w a m 模型中用来计算台风风场的r a n k i n e 涡数、s l o s h 、h o l l a n d 三种常用参数模型 进行对比，文章将对i n i k i 台风的模拟结果与浮标实测资料进行对比，两者很一 致。i r y o u n g l 5 i i 将q c h i 、y o u n g 、b u r c h e l l 等人不同研究结果得到的台风浪的数 据做了总结对比，发现波浪场比之风场更加不均匀，同时还建立了一套在设计近 岸固定或浮动结构中用来定义波浪场谱形的标准；n k l i a n g 5 2 】等对台风形成的 涌浪的多普勒效应进行了研究：v s a n i lk u m a r 等5 3 1 预测n a g a p a t t i n a m 海岸台风 风浪场的特征，研究采用标准h y d r o m e t 气压模式后报风场，用考虑了移动风场 的y o u n g 模型推测最大有效波高和对应的谱峰，并提出风速、波高、波周期之间 的经验公式。 综上所述，在台风浪计算方面，国内外学者一直在做着不懈的努力和探索。 1 4 波浪计算结果显示 1 4 1g i s 厦用 g i s 这个术语是1 9 6 3 年由加拿大测绘专家r f t o m l i n s o n 首先提出的，并建 立了世界上第个g i s - - c g i s ，即加拿大地理信息系统【5 4 】。显然，“地理信息系 统”这个术语，是从英语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 翻译过来的，通常用 g i s 这个英文缩写来代替。中国地理信息系统【5 习起步于2 0 世纪8 0 年代，首先由 中国科学院地理研究所资源与环境信息国家重点实验室引进美国e s r 公司的 a r c i n f o 地理信息系统软件。近年来，g i s 技术在我国愈发得到重视，随着社 会的发展、环境的破坏和陆地资源的消耗，人类将目光转向了海洋这个自然资源 宝库，2 1 世纪将是“海洋的世纪”，海洋将成为下个世纪国际竞争和开发的重点 领域。尽管人们对海洋领域有着浓厚的兴趣，但是只有一些互相独立的单位分别 l o 殒 论文 江苏沿海凤、浪特征研究 进行研究，收集数据的格式只有他们自己能使用，这种研究方式工作效率非常低， 数据的使用率也很低，从而导致各种信息资源的浪费，正是基于这种原因，其应 用扶传统的城市规划、土地利用、测绘等陆地领域，逐步渗透到海洋资源调查等 方面【5 6 j 【5 7 】。 地理信息系统在海岸海洋学科上征越来越得到广泛的应用，林晖蟑斟等运用 g i s 提供的数据采集管理、空间分析和制图功能，结合海洋流体动力学模型，对 南黄海海区的潮波系统进行了三维高精度研究，取得了一批突破性的成果。张鹰 等【5 9 l 利用g i s 工具软件a r c i n f o 分析了浙江舟山渔港地形冲淤变化，建立了 该水域1 9 6 2 年、1 9 8 7 年和1 9 9 6 年三个不同时期的数字高程模型( d e m ) ，为建 港环境条件分析提供了依据。美国太平洋海底环境实验室【6 0 1 的海洋信息系统能够 对海啸、厄尔尼诺等现象提供三维动态显示。美国国家海洋大气局0 从) 的海 岸研究中心建立了“海洋规划与管理地理信息系统”，美国蒙特晕湾生物研究协 会( m b a r i ) 建立了基于a r c i n f o 平台的“蒙特里湾海洋地理信息系统”。我国国 家海洋局1 9 9 7 年建立了国家海洋信息系统( n m i s ) 。同年河海大学建立了基于 m a p i n f o 平台的“江苏海岛资源环境信息系统”。张庆河等 6 1 j 提出建立中国沿海 海域波浪信息系统的构想，并对其研究现状和可行性进行了论述；徐钢等 6 2 1 提出 了以河口海岸漫长的自然适应过程为背景材料的所谓的“人工控制”过程；冯浩 鉴等f 6 3 j 在“八五”期间与国家海洋环境预报中心合作以天津地区9 2 1 6 号风暴 潮为例，将漫滩计算与g i s 相结合，较为准确地显示了风暴潮淹没陆地范围；马 劲松等畔】设计并实现了一个海岸海洋潮流模拟虚拟现实的原型软件系统 v r o c e a n ，并在南黄海辐射沙洲等的潮流数值模拟试验中进行了实际对比检验。 以此同时海洋地理信息系统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 ，简称m g i s l 的提出和建立为各