【摘要】：波浪是海洋環(huán)境的重要影響因素之一,波浪的準(zhǔn)確模擬對于工程建設(shè)具有非常重要的實踐意義,然而目前尚未有一種波浪模型能夠準(zhǔn)確地模擬外海風(fēng)浪生成、海浪傳播、近岸處波浪破碎等全部物理過程。本文對目前存在的各種波浪模型的理論研究和實際應(yīng)用進行了簡單的回顧,綜合比較和分析了各類波浪模型的優(yōu)點與不足,并在前人工作的基礎(chǔ)上利用波能平衡方程模型SWAN以及考慮非靜壓項的非線性淺水方程模型SWASH完成了中國東部海區(qū)至長江口局部水域波浪場的數(shù)值模擬。通過SWAN和SWASH的嵌套模式可以快速地對海域波浪進行高分辨率的數(shù)值模擬。針對中國東部海區(qū)至長江口局部水域多尺度波浪數(shù)值模擬技術(shù)體系的建立,主要分為以下三個步驟：首先本文以風(fēng)場數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)為驅(qū)動條件,運用第三代淺海海浪數(shù)值模式SWAN模型對中國東部海區(qū)至長江口水域的波浪進行模擬。在該波浪模擬過程中,采用了SWAN模型自身三重嵌套結(jié)構(gòu)。本文所采用的風(fēng)場數(shù)據(jù)是通過WRF模擬計算得到的,并選取了兩個測站的風(fēng)速值與模擬值進行驗證,發(fā)現(xiàn)擬合效果較好；潮位驅(qū)動數(shù)據(jù)是由Delft3D-FLOW模型得到的,其水位邊界由日本的天文潮模型NAO.99b嵌套獲取的,并選取了長江口附近多個驗潮站的實測潮位數(shù)據(jù)與模擬值進行驗證,發(fā)現(xiàn)Delft3D-FLOW能很好地模擬長江口鄰近海域的水位。采用經(jīng)過驗證的風(fēng)場數(shù)據(jù)和潮位數(shù)據(jù)作為長江口鄰近海域波浪模型的驅(qū)動條件,對其波浪場進行數(shù)值模擬。選取長江口、牛皮礁、南槽東以及浮標(biāo)觀測站四個波浪測站實測波高和波周期數(shù)據(jù)對SWAN模型進行驗證,發(fā)現(xiàn)波浪模型模擬的波高和周期與實際觀測的波高和周期基本吻合,說明SWAN模型可以很好地模擬長江口水域的波浪要素。其次,本文運用非靜壓淺水方程模型SWASH對長江口橫沙促淤圈圍五期工程南大堤東端附近波浪進行了模擬。對該區(qū)域波浪場的模擬采用了SWAN和SWASH的嵌套模式,即在模擬過程中采用SWAN波浪模型輸出的波浪譜作為SWASH模型的驅(qū)動邊界條件,并以近岸處壓力式測波儀觀測波浪數(shù)據(jù)對該模型進行驗證,發(fā)現(xiàn)模擬波面和觀測波面擬合較好。最后,本文通過SWASH自身嵌套的方式,以遠岸波浪浮標(biāo)的波面時間序列為驅(qū)動,建立了該區(qū)域的一維數(shù)值模型。對遠岸波浪浮標(biāo)處直至南大堤越浪集水池的波浪傳播變形過程進行了數(shù)值模擬,結(jié)果發(fā)現(xiàn)該一維模型可以準(zhǔn)確地模擬波浪爬坡越浪過程。本文通過上述從大尺度中國東部海區(qū)至小尺度南大堤東端波浪爬坡越浪過程的全部物理過程數(shù)值模擬的步驟,聯(lián)合運用SWAN和SWASH模型,構(gòu)建了一種合理的多尺度的波浪模擬體系。最后,本文以經(jīng)過驗證的波浪模型為基礎(chǔ),對長江口水域2013年全年波浪要素進行了數(shù)值模擬。分別對2013年中國東部海區(qū)波浪、長江口鄰近海域波浪的分布情況進行了年綜合分析,以及季節(jié)性變化分析,并且繪制了四個季節(jié)的波高玫瑰圖進行分析。對于長江口橫沙促淤圈圍五期工程南大堤東端附近波浪,本文對某一時刻的波浪進行了數(shù)值模擬計算,并分析了在此時刻波浪場的分布特征。同時建立了南大堤東端北向的一維波浪模型,對某一時間段的越浪值進行了模擬計算,結(jié)果顯示該一維模型可以很好地反映此處的實際越浪量。本文建立了多尺度波浪數(shù)值模擬體系,并實現(xiàn)了在長江口水域的應(yīng)用。該波浪模擬體系綜合考慮了風(fēng)浪生成、波浪傳播、波浪衰減破碎等所有物理過程,同時在模擬過程中考慮了潮流對波浪的影響,建立了長江口鄰近海域的波流耦合模型。這種聯(lián)合運用波能平衡方程SWAN和非線性淺水方程SWASH模型對波浪進行真實模擬的方法,對工程應(yīng)用具有重要的意義,可以為波浪的數(shù)值模擬提供一定參考。
【學(xué)位授予單位】：中國海洋大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TV139.2

【參考文獻】

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本文編號：2764854