基于近20年的SWAN模式海浪模拟结果的南海波浪能分布、变化研究

由于南海海域地形复杂,岛屿众多,不可避免的会产生折射、变浅、绕射、波浪破碎、非线性波相互作用等近岸物理过程。因此采用以风场驱动的第三代海浪数值模式SWAN,可得到南海海域1986年1月至2005年12月较高分辨率的波浪场,计算了南海海域的波浪能流密度,综合考虑能流密度的大小和14个站位能流密度分级统计的特征等方面对南海海域波浪能资源进行了研究,寻找该海域波浪能资源的相对优势区域,为建立海上波浪能电站提供科学依据。     

四叉树网格下的椭圆型缓坡方程数值模型研究

波浪是近岸海域关键的水动力因素之一。考虑到近岸地形复杂、波浪演化显著的特点,建立了四叉树网格体系下的椭圆型缓坡方程数值模型,采用有限体积法对模型进行数值离散,应用GPBiCG(m, n)算法求解离散后的控制方程。模型中根据波浪波长布局计算网格,生成多层次四叉树网格,对复杂计算域有较好的适应性,并且在离散和方程求解中无需引入形函数、不产生复杂的交叉项,节约了存储空间和计算时间。将模型成功应用于物理模型实验及Acapulco海湾的波浪场数值模拟,结果表明该模型能够准确、高效地模拟近岸波浪场,可为近岸波浪场的模拟提供一定的理论和技术支持。     

适于模拟不规则水域波浪的缓坡方程两种数值模型比较

本文分析比较了适于不规则水域波浪模拟的椭圆型缓坡方程两种数值模型。两种数值模型均采用有限体积法离散,分别基于四叉树网格和非结构化三角形网格建立。首先结合近岸缓坡地形上波浪传播的经典物理模型实验对两种数值模型分别进行了验证,并结合计算结果对比分析了两种模型的计算精度和效率。计算结果表明,两种数值模型均可有效地模拟近岸波浪的传播变形;相对非结构化三角形网格下的模型,基于四叉树网格建立的数值模型在数值离散和求解过程中无需引入形函数、不产生复杂的交叉项,离散简单,易于程序实现,且节约计算存储空间,计算效率高。     

基于SWAN模式的2种网格对嵊泗海域海浪模拟的比较研究

采用WRF模型构造的再分析风场作为海浪模式的驱动场,由于嵊泗位于长江、钱塘江的交会处,附近海域地形复杂,不可避免的会产生折射、变浅、绕射、波浪破碎、非线性波相互作用等近岸物理过程,因此采用第三代海浪数值模式SWAN。本文采用矩形网格和加密的三角网格对2012年4月嵊泗列岛海域波浪场进行模拟,并将模拟的有效波高与实测数据进行验证和误差指标分析,分析结果显示,2种网格模拟的海浪场的效果都很好,其中三角网格的模拟效果更好,可以进一步提高海域有效波高模拟的准确度,可以更精确的刻画复杂的地形。     

海岛周边波浪能资源精细化勘查与分布特征分析方法研究

为海岛供电,是波浪能开发利用技术的重要应用领域。在海岛周边波浪能资源开发利用之前,需对波浪能资源进行精细化勘查,并在此基础上准确分析掌握工程实施海域的波浪能资源特征,以便开展有针对性工程设计。本文以威海褚岛北部海域为研究目标,结合对历史数据和水动力理论分析,制定精细化勘查方案,并通过代表性验证试验,对方案进行修正,再应用修正后的方案对目标海域进行长期观测。该方法改进了传统的波浪观测方法,更适用于小区域波浪要素的精细化观测,且在保证观测质量的前提下,有效降低了观测成本。另一方面,针对波向四季变化明显,且海岛周边波浪受岛岸线反射和绕射影响且地形变化剧烈的特点,本文利用改进的SWAN（simulating waves nearshore）数值模型计算目标海域波浪能资源,并结合统计学方法,研究波浪能量随波向分布特征的计算分析方法,得出褚岛周边海域全年波浪能量随波向的分布特征。     

琉球群岛海域海浪数值计算地形处理效应及试验分析

针对琉球群岛海域内多岛屿复杂地形对海浪数值计算的特殊影响,发展一种综合利用水深数据和高分辨率海岸线数据优化计算网格且引入次网格地形效应的方法,并利用WAVEWATCH-Ⅲ模式进行连续1个月的数值模拟试验。结果表明:采用该方法后,在计算网格分辨率上,充分考虑了海岸和多岛屿地形对海浪传播的作用和多岛屿的次网格效应,数值计算结果有明显改善。     

海滩修复工程影响下的低能海岸波浪能量时空分布特征研究

本研究基于第三代海浪模式SWAN(Simulating Wave Nearshore),对茅尾海及其邻近海域波浪场进行了为期la的数值模拟,利用实测资料验证了该模型的可靠性.根据模型计算结果分析了茅尾海海域波浪要素的时空分布特征,在此基础上进一步探讨了波浪能量的输入耗散过程以及海滩修复对波浪能量空间分布的影响.研究发现...     

复杂群岛海域海浪数值模拟方法及试验

在复杂群岛海域海浪模拟中,发展一种综合利用水深数据和高分辨率海岸线数据优化计算网格和在海浪数值计算中引入次网格地形效应的方法,充分描述多岛屿复杂地形分布对海浪模拟的影响.通过理想试验和实际应用表明:采用该方法后.在计算网格分辨率水平上,充分考虑了海岸和多岛屿地形对海浪传播的作用和多岛屿的次网格效应.数值计算结果有明显改善.     

WAVEWATCH-Ⅲ海浪模式中岛屿次网格效应的检验与比较

综合利用水深数据和高分辨率海岸线数据,在优化WAVEWATCH-Ⅲ模式计算网格的基础上,发展了波能通量穿透度系数自动计算方法,完善了岛屿次网格地形效应计算方案;并与直接提高网格空间分辨率来分辨多岛屿地形处理方案的计算效果进行对比研究。表明:岛屿次网格效应方案充分体现了海岸和多岛屿地形对海浪传播的影响,且主要是对低频海浪能量的抑制和阻碍作用,对模式计算结果有明显改善;在低分辨计算网格中考虑岛屿次网格效应时,模式对有效波高的计算精度与高分辨率网格的结果精度相当,且计算效率有显著提高。     

珊瑚礁地形上波浪传播变形的非静压数值模拟

珊瑚礁广泛分布于我国南海等海域,具有重要的生态、旅游、港口和军事价值。波浪是珊瑚礁环境最重要的动力因素之一。基于非静压浅水方程波浪模型SWASH,模拟了典型岸礁地形上的波浪传播过程,并采用Demirbilek等的水槽实验数据分别对有效波高、波浪增水与爬高进行了验证,模拟结果与实测数据符合良好,展示了非静压模型在珊瑚礁地形上良好的适用性。通过波浪频率谱和波面小波谱,分析了波浪谱在该珊瑚礁地形上的演化规律,并揭示了礁坪上波浪能量从高频向低频转移的现象。本研究结果可为珊瑚礁环境动力研究以及相关的工程建设提供有益的参考依据。     

Parabolic Approximation of the Weakly Nonlinear Mild Slope Equation with Bottom Friction

This paper presents a refined parabolic approximation model of the mild slope equation to simu-late the combination of water wave refraction and diffraction in the large coastal region.The bottom frictionand weakly nonlinear term are included in the model.The difference equation is established with the Crank-Nicolson scheme.The numerical test shows that some numerical prediction results will be inaccurate in com-plicated topography without considering weak nonlinearity;the bottom friction will make wave height damp-ing and it can not be neglected for calculation of wave field in large areas.     

Combined refraction and diffraction models for sea waves over complicated topography and with currents in shallow water

-Combined refraction and diffraction models in the form of linear parabolic approximation are derived through smallparameter method. More strictly theoretical basis and more accuracy in the models than Lozano's (1980) are obtained. Some theoretical defects in Liu's model (1985) with consideration of current are not only found but also eliminated. More strict and accurate models are, therefore, presented in this paper.The calculation results and analysis in applying the models to actual wave field with consideration of bottom friction will be given in the following paper.     

Modeling of nonlinear wave propagation over fringing reefs

The applicability of existing nonlinear (triad) spectral models for steep slopes (0.1–0.2) characteristic of reef environments was investigated, using both deterministic (phase-resolving) and stochastic (phased-averaged) formulations. Model performance was tested using laboratory observations of unidirectional wave transformation over steep and smooth bathymetry profiles. The models, developed for mild slopes, were implemented with minimal modifications (the inclusion of breaking parametrizations and linear steep-slope corrections) required by laboratory data. The deterministic model produced typically more accurate predictions than the stochastic one, but the phase averaged formulation proved fast enough to allow for an inverse modeling search for the optimal breaking parametrization. The effects of the additional assumptions of the stochastic approach resulted in a slower than observed evolution of the infragravity band. Despite the challenge posed by the fast wave evolution and energetic breaking characteristic to the steep reef slopes, both formulations performed overall well, and should be considered as good provisional candidates for use in numerical investigation of wave–current interaction processes on steep reefs.     

南沙群岛礁概化地形上拍岸浪数值模拟与统计分析

南沙群岛珊瑚岛礁众多,大多数岛礁具有向海坡陡峭、外礁坪比较平缓的特征。将南沙群岛岛礁的迎浪向地形概化为陡坡和缓坡组成的双斜坡,采用FUNWAVE-TVD模式数值模拟概化地形上的波浪,根据模拟的破碎波高分析其拍岸浪特征。对拍岸浪数值模拟结果进行比较分析,向海坡的坡度对拍岸浪影响不大,外礁坪上拍岸浪高随地形坡度增大而略有增大;向海坡和外礁坪交界位置(即坡折点)水深对拍岸浪有比较明显的影响,拍岸浪高随坡折点水深增大而减小;拍岸浪高随入射波高和波周期增大而增大。利用大量的拍岸浪数值模拟数据对国内外5种统计模型进行检验,并且基于拍岸浪数值模拟数据建立了3种南沙群岛岛礁拍岸浪统计模型,计算结果显示这些模型适用性较好。     

An extended time-dependent numerical model of the mild-slope equation with weakly nonlinear amplitude dispersion

In the present paper, by introducing the effective wave elevation, we transform the extended ellip- tic mild-slope equation with bottom friction, wave breaking and steep or rapidly varying bottom topography to the simplest time-dependent hyperbolic equation. Based on this equation and the empirical nonlinear amplitude dispersion relation proposed by Li et al. (2003), the numerical scheme is established. Error analysis by Taylor expansion method shows that the numerical stability of the present model succeeds the merits in Song et al. (2007)’s model because of the introduced dissipation terms. For the purpose of verifying its performance on wave nonlinearity, rapidly vary- ing topography and wave breaking, the present model is applied to study: (1) wave refraction and diffraction over a submerged elliptic shoal on a slope (Berkhoff et al., 1982); (2) Bragg reflection of monochromatic waves from the sinusoidal ripples (Davies and Heathershaw, 1985); (3) wave transformation near a shore attached breakwater (Watanabe and Maruyama, 1986). Comparisons of the numerical solutions with the experimental or theoretical ones or with those of other models (REF/DIF model and FUNWAVE model) show good results, which indicate that the present model is capable of giving favorably predictions of wave refraction, diffraction, reflection, shoaling, bottom friction, breaking energy dissipation and weak nonlinearity in the near shore zone.     

多方向不规则波传播变形数值模拟

在推广的缓坡方程数学模型基础上建立了多方向不规则波数学模型,综合考虑了波浪折射、绕射、反射、底摩擦和风能输入等因素。基于线性波浪理论,将波浪方向谱在频率和方向上按等能量分割法离散后,分别计算各组成波的传播变形,再计算合成波要素。缓坡方程数学模型采用改进的ADI法求解,计算效率高,稳定性好。采用椭圆形浅滩不规则波模型试验结果和单突堤不规则波绕射理论解对数学模型进行了验证,数值模拟结果和试验值及理论解符合良好。利用该模型进行了某港港内波浪折射、绕射和反射的联合数值模拟,给出了合理的港内波高分布。     

SWAN模型对实验室小尺度浅水波浪模拟研究

基于浅水斜坡地形的物理模型试验数据,考察SWAN模型对实验室小尺度浅水波浪的模拟效果,进而检验其浅水项的模拟精度。模拟中采用直接输入初始测点的实测海浪谱进行造波,重点考察浅水中三波相互作用和变浅破碎两个源项,对不同工况下,SWAN模式在水深条件变化下的有效波高、谱平均周期、海浪谱演化的模拟能力进行研究。研究表明:模拟的有效波高较符合实测波浪的增长和衰减,但谱平均周期计算值明显偏小;海浪谱的能量转移机制同实测有较大区别,频谱模拟结果出现高频高估、低频低估现象。对两个源项进行对比分析得出三波相互作用对海浪谱的能量转换影响远大于变浅破碎耗散。想要提高近岸区谱平均周期和海浪谱的模拟精度则SWAN模型中三波非线性项的计算精确度仍需更多研究和改进。     

复杂地形下海浪数值模式的特征线计算格式

LAGFD-WAM海浪数值模式是一种第三代海浪数值模式，通过求解波数谱平衡方程，并考虑风输入、波浪破碎耗散、底摩擦耗散、波波非线性相互作用和波流相互作用等源函数，模拟波数空间下的海浪方向谱，并依此获得海浪的波高、周期和平均波向。该模式的一个显著特点是采用特征线嵌入格式求解海浪的传播。在进行浅水区域的海浪模拟时，特征线嵌入格式的数值计算方案是否合理对海浪数值模拟结果产生直接的影响。为此LAGFD-WAM海浪数值模式提出了一种新的特征线混合数值计算格式，并应用于浅水海浪数值模拟。结果表明，采用该计算方法，能够使数值模拟结果与实测结果很好符合。     

耦合模式中海浪参数对台风浪预报的影响研究

以西北太平洋一次"双台风"共同影响下的台风浪为例,针对模式中风摄入和白帽耗散、底摩擦、波破碎、波-波非线性相互作用等海浪物理过程对台风浪预报的影响进行了敏感性试验分析。在此基础上,基于各物理过程最优参数化方案探讨了耦合模式和单独海浪模式的海浪预报性能,分析了耦合模式的海浪预报场分布特征。结果表明:不同海浪物理过程参数化对于波高预报的准确性是有所差异的。在相对最优的海浪各参数化方案组合下,无论耦合模式还是单独海浪模式都能较好地反映波高的变化和分布趋势。相比而言,耦合模式对于台风浪大值区的浪高预报要比单独海浪模式的更接近观测,且可以很好地刻画出双台风影响下浪的分布演变特征,对于西太平洋台风浪的预报具有很好的适用性。     

Transformation and Breaking of Irregular Waves on Very Gentle Slopes

—Based on theoretical analysis.numerical calculation.and experimental study,this paper dis-cusses breaker indices of irregular waves.transformation of wave spectrum.characteristics and computa-tion of breaking waves.as well as the critical beach slope under which waves will not break.Computed re-sults are in good agreement with laboratory physical model test data and ocean wave field measurements.