波流耦合模型在风暴潮波浪增水推算中的应用-论文.pdf

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1、第35卷第4期水道港口V01．35No。42014年8月JournalofWaterwayandHarborAug．2014波流耦合模型在风暴潮波浪增水推算中的应用王文鼎，徐宿东，高峰。(1．海军北海工程设计院，青岛266012；2．东南大学交通学院，南京211189；3．交通运输部天津水运工程科学研究所工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456)摘要：文章通过收集威海海域附近引起严重影响的台风资料，并以历时台风资料为样本，采用monte．carlo随机模型重新生成12组台风。建立波流耦合数值数学模型，以台风

2、为驱动要素，对风暴潮引起的波浪增水进行了分析计算，得到台风过程影响下威海沿海海域的风暴潮增水与波浪要素，将研究结果进行了验证和与实测数据进行分析比较，并将研究结论应用于部分工程的实践。关键词：风暴潮；波流耦合；设计波浪；推算方法中图分类号：TV139；0242．1文献标识码：A文章编号：1005—8443【2014)04—0337—061概述1．1风暴潮风暴潮是由强烈的大气扰动——如热带、温带气旋、冷锋的强风作用和气压骤变引起海平面偏离于正常天文潮而异常升高使海水漫溢上陆的现象，亦称“风暴增水”或“风暴海啸”n

3、]。风暴潮增水浸淹陆地的范围一般由几十至上千公里，时间尺度1～100h，介于地震海啸和低频天文潮波之间；但风暴潮影响区域随大气扰动因子的移动而移动，有时一次风暴潮过程可影响到一两千平方公里的海岸区域，并持续影响多达数天之久。统计资料表明，对我国大陆造成灾害的台风风暴潮每年发生两次，造成严重灾害的台风风暴潮平均每两年发生一次，有时一年也会出现多次严重台风风暴潮，如1987年发生了6次风暴潮灾害，1956年l2号强台风引起的特大风暴潮，使浙江省淹没农田4O万亩，死亡4629人。近年来，由于受台风影响导致风暴潮灾害的

4、发生日趋频繁，1992年16号强热带风暴引发的风暴潮，山东沿海海岸后退了3～12m，毁坏堤坝超过509km，损坏码头73处，对沿岸工程设施造成毁灭性的打击。1996年我国先后发生了6次台风风暴潮，其中3次造成严重灾害，直接经济损失290亿元，死亡505人；2011年梅花、2012年布拉万台风均对山东半岛沿海造成了较大程度的毁损。沿海地区遭受风暴潮灾害所导致的经济损失明显递增，据有关方面统计，风暴潮灾害造成的经济损失已占沿海地区GDP的1O％，一定程度上已成为制约临海地区经济持续、健康发展的因素之一。1．2海港水

5、文规范的变化近年来，海港水文规范虽然对海平面上升值、皮尔逊Ⅲ型曲线计算不同重现期高、低潮位，设计波浪标准、复合极值分布确定台风多发海区不同重现期设计波高、JONSWAP风浪频谱、近岸波浪变形数学模型、高桩码头波浪浮托力计算等都做了大量的增补和修订；但对台风产生的波浪要素仅说明可按数值方法计算，并没有给出应采用何种数值方法推算或更详细的说明。规范也明确说明对利用天气资料进行波浪要素计算明确指出在台风等复杂情况下，精确度不够，用短期资料推导多年波浪分布可靠度较差。通过数值模拟方法研究风暴潮的发生及影响，目前在构建数

6、学模型方面，局限于利用时间较短的已有潮位数据和风场数收稿日期：2014—02-12；修回日期：2014-03—26作者简介：王文鼎(1978一)，男，山东省费县人，硕士研究生，主要从事海岸与海洋工程专业研究与设计。Biography：WANGWen—ding(1978-)，male，masterstudent．2014年8月王文鼎，等波流耦合模型在风暴潮波浪增水推算中的应用339为沿Y方向的平均流速；H为总水深，h+；h为平均水平面之下的深度；f为科氏力系数；Q为地球自转的角速度；为计算区域的地理纬度；P为表面

7、大气压力；g为重力加速度；叼为牛顿潮的作用；0为地球弹性因素；P。为水密度；为方向的表面风应力分量；丁为Y方向的表面风应力分量；，为底部切应力；c，为底部摩擦系数；M为方向的紊动扩散项分量；M为Y方向的紊动扩散项分量；E：为平面紊动粘性系数。ADCIRC控制方程的求解采用有限单元法和有限差分法相结合的办法来进行。在空间上采用有限单元法，利用三角形网格进行离散能够很好地对岸线及近岸地形进行描述以适应复杂的边界条件；在时间上采用有限差分法以提高计算速度，ADCIRC模型已被广泛运用于海岸水动力模型的研究中，且很多运

8、用都已取得了成功。2．2．2SWAN模型SWAN模型是荷兰Delft理工大学在WAM模式的基础上发展起来，通常用于近岸、湖泊以及江河口区。在SWAN模型中，用二维波作用量Ⅳ(or，来描述随机波浪场。波作用量与能谱密度E(or，的关系为Ⅳ(，=E(or，／or，其中为相对频率，0为波向。在笛卡尔坐标系下，SWAN模型控制方程，即波作用平衡方程可以表示为Ⅳ+cⅣ+芸cⅣ+cⅣ+cN=立(4