南海近岛礁波浪演化数值模拟研究

发布时间：2020-10-28 16:27

　　 南海岛屿众多,珊瑚岛礁便是其代表地形之一。珊瑚岛礁周围往往有长达百米的珊瑚礁坪,在礁坪上水深极浅,但礁坪之外水深会急剧下降至百米或上千米。当波浪从远海传至岛礁处时,巨大的水深落差会造成波浪的破碎与反射,此时波浪呈现很强的非线性。此外南海台风频繁,复杂的岛礁地形和气候环境造就了南海近岛礁复杂的波浪环境。为了给近岛礁工程提供合理的波浪参数,对岛礁地形下波浪环境的准确预报变得极为重要。WAVEWATCH-III模型(下文简称WW3)以其计算精度高、稳定性好等特点,被众多学者应用于大范围海域波浪场的模拟计算。但对于近岛礁等复杂地形下的波浪场,在考虑计算效益时,其网格尺寸相比岛礁尺寸较大,计算仍有一定的误差。因此为了更好地计算岛屿、复杂海岸线附近的波浪场,WW3模型引进了双重网格嵌套方法,对岛礁附近的网格进行细化,提升计算精度。为此,本文基于WW3模型的双重网格嵌套方法对南海波浪场进行计算。首先,以WRF模式构造的台风场作为输入场,应用WW3双重网格嵌套对1415号台风“海鸥”、1508号台风“鲸鱼”、1621号台风“莎莉嘉”产生的台风浪进行计算。结果与实测数据对比表明,WW3模拟的台风浪波高、波向与实测数据有较高的相关性。同时,本文应用谱能量分离方法对“海鸥”过境时的风浪场和涌浪场进行计算,并分析了测点处双峰谱的形成原因。随后,应用WW3双重网格嵌套计算了2014年至2018年南海海域的风生浪,结果与实测数据对比表明,两者相关性好,验证了WW3对南海长时间序列波浪场计算的准确性。然后,应用统计学方法对计算结果进行统计分析,发现三处测点处年平均波高在0.5m~1m之间,周期以1s~3s为主,常浪向介于ENE至NNE之间。最后,研究了南海海域年平均波高的季节分布特性,发现其平均波高分布与季节性季风气候有较大关系,受冬季东北季风影响下的南海平均波高为全年最大值,春季的南海平均波高为全年的最小值。在关注的西沙海域,年平均波高在0.5m~1m,受季节变化影响小。本文对南海岛礁环境下波浪场的计算结果可为后续的工程建设提供参考。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P731.22
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 本课题研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 波浪数值模型的研究进展
        1.2.2 WAVEWATCH-III数值模型的研究进展
    1.3 本文研究内容
2 WAVEWATCH III海浪模式介绍
    2.1 基本控制方程
    2.2 源项
in'>        2.2.1 线性输入项Sin

        2.2.2 非线性波-波相互作用项S_nl

        2.2.3 风能输入项与耗散项 S_in+S_ds

        2.2.4 波-底相互作用项S_bot

        2.2.5 波浪破碎项S_db

    2.3 数值方法
        2.3.1 谱离散
        2.3.2 物理空间中的传播
        2.3.3 内部谱空间的传播
        2.3.4 源项求解
    2.4 本章小结
3 南海台风浪的后报计算
    3.1 南海海底地形与实测站点简介
        3.1.1 南海海底地形简介
        3.1.2 实测站点简介
    3.2 台风“海鸥”（Kalmaegi）数值后报计算
        3.2.1 台风“海鸥”简介
        3.2.2 计算模型设置
        3.2.3 台风浪计算结果
    3.3 台风“鲸鱼”（Kujira）数值后报计算
        3.3.1 台风“鲸鱼”简介
        3.3.2 计算模型设置
        3.3.3 台风浪计算结果
    3.4 台风“莎莉嘉”（Sarika）数值后报计算
        3.4.1 台风“莎莉嘉”简介
        3.4.2 计算模型设置
        3.4.3 台风浪计算结果
    3.5 台风浪双峰谱分析
        3.5.1 谱能量分离方法
        3.5.2 结果分析
    3.6 本章小结
4 近5年南海波浪场后报计算
    4.1 计算参数设置
    4.2 计算结果验证
        4.2.1 实测数据介绍
        4.2.2 风速验证
        4.2.3 有义波高验证
        4.2.4 平均周期验证
        4.2.5 波向验证
    4.3 南海海浪模拟结果统计分析
        4.3.1 波高分布
        4.3.2 波向分布
        4.3.3 波高周期联合分布
        4.3.4 南海波高季节分布特性
    4.4 本章小结
5 总结与展望
    5.1 主要结论
    5.2 展望
参考文献
附录 A不同测点处的波浪周期散布图数据
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

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本文编号：2860332

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