基于SWAN模型的渤海波浪特性及水交換研究.pdf

1、天津大學(xué)博士學(xué)位論文基于基于SWAN模型的渤海波浪特性及水交換研究模型的渤海波浪特性及水交換研究StudyonwaveacteristicswaterexchangeofBohaiSeausingSWANmodel一級學(xué)科：力學(xué)學(xué)科專業(yè)：流體力學(xué)作者姓名：呂祥翠指導(dǎo)教師：陶建華教授天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院二零一四年六月I中文摘要中文摘要波浪是海洋中最重要的動(dòng)力要素之一，海工結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)和建設(shè)需要深入認(rèn)識工程區(qū)域的波浪特性；在近岸海域，變形和

2、破碎的波浪與潮流相互作用會形成復(fù)雜的近岸流，這些近岸流不僅對水體交換和泥沙運(yùn)動(dòng)有著重要的影響，而且還會影響近岸海域的物質(zhì)輸運(yùn)和地形地貌。目前在渤海，尤其是渤海灣沿岸，正在大規(guī)模地興建海岸工程，因此深入研究這一區(qū)域的波浪特性及波浪對近岸海域水交換的影響對于工程建設(shè)及明晰工程對海區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響都是相當(dāng)必要的。本文首先建立了渤海的波、流場計(jì)算模型——基于淺水長波方程的潮流場計(jì)算模型、基于波作用量守恒的SWAN（SimulatingWaves

3、Nearshe）波浪模型、以及基于輻射應(yīng)力概念的波流耦合的近岸流數(shù)學(xué)模型。對影響SWAN模型結(jié)果的各因素進(jìn)行深入分析，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)分布在整個(gè)渤海區(qū)域不同站點(diǎn)的短期和長期的實(shí)測風(fēng)場和波浪場數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行了系統(tǒng)的校準(zhǔn)，獲得了適用于整個(gè)渤海的模型參數(shù)。校準(zhǔn)后SWAN模型的模擬結(jié)果，無論是在空間范圍，還是時(shí)間范圍上，都與實(shí)測數(shù)據(jù)符合良好。采用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了波流耦合模型，模型結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合良好。然后，利用經(jīng)過修正后的ECMWF風(fēng)場驅(qū)動(dòng)校準(zhǔn)

4、后的SWAN模型對渤海區(qū)域長達(dá)20年的波浪場進(jìn)行了模擬，并根據(jù)模擬結(jié)果分析了渤海的波浪特性。結(jié)果表明：本研究得出的波高和周期的空間及季節(jié)分布規(guī)律與已有的研究結(jié)果是一致的，但本研究與已有的研究得出渤海某些區(qū)域的波高存在不同程度的差異——三大海灣的波高差0.1米，渤海中部和渤海海峽的波高差值約0.010.1米。再次，將基于隨機(jī)游動(dòng)方法的粒子跟蹤模型與駐留時(shí)間、曝光時(shí)間及返回系數(shù)等水交換的特征時(shí)間尺度相結(jié)合，構(gòu)建了適合于大面積海域整體和局部水

5、交換特性分析的水交換模型。對渤海灣內(nèi)粒子的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了連續(xù)三年的模擬，通過對特征時(shí)間尺度和余流場的統(tǒng)計(jì)，分析了渤海灣的水交換特性及波浪對其的影響。結(jié)果表明：渤海灣的整體水交換較弱，波浪對渤海灣的水交換有一定程度的影響；波浪對水交換的影響在近岸區(qū)域比較顯著；不同區(qū)域水體對整個(gè)渤海灣的水交換貢獻(xiàn)有顯著差異。最后，結(jié)合渤海灣近年來已建和在建的圍填海工程，分析了圍填海工程對渤海灣水交換特性的影響。結(jié)果表明：圍填海導(dǎo)致整個(gè)渤海灣水體的半交換周期有一