1、風(fēng)浪模型yw-swp在太湖的應(yīng)用研究the study of wave model of yw-swp in the lake of taihu摘 要：本文在太湖實(shí)際波浪觀測(cè)的基礎(chǔ)上，采用率定驗(yàn)證后的風(fēng)浪數(shù)學(xué)模型yw-swp，考慮折射、淺化、反射、破碎、湖流等條件下，對(duì)太湖波浪進(jìn)行數(shù)值模擬，研究太湖波浪的主要影響因素。結(jié)果表明：yw-swp模型可以較好地模擬風(fēng)作用下太湖風(fēng)浪的生成和傳播過程，模型在太湖應(yīng)用是合適的；波高、波長波周期等波浪參數(shù)在太湖的分布與風(fēng)速、風(fēng)向、水深等因素密切相關(guān)；波浪的發(fā)展不光取決于風(fēng)速的大小，還同風(fēng)的持續(xù)吹的時(shí)間和風(fēng)區(qū)長度有關(guān)。關(guān)鍵詞：太湖；波浪；yw-swp模型abs

2、tract：on the basis of measured data about wave in lake taihuthe calibrated wave model which was described by the thirdgeneration spectral action balance equation was obtained the several key wavesfactors were considered in yw-swp model such as bottom topography, wave refraction，depthinduced dissipat

3、ion，wave break，lake current，etc the wave in lake taihu was simulated and the main influence factors of wave were analyzed by this mode1the results showed that the yw-swp model can well describe the process of waves growth and propagation in lake taihuthe distribution of wave heights，wave lengths，wav

4、e periods，etc，were closely related to wind speed，wind direction，water depth，etcit also depended on the winds sustained action and fetchkey words：taihu;wave; yw-swp numerical model0 引言近年對(duì)大型淺水湖泊的研究表明，強(qiáng)烈的水動(dòng)力作用是導(dǎo)致水一沉積物界面不穩(wěn)定、再懸浮和營養(yǎng)鹽內(nèi)源釋放，生長層內(nèi)部結(jié)構(gòu)和生物數(shù)量變化等過程的最重要驅(qū)動(dòng)力，其中波浪是表征湖泊水動(dòng)力最主要的內(nèi)容之一。然而，到目前為止已報(bào)道的太湖波浪觀測(cè)和研究還

5、較少，特別是對(duì)于太湖波浪的數(shù)值模擬更是少見。喬樹梁等曾于1992年在太湖近岸區(qū)進(jìn)行了太湖風(fēng)浪特征觀測(cè)1，逢勇等利用此資料進(jìn)行傅立葉快速變換開展了波譜分析2。羅瀲蔥3利用觀測(cè)資料對(duì)太湖的波高進(jìn)行了描述，發(fā)現(xiàn)其服從瑞利分布，并利用淺水smb模式，計(jì)算了不同風(fēng)速風(fēng)向情況下太湖不同區(qū)域波高的分布情況。胡維平等4依據(jù)太湖北部梅梁湖多站點(diǎn)1000多組觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)太湖北部風(fēng)浪波高進(jìn)行無量綱處理分析及最小二乘擬合，給出太湖北部不同區(qū)域風(fēng)浪平均波高的通用計(jì)算模式和經(jīng)驗(yàn)公式然而這些關(guān)于太湖波浪的研究均停留在觀測(cè)和經(jīng)驗(yàn)公式的基礎(chǔ)上，還未從波浪產(chǎn)生的機(jī)理和特征上進(jìn)行精細(xì)的數(shù)值模擬。本文研究了風(fēng)浪數(shù)值模型yw-swp在

6、太湖的適用性，并對(duì)太湖波浪的生消過程進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模擬。yw-swp數(shù)學(xué)模型具有以下特點(diǎn)：模式從組成波譜能量平衡方程出發(fā)；直接采取離散譜方法進(jìn)行風(fēng)浪和涌浪的計(jì)算；在模式中考慮了地形變化引起的淺水效應(yīng)，使其在淺水條件下具有同樣的適用性；模式在源函數(shù)的選取上吸取了第二代和第三代模式的一些最新成果；模式中采取最新風(fēng)浪譜進(jìn)行非線性波波相互作用的處理；考慮了風(fēng)浪和涌浪的相互轉(zhuǎn)化問題；區(qū)分了淺水深度破碎和“白帽破碎”兩個(gè)不同的機(jī)制；計(jì)算可采用粗細(xì)嵌套網(wǎng)格；開邊界提出了一個(gè)能量驅(qū)動(dòng)方法以及涌浪傳入。1 波浪數(shù)學(xué)模型1.1 波浪基本方程在ywswp模式5中，解相對(duì)頻率譜作用平衡方程： （1） （2） （3）傳播速

7、度 ； 風(fēng)輸入源函數(shù) 破碎耗散源函數(shù) ， =3.02*10-3 底摩擦耗散源函數(shù) ） ， 深度限制破碎耗散采用總能量限制： 非線性相互作用采用hasselmann（1985）6離散相互作用計(jì)算方法，對(duì)淺水采用如下公式 1.2 初始和邊界條件初始條件：取t=0, 其中，邊界條件：陸域邊界。2 數(shù)值計(jì)算范圍與驗(yàn)證利用yw-swp數(shù)值計(jì)算模式進(jìn)行模擬，將太湖劃分為140140個(gè)網(wǎng)格, 網(wǎng)格距在水平方向上是常數(shù), x, y 為500m, 計(jì)算域長度均為70km.對(duì)太湖2004 年9 月8 日9: 35 至17: 00 的波浪進(jìn)行模擬, 時(shí)間步長取為2min. 風(fēng)速風(fēng)向采用自動(dòng)風(fēng)向風(fēng)速儀每5min一次的

8、實(shí)測(cè)數(shù)據(jù). 風(fēng)速變化范圍為1.4-5.8m/s 之間, 變化較大, 風(fēng)向基本上為北風(fēng)和西北風(fēng), 風(fēng)向變化不大.為了驗(yàn)證模式計(jì)算的結(jié)果, 將梅梁灣中部(3125.8967n, 12012.7083e)有效波高的觀測(cè)結(jié)果和模型計(jì)算結(jié)果作了對(duì)比. 有效波高計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比表明(圖1), 兩者變化趨勢(shì)比較接近. 可見有效波高的模擬值能較好的反映太湖波浪的實(shí)際情況. 在計(jì)算初期, 9: 35 至10: 35 時(shí)段內(nèi), 模擬值要明顯小于實(shí)測(cè)值, 可能是由于沒有考慮背景風(fēng)場(chǎng)的原因. 然而隨著模擬時(shí)間的增長, 風(fēng)浪場(chǎng)逐漸發(fā)展成形, 與實(shí)測(cè)值也就更接近.可見, 該數(shù)學(xué)模型可以較好地模擬風(fēng)場(chǎng)作用下太湖風(fēng)浪的生

9、成和傳播過程, 模型在太湖應(yīng)用是合適的, 可以利用該模型對(duì)太湖波浪進(jìn)行深入研究數(shù)值計(jì)算。圖1梅梁灣中部(3125.8967n, 12012.7083e)有效波高實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比較圖fig1 comparison of measured and calculated value about significant wave height in the center of meiliang bay3 太湖波浪模擬計(jì)算為了研究太湖波浪的生成、發(fā)展及衰減的規(guī)律，不同風(fēng)速風(fēng)向下太湖波浪場(chǎng)的分布情況，太湖波浪場(chǎng)受流場(chǎng)、水深及風(fēng)場(chǎng)的具體影響等，本文利用驗(yàn)證后的yw-swp模型對(duì)太湖波浪進(jìn)行了進(jìn)一步計(jì)算研究。

10、根據(jù)yw-swp模型，對(duì)太湖se項(xiàng)，風(fēng)速為14.4m/s定常風(fēng)時(shí)太湖的有效波高、有效波周期、波陡、波向、底部切應(yīng)力及最大軌跡流速等波浪要素進(jìn)行了模擬下面以有效波高為例，分析se情況下全太湖有效波高的分布情況結(jié)果見圖2.待添加的隱藏文字內(nèi)容3圖2 14.4ms東南風(fēng)持續(xù)作用下有效波高分布fig 2 the distribution of significant wave height by the sustained action with southeast wind of 14.4ms從圖2可以看出，太湖各湖域的有效波高隨風(fēng)速的增大而增大，在風(fēng)向吹程較大和湖水相對(duì)較深處變幅更大。有效波高的的

11、空間分布，與風(fēng)速風(fēng)向和水深有很大的關(guān)系。波高最大值主要分布在風(fēng)區(qū)長度較大和水深相對(duì)較深處。風(fēng)速越大，風(fēng)區(qū)長度對(duì)有效波高的影響越大，水深對(duì)有效波高的影響也增大，說明在太湖中，水深對(duì)波高的影響是非常重要的。而且，隨著水深的變淺，波高的分布愈來愈集中在其平均波高附近，這說明在波浪向淺水地區(qū)傳播時(shí)，波高較大的波浪，由于水深變淺而變形破碎，使其波高逐漸減小；而波高較小的波浪，則由于水深的變淺在傳播過程中逐漸消失。另外，太湖的其他波要素(周期、波長、波陡等)隨風(fēng)速風(fēng)向和水深的變化也較大。在太湖波浪中，波長和波周期受水深影響較大。并且風(fēng)區(qū)長度對(duì)波長和波周期的影響也比較重要。4 結(jié)論本文給出了一個(gè)適合太湖地形

12、的風(fēng)浪數(shù)學(xué)模型yw-swp，并討論了太湖風(fēng)浪的規(guī)律：波浪和風(fēng)之間存在著直接密切的關(guān)系，即波浪是從風(fēng)獲得能量的供給而發(fā)展起來的從實(shí)際波浪的觀測(cè)中可知，在湖心，風(fēng)速越大，波浪越發(fā)大風(fēng)吹的時(shí)間如果較短，波浪就小。另外，太湖的其他波要素(周期、波長、波陡等)隨風(fēng)速風(fēng)向和水深的變化也較大。另外可以得到，波浪的發(fā)展不光取決于風(fēng)速的大小，還同風(fēng)的持續(xù)吹的時(shí)間和風(fēng)區(qū)長度有關(guān)。參考文獻(xiàn)（references）:1 喬樹梁，杜金曼，陳國平等。湖泊風(fēng)浪特性及風(fēng)浪要素的計(jì)算水利水運(yùn)科學(xué)研究，1996，9(3)：189-1982 逢勇，濮培民 太湖北岸風(fēng)浪譜的特征分析海洋與湖沼，1996，5(5)：53 1-5373 羅瀲蔥太湖水動(dòng)力學(xué)及其環(huán)境效應(yīng)研究博士論文南京：中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所，20044 胡維平，胡春華，張發(fā)兵等太湖北部風(fēng)浪波高計(jì)算模式觀測(cè)分析湖泊科學(xué)，2005，17(1)：4 1-465 尹寶樹. 渤海波浪和風(fēng)暴潮潮汐運(yùn)動(dòng)相互作用的理論和數(shù)值研究d.青島， 中國科學(xué)院海洋研究所，1996.6 hasselman,k.,and hasselman,s.,1985a.computatio