基于数值模拟的厦门湾波浪特征研究
朱君;蔡锋;戚洪帅;郑吉祥
汉字创意设计【摘 要】In this study the SWAN model is ud to simulate the waves of Xiamen for one year,which is verified by comparing the mode simulation and simultaneous field obrvation at Zhenzhuwan.Here,the annual and asonal average wave height and direction,the composition of wind-wave and swell and main sources and sinks of wave energy process in wave obrvation station are addresd,respectively.Results show that the wave height in Xiamen Bay is relative small and has obvious asonal variation.The mean wave height in summer is smaller,and wave direction in inner Xiamen Bay is southward,while the wave height in winter is relative larger,and wave direction in the north and east of Xiamen Island is northeastward.Xiamen Bay is dominated by wind-wave.Overall,the ratio of wind-wave and swell inside Xiamen Bay is bigger than 3 and gradually increas from the bay mouth to the bay head.In the south of Xiamen Island and the water nearby Shijing Town,the ratio is about 5 ～ 6,and exceeds 10 in the north and east of Xiamen Island.The main energy dis
sipation progress is related with the bottom friction.Both of the energy inputs by wind and energy dissipation by whitecapping in summer are larger than tho in winter although wind in winter is stronger.Due to stronger waves in winter,the energy dissipation induced by bottom friction is relative smaller in summer than in winter.%本研究使用成熟的SWAN模型对厦门湾的波浪场进行了1a的数值模拟,通过与同期的珍珠湾波浪观测数据进行对比验证了模型的可靠性.根据模型的计算结果,分析了厦门湾年平均和夏、冬两季平均波高和波向的分布特征,厦门湾的风浪和涌浪组成,珍珠湾波浪观测海域主要的波浪能量生成和能量耗散过程.结果表明,厦门湾年平均有效波高较小,且有较明显的季节变化特征,夏季厦门湾平均有效波高较小,且湾内波向多为偏南向;冬季厦门湾平均有效波高相对较大,厦门岛北侧和东侧海域波向均为NE向.厦门湾湾内以风浪为主,涌浪较小,风浪、涌浪比较大,均在3以上;从湾外向湾内,风浪、涌浪比逐渐增加,至厦门湾南岸和泉州石井镇附近海域,风浪、涌浪比增加到5～6;在厦门湾东部和北部海域,风浪、涌浪比均在10以上.珍珠湾海域波浪最主要的能量耗散过程是由底摩擦引起的能量耗散,虽然冬季风速较大,但夏季风能输入的能量和白帽破碎耗散的能量均大于冬季;因冬季波浪相对较大,夏季底摩擦耗散的能量要小于冬季.
【期刊名称】《应用海洋学学报》
隶书毛笔【年(卷),期】2017(036)003
【总页数】8页(P341-348)
【关键词】海洋水文学;SWAN;风浪;涌浪;波浪能量;厦门湾
【作 者】朱君;蔡锋;戚洪帅;郑吉祥
【作者单位】国家海洋局第三海洋研究所,福建厦门361005;国家海洋局第三海洋研究所,福建厦门361005;国家海洋局海岛研究中心,福建平潭350400;国家海洋局第三海洋研究所,福建厦门361005;国家海洋局第三海洋研究所,福建厦门361005
【正文语种】中 文
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结婚礼物送什么好厦门湾位于中国东南沿海，台湾海峡西岸，地处九龙江入海口.厦门湾是以围头角、金门岛、镇海角为口门的一个半封闭型海湾.湾内岸线曲折，岛屿众多 [1](图1).厦门湾面积约为920 km2，大部分水深在5～20 m之间，部分区域由于潮流冲刷剧烈，形成潮流冲刷槽，
其水深一般在10～20 m范围内，最大水深达40 m[2](图2).
目前已有不少关于厦门湾波浪特征的研究，徐啸(1992)应用改进的Dobson法计算了厦门港的波浪传播变形，但由于缺乏波浪的同步观测资料而无法对计算结果进行验证[3]；林毅辉等(2009)、郑吉祥(2007)对厦门湾的常风浪场进行了数值模拟[4-5]；姬厚德等(2010)利用SWAN模型模拟了0604号“碧利斯”台风期间台湾海峡及厦门湾台风浪场的分布特征[6]；魏艳等(2012)通过数值模型研究了台湾海峡潮流对波浪的影响[7].但这些研究大多是基于定常状态或极端天气下的波浪传播过程，通过长时间序列的波浪数值模拟来进行的厦门湾波浪特征的研究较为少见，并且到目前为止，尚没有研究学者能给出厦门湾整个海域的风浪、涌浪比，针对厦门湾进行的波浪能量平衡研究更为匮乏.本研究基于对厦门湾波浪场进行的周年数值模拟结果，详细分析了厦门湾的波高和波向分布特征，给出了厦门湾风浪与涌浪组成，探讨厦门湾珍珠湾海域主要的波浪能量生成和能量耗散过程.
1 厦门湾波浪模型的建立
本研究选用了成熟的SWAN模型来构建适应于厦门湾的波浪数值模型.SWAN是由荷兰Delft大学开发的第三代浅水波浪模型[8-9].该模型充分考虑了波浪的浅水变形、反射、折射、绕
射、波流相互作用等波浪传播过程.目前，该模型在近岸、河口以及湖泊的相关波浪数值模拟研究中得到了广泛的应用[6，10-12].
SWAN模型采用动谱平衡方程来描述风浪生成及其在近岸区的传播过程.其动谱平衡方程[13]可以表示为：
图1 研究区域及调查站位Fig.1 Map of study area and obrvation station
图2 厦门湾及周边海域水深地形Fig.2 Bathymetry of Xiamen Bay and around regions
(1)
式(1)中：N为动谱密度；t为时间；为平面坐标；cg为波群传播速度；为背景流速；σ和θ分别为频率和方向；cσ和cθ分别为波浪在σ空间和θ空间的传播速度；Stot=Stot(σ,θ)为所有波能的源汇项，包括波浪能量的生产、转化和耗散过程.可以表示为：
Stot=Sin+Sds,w+Sds,b+Sds,br+Snl4+Snl3
(2)
什么的脚步声式(2)中：Sin、Sds,w、Sds,b、Sds,br、Snl4、Snl3分别表示风能输入、白浪耗散、底摩擦耗散、地形引起的波浪耗散、四波相互作用和三波相互作用引起的能量变化.各项的具体计算公式请参见SWAN模型的技术手册[13].
1.1 模型设置
模型计算起止时间为2008年10月1日0时至2009年9月30日24时，模型分析时间从2008年10月1日1时开始.模型网格在沿岸方向分为300个网格，在离岸方向分为235个网格，网格间距为100 m，模型网格如图3所示.模型计算时间步长为10 min.模型计算过程波浪开边界采用的是JONSWAP谱，谱峰升高因子取3.3，用于表示风浪的成长状态[14].底摩擦计算选用的是Haslmann等(1973)的经验公式[15]，涌浪底摩擦系数取为0.038 m2/s3，浅水中充分成长的波浪底摩擦系数取为0.067 m2/s3.
图3 计算模型网格图Fig.3 Model grid ud in this study手工制作简单又漂亮
模型使用的强迫条件包括波浪和风场，各资料情况如下.
1.1.1 波浪 模型开边界中使用的波浪观测资料是位于台湾海峡的2号浮标数据(图1)，观测时
cad注册间和模型计算时间相同，即从2008年10月1日0时至2009年9月30日24时.观测时间间隔为1 h，观测位置为24°28′59″N，119°17′35″E，距离模型开边界约60 km.模型计算时，首先使用美国陆军工程兵团开发的WISPH3(WIS Pha 3 Wave Transformation)[16-17]将观测到的时间序列的波浪值(波高、周期、波向)转换到模型的开边界上，然后作为模型开边界驱动厦门湾波浪场的计算.WISPH3是一个点对点的深水波浪到浅水波浪的谱转换模型，在转换过程中考虑了波浪的浅水作用、折射等过程.观测的波浪数据玫瑰图如图4所示.从图4可以看出，厦门湾外海的主波向为NE向，累计频率达20%.
图4 台湾海峡2号浮标波浪玫瑰图Fig.4 Wave ro at buoy 2 in Taiwan Strait 观测时间为2008年10月1日至2009年9月30日
1.1.2 风场 模型计算时考虑了风能的输入，风场数据取自国家海洋局第三海洋研究所的观测资料，风场数据观测时间和波浪观测时间相同.时间间隔为1 h，观测位置为24°26′8.40″N，118°05′20.40″E(图1).模型计算时首先将观测的风场资料转化成海平面10 m处的风场数据，然后用于SWAN模型的风场强迫.因模拟区域较小，模型中使用的是空间一致的风场资料.风场数据玫瑰图如图5所示，随时间变化的风场如图6所示(为便于成图，图6
中绘制的风场时间间隔为6 h).为了便于观察不同月份的风向，图6中的风场数据使用36 h的低通滤波器进行了低通滤波.结合图5和图6可以看出，厦门冬季盛行东北季风，夏季盛行东南季风，3～5月份及9～10月份是东北季风与东南季风的主要转变月份.
