波-流相互作用及其对海浪模拟的影响

来源 :自然资源部第一海洋研究所 | 被引量 : 1次 | 上传用户:painangel
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海浪和海流是海洋动力环境的重要组成部分,二者之间的动量、能量交换可统称为波–流相互作用(wave–current interaction);在近岸、台风或黑潮、湾流影响海域,波–流相互作用可对波浪的生消、演变产生极大的影响。在海浪数值模拟中,波–流相互作用对波浪模拟的影响可包含两个方面:一是,背景流场可影响波浪能量的传播,包括改变群速度的大小、方向,以及产生折射效应;二是,振动运动对抗非均匀流场中的流速切变(即流速梯度)做功,可使海浪能谱发生改变。由于波作用量(wave action)在波-流相互作用中守恒,因此,以ECMWF-WAM,Wavewatch III,SWAN等为代表的第三代海浪模式采用波作用量谱平衡方程,在求解中无需考虑波-流相互作用对海浪能谱的影响;也正因为如此,在以往的研究中,鲜见对波-流相互作用过程影响波浪能谱的讨论。本文在波–流相互作用源函数理论框架下,首先通过理论分析和理想实验,阐释了波–流相互作用对海浪能谱模拟的作用效果。结果表明:除流速和流向以外,流速梯度量级、水深、波浪成长状态以及波浪在流场中的传播方向均可以影响波–流相互作用源函数的作用效果;在更符合实际的流速梯度量级下,波–流相互作用源函数对有效波高和谱峰波向模拟值有一定的影响;而且考虑到波浪的长距离传播,谱峰波向的微小变化仍可能明显改变波浪的传播形态。其次,本文在波浪能量沿特征线传播的理论框架下,通过开展理想实验,分析了均匀和非均匀流场对浪场模拟的影响,结果表明:均匀的背景流场可令模拟谱谱峰附近的低频和高频分别出现能量的增加和减少,在二维谱空间中,上述高低频能量增减区域分布在谱空间中的不同方向上,且分布情况与流向与波向的交角有关;而在非均匀流场中,流场梯度对波浪传播的作用和波–流相互作用源函数均会进一步加剧或减缓上述谱能量的增减,从而对波高、周期及波向的模拟结果造成影响。最后,本文模拟了4个台风条件下、非均匀流场中的海浪场实例。结果表明:台风条件下流速梯度的量级可达105-s-1,流速梯度大值区存在于台风中心附近;考虑波–流相互作用时,可使模拟区域内有效波高模拟值的变化量达10%,且波–流相互作用对波向的改变可在波浪的长距离传播中被进一步放大(甚至超过20°),因此,即使是在远离岸线的开阔海域,波-流相互作用仍可在台风作用下的浪场中起到重要的作用。
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