风浪模型Yw―swp在太湖的应用研究
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摘要:文章在太湖实际波浪观测的基础上，采用率定验证后的风浪数学模型yw-swp，考虑折射、浅化、反射、破碎、湖流等条件下，对太湖波浪进行数值模拟，研究太湖波浪的主要影响因素。结果表明:YW-swp模型，可以较好地模拟风作用下太湖风浪的生成和传播过程，模型在太湖应用是合适的；波高、波长、波周期等波浪参数在太湖的分布与风速、风向、水深等因素密切相关；波浪的发展不光取决于风速的大小，还同风的持续吹的时间和风区长度有关。
关键词:风浪模型；YW-swp模型；太湖波浪观测
中图分类号:P731 文献标识码:A
近年对大型浅水湖泊的研究表明，强烈的水动力作用是导致水一沉积物界面不稳定、再悬浮和营养盐内源释放，生长层内部结构和生物数量变化等过程的最重要驱动力，其中波浪是表征湖泊水动力最主要的内容之一。然而，到目前为止已报道的太湖波浪观测和研究还较少，特别是对于太湖波浪的数值模拟更是少见。乔树梁等曾于1992年在太湖近岸区进行了太湖风浪特征观测，逢勇等利用此资料进行傅立叶快速变换开展了波谱分析。罗潋葱利用观测资料对太湖的波高进行了描述，发现其服从瑞利分布，并利用浅水SMB模式，计算了不同风速风向情况下太湖不同区域波高的分布情况。胡维平等依据太湖北部梅梁湖多站点1000多组观测数据，对太湖北部风浪波高进行无量纲处理分析及最小二乘拟合，给出太湖北部不同区域风浪平均波高的通用计算模式和经验公式.然而这些关于太湖波浪的研究均停留在观测和经验公式的基础上，还未从波浪产生的机理和特征上进行精细的数值模拟。本文研究了风浪数值模型YW swp在太湖的适用性，并对太湖波浪的生消过程进行了动态模拟。YW-swp数学模型具有以下特点:(1)模式从组成波谱能量平衡方程出发；直接采取离散谱方法进行风浪和涌浪的计算；(2)在模式中考虑了地形变化引起的浅水效应，使其在浅水条件下具有同样的适用性；(3)模式在源函数的选取上吸取了第二代和第三代模式的一些最新成果；(4)模式中采取最新风浪谱进行非线性波一波相互作用的处理；(5)考虑了风浪和涌浪的相互转化问题；(6)区分了浅水深度破碎和“白帽破碎”两个不同的机制；(7)计算可采用粗细嵌套网格；(8)开边界提出了一个能量驱动方法以及涌浪传入。
一、波浪数学模型
(一)波浪基本方程
在YW-swp模式中，解相对频率谱N(σ，θ)作用平衡
非线性相互作用采用Hasselmann(1985)离散相互作用计算方法，对浅水采用如下公式:
二、数值计算范围与验证
利用YW-swp数值计算模式进行模拟，将太湖划分为140×140个网格，网格距在水平方向上是常数，x，y为500m，计算域长度均为70km。对太湖2004年9月8日9:35至17:00的波浪进行模拟，时间步长取为2min。风速风向采用自动风向风速仪每5min一次的实测数据.风速变化范围为1.4～5.8m／s之间，变化较大，风向基本上为北风和西北风，风向变化不大。为了验证模式计算的结果，将梅梁湾中部(31°25.8967’N，120°12.7083’E)有效波高的观测结果和模型计算结果作了对比。有效波高计算值与实测值的对比表明(图1)，两者变化趋势比较接近。可见有效波高的模拟值能较好的反映太湖波浪的实际情况。在计算初期，9:35至10:35时段内，模拟值要明显小于实测值，可能是由于没有考虑背景风场的原因。然而随着模拟时问的增长，风浪场逐渐发展成形，与实测值也就更接近。可见，该数学模型可以较好地模拟风场作用下太湖风浪的生成和传播过程，模型在太湖应用是合适的，可以利用该模型对太湖波浪进行深入研究数值计算。
三、太湖波浪模拟计算
为了研究太湖波浪的生成、发展及衰减的规律，不同风速风向下太湖波浪场的分布情况，太湖波浪场受流场、水深及风场的具体影响等，本文利用验证后的YW swp模型对太湖波浪进行了进一步计算研究。
根据YW-swp模型，对太湖SE项，风速为14.4m／s定常风时太湖的有效波高、有效波周期、波陡、波向、底部切应力及最大轨迹流速等波浪要素进行了模拟。下面以有效波高为例，分析SE情况下全太湖有效波高的分布情况，结果如图2所示:
从图2可以看出，太湖各湖域的有效波高随风速的增大而增大，在风向吹程较大和湖水相对较深处变幅更大。有效波高的的空间分布，与风速风向和水深有很大的关系。波高最大值主要分布在风区长度较大和水深相对较深处。风速越大，风区长度对有效波高的影响越大，水深对有效波高的影响也增大，说明在太湖中，水深对波高的影响是非常重要的。而且，随着水深的变浅，波高的分布愈来愈集中在其平均波高附近，这说明在波浪向浅水地区传播时，波高较大的波浪，由于水深变浅而变形破碎，使其波高逐渐减小；而波高较小的波浪，则由于水深的变浅在传播过程中逐渐消失。另外，太湖的其他波要素(周期、波长、波陡等)随风速风向和水深的变化也较大。在太湖波浪中，波长和波周期受水深影响较大。并且风区长度对波长和波周期的影响也比较重要。
四、结论
本文给出了一个适合太湖地形的风浪数学模型YW-swp，并讨论了太湖风浪的规律:波浪和风之间存在着直接密切的关系，即波浪是从风获得能量的供给而发展起来的。从实际波浪的观测中可知，在湖心，风速越大，波浪越发大。风吹的时问如果较短，波浪就小。另外，太湖的其他波要素(周期、波长、波陡等)随风速风向和水深的变化也较大。另外可以得到，波浪的发展不光取决于风速的大小，还同风的持续吹的时问和风区长度有关。
参考文献
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