寒潮影響下江蘇沿海風(fēng)浪場(chǎng)數(shù)值模擬研究

周春建，徐福敏

(1. 河海大學(xué) 海洋災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

寒潮影響下江蘇沿海風(fēng)浪場(chǎng)數(shù)值模擬研究

周春建1, 2，徐福敏1, 2

(1. 河海大學(xué) 海洋災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210098； 2. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

基于第三代淺水波浪數(shù)值預(yù)報(bào)模型SWAN，建立自西北太平洋嵌套至東中國(guó)海、江蘇沿海的三重嵌套模型，對(duì)2010年12月12日至15日江蘇沿海寒潮大風(fēng)引起的風(fēng)浪過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。利用西北太平洋和江蘇沿海實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明SWAN嵌套模型能較好地模擬江蘇沿海寒潮風(fēng)浪場(chǎng)的時(shí)空分布。通過(guò)響水站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)江蘇沿海底摩擦系數(shù)進(jìn)行了率定，研究表明選取Collins拖曳理論中摩擦因數(shù)Cf=0.001時(shí)，有效波高模擬誤差相對(duì)較小。寒潮風(fēng)浪場(chǎng)的特征分析表明，有效波高分布與風(fēng)場(chǎng)分布基本一致，寒潮風(fēng)浪在江蘇沿海北部影響較為顯著，輻射沙洲附近由于其特殊地形影響相對(duì)較小。

江蘇沿海; SWAN模型; 三重嵌套;寒潮; 風(fēng)浪場(chǎng); 底摩擦

Abstract: Based on the third-generation wave model SWAN, establishing a triple nested mode from the Northwest Pacific to the East China Sea, then to Jiangsu coast, conducting a numerical simulation of wind wave field under the influence of a cold wave during 12 to 15 December 2010 in Jiangsu coast. By comparing the Northwest Pacific and Jiangsu coastal observed data with the SWAN simulation results, it indicates that SWAN nested model can well reproduce temporal and spatial distribution of the wind wave field affected by cold waves in Jiangsu coast. Meanwhile with the Xiangshui observed data, the bottom friction coefficient was calibrated in Jiangsu coastal, our analyses show that Collins coefficient of 0.001 can reduce the frictional dissipation effect. The wind and wave field characteristic analysis indicates that the distribution of significant wave height is basically the same with the wind distribution. The wave effect is significant in the northern coast, whereas due to the special terrain it has little effect in the radial sand ridges area.

Keywords: Jiangsu coast; SWAN model; triple nested; cold wave; wind wave field; bottom friction

寒潮是冬半年影響我國(guó)最嚴(yán)重的災(zāi)害性天氣之一，其主要的特點(diǎn)是劇烈的降溫和大風(fēng)，有時(shí)伴隨著雨、雪。當(dāng)寒潮影響沿海地區(qū)時(shí)，強(qiáng)烈的大風(fēng)進(jìn)入海面上會(huì)引起巨大的風(fēng)浪，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致沿海地區(qū)水位暴漲，造成沿岸建筑和船只摧毀，釀成嚴(yán)重的海洋災(zāi)害。統(tǒng)計(jì)研究指出，江蘇寒潮平均每年發(fā)生5.1次[1]，寒潮大風(fēng)造成的災(zāi)害較為嚴(yán)重，寒潮型風(fēng)浪的影響不容忽視[2]。許多學(xué)者對(duì)江蘇沿海的波浪特性做過(guò)大量研究[3-4]，而寒潮風(fēng)浪的研究相對(duì)較為匱乏，所以對(duì)寒潮影響下江蘇沿海風(fēng)浪場(chǎng)的數(shù)值模擬具有一定的研究意義。

隨著波浪理論研究和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，通過(guò)數(shù)值模型研究波浪的傳播變化規(guī)律成為較為有效的方法，以能量平衡方程為基礎(chǔ)的第三代海浪模型WAM、WAVEWATCHⅢ和SWAN已成功應(yīng)用于不同條件下波浪的模擬和預(yù)報(bào)。R C Ris等[5]全面考慮波浪淺化、折射、反射、耗散、風(fēng)能輸入及波浪非線性效應(yīng)，開發(fā)出適用于河口、湖泊及近岸的淺水波浪模型SWAN；N Booij等[6]利用實(shí)測(cè)資料對(duì)SWAN 模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。SWAN模型在中國(guó)海域也都有廣泛的應(yīng)用，趙紅軍等[7]通過(guò)建立SWAN兩重嵌套模型對(duì)南中國(guó)海臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，結(jié)果表明臺(tái)風(fēng)浪要素的模擬值與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)吻合良好；Ou 等[8]利用 SWAN 嵌套模式對(duì)影響臺(tái)灣島海域四類典型臺(tái)風(fēng)路徑的臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。經(jīng)過(guò)學(xué)者不斷的研究和改進(jìn)，SWAN模型適用于中尺度和近岸風(fēng)浪、涌浪及混合浪的模擬與預(yù)報(bào)。

本文以2010年12月12日至15日影響江蘇沿海的寒潮為例，通過(guò)建立SWAN三重嵌套模型對(duì)寒潮影響下的江蘇沿海風(fēng)浪場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究，并對(duì)模型的底摩擦系數(shù)進(jìn)行率定，利用SWAN模型再現(xiàn)了寒潮風(fēng)浪場(chǎng)的時(shí)空分布。

1 SWAN模型介紹

SWAN(Simulating Waves Nearshore)是由荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)的第三代淺水波浪數(shù)值模型，模型采用動(dòng)譜平衡方程和線性隨機(jī)表面重力波理論，數(shù)值計(jì)算采用全隱式格式，無(wú)條件穩(wěn)定，廣泛應(yīng)用于對(duì)海岸、湖泊和河口等地區(qū)波浪的數(shù)值模擬和預(yù)報(bào)。

1.1SWAN控制方程

SWAN 模型以二維動(dòng)譜密度表示隨機(jī)波，動(dòng)譜密度N(σ，θ)為能譜密度E(σ，θ)與相對(duì)頻率σ之比。在直角坐標(biāo)系下，動(dòng)譜平衡方程表示為：

式中：左邊第一項(xiàng)代表作用量密度N隨時(shí)間的變化率。第二項(xiàng)和第三項(xiàng)代表作用量密度N在x和y幾何空間的傳播(傳播速度Cx和Cy)。第四項(xiàng)代表流場(chǎng)和水深變化引起作用量在σ空間的頻移(傳播速度Cσ)。第五項(xiàng)代表作用量在θ空間的傳播(傳播速度Cθ)。方程右邊的S代表能量源匯項(xiàng)，這一項(xiàng)可寫成幾個(gè)不同類型的源項(xiàng)之和：

式中：Sin代表風(fēng)能輸入項(xiàng)，Sds代表由白浪、底摩擦、變淺破碎引起的耗散作用，Snl是四波相互作用和三波相互作用的非線性項(xiàng)。

1.2源匯項(xiàng)及物理過(guò)程

SWAN模型全面考慮波浪傳播的物理過(guò)程，并在源匯項(xiàng)中表現(xiàn)出來(lái)，包含了波浪研究的最新成果。風(fēng)能輸入項(xiàng)基于兩種波浪增長(zhǎng)機(jī)制：Phillips的共振機(jī)制和Miles的不穩(wěn)定機(jī)制，前者考慮波浪隨時(shí)間線性增長(zhǎng)，后者考慮波浪隨時(shí)間指數(shù)增長(zhǎng)，模型中風(fēng)能輸入項(xiàng)是線性增長(zhǎng)和指數(shù)增長(zhǎng)之和。非線性相互作用是指共振波分量之間交換能量，使能量重新分配。在深水情況四波相互作用比較重要，通過(guò)四波相互作用能量從高頻率部分轉(zhuǎn)向低頻部分。而在淺水情況三波相互作用變得重要，能量通過(guò)三波相互作用從低頻部分向高頻部分轉(zhuǎn)移。

耗散項(xiàng)考慮了三種類型的耗散機(jī)制：在深水情況，白浪破碎耗散是主要影響因素，控制著波譜高頻部分的飽和程度，SWAN模型中使用Hasselmann的基脈沖模型表示白浪破碎的過(guò)程。在淺水中，底摩擦變得重要，底摩擦耗散項(xiàng)包含四種模式：JONSWAP 實(shí)驗(yàn)、Collins拖曳理論、Madsen渦粘理論和Ripple理論。波浪傳到淺水破碎區(qū)域附近時(shí)，水深變淺引起的波浪破碎占主要地位，隨機(jī)波的最大破碎波高Hm與水深d的關(guān)系為：Hm=γd，其中γ為破碎系數(shù)。

2 SWAN三重嵌套模型

2010年12月的寒潮大風(fēng)經(jīng)渤海灣進(jìn)入黃海后全面影響江蘇沿海，影響范圍較為廣泛，所以建立自西北太平洋嵌套至東中國(guó)海、江蘇沿海的SWAN三重嵌套模型，對(duì)寒潮風(fēng)浪場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬研究。

2.1計(jì)算區(qū)域和水深

三個(gè)嵌套區(qū)域分別為西北太平洋(115°E～150°E，20°N～45°N)，計(jì)算網(wǎng)格空間分辨率為2'×2'；東中國(guó)海(117°E～130°E， 23°N～40°N)，網(wǎng)格分辨率為1'×1'；江蘇沿海(119.2°E～122.4°E，31.6°N～35.1°N)，網(wǎng)格分辨率為0.5'×0.5'，計(jì)算區(qū)域見圖1(a)。

圖1 三重嵌套計(jì)算域和江蘇沿海水深Fig. 1 Triple nested computational domain and the water depth in Jiangsu coast

西北太平洋和東中國(guó)海水深數(shù)據(jù)均采用美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局NOAA的ETOPO1全球水深數(shù)據(jù)，分辨率為1′×1′。由于江蘇沿海存在輻射沙洲群，水深條件較為復(fù)雜，所以使用分辨率為0.5′×0.5′的海圖水深，見圖1(b)。

2.2驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)

模型采用CCMP風(fēng)場(chǎng)作為驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)。CCMP(Cross-Calibrated Multi-Platform)風(fēng)場(chǎng)，即多平臺(tái)交叉校準(zhǔn)風(fēng)場(chǎng)，資料來(lái)源于美國(guó)航空航天局(NASA)，時(shí)間分辨率為6小時(shí)，空間分辨率為0.25°×0.25°。該風(fēng)場(chǎng)資料具有分辨率高、時(shí)間序列長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，作為SWAN模型驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)模擬效果良好[9]。下載2010年12月10日0時(shí)至15日18時(shí)的CCMP風(fēng)場(chǎng)，并用線性插值法在空間上插值成分辨率為0.05°×0.05°，作為模型驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)。

2.3模型設(shè)置

三個(gè)計(jì)算區(qū)域設(shè)置相同：模型采用球坐標(biāo)系；θ空間(即譜方向分布范圍)為0～360°，步長(zhǎng)36，分辨率為10°；譜頻率σ范圍為0 .04 ～1 Hz ，網(wǎng)格數(shù)為40 ，頻率空間呈對(duì)數(shù)分布。其它源項(xiàng)設(shè)置為模型默認(rèn)值：風(fēng)能輸入考慮了線性增長(zhǎng)和指數(shù)增長(zhǎng)兩部分，白浪耗散采用KOMEN模式，底摩擦耗散采用JONSWAP模式，底摩擦系數(shù)0.038，同時(shí)考慮非線性相互作用的影響。

計(jì)算時(shí)間自2010年12月10日0時(shí)至15日18時(shí)(UTC標(biāo)準(zhǔn)時(shí))，西北太平洋和東中國(guó)海時(shí)間步長(zhǎng)為30 min，離散采用S&L格式，該格式是具有三階擴(kuò)散的二階迎風(fēng)格式，適合大尺度的非定常情況，能減小數(shù)值耗散；江蘇沿海時(shí)間步長(zhǎng)為10 min，離散采用一階BSBT格式，該格式適用于小尺度定常與非定常情況，結(jié)果與S&L格式相差不大，但是減少了計(jì)算時(shí)間。模型每隔一小時(shí)輸出模擬結(jié)果。

3 模型參數(shù)率定與驗(yàn)證

將西北太平洋和江蘇沿海的模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)SWAN三重嵌套模型進(jìn)行驗(yàn)證。西北太平洋計(jì)算域的驗(yàn)證資料來(lái)源于日本氣象廳觀測(cè)計(jì)數(shù)據(jù)和歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心ECMWF(European Centre for Medium-Range Weather Forecasts)提供的全球范圍有效波高再分析數(shù)據(jù)。

3.1模型驗(yàn)證

將西北太平洋計(jì)算域模擬結(jié)果與計(jì)算域內(nèi)的日本沿海站點(diǎn)松前(P1)和怪岬(P2)波浪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，P1點(diǎn)位于140.10°E，41.31°N，水深49 m，距離岸邊1.3 km，P2點(diǎn)位于135.25°E，35.80°N，水深47 m，距離岸邊2.2 km(見圖1)。

由圖2可知，P1和P2兩點(diǎn)有效波高和平均波周期的模擬值與實(shí)測(cè)值吻合良好，兩者變化趨勢(shì)基本一致。表1顯示，兩站點(diǎn)有效波高模擬值和實(shí)測(cè)值的均方差相對(duì)較小，相關(guān)性良好。

圖2 日本沿海站點(diǎn)實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比Fig. 2 Observed data and simulated results comparisons in Japan coast

P1站點(diǎn)P2站點(diǎn)實(shí)測(cè)均值模擬均值均方差相關(guān)系數(shù)實(shí)測(cè)均值模擬均值均方差相關(guān)系數(shù)有效波高/m1．682．010．570．961．892．140．480．95周期/s6．976．301．040．897．456．601．080．88

ECMWF是由歐盟成員國(guó)組成的國(guó)際性天氣預(yù)報(bào)研究機(jī)構(gòu)，可提供全球網(wǎng)格化風(fēng)、浪再分析數(shù)據(jù)產(chǎn)品，有效波高驗(yàn)證數(shù)據(jù)時(shí)間分辨率為6 h，空間分辨率為0.25°×0.25°。利用該機(jī)構(gòu)再分析數(shù)據(jù)對(duì)西北太平洋整個(gè)區(qū)域有效波高模擬值進(jìn)行驗(yàn)證(見圖3)。由圖3可知，13日18時(shí)西北太平洋整個(gè)計(jì)算域的有效波高模擬值與再分析數(shù)據(jù)基本一致，特別是東中國(guó)海寒潮引起的風(fēng)浪分布。對(duì)12日至15日整個(gè)研究時(shí)段內(nèi)兩者對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果都吻合較好。

圖3 13日18時(shí)西北太平洋有效波高分布Fig. 3 Significant wave height distribution in the Northwest Pacific at 18:00 on day 13

西北太平洋計(jì)算域內(nèi)實(shí)測(cè)點(diǎn)和整體驗(yàn)證結(jié)果顯示，SWAN模型對(duì)西北太平洋大范圍計(jì)算域模擬結(jié)果良好，可以提供東中國(guó)海計(jì)算域的邊界條件，并再通過(guò)東中國(guó)海的模擬結(jié)果提供江蘇沿海的邊界條件，最后模擬得到江蘇沿海的波浪要素。

利用河海大學(xué)提供的響水波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)江蘇沿海計(jì)算域的模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。響水站點(diǎn)(P3位于120.10°E，34.44°N，見圖1)位于江蘇沿海，站點(diǎn)水深約7.6 m，離岸約8 km。

圖4和表2顯示，在寒潮影響江蘇沿海時(shí)段內(nèi)，響水站點(diǎn)有效波高模擬值和實(shí)測(cè)值變化趨勢(shì)基本一致，模擬值與實(shí)測(cè)值基本吻合，有效波高的均值相差0.22 m，均方差為0.29 m；有效波高最大值的模擬值較實(shí)測(cè)值偏小，相差大約0.6 m；平均波周期的變化趨勢(shì)基本一致，但周期相對(duì)偏小。

圖4 響水測(cè)站實(shí)測(cè)值和模擬值對(duì)比Fig. 4 Observed data and simulated results comparisons in Xiangshui site

實(shí)測(cè)模擬平均值最大值平均值最大值均方差相關(guān)系數(shù)有效波高/m1．252．201．031．650．290．96周期/s4．555．803．924．810．800．87

3.2江蘇沿海底摩擦系數(shù)的率定

默認(rèn)參數(shù)下SWAN模型對(duì)江蘇沿海響水站點(diǎn)有效波高模擬值相對(duì)偏小，特別是最大有效波高。根據(jù)以往研究，引起SWAN模擬結(jié)果偏小主要有兩個(gè)的因素：驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)和物理耗散過(guò)程。而相關(guān)研究表明CCMP風(fēng)場(chǎng)可以用作SWAN模式的驅(qū)動(dòng)風(fēng)場(chǎng)[10]，所以本文著重研究物理耗散過(guò)程對(duì)江蘇沿海寒潮風(fēng)浪的影響。

當(dāng)風(fēng)浪由深水傳播至江蘇沿海時(shí)，與水底的相互作用物理耗散過(guò)程對(duì)波浪傳播具有較大的影響。表2響水站點(diǎn)實(shí)測(cè)值顯示，有效波高最大值為2.2 m，平均波周期為4.55 s，因此水深H與波長(zhǎng)L的比值介于1/20至1/2之間；而最大波高Hm與水深d的比大約為0.3，小于波浪破碎系數(shù)最小值0.55，這表明在該站點(diǎn)附近，波浪破碎引起的耗散作用相對(duì)較小，而且白浪破碎耗散淺水影響較小，所以底摩擦可能是影響耗散最主要的因素。

SWAN模型底摩擦耗散項(xiàng)中包含四模式，分別是JONSWAP 實(shí)驗(yàn)、Collins拖曳理論、Madsen渦粘理論和Ripple理論。底摩擦機(jī)制的公式可以表示如下：

式中：Cb表示底摩擦系數(shù)，主要依賴于底部軌道運(yùn)動(dòng)，由Urms表示。

根據(jù)SWAN模型底摩擦耗散項(xiàng)中的四種模式，在模型其它參數(shù)與上述相同情況下，選擇不同模式其對(duì)應(yīng)的默認(rèn)值，對(duì)江蘇沿海風(fēng)浪場(chǎng)進(jìn)行模擬，并將結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。

圖5 不同底摩擦設(shè)置模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比Fig. 5 Comparisons between observed data and different bottom friction simulated results

圖5(a)顯示，四種底摩擦機(jī)制的模擬結(jié)果隨時(shí)間具有相同的變化趨勢(shì)，且與實(shí)測(cè)值基本一致。但與實(shí)測(cè)值相比，Collins理論最接近，JONSWAP模式與Ripples理論其次，Madsen理論模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)偏差較大。盡管Collins理論與其它模式相比和實(shí)測(cè)值最為吻合，但是依然存在一定誤差，尤其是有效波高峰值，仍需對(duì)Collins理論中的系數(shù)Cf進(jìn)行率定。

表3 率定后響水站點(diǎn)實(shí)測(cè)值和模擬值誤差Tab. 3 Error of observed data and calibrated simulated results in Xiangshui site

圖5(b)顯示隨著Cf值減小，波浪的有效波高峰值部分逐漸增大，接近實(shí)測(cè)值，當(dāng)Cf減小至0.001時(shí)，其模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差相對(duì)較小，與實(shí)測(cè)值基本吻合；表3顯示當(dāng)Cf=0.001作為底摩擦系數(shù)時(shí)，有效波高均方差減小至0.17 m。

為確定率定后底摩擦系數(shù)的適用性，對(duì)2011年11月28日至12月1日另一股影響江蘇沿海的寒潮風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬研究并進(jìn)行驗(yàn)證。數(shù)值模擬方法與上文一致，資料和模型設(shè)置也相同，通過(guò)建立SWAN三重嵌套模型，對(duì)江蘇沿海寒潮風(fēng)浪進(jìn)行模擬，并將模擬結(jié)果與響水站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比。

圖6 不同底摩擦設(shè)置模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比Fig. 6 Comparisons between observed data and different bottom friction simulated results

圖6顯示2011年這股影響江蘇沿海的寒潮，當(dāng)選取Collins拖曳理論中Cf=0.001時(shí)，響水站點(diǎn)SWAN有效波高的模擬值與實(shí)測(cè)值基本吻合，誤差相對(duì)較小。

通過(guò)對(duì)以上兩例影響江蘇沿海的寒潮風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬，并率定和驗(yàn)證底摩擦系數(shù)，結(jié)果顯示在響水站點(diǎn)附近模型選取Collins拖曳理論中Cf=0.001時(shí)，模擬值與實(shí)測(cè)值誤差相對(duì)較小，基本適用于江蘇沿海寒潮風(fēng)浪的模擬。

4 寒潮過(guò)程風(fēng)、浪場(chǎng)特征分析

4.1寒潮過(guò)程風(fēng)場(chǎng)

2010年12月12日至15日影響江蘇沿海的寒潮，24 小時(shí)最低氣溫下降了9.5℃，達(dá)到了寒潮的標(biāo)準(zhǔn)[16]。根據(jù)東中國(guó)海風(fēng)場(chǎng)分布圖可知，此次寒潮大風(fēng)沿著NE方向在13日0時(shí)經(jīng)過(guò)渤海灣，并帶來(lái)了平均14 m/s以上的大風(fēng)，最大風(fēng)速達(dá)到20 m/s以上，風(fēng)向?yàn)镹E向，見圖7(a)。而后風(fēng)場(chǎng)經(jīng)過(guò)山東半島，受陸地影響，風(fēng)速減小，并于14日0時(shí)，風(fēng)向轉(zhuǎn)向N偏W向，極值風(fēng)速中心出現(xiàn)在黃海西北部，并開始影響江蘇沿海，風(fēng)向變?yōu)镹向，平均風(fēng)速12 m/s左右，見圖7(b)。

14日0時(shí)至15日12時(shí)寒潮風(fēng)場(chǎng)全面影響江蘇沿海，并于15日12時(shí)在江蘇沿海東北深水區(qū)域(123.13°E，35.98°N)附近出現(xiàn)16.29 m/s最大風(fēng)速，沿海造成平均14 m/s左右的NW向大風(fēng)，并繼續(xù)傳向東海，見圖7(c)，并在15日18時(shí)全面影響臺(tái)灣周邊海域，見圖7(d)。根據(jù)此次寒潮風(fēng)場(chǎng)對(duì)江蘇沿海影響，底摩擦系數(shù)選取Collins拖曳理論中Cf=0.001，其它參數(shù)與上述設(shè)置相同的情況下，對(duì)江蘇沿海的波浪場(chǎng)進(jìn)行模擬。

圖7 寒潮過(guò)程?hào)|中國(guó)海風(fēng)場(chǎng)分布Fig. 7 Wind distribution in the cold wave process on the East China Sea

4.2江蘇沿海風(fēng)浪場(chǎng)

根據(jù)模擬結(jié)果，寒潮大風(fēng)影響江蘇沿海前后有效波高分布如圖8所示，對(duì)比對(duì)應(yīng)風(fēng)場(chǎng)分布圖可以發(fā)現(xiàn)：1)有效波高分布與風(fēng)場(chǎng)分布基本一致。隨著寒潮風(fēng)場(chǎng)由北向南移動(dòng)，波高較大區(qū)域也隨之向南移動(dòng)，并且波高隨風(fēng)場(chǎng)分布呈現(xiàn)由近岸向深水區(qū)遞增的變化趨勢(shì)。2)在近岸海底地形對(duì)有效波高也有一定的影響。近岸和輻射沙洲附近有效波高分布基本在0.5 m以下，可能的原因是近岸和輻射沙洲水深較小，底摩擦耗散和波浪破碎導(dǎo)致波高迅速減小。3)寒潮風(fēng)浪的影響江蘇沿海北部較為明顯，輻射沙洲附近基本沒影響。江蘇沿海北部寒潮大風(fēng)引起的風(fēng)浪能傳播至近岸，風(fēng)速12 m/s左右是能造成2 m有效波高的風(fēng)浪，而江蘇沿海南部輻射沙洲地附近，由于底摩擦和破碎物理過(guò)程的影響，有效波高基本在1 m以下。4)此次寒潮影響江蘇沿海過(guò)程中，最大風(fēng)速出現(xiàn)在15日12時(shí)，為16.29 m/s，對(duì)應(yīng)有效波高為3.5 m，出現(xiàn)在離近岸較遠(yuǎn)的江蘇沿海東北部30～50 m水深附近，見圖8(b)。

圖8 寒潮過(guò)程江蘇沿海有效波高分布Fig. 8 Significant wave height distribution in the cold wave process in Jiangsu coast

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)建立西北太平洋嵌套至東中國(guó)海、江蘇沿海的SWAN三重嵌套模型，對(duì)寒潮影響下江蘇沿海的風(fēng)浪場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。西北太平洋和江蘇沿海驗(yàn)證結(jié)果顯示，SWAN三重嵌套模型能夠較好地模擬寒潮大風(fēng)影響下江蘇沿海風(fēng)浪場(chǎng)的時(shí)空分布。

通過(guò)江蘇沿海響水站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)模型底摩擦系數(shù)進(jìn)行了率定和驗(yàn)證，結(jié)果表明江蘇沿海底摩擦系數(shù)相對(duì)較小，選取Collins拖曳理論中Cf=0.001模擬值與實(shí)測(cè)值誤差相對(duì)較小，較為適用于江蘇沿海寒潮風(fēng)浪的模擬。

對(duì)寒潮過(guò)程風(fēng)浪場(chǎng)的特征分析結(jié)果顯示，有效波高分布與風(fēng)場(chǎng)分布基本一致，風(fēng)浪傳播至近岸和輻射沙洲時(shí)海底地形對(duì)波高也有一定影響，寒潮風(fēng)浪在江蘇沿海北部影響顯著，輻射沙洲附近影響相對(duì)較小。

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Research on the numerical simulation of wind wave field affected by a cold wave in Jiangsu coast

ZHOU Chunjian1, 2, XU Fumin1, 2

(1. Key Laboratory of Coastal Disasters and Defence, Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098,China; 2. College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098,China)

1005-9865(2017)02-0123-08

P731.2

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2017.02.017

2016-04-23

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃資助項(xiàng)目(2012BAB03B01)

周春建(1991-)，男，江蘇如皋人，碩士研究生，從事河口海岸水動(dòng)力研究。 E-mail:chunjian_zhou@hhu.edu.cn