海岸带三重双向嵌套三维环流数值模型及其应用.docVIP

海岸带三重双向嵌套三维环流 数值模型及其应用 汤立群 申锦瑜 1中国水利水电科学研究院，北京，100044 Dalhouse University, Halifax, NS, Canada, B3H 4J1 摘要：本文建立了三重双向嵌套海洋环流三维数值模型系统（CANDIE），并用来计算海岸带浅水地区的水动力环流、扩散和物理连接。模型具有原始方程、4阶精度、隐含自由表面、z坐标、完全非线性和计算效率高的特性。 嵌套系统由粗网格（19km）的大模型、中等网格（6km）的中模型和细网格（2km）的小模型嵌套而成，上一级模型为下一级模型提供动力和边界条件，且下一级模型将自己的动力要素反馈给上一级模型，各模型间相互作用相互交换资料，解决了海岸带数值模型开边界条件的合理确定和嵌套模型中下游水流对上游的影响问题。模型用大尺度表面流场、Yucatan 海峡断面流速、温度分布和实测海温过程资料进行了验证。模型结果被用来计算为水流携带的颗粒轨迹线、颗粒保留与耗散。研究表明，表层耗散在Lighthouse 和Glovers Reef Atolls 以东相对较强，在Inner Channel 和South Water Cay 附近相对较低。本文还计算了加勒比西海岸带Turneffe Island 和Glovers Reef Atolls 两处珊瑚礁的上、下游表层颗粒保留率以检测珊瑚礁地区的水动力连接状况，为海岸工程与渔业生态规划设计提供科学数据和决策依据。 关键词：海岸带 嵌套 海洋环流 数值模型 1 前言 河口海岸带是人口集中、活动最为频繁的地区，也是经济最为发达的地区。由于该地区常受到波浪、潮流的作用，特别是风暴潮浪的袭击，使得河口海岸地区的工程措施遭受巨大破坏。沿岸防护林、海岸带浅海地区珊瑚礁系统受到严重影响，沿海地区生态环境系统遭受毁灭性的破坏。这种自然灾害还导致海港和航道淤浅，海上运输中断以及沿海工业、农业、渔业、旅游业等都受到巨大损失。海岸动力学的主要动力因素是波浪、潮汐和潮流，特别是风暴潮对海岸泥沙运动所起的作用极其复杂多变，给海岸防护、海涂围垦、港口及航道的防淤减淤措施研究带来巨大困难。长期以来，这类工程技术的研究一直处于定性阶段。近50年以来，由于科技进步和经济发展，对于海岸演变、海岸防护、保滩促淤、海港及航道泥沙淤积问题的研究，无论是国际和国内都取得了不小进步，并正在由定性阶段，逐步进入定量或基本定量的理性研究阶段。 河口及海岸带地区是上游径流、潮汐流、波浪、陆架流交汇和相互作用的地方，水动力因素十分复杂，使得该地区的水流泥沙运动变得复杂多变，对工程和河口海岸的侵蚀（或淤积）演变产生极大的不确定性，很多已开发的二维或三维数值模型在水流泥沙的模拟计算中表现出其不足，如模型开边界条件的确定、动力要素的考虑、陆架流甚至外海环流对河口海岸的作用等。本文试图建立三重嵌套海洋环流三维数值模型系统（CANDIE），该模型系统可用来诊断计算区域的水动力环流、扩散和物理连接。为了克服模型开边界条件难以合理提供的弱点，应用了三重双向嵌套技术，为了克服模型的计算误差和模型间合理交换信息资料，应用了Semi-prognosti方法，为了增加实际存在的小尺度涡漩过程，应用了Smoothed Semi-prognostic法，模型以数学的方法较好地描述了河口海岸带复杂的物理过程。 海洋环流数值模型 2.1控制方程 在刚盖、Boussinesq和静水压力假定的基础上，建立了不可压缩流体三维原始方程模型(CANDIE)。CANDIE模型具有原始方程、4阶精度、隐含自由表面、z坐标、完全非线性和计算效率高的特性。极坐标形式下的基本方程如下： （1） （2） （3） （4） （5） （6） （7） 式中，u、v 、w分别是东（λ）、北（φ）和垂直（z）方向的速度分量；p是压力；是密度；T和S分别是温度和盐度；K和K分别是垂向涡动粘滞系数和扩散系数；f是柯氏力参数；是参考密度；R和g分别是地球半径和重力加速度；L是平流操作因子，定义如下: (8) D和 D分别是扩散操作因子，定义如下：