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1、风浪模型YW-SWP在太湖的应用研究The study of wave model of YW-swp in the lake of Taihu摘 要：本文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：太湖；波浪；YW-swp模型Abs
2、tract：On the basis of measured data about wave in Lake Taihuthe calibrated wave model which was described by the thirdgeneration spectral action balance equation was obtained The several key wavesfactors were considered in YW-swp model such as bottom topography, wave refraction，depthinduced dissipat
3、ion，wave break，lake current，etc The wave in Lake Taihu was simulated and the main influence factors of wave were analyzed by this mode1The results showed that the YW-swp model can well describe the process of waves growth and propagation in Lake TaihuThe distribution of wave heights，wave lengths，wav
4、e periods，etc，were closely related to wind speed，wind direction，water depth，etcit also depended on the winds sustained action and fetchKey words：Taihu;wave; YW-swp numerical model0 引言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
5、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1，逢勇等利用此资料进行傅立叶快速变换开展了波谱分析2。罗潋葱3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4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
6、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：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；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；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；模式中采取最新风浪谱进行非线性波波相互作用的处理；考虑了风浪和涌浪的相互转化问题；区分了浅水深度破碎和“白帽破碎”两个不同的机制；计算可采用粗细嵌套网格；开边界提出了一个能量驱动方法以及涌浪传入。1 波浪数学模型1.1 波浪基本方程在YWswp模式5中，解相对频率谱作用平衡方程： （1） （2） （3）传播速
7、度 ； 风输入源函数 破碎耗散源函数 ， =3.02*10-3 底摩擦耗散源函数 ） ， 深度限制破碎耗散采用总能量限制： 非线性相互作用采用Hasselmann（1985）6离散相互作用计算方法，对浅水采用如下公式 1.2 初始和边界条件初始条件：取t=0, 其中，边界条件：陆域边界。2 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140140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
8、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(3125.8967N, 12012.7083E)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. 然而随着模拟时间的增长, 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
9、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。图1梅梁湾中部(3125.8967N, 12012.7083E)有效波高实测值与计算值比较图Fig1 Comparison of measured and calculated value about significant wave height in the center of Meiliang Bay3 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。
10、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见图2.图2 14.4ms东南风持续作用下有效波高分布Fig 2 The distribution of significant wave height by the sustained action with southeast wind of 14.4ms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
11、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。4 结论本文给出了一个适合太湖地形的风浪数学模型YW-s
12、wp，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间如果较短，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间和风区长度有关。参考文献（References）:1 乔树梁，杜金曼，陈国平等。湖泊风浪特性及风浪要素的计算水利水运科学研究，1996，9(3)：189-1982 逢勇，濮培民 太湖北岸风浪谱的特征分析海洋与湖沼，1996，5(5)：53 1-5373 罗潋葱太湖水动力学及其
13、环境效应研究博士论文南京：中国科学院南京地理与湖泊研究所，20044 胡维平，胡春华，张发兵等太湖北部风浪波高计算模式观测分析湖泊科学，2005，17(1)：4 1-465 尹宝树. 渤海波浪和风暴潮潮汐运动相互作用的理论和数值研究D.青岛， 中国科学院海洋研究所，1996.6 Hasselman,K.,and Hasselman,S.,1985a.Computation and parameterizations of the nonlinear energy transfer in a gravity wave spectrum.Part1,a new methods forefficient computation of the exact nonlinear transfer integral.J.Phys,Oceanogr.15,1369-1377.
