近海港口风暴潮和海浪耦合模式中海面粗糙度方案的确定

本项目拟主要研究以下内容：（1）在已有研究的基础上，综合利用大量国内外海气相互作用试验资料以及海-气边界层通量观测资料，研究不同海洋环境下，风区、风时及水深对海面粗糙度的影响，以及不同海况条件下各种海面粗糙度方案的适用情况，以供不同数值模式根据实际需要确定最佳的粗糙度参数化方案。（2）将几种海面空气动力学粗糙度参数化方案应用到南海风浪耦合模式中，测试各种方案的适用性，确定最佳方案，改进、完善风浪耦合模式（3）将几种海面空气动力学粗糙度参数化方案应用到近海风暴潮和海浪耦合嵌套模式中，确立适用中国近海的海面粗糙度参数化方案。改进、提高风暴过程中近岸增水及其影响下风浪的计算精度。

鉴于海面空气动力学粗糙度在风浪发展及海气相互作用研究中的重要性，本文由量纲分析导出无因次粗糙度长度与波龄有关，在涌浪的影响下，粗糙度还与海面背景粗糙度以及风向和浪向有关。由于波龄与波陡有很好的相关性，目前国际上常用波龄与波陡两种海面粗糙度方案模型来表征海面粗糙度与风浪的状态，如O02、DGHQ03、GW06、PS07及TY01方案。为确定这两种模型海面粗糙度参数化方案的适用性，综合利用国际上6个不同条件试验资料，根据海况分为两组，一组是纯风海或以风海为主，另一组是以涌浪为主。测试其适用性，进一步明确海面粗糙度与海浪特征的关系。结果得出：在各种海况条件下，波龄模型粗糙度方案比波陡模型具有更好的普适性。在纯风海或以风海为主海况条件下，PS07、DGHQ03方案计算的粗糙度长度与实测资料计算结果最接近，GW06方案次之，O02方案计算结果明显偏高；涌浪为主海况条件下两种模型方案计算的粗糙度长度均偏低，O02方案计算误差相对较小。将6种海面粗糙度方案应用于南海风浪耦合模式及南海风暴潮流、浪耦合模式中，选取影响南海的3次历史台风个例，计算南海的波浪场，并与实测浪高相比较，验证各方案的适用性。结果得出：PS07方案既考虑了波动的运动状态，又考虑到有效波高对风的减弱作用，因此计算的有效波高场与实况较接近。DGHQ03和GW06方案计算结果较相近，仅次于PS07方案。TY01方案受其自相关性影响，计算的有效波高场明显偏高。近海港口以湛江港和汕头港为代表，分别建立湛江港和汕头港风暴潮、海浪耦合嵌套模式，将几种海面粗糙度方案分别应用于风暴潮、海浪耦合嵌套模式中，选取影响湛江港和汕头港较明显的历史台风个例进行模拟验证，计算湛江港和汕头港的台风浪与风暴增水，并与实测资料比较，验证各种方案的适用性。结果得出：DGHQ03和GW06方案计算值较接近，PS07方案计算的台风浪略高于二者，而YT96、TY01、O02方案计算的台风浪偏高。在风暴增水模拟结果检验中，DGHQ03、GW06和PS07方案模拟计算的风暴潮增水和总潮位接近或略低于实测值，而YT96、TY01、O02方案计算结果高于实测值，由风暴增水峰值相对误差及过程误差来看，DGHQ03和PS07方案计算误差较小，应用效果较好，而对于关心风暴增水极值时，可应用YT96、O02方案计算。