MIKE 21 SW谱波浪模型介绍.pptx

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MIKE21SpectralWaveModelFMMIKE21谱波浪模型TheoreticalBackground理论背景OleSvenstrupPetersenHeadofInnovationsCoastal&EstuarineEngineeringE-mail:

CoastalProcessesWithfocusonwaves海岸过程重点关注波浪Outline:

大纲：

Wavegeneratoin波浪生长WavesTheBasics波浪基本要素WaveBehavior/Processes波浪现象/过程Insideawave波浪内部CoastalProcessesWaves海岸过程波浪Lifecycleofawave波浪的生命周期Windinteractswiththewatersurfaceandbeginstocreateadisturbancewavesaregenerated.风与水体表面相互作用而产生扰动波浪开始产生。

TheWavesgrowasthewindcontinuesitsforcing.波浪随着风的持续作用而生长TheWavespropagate（withorwithoutwind）.波浪传播（伴随风或无风）Theydissipatebreakonashore.波浪耗散在岸上破碎WaveGrowth波浪生长Windspeed风速Fetchorfetchlength风区或风区长度Duration持续时间Normallynotconstantvalues通常不是常量WaveGrowth3basiccomponents:

波浪成长3个基本要素:

Rangeofwaveheightsandperiodsanddirections:

波高，波周期和波向的范围：

Irregularwaveswithdirectionalspreading.不规则波伴随方向扩散.Longshorecurrent沿岸流Surfzone破碎带Set-upanduprush增水Coast海岸Breakwater防波堤Breakerline破波线Reflection反射Refraction折射Wavefront波前Bottomfriction底摩阻Shoaling浅水变形Deformation变形Diffraction绕射Refraction折射Wavelength波长Waveorthogonal波向正交线Windgeneration风生长Whitecaps白帽cAfterSvendenandJonsson:

HydrodynamicsofCoastalRegionsWaveTransformationOverview波浪变形概述DeepwaterOverview概述ComplexBathymetry=complexwaves复杂地形=复杂波浪!

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!

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Wavefocusingatshallowareas在浅水区域发生波浪的辐聚Burrowarea开挖区域NavigationChannels航道Dontunderestimatetheeffectonthewaves!

（andcurrent）不要低估对波浪的作用！

-（以及水流）Soifwechangethedepthswechangethewaves!

如果我们改变水深，则我们改变了波浪！

Concentration集聚Concentration集聚Deeper=Faster越深=越快Reduction耗散Refractionatthesides在两边发生折射MIKE21SpectralWavesFMMIKE21谱波浪模型Walk-throughoftheMIKE21SWeditor浏览MIKE21SW编辑器-withspecialemphasisondiscretizationingeographical/spectralspace,bestpracticeandmodellimitations.-重点强调在地理/谱空间上的离散、最优方法和模型的局限性。

Discretizationingeographicalspace地理空间的离散Whatisa“good”mesh?

什么是“好”的网格？

-resolvewhatsneeded;-）解决所需要的-compromisebetweenaccuracyandCPU/RAM在精确度和CPU/RAM之间做折中处理-avoid“odd”elementsandabrupttransitions避免“怪异”网格和突然转变-FSorDS?

FSCPU/RAMdemanding!

FS还是DS？

FS对CPU/RAM有要求！

Recommendations/Experience建议/经验-spendtimeonthemesh!

网格上的时间花费-smoothtransitions!

平滑处理！

-5-20minsurfareas在破碎区域网格尺寸为5-20m-startsimpleaddcomplexity!

开始简单-增加复杂性MIKE21SpectralWavesFMMIKE21谱波浪模型Meshsamples网格示例Meshsampleswithsmoothtransitions网格示例和光滑处理Meshsamples网格示例Meshsamples网格示例BasicEquationDialog基本方程对话框SpectralFormulation全谱公式Whichmodelformulationtouse?

该使用何种模拟公式？

Thefullyspectralformulation（FS）caninprinciplebeusedinwavestudiesinvolvingwavegrowth,decayandtransformationofwind-generatedwavesandswellinoffshoreandcoastalareas.完全型谱公式（FS）一般用于模拟波浪生长、衰减、风生浪以及近海和海岸区的涌浪。

However,thecomputationallylessdemandingdirectionallydecoupledparametricformulation（DS）issufficientinanumberofsituations.然而，在一些情况下用计算时间要求较低的参数化解耦公式（DS）就已足够:

Examplesofsuchcasesare:

这类情况如下：

smallscalewavetransformationapplications（spatialscaleislessthan10-50km）小区域的波浪传播（空间范围小于10-15km）applicationswherefullydevelopedseasaredominating完全成长的波浪为主要组成部分applicationscombinedsea/swellisnotimportant混和浪或涌浪为次要考虑因素Note,thatforcingduetothewindcannotbeincludedusingthein-stationarydirectionallydecoupledparametricformulation.注意，在DS公式中非定常解法不能考虑风的作用。

TimeFormulation时间公式Whichtimeformulationtouse?

该使用何种时间公式？

Thequasistationaryformulationissufficientinanumberofsituationsandisingenerallesscomputationallydemandingthantheinstationaryformulation.在很多情况下用准定常公式已经足够，且比非定常公式需要的时间少.Examplesare:

合适的例子有：

whentheforcing（eg.wind/currents/boundaryconditions）isslowingvaryinginspaceandtime（smalldomains）当各种力（如风/水流/边界条件）随空间和时间缓慢变化时（小区域）fetchlimitedwind-wavegrowth有限风区的风生波whenindividualwaveeventscanbeconsideredasindependent（wavestatistictransformation）波浪事件可被认为是独立的（波浪统计变形）QuasiStationaryFormulation准定常公式Quasistationaryformulation准定常公式Wavefieldresolvedatdiscretestationaryintervals波浪场离散为一系列定常状态进行计算QuasiStationaryFormulation准定常公式“Problems”withthestationaryassumption关于定常的假定Assumesphysicalinstantaneoustraveltimesacrossmodelgrid;假定物理过程瞬时穿过模型的网格；2）Assumeswavesrespondinstantaneouslytochangesinthewind.假定波浪随风瞬时改变.UsuallyOKincoastalstudies;通常应用于海岸地区研究Foropenocean:

Useinstationarysolver对于开敞海域:

用非定常的解法.Important:

Checkconvergence!

注意:

校核收敛区域!

FS/DSInstationary非定常Quasi-stationary准定常Fullyspectralformulation（FS）全谱公式（FS）Instationary非定常Quasi-stationary准定常Directionallydecoupledparametricformulation（DS）方向参数化解耦公式（DS）Spectraldiscretization谱的离散Discretizationinspectralspace谱空间的离散-Whatisagooddiscretization?

什么是好的离散？

-resolvewhatsneeded;-）解决所需要的Recommendations/experiences建议/经验-22.5deg.worksfineinregional/globalapp.在区域/全球范围应用中可采用22.5度-useahigh-resolutioninD-spaceforcoastalapplications（FSandDS）O（5deg.）在海岸应用中，方向空间采用高分辨率（FS和DS）-O（5）-makesureallfrequenciesareresolved（FS）确保所有的频率都得到求解（FS）-alsoforweakwinds/shortfetches!

（lake）同样适用于弱风/短风区!

（湖）Checklog-file检查log文件Spectraldiscretization谱的离散SeparationofWind-seaandSwell风浪和涌浪分离Thesourcetermduetowhitecappingisasstandardappliedovertheentirespectrumandtheintegralwaveparametersusedintheformulationiscalculatedbasedonthewholeenergyspectrum.白帽相关的源项公式适用于整个波谱，用于计算的波浪参数积分应用于整个能量谱。

Forwaveconditionswithacombinationofwind-seaandswellthismayresultintoostrongdecayofenergyontheswellcomponents.在风浪和涌浪结合的情况下，波浪在涌浪部分的能量往往有着有很大的衰减Introducingaseparationofwind-seaandswell,thepredictionsforthesecasescanbeimprovedbyexcludingthedissipationontheswellpartofthespectrumandbycalculatingthewaveparameters,usedintheformulationofwhitecapping,fromthewind-seapartofthespectrum.可以通过采用风浪涌浪分离的方式，忽略谱中涌浪部分能量的耗散而仅对风浪部分的波浪参数（白帽公式中用到的）进行计算，以此提高模拟结果的准确性。

Windforcing风场Windforcing风场Typeofair-seainteractiontwoformulations（FS）空气和海水的作用类型两种方法（FS）AcoupledformulationmeansthemomentumtransferfromthewindtothewavesordragdependsnotonlyonthewindbutalsoonthewavesaccordingtotheformulationinKomenetal.（1994）.“耦合”方式指从风转移到波浪的动量大小不仅取决于风也取决于波浪条件（Komen等，1994）Thus,thecoupledformulationisasea-statedependentroughnesssimilartothecommunityWAMCycle4wavemodel,WAMDIGGroup（1988）.“耦合”方式的海水摩阻类似于WAMCycle4波浪模型（WAMDIG，1998）。

ThedefaultvalueofthebackgroundroughnessCharnockparameteris0.01.Itisrecommendednottothechangethisparameter.默认的Charnock参数为0.01，建议不要改变这个参数。

Windforcing风场Typeofair-seainteractiontwoformulations（FS）空气和海水的作用类型两种方法（FS）Anuncoupledformulationmeansthemomentumtransferfromthewindtothewavessolelydependsonthewindspeed,andconsistsofaseastateindependentroughnessdescription.“不耦合”方式是指从风转移到波浪的动量大小只取决于风速，并包含独立的海水摩阻的描述。

YoucanspecifyeitheraCharnockconstant（version1）orwinddragcoefficient（version2）.用户可指定Charnock常数（方式一）或风阻力系数（方式二）。

ForopenoceansaCharnockparameterof0.01istypicallyusedwhileavalueof0.0185hasbeensuggestedforcoastalareas.对于开敞海域Chsrnock参数一般取为0.01，海岸地区建议设为0.0185。

ThedefaultdraglawistakenfromSmithandBanke（1975）.默认阻力定律基用Smith和Banke（1975）。

Windforcing风场Typeofair-seainteractiontwoformulations（FS）空气和海水的作用类型两种方法（FS）Recommendations建议Forlargescaleapplications（say,spatialscale100km）itisrecommendedtousethecoupledformulationwithdefaultvalues.对于大尺度应用（空间范围大于100km），推荐采用耦合方式并使用默认值。

Forsmallscale（high-resolution）applications（say,spatialscale10-100km）theuseofthecoupledformulationmayresultinanoverestimationoftheseasurfaceroughness（forstrongwinds）andthusanoverestimationofthesignificantwaveheight对于小范围应用（空间范围小于10100km）采用耦合方式会导致海水表面摩阻过高，则导致有效波高过高。

Improvedmodelresultshavebeenobtainedusinganuncoupledformulationoftheair-seainteraction,eg.thedraglawproposedbySmithandBanke（1975）.采用不耦合的方式，例如阻力准则使用Smith和Banke（1975），可以修正模型结果。

Thisisdefault（drag）inMIKE21SWisthecoupledformulation.MIKE21SW默认采用耦合方式。

Goingglobalonaworkstation.全球预报模型0.5spatialresolutionrequiresapp.2.7GBRAM0.5的空间分辨率要求2.7GB的内存0.25spatialresolutionrequiresapp.6GBRAM0.25的空间分辨率要求6GB的内存SampleJanuarystorm2005intheNorthAtlanticVeryaccurateforecastdata2005年1月北大西洋的风暴非常精确的预报数据Goingglobalonaworkstation.全球预报模型Atlanticmodel大西洋模型Numberofelements:

8334网格数：

8334Maximumedgelength:

1.0degree0.5degree最大边长：

1.0度Minimumedgelength:

最小边长：

0.5度NorthSea-BalticSeamodel北海-波罗地海模型898540km1.5kmNumberofelements:

网格数：

8985Maximumedgelength:

最大边长：

40kmMinimumedgelength:

最小边长：

1.5kmLargescaleapplications大范围模拟应用InconnectionwiththeconstructionoftheresundLinkwavemeasurementsatanumberoflocationsexist.在resundLink工程范围内，一些地点有波浪实测值。

Windandwavemodelarearesundcaseresund工程实例OskarsgrundetFlintenDrogdenWindresundcaseresund工程实例Measuredwind实测风速resundresundcaseresund工程实例-andwith0D（spatialconstantwind）windfield海水相关联的表面摩阻方法-采用0D（空间定常风）风场denLighthouseFlintenDirectionalWRresundresundcaseresund工程实例Modelresults-waves模型结果-波浪Seastatedependentsurfaceroughnessdescription模型结果不耦合Seastateindependentsurfaceroughnessdescription-andwith0Dand2Dwindfield海水独立的表面摩阻方法-采用0D和2D风场enLighthouseresundresundcaseresund工程实例Modelresults-uncoupled