一个基于FVCOM的非结构化网格波.docx

1、一个基于FVCOM的非结构化网格波一个基于FVCOM的非结构化网格波、海流、泥沙Wu等人。 / J.海洋大学。中国（海洋和近海研究） 2011 10（1 ）：1-8吴伦宇1）2），陈长胜3）4），郭佩芳1），史茂充1），齐建华3)，GE建中4)1）物理海洋实验室，中国海洋大学，青岛266100 ，中国公关2）第一海洋研究所，国家海洋局，青岛266061，中国公关3）学校海洋科学与技术，美国马萨诸塞州达特茅斯大学，新贝德福德，马萨诸塞州，美国4）国家重点实验室，河口海岸研究所，华东师范大学，上海200062 ，中国公关（收稿， 2010年7月15日修订， 2010年9月25日;接受， 2010年

2、10月29日）中国海洋大学，科学出版社和施普林格出版社2010年柏林海德堡摘要努力夫妇FVCOM （立体（3D） ，非结构化网格有限体积沿海海洋模型）FVCOM - SWAVE （非结构化网格，有限体积面波模型）如近岸海洋过程的研究潮汐，流通，风暴潮，海浪，输沙和形态演变。 FVCOM和之间的耦合FVCOM - SWAVE实现，通过整合三维辐射应力波电流沙相关的底部边界层，海表面应力参数化和形态的过程。 FVCOM还包括一个3D输沙模块。有了准确的拟合不规则的海岸线，提供了一个独特的工具，在沿海的海洋，河口和湿地研究泥沙动力学模型地方几何结构特点，水湾，岛屿和潮间沼泽区。验证该模型是由两个标准

3、基准测试： 1）光谱波接近一个轻度倾斜的海滩和2 ）的海底形态的变化，在一个理想化的潮汐进气口。在测试1 ，模型的结果进行了比较与分析解决方案和实验室实验。进一步比较还与结构网格区域海洋模型系统（ ROM）之，它提供了一个了解的表现两个模型具有相同的开边界强迫。关键词FVCOM ;耦合辐射应力波电流沉积物有关的底部边界层;形态一，引言近岸海洋工艺的特点是强非线性潮汐的相互作用，风，高频繁的面波，河流流量。例如，沉淀，沉积物再悬浮和形态的变化在浅水海底直接控制电流，并通过辐射应力波的相互作用和底部边界层动力学（龙格 - 希金斯斯图尔特， 1960年，龙格 - 希金斯1970a ， B;格兰特Me

4、dsen ， 1979年） 。因为是高度非线性的相互作用和显著变化在空间和时间，这是当务之急我们开发一个完全耦合的hydrodynamicswave泥沙模型，以了解这个复杂的系统。作出了许多努力发展耦合电流波浪模型（ Xie等，2001 ;月球， 2005年;索伦森等，2006 ;华纳等， 2008 ;梁等人， 2007年;刘，谢， 2009年Tang等， 2009 ）。其中最模型是立体化，结构化网格模型而非结构化网格模型通常有两种维sional 。电流波相互作用的最有活力的的地区出现在局部几何沿海海洋特点是复杂的海岸线，岛屿，水湾，河口，潮汐沼泽。由于恶劣的解决沿海几何的现实，结构性网格模型

5、限制模拟的几何控制，近岸动态过程。解决的重要性在以前的文件（陈沿海几何研究等， 2007） ，和一个国家的最先进的非结构化网格，有限开发量，沿海海洋模式（ FVCOM ）克服与缺点结构网格沿海海洋模型（Chen等， 2003年，2006A ，B） 。在FVCOM使用的有限体积算法结合有限的几何拟合的灵活性元模型和计算效率有限差异模型（Chen等，2003 ;黄等。2008年）。 FVCOM是适用于沿海和河口应用。本文介绍了用于几个算法基于频谱面波模型与FVCOM 。 “面波模型， FVCOM SWAVE ，是非结构化网格版天鹅（模拟波近岸）开发齐等。 （2009年） 。模型结果对一些标准的基准

6、测试验证，并与分析解决方案，实验室的实验相比，区域海洋模型系统（ ROMS ）（ Haidvogel等人，2008年华纳等， 2008 ） 。以下各节安排如下： “FVCOM和FVCOM - SWAVE方程在第2节中描述。有限体积离散之间FVCOM双向耦合和算法FVCOM SWAVE是在第3节。验证实验是在第4和第5结论。2个型号2.1流体动力学模型 - FVCOMFVCOM是预后，非结构化网格，有限体积沿海海洋和河口模型。它最初是Chen等人开发的。 （2003年）和联合升级在美国马萨诸塞州达特茅斯大学的科学家的努力（ UMASSD ）和伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）的（陈等人， 2006A

7、 ，B ， Chen等人，2007年，黄等， 2008） 。 FVCOM是离散的三角网格的水平和广义terrainfollowing在垂直坐标。该模型利用修改后的梅勒和山田（ 1982年） 2.5级（ MY - 2.5 ）和Smagorinsky湍流封闭计划纵向和横向混合的默认设置，分别与各种湍流参数化的选项采用广义的海洋湍流模型（ GOTM ） （ Burchard ，2002年） 。 FVCOM包括静水和非静水的动态（丽等， 2010A ，B），并可以解决由分割模式计划或半隐式的计划。当前版本在这项研究中使用的FVCOM包括润湿/干燥治疗，三维泥沙模块，冰模块，等在广义地形跟随坐标系统，管

8、动量方程，连续性，温度，盐度，密度和三维列入辐射压力（梅勒2003年， 2005年， 2008年）通知如下：其中X，Y和是华东，华北和垂直轴广义的地形跟随坐标， t为时间，U ，V和的X， Y和的速度分量; x和y的x和y分量的压力; 海面高程; h的平均水深，D = H + 的总水深; 的潜在温度; S为盐度;密度; patm的空气压力，F科氏参数;H太阳辐照度和Kh热垂直涡流扩散系数; F和Fs代表热和盐的扩散条款。随心， SXY ， SXY ， SYY辐射应力的X和Y分量为其中E是波的能量计算HS ，K， KX， KY的显著波高，波数， x方向的波数，波数在y方向，分别。原始表面和底部应

9、力计算拖动式（二次速度成正比）但他们在耦合模式波沉积物和更详细的将提交第3.1。2.2Wave型号波模型FVCOM SWAVE ，齐等开发等。 （ 2009年），是一个非结构化网格，有限体积版本天鹅。波作用密度方程（N）在FVCOM SWAVE（ ， ）是相对的频率和波方向在谱空间（X ，Y ）是在地理直角坐标系空间。 STOT是代表源/汇项风浪，海浪打破，底部的影响耗散，非线性波 - 波相互作用（ Booij等，2004 ;齐等，2009 ）。琪等人的研究（2009）提供了详细的说明在FVCOM SWAVE离散算法。波四，行动Eq.7密度数值求解不可或缺的步骤：行动密度谱的变化谱空间，频率和

10、方向，分别波的传播，在地理空间和增长，转让和波的衰减。波的传播地理空间解决了一个明确的或半隐式有限体积迎风平流计划。2.3输沙模型在FVCOM输沙模型（称为FVCOM - SED）是基于社区沉积物运输模型（ CSTM ） （陈等人，2006年b ） 。沉淀运输的计算方法是解决平流扩散方程与床垂直沉降和交流源汇项。源的一般形式汇项可以写成哪里去了，M是垂直沉降速度（积极向上） ，厘米的悬浮泥沙量，ES ，M为侵蚀源，米的泥沙类的数量。该模型解决了每一届的对流扩散顺序如下：垂直解决方程，源和接收器，水平平流，垂直平流，垂直扩散，并最终水平扩散（陈等， 2006年b） 。与底部边界层模式波 - 流相

11、互作用和形态反馈添加到FVCOM桑达夫妇FVCOM桑达，FVCOM SWAVE ， FVCOM 。侵蚀的算法，沉积，泥沙运输与不波详细介绍了时代华纳等。 （2008年） 。3耦合模型3.1环流模式3.1.1辐射应力三维辐射应力实施动量方程（式1和2）和关联近岸波浪诱导的流通和波设置。3.1.2底边界层波引起的高频（与一段时期关于10秒）振荡剪切薄（几厘米）波边界层不仅产生湍流混合，而且还大的剪切应力。湍流增强动量转移之间的动态相互作用水柱和底部边界的过程中层，从而加剧对平均施加的摩擦阻力流。剪切应力诱导沉积物再悬浮提高泥沙运输。变化的海底由于输沙可以形成涟漪和其他bedforms 。反过来，底

12、部的粗糙度可以修改垂直剪切的平均流量。推移质运输也能诱导拖动上的流量，因为势头转移到他们从床上和加速粒子流。悬浮沉积物能产生沉积物引起的分层。当沉积物是在一个高浓度，这个过程可以改变有效流体的粘度（华纳等， 2008） 。底部边界层与包容（BBL ）的代码波电流沉积物相互作用的开发并实施了由华纳等ROMS 。（2008年） 。 FVCOM被转换成相同的方案。3.1.3表面应力的计算海面粗糙度的计算公式如下（唐兰，1993年） ：其中Z0是海面粗糙度，CP相速度峰值频率和U10的10米的风速。波龄由U10/Cp 。风阻系数其中 （ = 0.41 ）是冯卡门常数。表面应力可通过其中a为空气密度。

13、U10是明显的计算风，即相对于当前的风速。3.2波模型FVCOM SWAVE解决波行动密度方程。耦合系统，风力发电，目前，海面高度和深度变化的波模型。目前水深平均和加权波参数（梅勒，2008年） 。在地形跟踪坐标，它表示3.3形态就变得很重要，在沿海形态动态海底稳定和沉积物移动MENT显著的地区。形态变化可以有显著影响流动和运输。在耦合模型系统，改变占等同垂直速度的底部边界条件海底抬高利率的变化。这方法保证质量守恒。一个形态比例因子是通过加快长期的模拟。一个值没有任何效果，和值更大不止一个加速床反应（ Roelvink 2006年） 。3.4耦合过程同时第一步是用于每个模型。要获得非线性相互作

14、用，更准确的计算耦合模型是为每一个时间步。 “耦合系统如图1所示。FVCOM图之间的耦合环流模式（海洋） ， FVCOM波模型（波） ，并FVCOM泥沙模型（SED）的通过亿桶，底部边界层模式。初始化后，波模型开始计算显著波高（HS） ，波方向（DIR） ，平均波长度（L） ，面波的相对高峰期（TP），波底部轨道速度（UB ）和底部波周期（TB） 。辐射应力或表面应力传递的流通模式，启动后浪模型。当前和面高程从结果环流模式波模型的反馈波计算下一个时间步。沉积物运输模式启动后，海洋模式。 “由于泥沙运动的形态变化是用于更新波和海洋深处模型。后三个模型完成的计算，波参数，流场和床的参数发送到BBL

15、模式，然后提供了底部压力的综合影响下的海浪，海流，和输沙。这些压力将用于在海洋模式来解决动量方程，并在计算悬移质输沙模型和泥沙运输。因此，动态耦合周期波，电流和输沙完成。4验证实验两项基准进行实验，以验证耦合系统。这两种情况分别进行了矩形计算域。首先是一个平面海滩的情况下，旨在评估辐射的准确性应力计算，以及波浪诱导的设置和电流，二是潮汐入口的情况下，旨在研究目前对沉积物波相互作用的影响分布各地的进出境。对于第一种情况，解析解和测量结果从实验室实验数据来验证耦合模式。对于第二种情况，比较与ROMS检查非结构化网格耦合模式可以提供准确的结果一样在相同的配置结构网格耦合模式简单的几何领域。比较这里集

16、中在当前波沉积物相互作用。Huang等人。 （2008年）发现， FVCOM的更快分析解决方案相比，收敛速度在这项研究中相同的情况下的ROMS 。如果FVCOM在矩形域的ROMS相同的精度，FVCOM几何灵活性将提供更现实沿海和河口地区的合适的工具海岸线的特点是不规则的几何。4.1平面海滩案霞等。 （2004年） ，我们考虑的情况下通常接近一个平面上海滩与入射波坡度为1:10 。存在解析解描述垂直波设置和化验结果在当前的配置类似的情况。龙格 - 希金斯和斯图尔特（ 1964年）给一个分析设置在一个倾斜的海滩波解决方案笔直的海岸线，岸边正常的波来近岸。假设如下：D（ ECG） / DX = 0以

17、外的冲浪区，其中CG是本集团速度;冲浪区内波高H = RD ，R = 0.83 。根据这些假设，出现波setdown外内出现的冲浪区和设置冲浪区与职能分别在DB和B水深和波浪式的突破点值。 Bijker等人。（1974年）测量在海滩上的垂直当前配置文件各波条件下不同坡度。这里他们的“波5选择相应的参数列于表1 。表1模型飞机上海滩测试用例参数模型的参数值长度（跨岸） 9米宽度（沿岸） 0.433米海洋深度0.45米海滩splope 1 / 10西格玛层数量8网格尺寸为0.125米时间步长0.0005小号直到稳定的持续时间海洋波高0.181米波周期1.5秒底应力制定二次底摩擦系数0.0015米图

18、2是水面高程之间的比较由方程模型结果和解析解。（14）和（15） 。模型结果同意与分析解决方案。从图中我们还可以看到外面突破点波引起的水位实现这一点从离岸减少，内海浪造成水位上升，冲浪区从突破点线性的海岸线。霞等。图波浪诱导的设置或setdown 。（2004）推测，稍有区别由于他们的模型结果和分析解决方案底部压力式遗漏。 13。我们试图删除在耦合模型底部的压力，但发现它设置上的计算影响不大。进一步的研究由此可见，水平或垂直混合系数，常波混频的影响，起着重要的作用在建模波诱导设置。计算电流的垂直剖面显示在图3。在垂直方向形成两个循环环流一节。冲浪区外流通是顺时针内逆时针的冲浪区。这种循环模式和

19、电流的大小顺序同意Bijker的实验室实验。图3波冲浪区内外的感应电流。4.2潮汐入口案例考虑一个半封闭的矩形盆地宽度为15公里和14公里的长度。初始水深度指定为4米，南端和线性增加至15米的北端开放位于边界。 2公里中心开幕墙放在整个盆地的中间（图4） 。该模型强迫振荡水位1米的幅度在开放边界。 1米高度和10 - S波期间还实行开放边界和传播近岸。用于驱动耦合参数模型列于表2 。图4模型网格和初始水深表2模型参数参数值长度，宽度，深度15公里， 14公里，4米节点，元素，西格玛层5467 ， 10508 ， 8模拟时间2 D初始条件下冷启动开边界条件HS = 1米， TP = 10秒潮汐振

20、幅= 1米，周期= 12小时中等颗粒直径0.1毫米泥沙密度2650公斤M - 3沉降速度11毫米S - 1侵蚀率0.005公斤平方米S - 1临界压力为0.1帕孔隙度0.5形状因子10床厚度10米0.0015米，底部粗糙度4.2.1形态模型模拟进行了为期2天的的时间内形态学比例因子为10 。图5显示ROMS预测床厚度和本耦合模式。这两个模型的预测相同的模式在床上的变化，但空间分布的详细厚度不同。为了研究这些差异可能会导致什么，我们已经运行ROM和FVCOM 。 “结果表明，差异是由于1 ）不同开放边界的治疗和2 ）在修改ROM和天鹅。我们发现，在只读存储器，当在开边界潮汐强迫被删除，天鹅显示了

21、一个自由摩擦模式，是从不同的原来的天鹅。在拖动强制修改ROMS波组件似乎不恰当的时的水动力过程被关闭。经过为期两天的模拟图5床厚度。4.2.2波结果在同等条件下，所预测的一波接一波FVCOM耦合系统是由相同的原来的天鹅。浪高演进到一个稳定的状态，向南递减走向入口（图6） 。图6有效波高的领域。当耦合的水动力学模型，目前波相互作用波的性质并没有更改稳定状态的存在了。为了说明这一点，我们小区波高点流速的时间序列，入口的中心。图7显示的情况下，波高时间序列与无电流波相互作用。在案件无电流波相互作用，波高一个恒定值接近0.8米。当电流都包括在内，电流和波图7波高和A点的Y分量速度的非线性相互作用实线指

22、定与计算的波高耦合模式，划线虚线y分量速度，和虚线波高与波计算模型只。原因与周期性变化的波高同期的潮流。图7还定性证实，在一个方向相反的波浪能量增加当前和在同一方向的跌幅目前，由于群速度的变化。这个结果是托尔曼（1990年）以前的研究结果是一致的。4.2.3目前的结果耦合模型的三个因素可以影响电流：辐射压力，底部压力和水深改变。图8是当前计算领域的快照FVCOM与无电流波沙耦合。大浪淘沙，两个涡耦合计算模型略小，进一步远离非耦合FVCOM的进气口比较。耦合模型计算水位领域顺利得多，比在低潮非耦合模式潮流。图8电流和水位领域计算耦合系统和非耦合的FVCOM 。5结论在这项研究中，努力作出的情侣F

23、VCOMSWAVEFVCOM FVCOM - SED ，形成三二维完全耦合波电流泥沙模型制度。使用相同的非结构化网格，流体力学波，输沙模型，耦合算法不需要任何插值从一个到另一个，确保质量守恒系统内正确的能量转移。两个基准测试是用来验证模型。对于平面海滩的情况下，计算结果吻合得很好与解析解和实验室实验。潮汐入口的情况下，海浪，海流之间的耦合和沉淀物以及地形变化被证明和FVCOM结果相比ROMS “ 。两款车型表现出同样的的床厚度模式但详细的分布不同。不同之处由于电流波interacinteractions的参数化。显然，更多的比较与观测需要进一步评估耦合模拟系统。综上所述， FVCOM基于耦合波

24、，目前，和输沙模型完成和进行比较系统的验证模型结果与分析解决方案，实验室数据和现有的耦合模型。进一步正在进行系统验证和应用将刊登在单独的文件。致谢第一作者是支持国家奖学金博士学位基金在一个为期两年（2007-2009年）在美国马萨诸塞州达特茅斯大学在美国的研究。参考文献Bijker ， EW ， Kalwijk ， JP钍和彼得，T. ，1974 。地下运输在一个倾斜的底部的引力波。 PROC 。第14 CONF 。海岸工程，第一卷。 2。 ASCE的，纽约， 447 - 465。Booij ， N. ， Haagsma ， IJG ， Holthuijsen ，LH ， Kieftenbur

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