河口海岸水动力模拟技术研究的进展

第22卷　第1期台 湾 海 峡 Vol.22,　No.1 2003年2月J OU RNAL O F OC EANO GRA P H Y IN TAI WAN S TRAI T Feb.,2003

河口海岸水动力模拟技术研究的进展Ξ

车进胜1,周作付1,胡　学2,郑兆勇2

(1.广东省航道勘测设计科研所,广东广州　510115;

2.中山大学河口海岸研究所,广东广州　510275)

摘要:本文在回顾河口海岸水动力数值模拟研究进展的基础上,对其新技术数字河口

动力模型的基本内涵、科学意义和河口模型四维资料同化的作用及其发展前景进行了探讨,并最终认为数字信息技术与四维同化技术将变革河口海岸科学研究的手段,

从而促使河口海岸数值模拟技术有更加广阔的发展前景.

关键词:河口海岸;数值模型;数字化;前景

中图分类号:P737.14 文献标识码:A文章编号:100028160(2003)0120125205

潮流、径流、波浪以及风、气压等因素是影响河口地区、海岸带物质输运及沉积的主要动力条件,这些动力因子的分别或耦合作用给河口海岸带的泥沙、盐分、污染物及热量的输运研究带来了复杂性.数值模拟通过对小量级影响因子的简化,基本真实地再现了区域环境的动力现状,从而成为人类在海岸河口地区进行航道整治、港口建设、围海造陆、保护滩涂、排污入海、环境保护和海水养殖等工程建设中运用十分广泛的一种有效手段.

随着数字信息技术的蓬勃发展,一切科学技术领域都在发生着一场深刻的变革.河口海岸科学也正经历着这样一场前所未有的革新,伴随着高新技术的出现,近岸河口研究的技术手段发生了根本性的质的变化,河口动力学与计算机及信息科学发生交叉,给近岸河口动力学的研究注入了新的活力,为河口动力模拟的技术和手段带来一场变革.

1　河口海岸模拟技术的发展进程

任何计算方法或模型,都不可能产生出信息,而只能从数据中提取信息.一个模型的优劣在于它吸收知识的多少和真伪、利用信息的多少以及提取信息的能力.模型形形色色,有的复杂,有的简单,有的应用许多高深的数学,有的只有常识性的规则.这些都不足以判断模型的好坏,关键看它是否在吸取知识和信息上有所前进.

河口海岸水动力数值模拟始于20世纪60年代,在国内始于20世纪70年代,并于20世纪70年代末以后有大量研究成果问世.河口与海岸环境中的水体流动具有明显的空间三维特性,从理论上讲,可以从RANS方程出发建立三维水动力数学模型.尽管有各种湍流模式或大涡模拟技术可用,但是由于受计算机容量的速度限制,对这类水体的运动进行精细的三维数值模拟在目前看来仍是困难的[1].由于海岸河口地区水域属于宽浅型区域,水平尺度一般远大于垂直尺度1因此,将实际的三维潮流运动的三维模型进行垂向积分所获的二维模型得到了广

Ξ收稿日期:2002203218

作者简介:车进胜(1969～),男,工程师.

泛的应用,目前已达到实用化的程度.但由于二维模型受限于垂向结构的省略,现已出现了适合各种问题需要的三维模型.由于三维模型不仅能反映真实的水流运动,而且计算结果本身含有二维模型的结果,因此,三维模型在未来的应用范围必将越来越广泛.基于简化过的三维浅水方程,Leedertse (1973)的工作具有开创性,他在垂直方向采用固定分层法,即计算水域划分固定分层方法建立了海湾三维潮流、盐度模型[2].为了更好地模拟河床地形变化,人们将Phi 2

lips (1957)提出的坐标变换应用到河口与海岸三维模型[3]中.为了较严格地确定涡动粘性系数

和扩散系数,湍流模式理论也在潮流模型中得到了应用.以Princeton 大学Mellor 为首的海洋动力环境数值模拟小组从20世纪80年代开始一直致力于三维数模的开发与应用研究,其代

表性软件为POM (Primceton Ocean Model )[4].德国汉堡大学海洋研究所Backhaus (1983)和他

的同事发展的汉堡陆架海模式———HAMSOM (Hamburg Shelf Ocean Model )[5]在全世界的许

多陆架海上也得到广泛的应用.Sheng (1987)建立了一般曲线坐标下的三维水动力学模型(CH3D ),该模型也采用σ坐标系,水平方向的运动方向采用水平流速矢量的逆分量来表示[6].Wang (1994)将三维水动力学模型的控制方程用普遍张量的形式,并复演了美国G alveston 海湾的三维流动和盐度分布[7].

作为研究河口自然规律和工程效应的重要工具之一,大型三维综合数值模拟系统的研究与应用应当引起我国科学界和工程界的高度重视.20世纪90年代以来,随着空间技术、遥感技术、信息技术和通讯技术的发展和普及,数值模拟的发展空间有了极大的拓宽,快速地向着高效率、高稳定、高精度、高保真数学模型的开发及可视化、软件化和精细方向发展[8].2　河口海岸数值模拟技术的革新

自20世纪80年代中起,一些发达国家已致力于将计算机软硬件技术、通讯与信号处理、全球定位技术和各类高性能传感器研制技术应用于开发多功能、自动化、集成化、智能化和网络化的海洋立体监测系统.当代海洋监测的总趋势是从空中、水面、水下、沿岸对海洋的物理、气象、化学和生物指标进行立体监测,各种优势互补,构成完整的立体监测系统[9]

.监测手段的更新和进步,为科学研究提供了大量的时空准连续的观测资料,有了新的信息源,新的认识就会产生.这些新的认识和信息输入到数值模型中,就会使它更逼近真实的原型.因此,可以确信,2l 世纪近岸河口模拟技术将会有更大的发展.

2.1　河口模型四维资料同化地球物理数据同化模型,是一种动态变化的地球物理系统的四维典型代表.它能够预报系统内发生的动力变化,接受时空上多相分布的新的观测数据的输入.在严密的质量控制下,可以客观地综合“前期信息”和“当前信息”.这种模型以数学形式推导随时间变化的信息.概括地说,数据同化的过程就是将已有的理论知识和积累与所有有效的观测信息进行最复杂和最精确的综合过程[10].

河口是一个有机联系的整体.不同时刻的河口水状态、河口水文要素、河口表面状况的河口内部结构之间是相互联系的,而这种联系的具体体现是反映河口不同物理过程的数学模型,四维同化技术将同化问题提为一个以动力模式为约束的极小化问题

[11].可以利用河口数学模型的离散形式,充分发挥现有观测资料的作用,由可观测的河口水文要素反演未知的水文要素,由河口的表面信息推知海洋的内部结构[12].数据同化作为一种推理方法,诠释了系统内部

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