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流體動(dòng)力學(xué)導(dǎo)論范文第1篇

[關(guān)鍵詞]風(fēng)暴潮 研究現(xiàn)狀及進(jìn)展

[中圖分類號(hào)] P47 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號(hào)] 1000-405X（2013）-7-313-1

1研究背景

風(fēng)暴潮是沿海近岸的一種巨大的海洋災(zāi)害，系指由于強(qiáng)烈的大氣擾動(dòng)---強(qiáng)風(fēng)和氣壓驟變所招致的海水異常升降、水流異常增大的現(xiàn)象[1]。中國是全球遭受風(fēng)暴災(zāi)害最頻繁和最嚴(yán)重的國家之一，受災(zāi)區(qū)域幾乎遍及整個(gè)中國沿海，風(fēng)暴給沿海人們的生產(chǎn)和生活設(shè)施造成極大的損害。

2風(fēng)暴潮研究進(jìn)展

風(fēng)暴潮的研究大約起始于20世紀(jì)20年代。最初對(duì)于風(fēng)暴潮的研究僅限于個(gè)例的觀察和分析，主要目的是了解其現(xiàn)象、發(fā)生過程和初步探討其成因。50年代以后，隨著雷達(dá)、衛(wèi)星等探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，使人們對(duì)風(fēng)暴潮的成因、機(jī)制以及發(fā)展過程有了更加深入的認(rèn)識(shí)，提出了諸如：邊緣波、陸架波；深海、淺海、超淺海風(fēng)暴潮；線性、非線性模型以及天文潮與風(fēng)暴潮的非線性耦合理論等。

對(duì)風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)主要有經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)方法、數(shù)值模擬方法。統(tǒng)計(jì)的方法是通過歷史資料統(tǒng)計(jì)分析從而展開對(duì)風(fēng)暴潮的預(yù)測(cè)，將影響因素和量值與所研究的臺(tái)風(fēng)增水值進(jìn)行對(duì)比，確定臺(tái)風(fēng)增水和影響因素變化的關(guān)系，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法計(jì)算這種關(guān)系的可靠程度和相關(guān)程度。數(shù)值模擬是研究風(fēng)暴潮最直接方法，從流體力學(xué)方法出發(fā)，到處理臺(tái)風(fēng)中心到達(dá)海岸時(shí)，風(fēng)、氣壓在沿岸引起的臺(tái)風(fēng)暴潮分布的動(dòng)力學(xué)模式，它是基于風(fēng)暴潮控制方程、計(jì)算方法和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用而發(fā)展起來的一種新型的研究方法。經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)的方法主要采用回歸分析和統(tǒng)計(jì)相關(guān)來建立指標(biāo)站的風(fēng)和氣壓與特定港口風(fēng)暴潮位之間的經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)方程或相關(guān)圖表，此方法局限性較大，只能在少數(shù)特定的港口應(yīng)用。風(fēng)暴潮的數(shù)值模擬方法則克服了以上缺點(diǎn)，建立了預(yù)報(bào)場的概念。數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)開始于上個(gè)世紀(jì)50年代，計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展為風(fēng)暴潮研究技術(shù)的發(fā)展提供了優(yōu)良的條件，風(fēng)暴潮的數(shù)值預(yù)報(bào)模式日臻完善。

3國外風(fēng)暴潮研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

風(fēng)暴潮數(shù)值模式技術(shù)的研究從20世紀(jì)50年代開始。1954年，Kivisild用手工計(jì)算的方法，對(duì)二維流體動(dòng)力學(xué)基本方程組的積分，模擬1949年8月26-27日襲擊美國奧基喬比湖（Okeechobee）颶風(fēng)風(fēng)暴潮，但是由于非線性效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果并不是很好，但這一次嘗試翻開了風(fēng)暴潮數(shù)值模式研究的第一頁[2]。1956年，德國海洋學(xué)家W.Hansen使用計(jì)算機(jī)對(duì)北海1953年1月31日至2月l日發(fā)生的風(fēng)暴潮進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并取得了初步成功，但由于差分格式的不穩(wěn)定，計(jì)算中出現(xiàn)了虛假的誤差短波。進(jìn)入60年代后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，越來越多的國家加入到風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)的行列中，數(shù)值模擬成為研究風(fēng)暴潮的主要研究手段，風(fēng)暴潮數(shù)值模式迅速發(fā)展起來。英國Bidston海洋研究院開發(fā)了STWS系統(tǒng)并且在Heaps（1969）二維線性模型的基礎(chǔ)上發(fā)展出海模式（Sea Model），[3]海模式于1978年開始被應(yīng)用于對(duì)溫帶風(fēng)暴潮的預(yù)報(bào)，該方法最早以10層大氣模式輸入一個(gè)二維流體動(dòng)力學(xué)方程組作為外力，計(jì)算出不列顛諸島大陸架逐時(shí)全過程風(fēng)暴潮變化值。于1982年將大氣模式由10層發(fā)展到15層，處于當(dāng)時(shí)世界溫帶風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)技術(shù)的領(lǐng)先水平。美國的Jelesnianski等于1972年建立了有名的SPLASH模式，該模式曾在美國的實(shí)時(shí)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)中發(fā)揮過重要作用，其諾模圖至今仍在東南亞一些國家的風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)中廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)80年代初期，Jelesnianski等學(xué)者又開始對(duì)SPLASH模式進(jìn)行改進(jìn)，于1992年正式了一個(gè)新一代二維流體動(dòng)力學(xué)的風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模擬SLOSH，該模式計(jì)算域采用了扇形極坐標(biāo)網(wǎng)格系統(tǒng)，其范圍覆蓋大部分大陸架和部分內(nèi)陸地形及水域，如湖泊和接近封閉狀的海灣等，由于考慮了漫灘，該模式同時(shí)還具有預(yù)報(bào)淹水范圍的功能，因此SLOSH模式成為美國國家最新一代的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)模式，廣泛應(yīng)用于海、陸及湖泊的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)，在防災(zāi)預(yù)報(bào)中發(fā)揮了很好的作用。1993年，Jelesnianski等學(xué)者繼續(xù)采用可變尺度的極坐標(biāo)網(wǎng)格又發(fā)展了一個(gè)溫帶風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)模式，非漫灘，所需風(fēng)場和氣壓場由美國天氣局的航空模式提供，已成為美國國家溫帶風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)模式。G.D.ROY（1995）將天文潮和風(fēng)暴潮進(jìn)行耦合，采用大小區(qū)網(wǎng)格嵌套的方法，考慮岸邊島嶼的影響，估計(jì)了沿孟加拉國MEGHNA河口的預(yù)期最大可能水位。Tatsuo Konishi等（1995）運(yùn)用傳統(tǒng)的二維數(shù)值模式計(jì)算了9119號(hào)臺(tái)風(fēng)在日本瀨戶內(nèi)海北部沿岸所引起的風(fēng)暴潮，同時(shí)用海面數(shù)據(jù)和Schwab（1982）方法計(jì)算了臺(tái)風(fēng)風(fēng)場。

4國內(nèi)風(fēng)暴潮研究現(xiàn)狀與進(jìn)展

我國風(fēng)暴潮研究始于20世紀(jì)60年代，以馮士筰為首的團(tuán)隊(duì)對(duì)風(fēng)暴潮理論、機(jī)理及其在近海的發(fā)展進(jìn)行了長期研究，1982年出版了《風(fēng)暴潮導(dǎo)論》，分別從封閉和半封閉海域及大洋大陸架的風(fēng)暴潮問題出發(fā)，根據(jù)不同海域的動(dòng)力特征，研究了風(fēng)暴潮解析解的動(dòng)力特征，并揭示了風(fēng)暴潮的內(nèi)在動(dòng)力機(jī)制，建立了我國風(fēng)暴潮研究的理論體系[1]。20世紀(jì)80年代以來，我國風(fēng)暴潮的數(shù)值研究和應(yīng)用發(fā)展迅速，對(duì)渤海、黃海、東海和南海陸架區(qū)以及臺(tái)灣海峽海域的風(fēng)暴潮數(shù)值模擬研究都取得了較好的成果[4]。對(duì)風(fēng)暴潮特性和各種動(dòng)力因子效應(yīng)進(jìn)行的深入細(xì)致的研究，其結(jié)果較好的闡明了半封閉海域和開闊海域的風(fēng)暴潮機(jī)制，為風(fēng)暴潮經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)因子篩選提供了可靠的依據(jù)。

20世紀(jì)90年代，中美合作上海市防汛信息中心引進(jìn)了美國的新一代臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮模式SLOSH，建立了適合上海及其鄰近海域的風(fēng)暴潮漫灘預(yù)報(bào)模式，并在上海對(duì)風(fēng)暴潮過程進(jìn)行了跟蹤預(yù)報(bào)，成功模擬計(jì)算出臺(tái)風(fēng)引起的風(fēng)暴潮增水過程。中國國家海洋預(yù)報(bào)中心、中國科學(xué)院海洋研究所和中國海洋大學(xué)等單位分別完成了“風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)方法研究”和“風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)（A、B）等專項(xiàng)科研課題，并在模式中引入了風(fēng)暴潮和天文潮的耦合效應(yīng)。孫文心提出了流速分解法[5]，后來孫文心、魏更生又提出了一種新的計(jì)算方法—交序法，大大提高了計(jì)算速度[6]，并成功用于北部灣風(fēng)暴潮數(shù)值模擬。王喜年等考慮有限振幅非線性影響，建立了5區(qū)塊模式，以5個(gè)子區(qū)域部分重疊覆蓋整個(gè)中國海沿岸海域的臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮模式，該模式采用忽略對(duì)流項(xiàng)的平面二維控制方程和Takahashi、Fujita嵌套氣壓場以及Veno Takeo風(fēng)場模式，當(dāng)輸入模式的預(yù)報(bào)臺(tái)風(fēng)參數(shù)準(zhǔn)確或者比較準(zhǔn)確時(shí)，預(yù)報(bào)結(jié)果令人滿意[7]。國家海洋預(yù)報(bào)中心于福江等建立了球坐標(biāo)系下的溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值模式，還采用卡爾曼（Kalman）濾波方法，建立了東海的風(fēng)暴潮同化預(yù)報(bào)模式和渤海溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模式，提高了我國溫帶風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。大小區(qū)嵌套式的計(jì)算格式也被廣泛運(yùn)用，建立了一個(gè)在GIS支持下的4層嵌套網(wǎng)格的風(fēng)暴潮漫灘數(shù)值預(yù)報(bào)模式，其中重點(diǎn)區(qū)廈門的網(wǎng)格分辨率高達(dá)100m×100m，漫灘計(jì)算中采用水力學(xué)中的堰流公式，并考慮了越浪和波增水[8]。

5結(jié)語

綜上對(duì)國內(nèi)外風(fēng)暴潮研究進(jìn)展的述評(píng)，關(guān)于風(fēng)暴潮的研究，主要存在以下幾個(gè)方面的問題：風(fēng)暴潮本身氣象預(yù)報(bào)精度不高，時(shí)效不長；在風(fēng)暴潮中心附近和氣壓梯度及速度的變化很不均勻，數(shù)值計(jì)算中網(wǎng)格大小的選擇比較棘手；風(fēng)暴潮與天文潮兩潮耦合模式的研究已有初步進(jìn)展，但仍有待深入開發(fā)有效易用的耦合技術(shù)，提高業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)的精度。

參考文獻(xiàn)

[1]馮士筰，《風(fēng)暴潮導(dǎo)論》，[M]科學(xué)出版社，1982.

[2]全國臺(tái)風(fēng)科研協(xié)作技術(shù)組編，臺(tái)風(fēng)會(huì)議文集.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，上海，1983.

[3]王喜年，全球海洋的風(fēng)暴潮災(zāi)害概況，海洋預(yù)報(bào)，10（1）：30～36，1993.

[4]孫文心，馮士筰，秦曾灝. 超淺海風(fēng)暴潮的數(shù)值模擬（I）零階模型對(duì)渤海風(fēng)潮的初步應(yīng)用.海洋學(xué)報(bào)，1979，l（2）：194一211.

[5]羅義勇，孫文心.北部灣風(fēng)暴潮的數(shù)值模擬-三維流速分解模型的一個(gè)應(yīng)用.青島海洋大學(xué)學(xué)報(bào)，25（1）：7-16.

[6]孫文心，魏更生.交換計(jì)算順序法.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，10（4）：391-397.