海面风应力拖曳系数参数化方案对台风浪数值模拟的影响

海面风应力拖曳系数参数化对台风浪数值模拟的影响 海面风应力拖曳系数参数化方案对台风浪 数值模拟的影响 科学研究科学南财j富 海面风应力拖曳系数参数化方案对台风浪数值模拟的影响 张吴高星 (1.解放军理工大学气象学院,江苏南京211i01;2.91329部队,山东威海264200) 摘要:为了比较不同的海面风应力拖曳系数参数化方案在台风浪数值模拟中的效果,本文采用了5种不同的拖曳系数参数化方案对0621号台风榴 莲进行了数值模拟.通过与Jason.1卫星高度计数据的对比分析表明,不同风应力拖曳系数参数化方案对台风浪的数值模拟效果不完全相同,在台风浪的 数值模拟中要选择合适的拖曳系数参数化方案.文Large和Pond(1981)风应力拖曳系数参数化方案有效波高模拟的误差较小,表明这种参数化方案在 台风浪的数值模拟中是可行的. 关键词:台风浪;非结构三角网格;SWAN;数值模拟;海面风应力拖曳系数 1,引言 196纪以前,人们就已经注意到表面波以及它们与风的关系.由于受到 观测仪器和理论研究等的制约,为了估计海面风应力,起初人们常常将海面 拖曳系数Ld视为常数,Rossby;NMontgomery(1935)利用在德国进行的观 测,将拖曳系数乙取值为0.0013t",此值到现在仍然适用于中低风速情况. 后来,Sverdrup等(1942)确定了一个偏大的拖曳系数值为0.0026t2J,这一 成果一直被广泛的应用了多年. 此后,随着理论研究的深入和观测手段的多样化,研究人员发现了拖曳 系数对于风速的依赖性.和风速的线性形式 I—I,1, Cd=(+6Ig__.7ioI)×10 由于观测的资料源不同,得到a,b值分散性很大,适用范围也完全不同, 绝大多数公式目前还只适用于25rrds以下的风速范围[3]. 不同的拖曳系数参数化方案对于台风浪的数值模拟具有较显着的影 响.本文拟采用五种常用的风应力拖曳系数参数化方案对0621号台风榴莲 进行数值模拟,然后比较各参数化方案的模拟效果.对SWAN~式的海面风 应力拖曳系数参数化方案进行分析和研究. 2,SWAN模式的控制方程及源函数项处理 SWAN;~式采用波作用量密度谱?(,,而不是能量密度谱,f 作为控制变量.因为在环境流场存在的情况下,波流相互作用使得能量密 度谱不再守恒,但波作用骨密唐谱却是守恒量,二者间的关系为 N(o-.01=E(.(2) ()-为海浪组成波的相对频率,为传播方向.波作用量密度谱平衡方 程描述了海浪谱的时空演变,在笛卡儿坐标系下其形式为 旦?+旦c?+旦?+三cIv+三c:一S.ot(3) 西'660 其中c,c和c分别代表在,y,仃和空间的波浪传播速度. f3)式等号左边第一项为波作用量随时间的局地变化率,第二项和第三项表 示波作用量在地理坐标空间x,yTJ向上的传播,第四项为流场和水深所引 起的波作用量在相对频率空间的变化,第五项为波作用量在谱分布方向 空间的传播,f3)式等号右边的是源汇项,其表达式为: S?f =s?+L,{+++(4) 其中S,,S,.;分别表示风能输入项,白冠耗散项, 底摩擦耗散项,深度诱导破碎项,三相波波一波非线性相互作用项和四相波 波一波非线性相互作用项. SWAN以两种不同类型的模型描述由风向波浪传输能量:考虑波浪随 时间线性增长的Phillips(1957)共振机制及Miles(1957)提出的反馈机制.这 些机制相应的源项一般被表沭为线性增长项与指数增长项之和: Sz(,)=+BE(a,)(5) 代表线性增长,艇(,)代表指数增长,其中A,B与波频率,波 向以及风速,风向有关.系数,B的选取直接影响着海浪的模拟效果. 值得注意的是,虽然swAN模式是由海面10米以上高空风速,驱动,但它 使用的是摩擦速度IL."}o和的转换关系式为: [,=C,),1.n(6) 其中c.表示拖曳系数,表达式采用Wu(1982): …., j1.2975x10当0i.<75m'姘(7)'0)1(08+0065『}7×.)x1oj,当75/线性增长项 A采用cava1er评口Ma1fdmotte—Rizzoli(1981)的表达式 fnmx[O+cos(O)(8) }?=exp一(?)},=2,r ,56 其中岔.为风向,H为滤波因子,M为Pierson~Moskowitz(1964)根据 摩擦风速【.分析的充分成长的海况状态下的最高频率. 指数增长项采用的是SWAN模式的默认设置,即KDmen等(1984)依 据Snyder等(1981)的观测结果对摩擦风速从新定义后得到的是 的函数口: {0,0.25~12@c0s(0一oIIc.)-i{f(9) 砷为相速度,,分别表示空气和水的密度. 3模式计算网格和风应力拖曳系数参数化方案 本文采用的是非结构三角网格,网格由地表水数值模拟软件SMS (Surface—waterModelingSystem)生成.如图1所示,其中曰和eO表示两 条开边界.因为边界条件对于模式的模拟效果影响比较明显,所以将开边界 取在远离南海海域的西太平洋上计算区域由三角形构成,网格分辨率同样 取为5,共包含94945个网格点和186882个三角形. 00.E105E11O.E11E惶E125E13E135oE 图1计算区域的非结构三角网格图 SWAN模式中,默认的拖曳系数参数化方案是Wu(1982),且当风速超过 规定的风速范围时,拖曳系数:c取值为0.00123.在本文的实验中,将分别 利用选取的五组拖曳系数对SWAN模式进行重新编译,且当风速超过规定 的风速范围时,.取值为0.0026. 4,试验结果的比较和讨论 计算选用的是2006年第21号台风榴莲.榴莲在2006年l1月25日于菲律 宾以东洋面发展为一热带低压,一直向西移动,在登陆菲律宾前加强为超强 台风.进入南海后继续向西移动,并于12月2日再次加强为台风.模式计算时 间为2006年11月26日o0时,12月5日0o时.在此时段内Jason.1卫星有16条轨 道通过计算海域. 从统计分析来看,不同风应力拖曳系数参数化方案对台风浪的数值模 拟结果不完全相同.在这五组方案中,最大相关系数为0.9190,最小相关系 数为0.8551,说明模式计算波高与Jason一1卫星观测波高具有良好的线性关 系.由此可见,SWAN模式能够较好的模拟出台风过程中南海的海浪场.另 外,从偏差,均方根误差,均方根相对误差,平均绝对误差和平均相对误差这 几个统计量来看,方案LP81的模拟的有效波高的误差最小,其次是Ga77~tl Wu82,而Sm80~YT98的模拟误差最大.可见,风应力拖曳系数对台风浪的 数值模拟效果影响是比较显着的,选取合适的风应力拖曳系数很重要. 5,小结 本文采用5种不同的风应力拖曳系数参数化方案对发生在南海海域的 0621号台风榴莲进行了数值模拟,得出了几点结论: (1)在风场数据较准确的情况下,SWAN模式基本能够准确的模拟出台 风过程中南海的海浪场: (2)不同拖曳系数参数化方案对台风浪的数值模拟结果不完全相同,在 台风浪数值模拟中需要选取合适的风应力拖曳系数参数化方案; (下接第66酉) 科学发展 的实际施工状态是否与预测值相符,为发出预警信息,采取应急处理措施提 供数据支持. (2)状态预警系统:如果一旦在施工中发现有异常数据产生或在结构仿 真计算时发现未来施工状态有异常情况,应马上发出预警信息,暂停施工, 待查明原因或采取相应的必要措施后,修改相应的施工控制数据后再继续 施工. 4.2监控预警' 结合本次桥梁拆除工艺和现场桥梁状况,主要进行以下参数的监控与 预警: (11梁体变形观测:在每一个施工节段处布置水准点,对整个拆除过程 中每个工况下桥梁特定梁段的高程变化以及全桥的线形进行观测,检查桥 梁的挠度变化值是否与计算预测值接近,特别是梁体的位移变化规律是否 与理论计算的卸载规律一致: :拆除中对合拢段刚性骨架,梁段的项板以及斜腿截面的 (2)应力监测 应力进行监测; (3)裂缝观测:在拆除过程中密切关注原有开裂梁体的裂缝状况.在桥 梁拆除之前对已有斜裂缝进行编号和标记,在拆除施工过程中,对原有斜裂 缝进行跟踪观测,跟踪裂缝的发展状况;并在拆除过程中,实时观测有无新 裂缝发生 5,现场实施 根据上述确定的拆桥施工方案和相对应的监控预警措施,经过近两个 月的施工,老桥拆除工作顺利完成,从跨中合拢段解除开始到整个悬臂段的 切除完毕,监控预警系统及时对采集的数据进行了分析与处理,为每个工况 桥梁结构的受力状态做出了明确的判断,为桥梁的安全拆除施工提供了可 靠保证: 漓 (1)在桥梁拆除的每一个过程中,均进行了严格的检查和提供了准确的 现场实测数据,为拆除过程的顺利实施提供了有力支持: (2)桥梁跨中合拢段解除过程,桥梁结构各控制截面的应力和位移变化 与理论分析相一致.在合拢段解除过程中,结构总体变形较小,且变化平稳, 未出现突变现象;桥梁各控制截面的应力变化平稳,裂缝的变化趋势也与理 论分析一致,结构受力状态明确,始终处于受控状态; (3)桥梁在悬臂段切除过程中,桥梁结构各控制截面的应力和位移变化 与理论分析基本一致,且结构未出现突变现象,梁段总体变形较小且变形平 稳,过程受力明确,始终处于受控状态; (4)整个桥梁拆除过程中,依据实时采集的数据和及时的数据分析,桥 梁结构始终处于受控状态. (5)桥梁拆除施工监控预警的实施对此拆除提供了全面的,及时的监测 和控制工作,为保证施工质量,工程进度和结构安全提供了有力的保障. 6,结语 针对该斜腿固端梁桥所处区域的特点和桥梁的结构形式,采用了逆向 工序法进行拆桥施工,制定了有针对性的监控预警系统,并全过程指导现场 拆桥施工,保证了桥梁最终安全顺利的拆除,体现出较好的经济和社会效 益.该桥的成功拆除也为今后类似桥梁的拆除提供了参考. 参考文献 [1】刘红生,袁成忠.连续箱梁桥的拆除施工技术,国外建材科技,2008,29 (1):91—94. [2]李洁,冯士群.南京大桥南路高架桥拆除改造施工,市政技术,2001,(3): 13-15. [3]秦顺全,刘孝军,杨光武.宁波招宝山大桥主梁局部拆除及施工控制 ?,桥梁建设,2001,(3):8.12. 1上徭第48贝) 国的需求信息和遍布各地区的连锁经营网络联结起来,确保冷链物流信息 快速可靠的传递. 2.3政策因素分析 我国冷链物流要快速稳定健康的发展,离不开国家相关法律法规以及 政策的扶持,据资料表明,欧美,日本等发达国家的冷链物流的健康发展得 意于其完善的法律法规和,健全检查与监督机构以及政府的政策支持. 相比于发达国家,我国冷链物流行业标准仍然不统一,没有国家或行业的专 项明细标准,只有一些大型的食品生产加工企业自己制定了一些标准,并且 监管力度也不够. 近年来我国政府相继颁布了冷链物流行业的导向性文件和政策,如 冻食品的包装,标志,运输和储存》,《易腐食品机动车辆冷藏运输要求》,尤 其是2010年颁布的《农产品冷链物流发展规划》,极大地促进了冷链物流行 业标准的制定. 在我国政策的主导下,将逐步建立冷链物流技术体系,制订冷链物流规 范和标准,加快冷链物流基础设施建设,培育一批冷链物流企业,形成设施 先进,管理,网络健全,全程可控的一体化冷链物流服务体系. 3,总结 本文结合我国基本国情及冷链物流行业的相关法规政策,指出了当前 我国冷链物流存在的主要问题,并重点分析了影响我国冷链物流发展的经 济,技术和政策因素.? 参考文献 [1]彭丽霞.我国冷链物流发展现状及对策研究[D].河北工程大学,201l [2】郭法霞城论我国冷链物流存在的问题及发展策略fJ】.交通与运输,2010 【3】匡敏.我国冷链物流发展的思考铁道运输与经济,2010 【41t莹,马羡平颖.中国食品冷链物流现状及发展策略阴节能技术,2009 t下接第56页J (3)Large和Pond(1981)l~应力拖曳系数参数化方案的有效波高模拟误 差最小,其次是Ga~aR(1977),Wu(1982),而Smith(198o1,Yelland和Taylor (1998}的模拟误差最大; f4)在高风速情况下,SWAN模式存在模拟结果偏小的问题,可能是 SWAN模式存在风能输入项偏小或者耗散项过大的问题. 本文选取的0621号台风榴莲是进入南海海域的台风,有关结论是否适 用于其他海域有待进一步研究. 参考文献 [1]Rossby,C.G.andR.B.Montgomery,thelayeroffri~ionalinfluencein '66 windandoceancurrents[J].PapersinPhysicalOceanographyandMeteorology III,MITandWHOI,1935,101PP. 【2】Sverdrup,H.U.,M.W.Johnson,andR.H.Fleming,TheOceanTheir Physics,Chemistry,andGeneralBiology[J3.Prentice-Hall,1942,1087PP. [3]罗蒋梅,潘静,杨支中.海面风应力拖曳系数参数化方案对风暴潮数值模 拟的影nN[J1.海洋预报.2011年,28(3):15—19 f41WhithamGB.Ageneralapproachtolinearandnon.1ineardispersivewaves usingaLagrangian[J].JFluidMech,1965,22:273—283. [5]Bretherthon,F.P.,Garrett,C.J.R.Wavetrainsininhomogeneousmovingme— dia[J].ProcRoySocLondon,1968,A302:529—554.