流体动力学导论

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流体动力学导论范文第1篇

[关键词]风暴潮 研究现状及进展

[中图分类号] P47 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-7-313-1

1研究背景

风暴潮是沿海近岸的一种巨大的海洋灾害，系指由于强烈的大气扰动---强风和气压骤变所招致的海水异常升降、水流异常增大的现象[1]。中国是全球遭受风暴灾害最频繁和最严重的国家之一，受灾区域几乎遍及整个中国沿海，风暴给沿海人们的生产和生活设施造成极大的损害。

2风暴潮研究进展

风暴潮的研究大约起始于20世纪20年代。最初对于风暴潮的研究仅限于个例的观察和分析，主要目的是了解其现象、发生过程和初步探讨其成因。50年代以后，随着雷达、卫星等探测技术的发展，使人们对风暴潮的成因、机制以及发展过程有了更加深入的认识，提出了诸如：边缘波、陆架波；深海、浅海、超浅海风暴潮；线性、非线性模型以及天文潮与风暴潮的非线性耦合理论等。

对风暴潮的预报主要有经验统计预报方法、数值模拟方法。统计的方法是通过历史资料统计分析从而展开对风暴潮的预测，将影响因素和量值与所研究的台风增水值进行对比，确定台风增水和影响因素变化的关系，并运用数理统计方法计算这种关系的可靠程度和相关程度。数值模拟是研究风暴潮最直接方法，从流体力学方法出发，到处理台风中心到达海岸时，风、气压在沿岸引起的台风暴潮分布的动力学模式，它是基于风暴潮控制方程、计算方法和计算机的应用而发展起来的一种新型的研究方法。经验统计的方法主要采用回归分析和统计相关来建立指标站的风和气压与特定港口风暴潮位之间的经验预报方程或相关图表，此方法局限性较大，只能在少数特定的港口应用。风暴潮的数值模拟方法则克服了以上缺点，建立了预报场的概念。数值预报技术开始于上个世纪50年代，计算机技术的高速发展为风暴潮研究技术的发展提供了优良的条件，风暴潮的数值预报模式日臻完善。

3国外风暴潮研究现状与进展

风暴潮数值模式技术的研究从20世纪50年代开始。1954年，Kivisild用手工计算的方法，对二维流体动力学基本方程组的积分，模拟1949年8月26-27日袭击美国奥基乔比湖（Okeechobee）飓风风暴潮，但是由于非线性效应，计算结果并不是很好，但这一次尝试翻开了风暴潮数值模式研究的第一页[2]。1956年，德国海洋学家W.Hansen使用计算机对北海1953年1月31日至2月l日发生的风暴潮进行了数值计算，并取得了初步成功，但由于差分格式的不稳定，计算中出现了虚假的误差短波。进入60年代后，随着计算机技术的飞速发展，越来越多的国家加入到风暴潮数值预报的行列中，数值模拟成为研究风暴潮的主要研究手段，风暴潮数值模式迅速发展起来。英国Bidston海洋研究院开发了STWS系统并且在Heaps（1969）二维线性模型的基础上发展出海模式（Sea Model），[3]海模式于1978年开始被应用于对温带风暴潮的预报，该方法最早以10层大气模式输入一个二维流体动力学方程组作为外力，计算出不列颠诸岛大陆架逐时全过程风暴潮变化值。于1982年将大气模式由10层发展到15层，处于当时世界温带风暴潮预报技术的领先水平。美国的Jelesnianski等于1972年建立了有名的SPLASH模式，该模式曾在美国的实时风暴潮预报中发挥过重要作用，其诺模图至今仍在东南亚一些国家的风暴潮预报中广泛应用。20世纪80年代初期，Jelesnianski等学者又开始对SPLASH模式进行改进，于1992年正式了一个新一代二维流体动力学的风暴潮数值预报模拟SLOSH，该模式计算域采用了扇形极坐标网格系统，其范围覆盖大部分大陆架和部分内陆地形及水域，如湖泊和接近封闭状的海湾等，由于考虑了漫滩，该模式同时还具有预报淹水范围的功能，因此SLOSH模式成为美国国家最新一代的台风风暴潮预报模式，广泛应用于海、陆及湖泊的台风风暴潮预报，在防灾预报中发挥了很好的作用。1993年，Jelesnianski等学者继续采用可变尺度的极坐标网格又发展了一个温带风暴潮预报模式，非漫滩，所需风场和气压场由美国天气局的航空模式提供，已成为美国国家温带风暴潮预报模式。G.D.ROY（1995）将天文潮和风暴潮进行耦合，采用大小区网格嵌套的方法，考虑岸边岛屿的影响，估计了沿孟加拉国MEGHNA河口的预期最大可能水位。Tatsuo Konishi等（1995）运用传统的二维数值模式计算了9119号台风在日本濑户内海北部沿岸所引起的风暴潮，同时用海面数据和Schwab（1982）方法计算了台风风场。

4国内风暴潮研究现状与进展

我国风暴潮研究始于20世纪60年代，以冯士筰为首的团队对风暴潮理论、机理及其在近海的发展进行了长期研究，1982年出版了《风暴潮导论》，分别从封闭和半封闭海域及大洋大陆架的风暴潮问题出发，根据不同海域的动力特征，研究了风暴潮解析解的动力特征，并揭示了风暴潮的内在动力机制，建立了我国风暴潮研究的理论体系[1]。20世纪80年代以来，我国风暴潮的数值研究和应用发展迅速，对渤海、黄海、东海和南海陆架区以及台湾海峡海域的风暴潮数值模拟研究都取得了较好的成果[4]。对风暴潮特性和各种动力因子效应进行的深入细致的研究，其结果较好的阐明了半封闭海域和开阔海域的风暴潮机制，为风暴潮经验预报因子筛选提供了可靠的依据。

20世纪90年代，中美合作上海市防汛信息中心引进了美国的新一代台风风暴潮模式SLOSH，建立了适合上海及其邻近海域的风暴潮漫滩预报模式，并在上海对风暴潮过程进行了跟踪预报，成功模拟计算出台风引起的风暴潮增水过程。中国国家海洋预报中心、中国科学院海洋研究所和中国海洋大学等单位分别完成了“风暴潮数值预报方法研究”和“风暴潮数值预报（A、B）等专项科研课题，并在模式中引入了风暴潮和天文潮的耦合效应。孙文心提出了流速分解法[5]，后来孙文心、魏更生又提出了一种新的计算方法—交序法，大大提高了计算速度[6]，并成功用于北部湾风暴潮数值模拟。王喜年等考虑有限振幅非线性影响，建立了5区块模式，以5个子区域部分重叠覆盖整个中国海沿岸海域的台风风暴潮模式，该模式采用忽略对流项的平面二维控制方程和Takahashi、Fujita嵌套气压场以及Veno Takeo风场模式，当输入模式的预报台风参数准确或者比较准确时，预报结果令人满意[7]。国家海洋预报中心于福江等建立了球坐标系下的温带风暴潮数值模式，还采用卡尔曼（Kalman）滤波方法，建立了东海的风暴潮同化预报模式和渤海温带风暴潮数值预报模式，提高了我国温带风暴潮数值预报的准确度。大小区嵌套式的计算格式也被广泛运用，建立了一个在GIS支持下的4层嵌套网格的风暴潮漫滩数值预报模式，其中重点区厦门的网格分辨率高达100m×100m，漫滩计算中采用水力学中的堰流公式，并考虑了越浪和波增水[8]。

5结语

综上对国内外风暴潮研究进展的述评，关于风暴潮的研究，主要存在以下几个方面的问题：风暴潮本身气象预报精度不高，时效不长；在风暴潮中心附近和气压梯度及速度的变化很不均匀，数值计算中网格大小的选择比较棘手；风暴潮与天文潮两潮耦合模式的研究已有初步进展，但仍有待深入开发有效易用的耦合技术，提高业务预报的精度。

参考文献

[1]冯士筰，《风暴潮导论》，[M]科学出版社，1982.

[2]全国台风科研协作技术组编，台风会议文集.上海科学技术出版社，上海，1983.

[3]王喜年，全球海洋的风暴潮灾害概况，海洋预报，10（1）：30～36，1993.

[4]孙文心，冯士筰，秦曾灏. 超浅海风暴潮的数值模拟（I）零阶模型对渤海风潮的初步应用.海洋学报，1979，l（2）：194一211.

[5]罗义勇，孙文心.北部湾风暴潮的数值模拟-三维流速分解模型的一个应用.青岛海洋大学学报，25（1）：7-16.

[6]孙文心，魏更生.交换计算顺序法.水动力学研究与进展，10（4）：391-397.