流體動力學導論

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流體動力學導論范文第1篇

[關鍵詞]風暴潮 研究現狀及進展

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

1研究背景

風暴潮是沿海近岸的一種巨大的海洋災害，系指由于強烈的大氣擾動---強風和氣壓驟變所招致的海水異常升降、水流異常增大的現象[1]。中國是全球遭受風暴災害最頻繁和最嚴重的國家之一，受災區域幾乎遍及整個中國沿海，風暴給沿海人們的生產和生活設施造成極大的損害。

2風暴潮研究進展

風暴潮的研究大約起始于20世紀20年代。最初對于風暴潮的研究僅限于個例的觀察和分析，主要目的是了解其現象、發生過程和初步探討其成因。50年代以后，隨著雷達、衛星等探測技術的發展，使人們對風暴潮的成因、機制以及發展過程有了更加深入的認識，提出了諸如：邊緣波、陸架波；深海、淺海、超淺海風暴潮；線性、非線性模型以及天文潮與風暴潮的非線性耦合理論等。

對風暴潮的預報主要有經驗統計預報方法、數值模擬方法。統計的方法是通過歷史資料統計分析從而展開對風暴潮的預測，將影響因素和量值與所研究的臺風增水值進行對比，確定臺風增水和影響因素變化的關系，并運用數理統計方法計算這種關系的可靠程度和相關程度。數值模擬是研究風暴潮最直接方法，從流體力學方法出發，到處理臺風中心到達海岸時，風、氣壓在沿岸引起的臺風暴潮分布的動力學模式，它是基于風暴潮控制方程、計算方法和計算機的應用而發展起來的一種新型的研究方法。經驗統計的方法主要采用回歸分析和統計相關來建立指標站的風和氣壓與特定港口風暴潮位之間的經驗預報方程或相關圖表，此方法局限性較大，只能在少數特定的港口應用。風暴潮的數值模擬方法則克服了以上缺點，建立了預報場的概念。數值預報技術開始于上個世紀50年代，計算機技術的高速發展為風暴潮研究技術的發展提供了優良的條件，風暴潮的數值預報模式日臻完善。

3國外風暴潮研究現狀與進展

風暴潮數值模式技術的研究從20世紀50年代開始。1954年，Kivisild用手工計算的方法，對二維流體動力學基本方程組的積分，模擬1949年8月26-27日襲擊美國奧基喬比湖（Okeechobee）颶風風暴潮，但是由于非線性效應，計算結果并不是很好，但這一次嘗試翻開了風暴潮數值模式研究的第一頁[2]。1956年，德國海洋學家W.Hansen使用計算機對北海1953年1月31日至2月l日發生的風暴潮進行了數值計算，并取得了初步成功，但由于差分格式的不穩定，計算中出現了虛假的誤差短波。進入60年代后，隨著計算機技術的飛速發展，越來越多的國家加入到風暴潮數值預報的行列中，數值模擬成為研究風暴潮的主要研究手段，風暴潮數值模式迅速發展起來。英國Bidston海洋研究院開發了STWS系統并且在Heaps（1969）二維線性模型的基礎上發展出海模式（Sea Model），[3]海模式于1978年開始被應用于對溫帶風暴潮的預報，該方法最早以10層大氣模式輸入一個二維流體動力學方程組作為外力，計算出不列顛諸島大陸架逐時全過程風暴潮變化值。于1982年將大氣模式由10層發展到15層，處于當時世界溫帶風暴潮預報技術的領先水平。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時風暴潮預報中發揮過重要作用，其諾模圖至今仍在東南亞一些國家的風暴潮預報中廣泛應用。20世紀80年代初期，Jelesnianski等學者又開始對SPLASH模式進行改進，于1992年正式了一個新一代二維流體動力學的風暴潮數值預報模擬SLOSH，該模式計算域采用了扇形極坐標網格系統，其范圍覆蓋大部分大陸架和部分內陸地形及水域，如湖泊和接近封閉狀的海灣等，由于考慮了漫灘，該模式同時還具有預報淹水范圍的功能，因此SLOSH模式成為美國國家最新一代的臺風風暴潮預報模式，廣泛應用于海、陸及湖泊的臺風風暴潮預報，在防災預報中發揮了很好的作用。1993年，Jelesnianski等學者繼續采用可變尺度的極坐標網格又發展了一個溫帶風暴潮預報模式，非漫灘，所需風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暴潮預報模式。G.D.ROY（1995）將天文潮和風暴潮進行耦合，采用大小區網格嵌套的方法，考慮岸邊島嶼的影響，估計了沿孟加拉國MEGHNA河口的預期最大可能水位。Tatsuo Konishi等（1995）運用傳統的二維數值模式計算了9119號臺風在日本瀨戶內海北部沿岸所引起的風暴潮，同時用海面數據和Schwab（1982）方法計算了臺風風場。

4國內風暴潮研究現狀與進展

我國風暴潮研究始于20世紀60年代，以馮士筰為首的團隊對風暴潮理論、機理及其在近海的發展進行了長期研究，1982年出版了《風暴潮導論》，分別從封閉和半封閉海域及大洋大陸架的風暴潮問題出發，根據不同海域的動力特征，研究了風暴潮解析解的動力特征，并揭示了風暴潮的內在動力機制，建立了我國風暴潮研究的理論體系[1]。20世紀80年代以來，我國風暴潮的數值研究和應用發展迅速，對渤海、黃海、東海和南海陸架區以及臺灣海峽海域的風暴潮數值模擬研究都取得了較好的成果[4]。對風暴潮特性和各種動力因子效應進行的深入細致的研究，其結果較好的闡明了半封閉海域和開闊海域的風暴潮機制，為風暴潮經驗預報因子篩選提供了可靠的依據。

20世紀90年代，中美合作上海市防汛信息中心引進了美國的新一代臺風風暴潮模式SLOSH，建立了適合上海及其鄰近海域的風暴潮漫灘預報模式，并在上海對風暴潮過程進行了跟蹤預報，成功模擬計算出臺風引起的風暴潮增水過程。中國國家海洋預報中心、中國科學院海洋研究所和中國海洋大學等單位分別完成了“風暴潮數值預報方法研究”和“風暴潮數值預報（A、B）等專項科研課題，并在模式中引入了風暴潮和天文潮的耦合效應。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算方法—交序法，大大提高了計算速度[6]，并成功用于北部灣風暴潮數值模擬。王喜年等考慮有限振幅非線性影響，建立了5區塊模式，以5個子區域部分重疊覆蓋整個中國海沿岸海域的臺風風暴潮模式，該模式采用忽略對流項的平面二維控制方程和Takahashi、Fujita嵌套氣壓場以及Veno Takeo風場模式，當輸入模式的預報臺風參數準確或者比較準確時，預報結果令人滿意[7]。國家海洋預報中心于福江等建立了球坐標系下的溫帶風暴潮數值模式，還采用卡爾曼（Kalman）濾波方法，建立了東海的風暴潮同化預報模式和渤海溫帶風暴潮數值預報模式，提高了我國溫帶風暴潮數值預報的準確度。大小區嵌套式的計算格式也被廣泛運用，建立了一個在GIS支持下的4層嵌套網格的風暴潮漫灘數值預報模式，其中重點區廈門的網格分辨率高達100m×100m，漫灘計算中采用水力學中的堰流公式，并考慮了越浪和波增水[8]。

5結語

綜上對國內外風暴潮研究進展的述評，關于風暴潮的研究，主要存在以下幾個方面的問題：風暴潮本身氣象預報精度不高，時效不長；在風暴潮中心附近和氣壓梯度及速度的變化很不均勻，數值計算中網格大小的選擇比較棘手；風暴潮與天文潮兩潮耦合模式的研究已有初步進展，但仍有待深入開發有效易用的耦合技術，提高業務預報的精度。

參考文獻

[1]馮士筰，《風暴潮導論》，[M]科學出版社，1982.

[2]全國臺風科研協作技術組編，臺風會議文集.上海科學技術出版社，上海，1983.

[3]王喜年，全球海洋的風暴潮災害概況，海洋預報，10（1）：30～36，1993.

[4]孫文心，馮士筰，秦曾灝. 超淺海風暴潮的數值模擬（I）零階模型對渤海風潮的初步應用.海洋學報，1979，l（2）：194一211.

[5]羅義勇，孫文心.北部灣風暴潮的數值模擬-三維流速分解模型的一個應用.青島海洋大學學報，25（1）：7-16.

[6]孫文心，魏更生.交換計算順序法.水動力學研究與進展，10（4）：391-397.