[发明专利]一种综合考虑风速、吹程及水深影响的风应力系数表达方法及系统

说明书

本发明公开了一种综合考虑风速、吹程及水深影响的风应力系数表达方法及系统，属于风‑波‑流数值模拟研究领域。基于湖泊、海洋等水域的风‑波‑流耦合作用机制，构建了可表征风‑波‑流作用强度的两个无量纲数：吹程弗劳德数和吹程雷诺数，建立了含待定系数的风应力系数表达式形式，而后结合实验及实测数据，采用非线性回归方法获取待定系数，得到最终的风应力系数表达式。本发明克服了传统风应力系数表达式仅考虑风速单一因素影响的不足，突破了其较难适应于湖泊数值模拟的局限性，太湖水位验证结果表明构建的风应力系数表达式具有较好的合理性和较大的优越性。本发明可广泛推广于湖泊、海洋等水域的风‑波‑流数值模拟研究领域。

技术领域

本发明涉及风-波-流数值模拟研究领域，具体涉及一种综合考虑风速、吹程及水深影响的风应力系数表达方法及系统。

背景技术

湖泊、海洋等现场观测研究存在观测仪器、方法的限制及诸多不可控因素，多具短历时、点测量的特点，获取的资料一般系统误差较大，数据完整性、系统性欠缺。采用数值模拟方法研究湖泊、海洋特征，可较大程度地弥补现场观测方法存在的不足，获取对湖泊、海洋特征较整体的认识。因此数值模拟方法已成为研究湖泊、海洋等水域水动力、水环境及水生态特征的重要手段。风应力系数表征了水气作用强弱与水气间动量传递效率，是数值模拟研究中最重要的模型参数，对数值模拟结果的合理性与可靠性有着举足轻重的影响。

风应力系数的研究是随着对海洋的探索逐渐深入的，由于海洋环境下吹程和水深较大，已有研究先验性地认为风-波-流已处于成熟阶段，认为风应力系数仅与风速有关，忽略吹程和水深对风应力系数的影响。针对中等风速情景(5m/s～24m/s)，目前广泛采用的风应力系数表达式多具有式(1)的形式，式中C_d为风应力系数，u₁₀为水面上方10m高度处的风速，a₁和a₂均为大于0的系数。该式表明了风应力系数与风速的线性正相关关系，即风速越大水气作用强度越大，水气间动量传递效率越高。

10³C_d＝a₁+a₂u₁₀ (1)

已有风应力系数表达方法存在以下弊端：(1)统计已有研究成果发现a₁多介于0.30～1.27，a₂多介于0.038～0.138，可见a₁与a₂在不同研究中差异较大。因此，在数值模拟研究中存在多个备选表达式，存在较大的随意性与经验性，造成模拟结果的不确定性。(2)对于湖泊与近海等有限吹程及水深水域，风-波-流多处于发展阶段，吹程及水深对水气间动量传递效率与水气作用影响显著，在数值模拟研究中仍采用传统风应力系数表达式存在不妥。(3)由于没有考虑波-流特征，传统的风应力系数表达式不能较好地体现当风速较大时，风浪破碎使得风应力系数随着风速增加趋于饱和的特征。基于上述分析，已有表达式存在的不足制约了对湖泊、海洋等水域的精细模拟研究，阻碍了综合治理能力的提升。

因此，已有的风应力系数表达方法亟待进一步完善。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于克服现有风应力系数表达式仅考虑风速单一因素影响的不足，通过风-波-流耦合机理分析与数据拟合，公开了一种综合考虑风速、吹程及水深影响的风应力系数表达方法，进一步公开基于上述表达方法的系统。采用数值模拟方法验证了表达式的合理性与优越性。

技术方案：一种综合考虑风速、吹程及水深影响的风应力系数表达方法，包括如下步骤：

步骤1、构建风应力系数表达式形式；

步骤2、确定风应力系数表达式具体形式；

步骤3、验证风应力系数表达式优越性。

在进一步的实施例中，所述步骤1进一步包括以下步骤：