[发明专利]一种计算实时波浪破碎致混合的动态模拟方法

说明书

本发明公开了一种计算实时波浪破碎致混合的动态模拟方法：(1)通过近岸海浪模式计算出某一时间段内的波浪场，输出计算波浪破碎参数所需的波浪参数；(2)建立波浪破碎参数计算模型，将波浪参数作为波浪破碎参数计算模型的输入，通过波浪破碎参数计算模型计算得到波浪破碎参数场；(3)改进普林斯顿海洋模型，使得改进后的普林斯顿海洋模型包含非定常波浪破碎参数化计算方法；(4)将波浪破碎参数场作为改进后的普林斯顿海洋模型的输入，通过改进后的普林斯顿海洋模型实时模拟包含非定常波浪破碎的海洋动态过程，输出海洋水文要素数据。本发明以实现物理海洋模型的动态化模拟，改进了原有物理海洋模型中把波浪破碎参数设为定值的缺点。

技术领域

本发明涉及物理海洋，特别涉及一种计算实时波浪破碎致混合的动态模拟方法，应用于物理海洋模型的动态化实时模拟。

背景技术

海洋表面的波浪破碎能产生一向下输入的湍动能通量，风的动量首先传递给波浪，然后主要通过波浪破碎的方式将动量传递给流场。在此过程中，海表附近的湍动能会明显增强，在近海表处形成一湍流生成明显增加的次层。增强的湍动能会将动量向海洋下层传递，进而影响近表层环流的垂向分布，同时也会影响海洋上层温度场的垂向分布。波浪破碎现象时时刻刻在海洋中发生，在控制海洋表面的动力过程方面发挥着关键的动态作用，对整个深度内的海洋环流、海面温度、湍流混合会产生很大影响，为海洋中的混合提供了海表的能量来源，是海洋中物质、热量、动量以及能量交换的主要物理过程，是影响海洋物理、生化过程的重要因素，对全球气候系统的维持与变化有着重要影响。

目前的波浪破碎参数化方案中，对波浪破碎参数的量值估计通常采用经验常数，而采取定值作为波浪破碎参数与海洋中实际发生的复杂波浪破碎现象不相符，会影响波浪破碎对海洋上混合层湍能量收支的计算且无法体现波浪破碎效应所带来的动态变化。相较于取经验常数，利用海浪-海流耦合模型对波浪破碎致混合进行耦合计算可更准确的表达浪致湍流对渤海海域海洋混合过程及动力过程的影响。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种计算海洋中实时波浪破碎致混合的方法，以实现物理海洋模型的动态化模拟，改进了原有物理海洋模型中把波浪破碎参数设为定值的缺点。

本发明所采用的技术方案是：一种计算实时波浪破碎致混合的动态模拟方法，包括以下步骤：

步骤1，通过近岸海浪模式计算出某一时间段内的波浪场，输出计算波浪破碎参数所需的波浪参数；

步骤2，建立波浪破碎参数计算模型，将步骤1得到的波浪参数作为波浪破碎参数计算模型的输入，通过波浪破碎参数计算模型计算得到波浪破碎参数场；

步骤3，改进普林斯顿海洋模型，使得改进后的普林斯顿海洋模型包含非定常波浪破碎参数化计算方法；

步骤4，将步骤2得到的波浪破碎参数场作为改进后的普林斯顿海洋模型的输入，通过改进后的普林斯顿海洋模型实时模拟包含非定常波浪破碎的海洋动态过程，输出海洋水文要素数据，作为海洋物理过程和海洋生化过程分析的重要参数，进行海洋中动力学过程分析，以及对海洋环境灾害进行预测预报。

进一步地，步骤1中，所述的计算波浪破碎参数所需的波浪参数包括波长、波浪谱峰周期和海面有效波高。

进一步地，步骤2中，所述的波浪破碎参数场包括波能因子、Charnock数和水侧摩擦速度；所述的波浪破碎参数计算模型包括：

根据公式(1)计算波浪在主频率的相速度C_p(x，y)：

式中，L(x，y)是波长，T(x，y)是波浪谱峰周期，L(x，y)和T(x，y)均由步骤1中的近岸海浪模式输出得到；

根据式(2)计算波能因子α_CB(x，y)：