一种计算实时波浪破碎致混合的动态模拟方法
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Cp(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αCB(x，y)：
式中，u*a(x，y)为空气侧摩擦速度，与风速和粗糙度相关，u*a(x，y)根据公式(3)计算得到：
式中，k是冯卡门常数，取值0.41；U10(x，y)为海表面十米处风速；z0(x，y)是海表面空气侧粗糙度，根据式(4)计算得到：
式中，Hs(x，y)是海面有效波高，由步骤1中的近岸海浪模式输出得到；
根据式(5)计算Charnock数β(x，y)：
根据式(6)计算水侧摩擦速度u*w(x，y)：
u*a(x，y)＝(pw/ρa)u*w(x，y) (6)
式中，ρw为海水密度，ρa为空气密度，取
此外，根据式(7)计算海表面摩擦度zw(x，y)，用于后续步骤3计算：
式中，g是重力加速度。
进一步地，步骤3中，所述的改进后的普林斯顿海洋模型包括：
改进后的湍动能方程如式(8)所示：
改进后的湍动能方程的边界条件为：
式中，q2/2是湍动能；z是垂向坐标；t是时间；S2是平均速度剪切，U是x方向流速，V是y方向流速；N2是位势密度梯度，ρ0是参考密度，是平均密度；B1＝16.6是模型常数；
KM为动量的混合系数、KH为温度的混合系数、Kq为湍的混合系数，KM，KH，Kq的计算公式如(10)所示：
(KM，KH，Kq)＝lq(SM，SH，Sq) (10)
式中，SM是KM的稳定函数，SH是KH的稳定函数，Sq是Kq的稳定函数，SM和SH是(lN/q)2的函数，一般Sq＝0.41SH；在近表面(SM，SH，Sq)＝(0.30，0.49，0.20)；
l是海表附近的湍流混合长度，由公式(11)计算得到：
l＝max(kzw(x，y)，lz) (11)
式中，lz是由普林斯顿海洋模型中Mellor-Yamada2.5阶湍闭合模型计算出的湍流混合长度的值。
进一步地，步骤4中，所述的海洋水文要素数据包括海洋温度、盐度和流速场。
本发明的有益效果是：本发明这种单向耦合系统将波浪破碎参数由定值替换为实时数据，体现了波浪破碎效应对海洋的动态化影响，提高了物理模型模拟海洋动力过程的精度，对于更加准确地分析海洋中物质、热量、动量以及能量交换和众多的物理、生化过程以及完善极端天气情况下的海洋灾害预报模型具有重要意义，也为正确认识海洋环流和全球气候提供有力的技术参考，并为建立全球化海—气耦合模型奠定基础。
附图说明
图1：本发明计算实时波浪破碎致混合的动态模拟方法流程图。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
如附图1所示，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，近岸海浪模式(SWAN)开始运行，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数据文件，终止运行。其中，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。
SWAN是第三代近岸海浪数值模式，采用基于能量守恒原理的平衡方程，选用了全隐式的有限差分格式，无条件稳定，使计算空间网格和时间步长不受限制。在平衡方程的各源汇项中，考虑了风输入，三相波、四相波相互作用，底摩擦，波浪破碎和白浪耗散，被广泛运用于浅水条件下的波浪模拟。
步骤2，建立波浪破碎参数计算模型，波浪破碎参数计算模型接收到波浪参数数据文件，开始运行，计算得到波浪破碎参数场，输出数据文件后终止运行。其中，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。
波浪破碎参数计算模型是一个计算实时波浪破碎参数的模型，需要波高、波长、周期等波浪参数数据作为输入，本质是非定常波浪破碎参数化方案。
非定常波浪破碎参数化方案：
根据公式(1)计算波浪在主频率的相速度Cp(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αCB(x，y)：
式中，u*a(x，y)为空气侧摩擦速度，与风速和粗糙度相关，u*a(x，y)根据公式(3)计算得到：
式中，k是冯卡门常数，取值0.41；U10(x，y)为海表面十米处风速；z0(x，y)是海表面空气侧粗糙度，根据式(4)计算得到：
式中，Hs(x，y)是海面有效波高，由步骤1中的近岸海浪模式输出得到；
根据式(5)计算Chamock数β(x，y)：
水侧摩擦速度u*w(x，y)与空气侧摩擦速度u*a(x，y)通过公式(6)转换：
u*a(x，y)＝(ρw/ρa)u*w(x，y) (6)
式中，ρw为海水密度，ρa为空气密度，取
此外，根据式(7)计算海表面摩擦度zw(x，y)，用于后续步骤3计算：
式中，g是重力加速度。
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。
普林斯顿海洋模型(POM)是一个三维斜压原始方程数值海洋模式，采用蛙跳有限差分格式和分裂算子技术，被国内外学者广泛应用于潮流、风生流、混合层和跃层、热盐环流、海洋环流和输运的模拟。对原有普林斯顿海洋模式进行改进，在普林斯顿海洋模式的Mellor-Yamada2.5阶湍封闭模型中加入波浪破碎效应，使普林斯顿海洋模式包含非定常的波浪破碎参数化计算方法，得到改进后的Mellor-Yamada2.5阶湍封闭模型。
改进后的Mellor-Yamada2.5阶湍封闭模型为：
在Mellor-Yamada 2.5阶湍流闭合方案的基础上，通过改进湍动能方程并在湍动能方程的上边界条件引入由波浪破碎生成的湍动能输入源项，以及在湍流混合长度方程的上边界条件引入海表粗糙度以确定波浪破碎的影响深度，来加入波浪破碎效应。
改进后的湍动能方程如式(8)所示：
改进后的湍动能方程的边界条件为：
式中，q2/2是湍动能；z是垂向坐标；t是时间；S2是平均速度剪切，U是x方向流速，V是y方向流速；N2是位势密度梯度，ρ0是参考密度，是平均密度；B1＝16.6是模型常数；
KM为动量的混合系数、KH为温度的混合系数、Kq为湍的混合系数，KM，KH，Kq的计算公式如(10)所示：
(KM，KH，Kq)＝lq(SM，SH，Sq) (10)
式中，SM是KM的稳定函数，SH是KH的稳定函数，Sq是Kq的稳定函数，SM和SH是(lN/q)2的函数，一般Sq＝0.41SH；在近表面(SM，SH，Sq)＝(0.30，0.49，0.20)；
l是海表附近的湍流混合长度，由公式(11)计算得到：
l＝max(kzw(x，y)，lz) (11)
式中，lz是由普林斯顿海洋模型中Mellor-Yamada2.5阶湍闭合模型计算出的湍流混合长度的值。
步骤4，改进后的普林斯顿海洋模型接收到波浪破碎参数文件后，开始运行，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(包括海洋温度、盐度和流速场等)文件后，终止运行。
当改进后的普林斯顿海洋模型运行完成时，输出的海洋水文要素数据就体现出来波浪破碎效应对海洋环流过程的影响。相比于不考虑波浪破碎过程或只考虑定常的波浪破碎过程，本发明更符合实际海洋中发生的物理过程，体现了波浪破碎对海洋的动态化影响，可以完善海洋数值模式的物理机制，从而可以大大提高模型的模拟和预报精度，对研究分析海洋中物质、热量、动量以及能量交换和众多的物理、生化过程有重要的意义。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
