基于efdc的渤海环流及其影响因素的数值模拟研究

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1、大连理工大学硕士学位论文1绪论1．1研究目的和意义海洋，被地球上的各个大陆板块分隔并彼此相通，与陆地共同包围着地球表面，其面积约有3．6亿平方公里，约占地球表面积的71％。从生命起源至今，海洋为生命万物提供了源源不断的能量和资源。随着人类的不断发展和科技的飞速进步，人类对海洋的认识从最初的简单利用海洋资源，到不断融入科技手段对海洋进行开发，再到现在逐渐引起人类重视的对海洋的保护，但到目前为止，人类对海洋的探索仍然有很多未知的领域。近些年来，对于合理开发和利用海洋资源已成为世界性的课题和关注焦点。人类的活动与海洋之间联系最密切、最直接的部分当属近岸海域。近

2、岸海域处于陆海交界区域，频繁的人类开发活动对其水环境的影响更为直接，同样，浅海海域的生态环境对人类的生产生活影响也最为显著。因此，研究近海海域是合理开发与保护海洋的重要基础。海洋环境最典型的特点就是海水始终处于运动之中，海水的运动对物质在海洋中的时空分布起着决定性的作用。就近岸海域而言，海中物质的长期迁移则主要取决于近岸海域的环流作用，而并非潮流作用，因此，近岸海域的环流问题成为浅海环境研究中的一个核心问题。浅海环流的研究工作，对科学地开发和保护近岸海域有着重要的意义。自从党的十四大报告中提出了要加快环渤海地区的开发与开放，这一地区就列为全国开放开发的重

3、点区域之一，“环渤海经济区”的概念也就此诞生。近些年来，国家对环渤海区域的经济发展投以足够的重视，在区域经济飞速发展的同时也注意到了保护海洋环境的重要性。渤海是一个半封闭陆缘浅海，平均水深仅有18m，其半包围式的岸线分布使之具有独特的自然环境和动力学特征【1]【21，渤海海域的环流也受其自然环境和动力学特征的独特性而体现出特有的结构。此外，由于受季节变化、海域上空的风场、潮流非线性效应、沿岸河流的入海流量和海区的轮廓和地形等多种因素的共同作用，渤海海域的环流结构较为复杂。渤海环流对该海域物质的输移发挥着决定性的作用，因此，深入研究渤海环流是科学地开展保护

4、渤海生态环境工作的前提，更是为之提供了有力的理论依据。对于研究渤海环流而言，实地观测的方法固然可靠，但海域面积大、观测手段的限制等因素使得观测的实效性较差。随着计算机技术日益成熟，采用数值模拟的方法来进行环流结构的研究已经被很多学者所接纳。数值模拟手段不仅能够再现以前的水动力过程，还能够通过预测的数据对未来的现象进行预测。基于EFDC的渤海环流及其影响因素的数值模拟研究因此，通过建立渤海海域的数值模型来展开对渤海环流的研究工作是有较大的实际意义。1．2国内外研究现状1．2．1海洋数值模拟研究进展海洋流体运动的数学表达是由一系列偏微分控制方程来描述的，在这

5、些复杂的偏微分方程中，除了极个别的方程，大部分都很难求得解析解。若要海洋数值模拟这样实际的问题得以解决，求解控制方程的数值解便成为一种有效途径，这种途径的具体方法是采用数值离散技术来求解方程的近似解，进而模拟海洋流体运动。随着工程实践的需求不断增加，海洋数值模拟技术也在进行着不断地改进和提高，同时也依赖于计算机技术的发展和进步。早在上个世纪40～50年代就出现了在海洋数值模拟方面开展的工作，伴随着计算机技术的进步，60年代开始海洋数值预报的工作也逐渐开展起来。但是早期的海洋数值模拟大多是在一维和二维的基础上进行的。进入20实际70年代，Leenderts

6、e等【jJ在海洋三维数值模拟研究方面做出了开创性的工作，在垂向上采用固定分层的方法，建立了海湾三维模型，模型考虑了潮流和盐度，这一里程碑式的工作开启了海洋数值模拟的新篇章。国外有人把七十年代物理海洋学称之为“实验的和预报的时代”。随着20世纪90年代的到来，科技迅猛发展，计算机技术日新月异，与此同时，三维海洋水动力数值模拟研究进入了蓬勃发展的时期。由美国Princeton大学的GeprgeL．Mellor和AlanBlumber于1977年创建的原始三维斜压海洋水动力数值模型POM(PrincentonOceanModel)，在水平方向采用正交曲线坐标，

7、垂向采用了由Phnips【4J提出的。坐标变换，差分格式采用“ArakawaC”网格，该模型最大突破是采用了内外模态分离技术，并采用湍流封闭模式进行垂向混合系数的计算。此后，Mellor和Blumberg等POM的基础上对模型加以改进和发展，形成了浅海三维水动力学模型ECOM(EstuarineCoastalandOceanModel)，与POM相比，ECOM最大的优势在于不收CFL条件的限制，从而可以取较长的时间步长。Hamrick等【5】基于正交益线网格建立了ROMS[6】模型，其在原始方程上改动较少且保持了方程离散简单的优点。HAMSOM(Hamb

8、urgShelfOceanModel)[7】【8]是一个由德国汉堡大学开发的、著