一种基于三维波-流-沙耦合模型的选择适宜作业海区的方法技术

本发明专利技术服务于海上施工领域，尤其适用于一些对某些海洋要素敏感的海上施工，本发明专利技术能够为这些海上施工项目选取适宜作业的海区提供参考。本发明专利技术采用三维波‑流‑沙耦合模型，其中流场模型使用无结构三角网格、有限体积、自由表面、三维原始方程的海洋模FVCOM，波浪模型采用SWAN模型，泥沙模型使用FVCOM‑SED模型，并且采用WRF模型预报的风场和TPXO全球潮汐模型提取的潮汐信息作为模型的输入。由此得到的三维波‑流‑沙耦合模型可以给出流场、波浪场和泥沙场的详细信息，包含多种海洋要素信息，适用于不同海上作业类型适宜作业海区的选取参考。

【技术实现步骤摘要】
一种基于三维波-流-沙耦合模型的选择适宜作业海区的方法
本专利技术设置海上施工领域，尤其是一种基于三维波-流-沙耦合模型的海上适宜作业海区的选择方法。
技术介绍
适宜作业海区：这里的适宜作业指的是在海上风浪不过大、流速不过快、水体含沙量不过高的条件。随着我们国家越来越重视海洋经济的发展，越来越多的海上工程陆续开展，随之而来的必定是越来越多的海上作业。不同的海上作业项目对于海上风力、波浪、海流、能见度都有不同程度的要求，当这些海洋要素超过一定的阈值时，海上作业将不能真长地开展，并且可能会对人员及财产造成很大程度的威胁。因此我们在开展海上作业之前有必要对我们将要实施作业的海域的敏感海洋要素有一定的了解。随着数值模型及计算机技术的迅速发展，数值模拟手段已经日趋成熟，并在各个领域中发挥了重要的作用。本专利技术便是通过先进的数值模拟手段对指定海区的敏感海洋要素进行模拟从而能达到一个事先了解作业条件的目的，从而合理调配资源避免可能存在的安全隐患。在本专利技术之前，对于海上作业条件的判断通常主要通过海上风力的预报，而缺少相关的海流、波浪特别是能见度信息。通过本专利技术可以有效地给出风场、流场、泥沙场、波浪场信息，信息全面完整，更有利于选择适宜作业海区。
技术实现思路
本专利技术主要解决的问题是如何系统、科学地根据不同海上作业类型选择适宜作业海区的问题，本专利技术提供了一种基于三维波-流-沙耦合模型的适宜作业海区的选择方法。在通过模型计算得到的风场、流场、泥沙场、波浪场数据的基础上，根据不同海上作业种类对不同海洋要素的敏感程度，为不同海上作业种类计算出一个海上作业适宜因子，并通过计算得到的海上作业适宜因子与给定的适宜作业因子的临界值进行比较，判断海区是否适宜当前种类的海上作业，从而选择适宜作业的海区。在本专利技术中的风场和气压条件由WRF模型计算所得，为了提高计算的效率和精度，在使用WRF模型时采用三重嵌套、双向数据交换的方法。模式的计算区域将由三个不同尺度的区域构成。波-流-沙复合场数据将采用FVCOM流场模型、SWAN波浪模型及FVCOM泥沙模型耦合进行计算，从而得到风场、流场、波浪场、泥沙场的完整数据，从而对海区是否适宜作业进行判断。本专利技术为判断海区是否适宜作业提供了更为完整全面的数据支持，更加能适应不同海上作业的需求。并且结果生成速度快，使用成本低廉。附图说明图1是本专利技术的基于三维波-流-沙耦合模型的海上适宜作业区域的选择方法的整体流程示意图具体实施方式本专利技术所采用的WRF风场模型是美国国家大气科学研究中心NCAR(NationalCenterforAtmosphericResearch)，国家海洋和大气管理局NOAA(NationalOceanicandAtmosphericAdministration)等多个部门联合开发的新一代高分辨率中尺度预报模型和资料同化系统，分为ARW(AdvancedResearch-WRF)和NMM(NonhydrostaticMesoscaleModel)两个动力核。ARW是可压缩、欧拉、非静力平衡模式，同时有静力平衡选项，控制方程组为通量形式，采用地形跟随静压垂直坐标系，水平网格采用Arakawa-C交错格式，模式顶层气压为常数。ARW可用于10～106m空间精度的模拟研究，包括大涡模拟、斜压波模拟和过山气流模拟等理想化模拟(Idealizedsimulation)和物理过程参数化、资料同化和实时天气预报等的模拟(Realsimulation)。本专利技术使用的是ARWV3.3版本。为了提高计算效率和精度，本专利技术采用三重嵌套、双向数据交换的方法，在重点研究区域采用高分辨率网格，在重点研究区域外再嵌套一个分辨率稍低的较大区域的网格，最后再在最外层嵌套一个覆盖区域最大的网格，形成三级嵌套。并且使用可获得的卫星SST和Buoy数据和WRF模型进行数据同化来获得一个更加合理的结果。由上述WRF模型计算得到的风场的结果和由TPXO(全球海洋潮汐模型)提取的潮汐信息一同作为输入文件输入到本专利技术所使用的波-流-沙三维耦合模型中来计算包含多种海洋要素的复合场结果。本专利技术采用无结构三角网格、有限体积、自由表面、三维原始方程的海洋模型FVCOM模型对流场及泥沙进行模拟。其中FVCOM的控制方程为：FVCOM泥沙模型的控制方程为：模型可以包括无限多种具有不同粒径、沉降速度、密度等属性的泥沙组分，公式中Ci泥沙组分i的泥沙浓度，并且我们在原有的FVCOM泥沙模型的基础上还加入了制约沉降和紊动抑制的作用，这个作用对于更好地模拟水体含沙量有着重大的意义，其中制约沉降的公式为：其中ws，0表示单个泥沙颗粒在静水中的沉降速度，ws表示泥沙颗粒受到制约沉降作用后的有效沉降速度，φ表示絮团的体积浓度(φ＝c/cgel)，φp表示固体颗粒物的体积浓度(φp＝c/ρs)，c泥沙(絮团)的质量浓度，ρs是泥沙颗粒的密度。m代表了可能的非线性影响(在模型中我们取m＝2)在模型中的取值为ρs＝2650kg/m3，cgel是泥沙的胶化浓度(在模型中的取值为cgel＝81kg/m3)。其中紊动抑制作用的公式为：其中K0无层化作用下的水体中的紊动扩散，K表示层化作用下的水体紊动扩散，并且：其中Ri是梯度里查德森数，g是重力加速度，ρ是水体密度，因为在本文中使用的泥沙模型中温度设置为一固定值，因此这里的ρ仅是盐度和含沙量的函数(ρ＝ρ(S，C))。在原有的FVCOM-SED泥沙模型中，泥沙的垂向紊动扩散系数取的是与温盐的垂向紊动扩散系数相同的值，这显示是不合理的，因此在本专利技术中对于FVCOM-SED中的泥沙垂向紊动扩散系数进行了更改，选取了几种适用于不同粒径大小的泥沙垂向紊动扩散系数方程供使用者选择，第一种为：其中εs代表的是泥沙的垂向紊动扩散系数，εm代表的是温盐的垂向紊动扩散系数，w代表泥沙颗粒的沉降速度，该变量的取值将由于区域的选择而不同，u*代表的是摩阻流速，摩阻流速的确定有以下几种方法：1.测量黏性底层的流速分布,利用公式(1)计算摩阻流速。此方法需要精确测量非常接近床面的流速,通常这一距离为0.1mm量级。Poggi用一个带有光纤传输的激光测速仪倾斜于床面放置,测量了明渠流黏性底层的流速；通常的设备很难达到这一要求,除非测量水深较大但坡度和流速都比较小的流动。2.将实测雷诺应力垂线分布延长至床面求得床面切应力,再求得摩阻流速。水流的切应力包括黏性切应力和紊动切应力。黏性切应力主要作用于近壁流区,对远离壁面的流动,紊动切应力(即雷诺应力)占据了主要部分。方法b利用明渠水流的切应力沿水深呈线性分布的特性,通过测量雷诺应力的分布来计算摩阻流速。尽管雷诺应力的测量可能存在着误差,方法b仍被认为是相对可靠的。3.利用实测的流速分布,给定卡门常数值,根据公式(2)反算摩阻流速。此法需要给定卡门常数值,通常取κ＝0.4,但各次试验中的κ值并不一定准确的等于0.4,RaupachandAntonia在综述中提到实际试验的κ值在0.35～0.42之间都是合理的；Osterlund在最近的边界层测量中发现,如果壁面切应力也就是摩阻流速能独立得到,即使是在边界层流动中κ值也不等于0.4,其实测κ值在0.35～0.44之间,建议在边界层流动采用κ＝0.38。本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于三维波‑流‑沙耦合模型的选择适宜作业海区的方法，其特征在于：采用了国际主流的FVCOM流场模型对海洋流场进行模拟，同时采用SWAN波浪模型对波浪要素进行模拟，而且加入了FVCOM泥沙模型对泥沙场进行了模拟，并且实现了波‑流‑沙模型的耦合。开边界潮汐条件采用TPXO全球潮汐模型提取相应潮汐要素信息，风场采用三重嵌套的WRF风场模型模拟的数据，在此基础上再对海上作业的敏感海洋要素进行计算，最后确定适宜作业的海区。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维波-流-沙耦合模型的选择适宜作业海区的方法，其特征在于：采用了国际主流的FVCOM流场模型对海洋流场进行模拟，同时采用SWAN波浪模型对波浪要素进行模拟，而且加入了FVCOM泥沙模型对泥沙场进行了模拟，并且实现了波-流-沙模型的耦合。开边界潮汐条件采用TPXO全球潮汐模型提取相应潮汐要素信息，风场采用三重嵌套的WRF风场模型模拟的数据，在此基础上再对海上作业的敏感海洋要素进行计算，最后确定适宜作业的海区。2.如权利要求1所述的基于三维波-流-沙耦合模型的...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄云，柯科腾，陈伟，
申请(专利权)人：镇江海物信息技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32