潮汐模型
關注創建者：CAE璐姐 創建時間：2021-03-22
潮汐模型的實例教程
通過使用OPW提供的詳細激光雷達數據，以及INFOMAR數據范圍外的海上數據（GEBCO 2014），最終生成了海灣區域內大尺度地形模型。
圖 2 模型地形以及網格
水動力條件主要由天文潮汐效應決定。為了正確地表示潮汐效應，最初，模型的離岸邊界條件設置為從TPXO衛星測高數據集獲取的數據。TPXO提供了基于13個潮汐調和成分的潮汐邊界條件，其空間分辨率為1/12°。
在初始試驗階段，將模型結果與多個地點公開的潮汐統計數據比較后發現：當計算僅包括天文潮汐效應時，模型的結果分析表明模型預測與現實數據存在明顯差異。而根據Tralee灣內Fenit碼頭測量數據的潮汐調和分析，發現TPXO數據集中未包含一些相對重要的潮汐成分。審查了不同的全球潮汐模型在該區域的性能表現后，發現FES2012和TPXO8在陸架海（淺海）中表現最好。而FES2014在FES2012的基礎上優化了數據，并且提供1/16°的分辨率以及高達34種潮汐成分，在之后的研究中將采取此類潮汐數據。
考慮到風暴潮是大氣風場和氣壓效應的耦合結果，同時也可能受到海岸幾何形狀和潮汐的影響，本研究遂引用大氣壓力、風速風向兩個數據源。
Met éireann調和模型Harmonie（歐洲氣象局）數據：使用氣象學基本方程表征大氣，并以2.5km的水平分辨率，65層的垂直分辨率生成各種地面參數（風、雨、溫度和降水）的預測數據。在00Z、06Z、12Z和18Z（世界協調時），每天生成四次周期為54小時，時間分辨率為1h的預報。
歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）模型：每天生成四次周期為10天的預報，空間分辨率為0.1°。
展開 達特港的底部高程數據由英國環境、食物和農村事務部提供，潮汐模型方面利用俄勒岡大學的TPXO歐洲大陸架區域1/30o精度潮汐數據庫作為初始和邊界條件(包含11 個潮汐分量：M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1,M4, MS4 & MN4)。
海洋部分邊界的溫度和鹽度在空間和時間上保持恒定（分別為12.2℃和35.1 kg/m3）。
考慮到達特港為淡水水域，達特河淡水輸入的溫度和鹽度分別為12.2℃和1.0 kg/m3的恒定值。
在水力模型中使用了非靜力Navier-Stokes方程，水平和垂直維度選用k-?湍流模型。考慮到底部摩擦，采用了Nikuradse定律，其中粗糙長度kx = 0.05，該值恒定并應用于整個計算域。數值模型的時間步長設定為1秒。
該模型從2015年12月1日開始為期兩個月運行，旨在捕捉達特港在不同潮汐階段的最高和最低流量。
下圖顯示了根據潮汐的模型計算結果，與英國水文局（UKH）的觀測和預測結果相比對。
該模型很好地再現了大潮和小潮期間水位和水流速度的觀測結果，在幅度和相位方面表現出很高的擬合度。
【溢流污水細菌傳播模型和計算結果可關注“遠算云學院”公眾號免費獲取】
05
結語
在本文中，研究人員使用TELEMAC-MASCARET軟件模擬了達特港口溢流污水傳播大腸桿菌的過程，模型模擬了污水排放和潮汐條件的影響。結果表明，污染持續時間最長、河口大腸桿菌污染面積最大的情況發生在小潮和河流流量較低時。
該模型可構成了一種有效的預測工具，以便更好地表征溢流污水對當地水質的影響。在不久的將來我們也希望將其加以改進以用于研究氣候變化和人口增長對水質或微生物污染物管理的影響。
展開 由全球海洋潮汐模型（TPXO）在其模型的海洋邊界上施加壓力，再現潮汐現象。
圖 4 模型網格及其受力示意圖
如圖 4所示，為了在邊界處施加于墨卡托模型相關的環流速度分布圖，開發了一個特定模塊使速度能被施加到不同網格層的不同邊界上。海域內設置風場隨時間變化但在空間上是恒定的。研究采用k-ε湍流模型，根據曼寧定律計算摩擦系數，并且根據底部類型（砂、泥、礁）指定相關摩擦系數。
圖 5 仿真結果與觀測結果的水位對比
如圖 5所示，模型很好地再現了港口附近海域的水位，與實際觀測結果的偏差約在1-2cm內。圖 6則展示了在Duroc進口處3D模型計算結果和實際觀測結果的流速對比，整體吻合情況較好，模型結果具備正確的統計指數（偏差約為7cm/s）。
圖 6 在Duroc進口處仿真結果和觀測結果的流速對比
接下來使用一種簡單但現實的方案對泥沙進行建模：為了表示沉降期間泥沙的再懸浮，在模型中設置泥沙位于不同深度的水層中。總的來說，即根據海域流速異同，在平靜海況時注入5%的泥沙到海面及密度變化層，在動蕩條件（流速較大）時注入10%的泥沙至表面和密度變化層。模型根據實際測量數據，設置傾倒的泥沙為粒徑小于63μm的泥漿，其沉降速度約為0.1mm/s（忽略絮凝效應）。由于本次模擬只關注拋沙的影響，因此海床底部設置不考慮泥沙。傾倒大約每3h發生一次，單次持續5分鐘，因此設置每個時間步注入0.16m³的泥沙。當泥沙濃度高于10mg/L時（海洋深度小于100m），珊瑚礁視為受到影響。
研究將主要探究三種情形，即平靜條件時（弱風，波高0.5 m，海流0.2 m/s）；寒冷季節動蕩條件（波高1.8 m，微弱的西信風，無環流）和炎熱季節動蕩條件（波高1.8 m，強東南信風，海流0.4 m/s）。
展開 圖 2 研究區域（左上角）以及研究區域地形DEM示意圖
潮汐邊界
通過海洋邊界處的水位變化，讓水動力條件由潮汐和洋流控制，并將其包括在數值模型中。該模型具有東西兩個開放的、用于施加水力條件的邊界。通過從TPXO衛星測高數據集提取的潮位作為驅動水動力模型的邊界條件，研究者們向研究區域施加了時空變化的潮汐波動，從而模擬出大海的潮汐變化。其中，歐洲大陸架的TPXO全球海洋潮汐模型分辨率為1/30度（約3.7公里），由八個不同的潮汐分潮，和三個非線性分潮（M4、MS4和MN4）組成。
波浪條件
波浪條件由ERA5（ECMWF再分析數據）產生，通過估計歷史大氣活動信息，綜合數值模型和觀測數據得到。ERA5提供了高質量的中高分辨率大氣和海面水波參數估計，其水平分辨率為31km，每小時記錄有137個垂直標高的數據。
大氣條件
仿真模型的大氣壓力、風速及其方向也取自ERA5再分析數據集。研究人員通過獲取到的ERA5的校正后風速，按照其空間和時間分布插值到模型的網格節點處，可實現估算風所造成的應力變化和波浪的生成。
海床構成
在該研究模型中，研究人員按照泥沙粒徑定義了6種泥沙類別，分別為（從淤泥到粗礫石）：40μm（淤泥）、94μm（極細砂）、188μm（細砂）、375μm（中砂）、1.0mm（粗礫）和20mm（礫石）。根據此前的其他研究信息，針對部分已知的異常點位和信息修改了這些地質成分構成。
展開 02
模型建立
在TELEMAC2D和TOMAWAC的耦合模擬中，我們采用相同的水平方向的二維網格，如圖1所示：
模型內部邊界靠近風力發電廠站點邊界（黑點處），包括Wavenet Waverider浮標所在的位置（紅色三角形），外部為開放邊界。
我們將根據英國海洋數據中心（British Oceanographic Data Centre, BODC）提供的數據對模型進行校準和驗證。
一、潮汐模型
我們采用TELEMAC2D生成Gabbard模型來模擬探測點區域的潮汐作用，并在開放邊界處添加潮汐作用力（采用11種作用力模型：M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4和MN4)。
我們從英國海洋數據中心（BODC）的開放數據庫中提取了時間長度為22天的潮汐數據，用于驗證Gabbard模型得出的時間序列。
對比潮汐流動的速度大小和方向可以得出，模擬值的周期與觀測值完全一致。TELEMAC2D模擬得出的速度的平均值與BODC的數據有16%的相對偏差，且速度在春季時偏低。
二、波浪模型
我們使用TOMAWAC對波浪模型進行模擬，之后將其與TELEMAC2D進行外部耦合。
TOMAWAC是一種基于譜空間能量密度譜相位平均值建立的模型，它能夠提高發電機位置附近的局部分辨率，同時在發電機位置邊界處提高節點密度。
展開 
潮汐模型的相關專題、標簽、搜索
潮汐模型的最新內容
由全球海洋潮汐模型（TPXO）在其模型的海洋邊界上施加壓力，再現潮汐現象。
圖 4 模型網格及其受力示意圖
如圖 4所示，為了在邊界處施加于墨卡托模型相關的環流速度分布圖，開發了一個特定模塊使速度能被施加到不同網格層的不同邊界上。海域內設置風場隨時間變化但在空間上是恒定的。
其中，歐洲大陸架的TPXO全球海洋潮汐模型分辨率為1/30度（約3.7公里），由八個不同的潮汐分潮，和三個非線性分潮（M4、MS4和MN4）組成。
波浪條件
波浪條件由ERA5（ECMWF再分析數據）產生，通過估計歷史大氣活動信息，綜合數值模型和觀測數據得到。
圖 7 潮汐和浪涌模型的預測結果與觀測結果的對比
潮汐的起伏時間對于實時預報系統也很重要，根據圖 5 和圖 7 的結果，可知模型計算的潮汐時間與觀測結果能較好的重疊，基本滿足了預測系統的需求。
下圖顯示了根據潮汐的模型計算結果，與英國水文局（UKH）的觀測和預測結果相比對。
該模型很好地再現了大潮和小潮期間水位和水流速度的觀測結果，在幅度和相位方面表現出很高的擬合度。
一、潮汐模型
我們采用TELEMAC2D生成Gabbard模型來模擬探測點區域的潮汐作用，并在開放邊界處添加潮汐作用力（采用11種作用力模型：M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、M4、MS4和MN4)。
