海上风电场海域范围较大，常常多达上百台机组散布于几十甚至上百平方公里海域范围内，在施工建设及运营维护中，需要随时掌握每一个机位的潮汐潮流信息。传统的潮汐预报采用查表等方式，只能查询某一点潮汐信息，不能查询潮流。传统基于正交曲线的潮流预报系统，难以刻画该海域复杂的潮流变化，并不适用于海上风电场复杂的海域水动力环境。开展高分辨率的潮汐潮流预报查询系统的研究，进而开发出适用于海上风电场的潮汐潮流预报系统很有必要。

 

 

　　研究海域位于兴化湾外侧，南日岛东北侧。兴化湾位于福建省沿海中段，海湾总面积619.4平方公里。兴化湾口朝向东南，出南日群岛与台湾海峡相通。规划海上风电场位于兴化湾与台湾海峡连接相通处，规划面积约80km2(如图1所示)。

 

 

　　2.1模式特点

 

　　FVCOM模式是由马萨诸塞大学海洋科技研究院和伍兹霍尔海洋研究所联合开发的无结构三角形网格架构、有限体积、自由表面、三维原始方程海洋数值模型，其原始方程主要包含动量方程、质量连续方程以及温度、盐度和密度方程，在物理和数学上用垂向湍流闭合模型及水平湍流闭合模型对方程组进行闭合。在垂向上适用滓坐标系对不规则底部地形进行拟合，在水平上利用无结构三角形网格对水平计算区域进行空间离散。在数值计算上，利用对水平三角形控制体进行通量有限体积积分的方式对控制方程进行离散求解。该有限体积积分方法结合了有限元方法的自由几何拟和特性和有限差分方法的离散结构简单及计算高效的特性，从而能综合这两种方法的优点。通过FV原COM在近岸海域的实验对比结果表明，FVCOM在地形复杂海域的模拟具有比其他模式更好的结果。

 

　　2.2模式基本架构

 

　　模式的运行框架如图2所示。
 

 

　　2.3三角网格的设计

 

　　同有限元方法类似，FVCOM模式的计算区域需要划分成一些互不重合的三角形单元。每个三角形网格都由三个节点、三条边和一个中心组成。N和M分别表示计算区域内三角形的中心和节点的总个数，因此可将三角形中心和节点的坐标分别表示为：

 

　　因为三角形网格是互不重合的，所以N也代表是三角形的总数目。在每个三角形中，Ni(j)表示三角形的三个节点。，NBEi(j)来标号具有共同边的三角形;在开边界和海岸固边界处，NBEi(j)取值为0。在网格节点上，包含此节点的三角形个数记作NT(j)，每个三角形用NBi(m)来标号，其中m的取值为顺时针从1颐NT(j)。

 

　　FVCOM模式中标量和矢量是在三角形的不同位置进行计算的，其中灼，H，D，S，w，q2，q2l，Km，Kh，Am和Ah的等是在三角形节点上计算，u，v等矢量需要在三角形中心点上计算，垂向上，除了棕之外其他变量都在层的中间。
 

 

 

　　3.1计算区域与模式设置

 

　　本研究的计算区域包含了整个兴化湾以及南日岛附近海域，具体为西起119毅06'E、东到119毅42'E、南起25毅01'N、北到25毅32'N,包括了兴化湾、南日岛以及小日岛、南日群岛等岛屿。本研究的重点海域为南日岛海上风电场区域，因此本研究在形成计算网格时对该区域进行了加密，其中重点研究区域模式分辨率为150米，可以分辨该海域的所有岛屿及其附近复杂的地形;模式开边界处分辨率设为1000米，其他区域分辨率为500米。最后采用的计算网格如图5所示，重点区域加密计算网格如图6所示。本计算网格一共包含了三角形网格节点18460个，三角形单元35806个，垂向设为7个滓层。内外模时间步长分别为2s和1s。

 

　　3.2模式驱动

 

　　本研究主要是模拟该海域的潮汐潮流，因此只在边界上考虑了潮位的驱动。边界上采用M2，S2，K1，O1，N2，S2，P1，Q1共8个分潮的调和常数预报的水位作为驱动，边界上的调和常数来自NAO99潮汐模型。并参考海洋图集上的同潮图，将其内插到计算网格的边界点上。

 

 

　　4.1水位验证

 

　　潮汐长期站，2011年4月15日至5月18日模拟结果与实测结果对比如图7。由图可知，模拟水位与实测水位对比良好，水位模拟结果可靠。

 

　　4.2海流验证

 

　　涨潮期间的模拟流场与实测流场如图8和图9所示，落潮期间的模拟流场与实测流场如图10和图11所示。模拟和实测流场的对比显示，模拟结果基本准确的刻画出了涨潮和落潮期间的流场，流场模拟结果可靠。