دانلود رایگان ترجمه مقاله توسعه یک مدل تعاملی موج – جریان پوشش گیاهی – الزویر 2017

مقاله انگلیسی رایگان

ترجمه فارسی رایگان 

بخشی از ترجمه فارسی مقاله:

چکیده
پوشش گیاهی غوطه ور می تواند به طور قابل توجهی بر روی هیدرودینامیک ساحلی تاثیر بگذارد. با این حال، مدل های عددی شامل جریان، امواج، و تلاطم نیست. در این مقاله، ما از اجرای یک ماژول موج ، جریان ، پوشش گیاهی برای توصیف یک اقیانوس اتمسفر ، موج و انتقال رسوب (COAWST) استفاده می کنیم . سیستم مدل سازی ای که شامل یک مدل جریان (ROMS) و یک مدل موج (SWAN)، و نشان دادن فرآیندهای مختلف با استفاده از حوضه های کم عمق ایده آل. مدل جریان اصلاح شده شامل گیاه ، وابسته به وضعیت سه بعدی، در تاج موج، و تبدیل انرژی جنبشی به پارامترهای عمودی. تبدیل متغیرهای مربوط به پوشش گیاهی به مدل جریان و مدل موج برای اتلاف انرژی موج به دلیل وجود پوشش گیاهی است. (موضوع مطالعه) 1- نشان می دهد که اعتبار گیاه وابسته به پارامتر وضعیت مقاومت در اندازه گیری میدانی 2- نشان می دهد که مدل قادر به تولید به مثل میانگین و جریان آشفته میدانی در حضور پوشش گیاهی در مقایسه با آزمایش های مختلف آزمایشگاهی، 3- تعامل پوشش گیاهی و جریان از طریق تحلیل شرایط در تعادل حرکت فراهم می کند ، 4- توصیف تأثیر یک پوشش گیاهی مستغرق بر جریانهای جزر و مدی و امواج به طور جداگانه و با هم 5- پیشنهاد مسیر آینده برای تحقیق و توسعه.

4.2.3. هزینه محاسباتی، موانع و ملاحظات آینده
ما در هزینه های محاسباتی با استفاده از ماژول پوشش گیاهی نسبت به رویکرد ساده سازی که با استفاده از زبری پایین برای مقایسه افزایش کشیدگی در حوزه مدل محاسبه کردیم. افزایش هزینه های محاسباتی ناشی از قطعات مختلف مدل، به طور عمده در دانه های 2D و 3D و مدل اختلاط عمودی GLS است که محاسبه مقادیر آشفتگی را انجام می دهد (جدول 2). به طور کلی، هزینه محاسباتی ماژول پوشش گیاهی و اجرای قطعه پوشش گیاهی توسط رسوبات درشت دانه بیش از 6 درصد افزایش را نشان داده است. افزایش از محاسبه کشیدن پوشش گیاهی و شرایط آشفتگی در ماژول پوشش گیاهی رخ می دهد. این شرایط پس از آن به هسته 2D، 3D معادلات مومنتم، و پارامتر اختلاط عمودی اضافه شده است.
پیاده سازی این قابلیت در COAWST چند موانع عددی و مفهومی، که تحقیقات آینده و عیب یابی نیاز به روبرو شد. به عنوان مثال، رام مدل هیدرودینامیک مورد نیاز یک گام زمان کاهش می یابد با ماژول گیاهی (به عنوان مثال 1 بازدید کنندگان به جای 10 بازدید کنندگان) برای از بین بردن بی ثباتی ناشی از شیب سرعت تیز. ما همچنین دریافتیم که خاصیت شناوری و برشی افقی شرایط در مدل تلاطم نیاز به ناهموار شود برای جلوگیری از آشفتگی در گوشه ای از پچ پوشش گیاهی است. یک راه حل ممکن است به تدریج تا سطح شیب دار تراکم پوشش گیاهی در وصله، که هر دو می توانید از طریق اصلاح کاتیون فی دهی اولیه فی لو انجام می شود، یا از طریق یک فی کاتیون برنامه نویسی مودی. مدل SWAN در حال حاضر برای انواع پوشش گیاهی چند حساب نمی کند و انرژی موج (با توجه به پوشش گیاهی) طیفی پراکنده نیست؛ به عنوان مثال اتلاف به صورت یکنواخت در سراسر طیف موج استفاده می شود. در مورد نوع پوشش گیاهی چند تراکم ساقه معادل تعریف در رام و قو است. در نسخه های آینده از SWAN برای خواص گیاه مکانی متغیر را به عنوان در رام حساب. در نهایت، یک مطالعه پارامتر نظام مند عدم اطمینان از پارامتر مدل های متعدد اجرا در اینجا محدود. توسعه این ابزار منبع باز اجازه خواهد داد که این مطالعات به آغاز شود.
پیاده سازی این قابلیت در COAWST چند موانع عددی و مفهومی، که تحقیقات آینده و عیب یابی نیاز به روبرو شد. به عنوان مثال، رام مدل هیدرودینامیک مورد نیاز یک گام زمان کاهش می یابد با ماژول گیاهی (به عنوان مثال 1 بازدید کنندگان به جای 10 بازدید کنندگان) برای از بین بردن بی ثباتی ناشی از شیب سرعت تیز. ما همچنین دریافتیم که خاصیت شناوری و برشی افقی شرایط در مدل تلاطم نیاز به ناهموار شود برای جلوگیری از آشفتگی در گوشه ای از پچ پوشش گیاهی است. یک راه حل ممکن است به تدریج تا سطح شیب دار تراکم پوشش گیاهی در وصله، که هر دو می توانید از طریق اصلاح کاتیون فی دهی اولیه فی لو انجام می شود، یا از طریق یک فی کاتیون برنامه نویسی مودی. مدل SWAN در حال حاضر برای انواع پوشش گیاهی چند حساب نمی کند و انرژی موج (با توجه به پوشش گیاهی) طیفی پراکنده نیست؛ به عنوان مثال اتلاف به صورت یکنواخت در سراسر طیف موج استفاده می شود. در مورد نوع پوشش گیاهی چند تراکم ساقه معادل تعریف در رام و قو است. در نسخه های آینده از SWAN برای خواص گیاه مکانی متغیر را به عنوان در رام حساب. در نهایت، یک مطالعه پارامتر نظام مند عدم اطمینان از پارامتر مدل های متعدد اجرا در اینجا محدود. توسعه این ابزار منبع باز اجازه خواهد داد که این مطالعات به آغاز شود.
5. خلاصه و نتیجه گیری
ما یک ماژول موج- جریان پوشش گیاهی همراه در سیستم مدل سازی COAWST قابل اجرای پوشش گیاهی در رودخانه، دریاچه ، دهانه رودخانه و محیط های ساحلی را توسعه داده ایم. قطعات جدید رویشی در مدل جریان ROM به اجرا در آمد، کشیدگی سه بعدی یعنی قسمت وابسته به وضعیت، مخلوط کردن عمودی، و جریان می باشد . مدل موج بازتولید شده ویژگی های کلیدی جریان پوشش گیاهی و تعامل هیدرودینامیک، به ویژه لایه های برشی قوی در بالای یک تاج پوشش زیردریایی که در ارتفاع به عنوان خم گیاهان متفاوت است. چارچوب نیز به روز شده است ، تبادل متغیرهای مربوط به پوشش گیاهی بین جریان و SWAN مدل موج برای اتلاف موج توسط پوشش گیاهی در حضور جریان ها و نوسانات سطح آب محاسبه شده است . نمایش نتایج: از مورد آزمون آرمانی در آب کم عمق ، وابستگی متقابل غیرخطی بین (جزر و مد) جریان و موج دارای ویژگی هایی در حضور یک قطعه پوشش گیاهی است. به طور خاص، همراه موج، جریان مدل پوشش گیاهی نشان می دهد که اصلاح پوشش گیاهی ویژگی های موج (ارتفاع، دوره، شیب، و جهت) در درجه اول با اتلاف انرژی موج ناشی از کار بر روی پوشش گیاهی ساقه ها توسط نیروی پسا عبوری از قطعه و در وهله بعد توسط سطح آب و میدانهای فعلی: الف) هر (مثبت یا منفی) شیب تراز سطح آزاد در سراسر قطعه پوشش گیاهی ناشی از میرایی موج کاهش می دهد، ؛ ب) نرخ اتلاف موج کاهش / افزایش زمانی که امواج به فرستنده / در برابر جریان، در حالی که (درونی) فرکانس موج افزایش می یابد / برای حفظ تراکم موج باعث افزایش پخش شدگی میگردد / اتلاف موج توسط اصطکاک تخت و کشیدن پوشش گیاهی است. به موازات، نفوذ امواج جریان؛ بنابراین، تغییر ظرفیت امواج عبوری از پوشش گیاهی برای کاهش سرعت و تنظیم سطح آب است. این مدل به درک بهتر از نحوه پوشش گیاهی آبزی در محیط فیزیکی کمک می کند و به طور کلی، یک ابزار چند رشته ای برای اطلاع رسانی در تصمیم گیری از پتانسیل اکولوژیک و اقتصادی مزایای پوشش گیاهی آبزی فراهم می کند.

بخشی از مقاله انگلیسی:

Abstract

Emergent and submerged vegetation can significantly affect coastal hydrodynamics. However, most deterministic numerical models do not take into account their influence on currents, waves, and turbulence. In this paper, we describe the implementation of a wave-flow-vegetation module into a Coupled-Ocean-AtmosphereWave-Sediment Transport (COAWST) modeling system that includes a flow model (ROMS) and a wave model (SWAN), and illustrate various interacting processes using an idealized shallow basin application. The flow model has been modified to include plant posture-dependent three-dimensional drag, in-canopy wave-induced streaming, and production of turbulent kinetic energy and enstrophy to parameterize vertical mixing. The coupling framework has been updated to exchange vegetation-related variables between the flow model and the wave model to account for wave energy dissipation due to vegetation. This study i) demonstrates the validity of the plant posture-dependent drag parameterization against field measurements, ii) shows that the model is capable of reproducing the mean and turbulent flow field in the presence of vegetation as compared to various laboratory experiments, iii) provides insight into the flow-vegetation interaction through an analysis of the terms in the momentum balance, iv) describes the influence of a submerged vegetation patch on tidal currents and waves separately and combined, and v) proposes future directions for research and development.

4.2.3. Computational expense, obstacles and future considerations

We compared the computational costs of using the vegetation module relative to a simplified approach that uses bottom roughness to account for increased drag in the model domain. The increase in the computational costs arises in different parts of the model, mainly in the 2D and 3D kernels, and the GLS vertical mixing model which computes turbulent quantities (Table 2). Overall, the vegetation module increases computational costs by 6% over a run where the vegetation patch is represented by coarser sediment. The increase occurs from the calculation of the vegetation drag and turbulence terms in the vegetation module. These terms are then added to the 2D kernel, 3D momentum equations, and vertical mixing parameterization. The implementation of this functionality in COAWST was met by several numerical and conceptual obstacles, which will require future investigation and troubleshooting. For example, the ROMS hydrodynamic model required a reduced time step with the vegetation module (e.g. 1 s instead of 10 s) to eliminate instabilities resulting from sharp velocity gradients. We also found that horizontal buoyancy and shear terms in the turbulence model needed to be unsmoothed to avoid perturbations at the corner of the vegetation patch. One possible solution is to gradually ramp up vegetation density into the patch, which can either be accomplished through modification of the initialization file, or through a coding modification. The SWAN model currently does not account for multiple vegetation types, and does not dissipate wave energy (due to vegetation) spectrally; i.e. dissipation is applied uniformly across the wave spectra. In the case of multiple vegetation types an equivalent shoot density is defined in ROMS and SWAN. Future versions of SWAN will account for spatially-variable plant properties as in ROMS. Lastly, a systematic parameter study would constrain the uncertainty of the numerous model parameterizations implemented here. The development of this open-source tool will allow such studies to commence.

5. Summary and conclusion

We have developed a coupled wave-flow-vegetation module in the COAWST modeling system applicable to vegetated flows in riverine, lacustrine, estuarine and coastal environments. New vegetative components were implemented in the flow model ROMS, namely plant posture-dependent three-dimensional drag, vertical mixing, and waveinduced streaming. The model reproduces key features of flow-vegetation hydrodynamic interaction, in particular the strong shear layer at the top of a submerged canopy which varies in height as the plants bend. The coupling framework has also been updated to exchange vegetation-related variables between the flow and the wave model SWAN to account for wave dissipation by vegetation in the presence of currents and water level fluctuations. Results from the idealized test case in shallow water highlight the nonlinear interdependency between (tidal) flow and wave characteristics in the presence of a vegetation patch. In particular, the coupled wave-flow-vegetation model shows that the vegetation modifies the wave characteristics (height, period, steepness, and direction) primarily by wave energy dissipation resulting from the work done by drag force on the vegetation stems, and secondarily by influencing the water level and current fields: i) any (positive or negative) gradient of free surface elevation across the vegetation patch reduces vegetation-induced wave damping; ii) wave dissipation rate decreases/increases when waves propagate along/ against the current, while the (intrinsic) wave frequency increases/ decreases to conserve wave action density which enhances/diminishes wave dissipation by bed friction and vegetation drag. In parallel, waves influence the flow; therefore, waves alter the capacity of vegetation to reduce current speed and adjust water level. This model contributes to an improved understanding of how aquatic vegetation influences the physical environment and, more generally, provides a multidisciplinary tool for informing decision-making of the potential ecologic and economic benefits of aquatic vegetation.