海上試驗場對近岸波浪數(shù)值模式研究工作的支撐作用分析

王鑫，韓林生，朱銳，吳迪

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

SWAN、TOMAWAC、MIKE21 等第三代波浪模型，可完整地提供工程應(yīng)用所需的基本信息，如有效波高、波向、平均頻率，以及完整的波浪譜分布等，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境預(yù)報、海洋防災(zāi)減災(zāi)以及港口工程等領(lǐng)域。近岸淺海海域是人類活動最為頻繁的區(qū)域，其波浪動力環(huán)境也是實際工程應(yīng)用的關(guān)注重點。但由于傳至近岸的波浪受破碎、海底與岸線反射等因素的影響，增加了對其進(jìn)行精確模擬的難度，如何減小模擬誤差，提高模擬精度，一直是該領(lǐng)域核心與焦點。在近岸劃定一定面積的海域，建設(shè)海上試驗場，并通過水深側(cè)掃、長期水文氣象觀測、底質(zhì)勘測等手段，獲得高精度的水深數(shù)據(jù)、長時間序列的水文氣象數(shù)據(jù)以及清晰的底質(zhì)狀況，從而為近岸波浪數(shù)值模型的相關(guān)研究工作提供有力的支撐，可極大的降低其研究周期與成本。本文將從波浪數(shù)值模型所描述的主要物理過程入手，分析其研究過程對各實海況數(shù)據(jù)的需求，并依此提出海上試驗場相應(yīng)的建設(shè)方案。

1 近岸波浪數(shù)值模型研究的需求分析

不斷提高模擬精度是包括近岸波浪數(shù)值模型在內(nèi)的所有數(shù)值模型研究的主要目的。為實現(xiàn)這一目的，改進(jìn)對波浪傳播、繞射、破碎等物理過程的數(shù)值表示，優(yōu)化其數(shù)值方法，是主要手段。當(dāng)然，優(yōu)化改進(jìn)的過程中，利用大量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證是必不可少的環(huán)節(jié)。下文即對波浪數(shù)值模型描述的主要物理過程和驗證所需的實測數(shù)據(jù)類型進(jìn)行分析，為試驗場建設(shè)方案設(shè)計提供依據(jù)。

1.1 波浪數(shù)值模型模擬的主要物理過程

波浪數(shù)值模型模擬的主要物理過程分兩部分，一是波浪的傳播過程，二是波浪的產(chǎn)生和耗散。波浪的傳播過程部分中又包括：由流和非平穩(wěn)的水深變化引起的折射、由水底和流的變化引起的淺化、逆流傳播時的阻礙和反射、波浪在幾何空間的傳播、次網(wǎng)格障礙物對波浪的阻礙和波浪通過次網(wǎng)格障礙物的傳播、波生增水等。波浪的產(chǎn)生和耗散部分中又包括：風(fēng)輸入、白帽破碎、水深變淺引起的破碎、三波和四波非線性相互作用等。不同的物理機(jī)制在不同的海域條件下，其相對重要程度有所不同（表1） （SWAN user guide； TOMAWAC；MIKE21 User guide，2008）。

表1 不同的物理機(jī)制在不同的海洋區(qū)域內(nèi)的相對重要性

可見，模型用來描述其主要物理過程所應(yīng)用的動力學(xué)理論基礎(chǔ)，以及針對不同海域情況，對物理過程的簡化與近似策略，是模型模擬結(jié)果優(yōu)劣的重要決定因素之一。當(dāng)然，模式選擇的差分、迭代、網(wǎng)格分辨率設(shè)置等數(shù)值解決方案也在很大程度上影響著模型的模擬效果，但其問題是基本可在實驗室研究解決的，不在本文的討論之列。

1.2 波浪數(shù)值模型的主要輸入數(shù)據(jù)

一般波浪數(shù)值模型的主要輸入數(shù)據(jù)和定義的參數(shù)包括：水深數(shù)據(jù)、邊界條件數(shù)據(jù)、風(fēng)場數(shù)據(jù)、流場數(shù)據(jù)、潮位數(shù)據(jù)、摩擦參數(shù)、深水破碎參數(shù)、淺水破碎參數(shù)等。上述數(shù)據(jù)均需要轉(zhuǎn)換為模式可識別的格式，不過當(dāng)前模式研究的發(fā)展已極大提升了對不同格式數(shù)據(jù)的兼容性，數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換已日趨簡化。此外，對于當(dāng)前第三代波浪數(shù)值模型而言，還需要對模擬海域的波浪譜型進(jìn)行選擇。對模式結(jié)果的驗證還需要現(xiàn)場波浪實測數(shù)據(jù)，這是模式調(diào)整已提高模擬精度的重要一步（圖1）。

圖1 波浪數(shù)值模擬流程圖

輸入數(shù)據(jù)誤差是第三代波浪數(shù)值模型誤差的主要來源之一，波浪模擬結(jié)果對于輸入風(fēng)場數(shù)據(jù)具有較高的敏感度，因此，保證輸入風(fēng)場數(shù)據(jù)的精度與分辨率，可作為保證模型模擬結(jié)果精度的有效手段。數(shù)值模型描述的物理過程中，風(fēng)輸入通常作為構(gòu)建能量平衡方程的源項，除風(fēng)速外，其所包含的風(fēng)時、風(fēng)區(qū)要素也對方程構(gòu)建合理性起著決定作用。另外，深水破碎參數(shù)、淺水破碎參數(shù)、白帽破碎過程描述與模式波浪譜的選擇密切相關(guān)；底摩擦與水深變淺引起的折射等過程的確定，與海底底質(zhì)情況有著直接的聯(lián)系（VengatesanVenugopal et al，2011；孫斌，2010；李杰，2005）。

2 海上試驗場建設(shè)的基本條件

依前文分析，構(gòu)建可為波浪數(shù)值模型研究提供支撐的海上試驗場，需具備兩方面的條件。一是適宜的自然環(huán)境，如場區(qū)內(nèi)有多層級規(guī)律變化的水深、有流向規(guī)律的流場、有可作為次網(wǎng)格障礙物的島礁等，即場區(qū)內(nèi)有豐富的自然條件可作為模式各物理過程的模擬對象，以達(dá)到對模式物理機(jī)制構(gòu)建方案研究與驗證的目的。二是能夠獲得場區(qū)當(dāng)?shù)囟嗄甑娘L(fēng)場歷史數(shù)據(jù)、有一年的實測波浪和流場數(shù)據(jù)、至少有1 ∶5 000（或更為精細(xì)）的水深調(diào)查數(shù)據(jù)、有底質(zhì)勘查數(shù)據(jù)等，其中要得到齊備的風(fēng)場歷史數(shù)據(jù)，還需要借助全球風(fēng)場模擬的結(jié)果。（李孟國等，2002；李春穎等，2003；馮芒等，2003）作為輸入條件和結(jié)果驗證依據(jù)的實測數(shù)據(jù)對當(dāng)前各主流模式而言具有較強(qiáng)的通用性，在特定的場區(qū)擁有并不斷豐富這些數(shù)據(jù)，可極大的降低模式研究的成本（圖2）。

圖2 水深實測數(shù)據(jù)示意圖

3 試驗場建設(shè)構(gòu)想

用于支撐波浪數(shù)值模型在近岸區(qū)域應(yīng)用研究工作的海上試驗場的建設(shè)，在依海上試驗場建設(shè)基本條件選定場址后，可分為前期建設(shè)和后期運行服務(wù)兩個階段。前期建設(shè)階段的工作重點在于場區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)置與全區(qū)域的精細(xì)勘測，目的是以此獲得數(shù)值模式所需的作為輸入條件和結(jié)果驗證依據(jù)的水深實測數(shù)據(jù)（圖3）。

監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)置的目的，是實現(xiàn)全場區(qū)各波浪要素的“透明化”，即準(zhǔn)確掌握全場區(qū)各波浪要素，系統(tǒng)設(shè)置應(yīng)該是在確定場區(qū)數(shù)值模擬方案基礎(chǔ)上進(jìn)行的，設(shè)置時應(yīng)重點關(guān)注場區(qū)內(nèi)水深分布，保證在各水深波浪、海流的代表位置布設(shè)觀測裝置，各水深原則上應(yīng)布設(shè)同類型的觀測裝置，以保證獲取數(shù)據(jù)的可比性；各水深布設(shè)裝置應(yīng)具備同步觀測和實時通訊能力，目的是保證數(shù)據(jù)時間序列的同步性。（圖4）如場區(qū)內(nèi)有可作為次網(wǎng)格障礙物的島礁，可在島礁的背浪測設(shè)置波浪觀測裝置。

后期運行服務(wù)階段工作的重點在于數(shù)據(jù)的對外服務(wù)方案，即要搭建一個服務(wù)平臺，將試驗場積累的大量歷史數(shù)據(jù)和實測數(shù)據(jù)分類存儲，設(shè)置調(diào)用權(quán)限，方便各權(quán)限的用戶調(diào)用（圖5，圖6）。當(dāng)然，監(jiān)測系統(tǒng)后期維護(hù)也是必要的工作。

4 結(jié)論

從事開源代碼波浪模型研究、商業(yè)模型軟件研發(fā)或自主研發(fā)波浪數(shù)值模型的用戶，可利用試驗場環(huán)境模型在近岸區(qū)域應(yīng)用的相關(guān)問題開展研究。如，要對模型中流和非平穩(wěn)的水深變化引起的折射這一物理機(jī)制的設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化，以提升模型的模擬精度。在試驗場環(huán)境下，水深地形分布、底摩擦系數(shù)、波浪破碎系數(shù)等均為已知條件，且實測數(shù)據(jù)量充足，則物理機(jī)制不同的優(yōu)化方案對模型精度提升作用的比較與優(yōu)選就很容易實現(xiàn)。

圖3 場區(qū)水深實測數(shù)據(jù)網(wǎng)格示意圖

圖4 觀測系統(tǒng)設(shè)置示意圖

圖5 服務(wù)平臺架構(gòu)示意圖

圖6 服務(wù)平臺硬件組成示意圖

MIKE21 User guide,2008,http：//www.mikebydhi.com/

SWAN user guide,http：//vlm089.citg.tudelft.nl/swan/index.htm

TOMAWAC,http://actimar.free.fr/mambo/index.php?option=com_content&task=view&id=159&Itemid=215&lang=en

Vengatesan V, Thomas D, 2011, University of Edinburgh, UK, Wave Model Intercomparison.

馮芒，沙文鈺，朱首賢，2003.近岸波浪幾種數(shù)值計算模型的比較，海洋預(yù)報，20（1）：52-59.

李春穎，李紹武，2003.基于Boussinesq 方程的波浪破碎模型的研究綜述，4：1-4.

李杰，2005.風(fēng)浪要素數(shù)值模擬，河海大學(xué)碩士論文.

李孟國，王正林，蔣德才，2002.近岸波浪傳播變形數(shù)學(xué)模型的研究與進(jìn)展，海岸工程，20（4）：43-57.

孫斌，2010.swan 模型在風(fēng)浪場預(yù)報中的應(yīng)用研究，天津大學(xué)碩士學(xué)位論文.