基于SWAN-MIKE21 嵌套模型在大連灣某工程區(qū)的波浪后報模擬應用

莫忠璇 ，時閩生 ，呂迎雪 ，宋江偉 ，尚乾坤

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222；3.中交一航局第二工程有限公司，山東 青島 266071）

0 引言

隨著工程技術(shù)水平的發(fā)展，精細化施工作業(yè)對工程海區(qū)的波浪分析都提出更高的要求。國內(nèi)學者對波浪預報有過許多研究，研究熱點為臺風浪的雙向耦合模型預報[1]。實際工程中臺風出現(xiàn)的頻率較低，臺風預報不能完全滿足海上施工需求。非臺風期海浪模擬分析對海上工程的施工窗口期非常關(guān)鍵，這類模擬中海浪對大氣模式的反饋不明顯，故采用單向耦合模式。

對于非臺風期的海浪數(shù)值模擬研究，李本霞等[2]基于WW3-SWAN 構(gòu)建模型對青島、北海、三亞的海洋浴場進行預報模擬；方瑩等[3]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預報模式對深圳大鵬灣進行了數(shù)月的預報。M.M.Amrutha 等[4]總結(jié)各模型特點，提出WW3 模型適用于大洋區(qū)域波浪模擬，SWAN 適用于近岸波浪模擬。海港工程中一般采用MIKE21 模型模擬港區(qū)內(nèi)的波浪[5-6]。

本文構(gòu)建SWAN-MIKE21 的嵌套模型對工程區(qū)的波浪情況進行長時間的模擬。通過模擬結(jié)果分析外海波浪傳播至工程區(qū)域的特征。

1 研究資料及方法

1.1 研究區(qū)域

大連灣在黃海西北部，海底水深在灣西側(cè)較淺，東側(cè)較深。灣口處有2 座島礁，島礁對灣內(nèi)起到了掩護作用。本文采用2017 年12 月—2018年11 月的流速剖面儀觀測數(shù)據(jù)。研究的大區(qū)域為N46°—N24°、E102°—E140°，大區(qū)域作為 WRF模型的計算區(qū)域。中區(qū)域為N42°—N34°、E116°—E128°，中區(qū)域作為SWAN 模型的計算區(qū)域。小區(qū)域作為MIKE21 模型的計算區(qū)域，見圖1。觀測儀器的坐標為 N38.94°、E121.66°。

圖1 WRF 模型、SWAN 模型、MIKE21 模型區(qū)域平面圖Fig.1 Simulation area layout of WRF,SWAN,MIKE21 model

1.2 波浪數(shù)值模型簡介

本研究的波浪后報模式采用SWAN-MIKE21嵌套模型。SWAN 模型是基于波浪譜分析方程第三代波浪模型，該模型在給定風、底摩擦、海流情況下能準確地計算近海的波浪。MIKE21 系列模型是在工程波浪模擬計算中廣泛應用的波浪模型，包括基于波浪譜作用平衡方程的SW 模型[7]。

MIKE21 的SW 模型的控制方程為：

1.3 模型的驅(qū)動流程及背景數(shù)據(jù)

WRF 模型驅(qū)動采用ECMWF 的ERA-interiam模型再分析數(shù)據(jù)。SWAN 模型的驅(qū)動采用WRF 模型的海面10 m 風速。MIKE21 模型采用SWAN 模型波浪作為外海邊界條件、WRF 模型的風場作為區(qū)域風場。其中SWAN 模型采用Etopo1 地形數(shù)據(jù)庫，MIKE21 模型地形數(shù)據(jù)采用CMAP 和部分工程實測地形。底摩擦參考大連灣泥沙底質(zhì)中值粒徑等值線圖[8]。計算的驅(qū)動流程見圖2。其中，ECMWF 為歐洲氣象中心的全球預報系統(tǒng)，GFS 為美國科研機構(gòu)開發(fā)的全球預報系統(tǒng)，WRF 模型是美國大氣研究中心研發(fā)的中尺度氣象模型。

圖2 海浪數(shù)值預報系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure chart of wave numerical prediction system

1.4 模型的網(wǎng)格劃分及參數(shù)設(shè)置方案

本文采用WRFV4.0 的ARW 框架。水平向網(wǎng)格采用大小為27 km 和9 km 雙向嵌套，垂向分層為36 層，頂部最大壓強為2 500 Pa。微物理過程采用Lin 方案，積云對流采用Kain-Fritsch 方案，邊界層采用YU 方案。SWAN 模型的空間分辨率取0.1°×0.1°，時間步長取600 s，算法參數(shù)設(shè)置風能輸入采用Komen et al（1984），白浪耗散采用Hasselman，非線性波和線性波采用四波Hasselman的DIA 算法、三波Elderberky，深度誘導破碎關(guān)閉。MIKE21 SW 模型中底摩擦采用底質(zhì)中值粒徑方案。模型劃分中SWAN 模型網(wǎng)格較為粗糙。MIKE21 模型的網(wǎng)格、底摩擦需根據(jù)計算結(jié)果的偏差反復調(diào)整。

2 模型結(jié)果的驗證與分析

2.1 實測波浪數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析

實測資料中平均有效波高Hs達到0.21 m，7月、8 月的有效波高較大，Hs分別達到了0.26 m、0.28 m。測點觀測年中月平均Ts在3.2~4.1 s 之間。在11 月—次年3 月，強浪向為ENE 向，在4—10 月，強浪向變?yōu)镋 向。各月份的最大波浪要素見表1。

表1 觀測點年度波浪特征值最大值表Table 1 Maximum annual wave characteristic values at observation points

2.2 工程區(qū)域海浪后報模擬結(jié)果

本文選取8 月作為SWAN-MIKE21 模型的后報模擬時間。8 月14—16 日時（圖3 中為312~384 h），臺風溫比亞經(jīng)過黃海海域，氣象水文條件較為復雜，模擬的效果相對較差。模擬的結(jié)果中，后報波高與模擬波高平均絕對誤差為0.2 m，平均相對誤差為36%。模擬期間波浪較大的3 個時段 8 月 15 日、8 月 17 日、8 月 20 日，后報模型的波高均相應增大。工程后報波高與坐底儀器實測波高如圖3 所示。

圖3 工程后報波高與坐底儀器實測波高比較Fig.3 Comparison of hindcast wave height and measured wave height of sitting instrument

2.3 后報模擬結(jié)果及敏感性分析

統(tǒng)計外海波高為模型邊界上的波要素。波浪極值1 時刻的空間分布圖見圖4。3 個極值時，外海波要素、區(qū)域風場、實測波要素見表2。

圖4 有效波浪分布圖（波浪極值1）Fig.4 Effective wave scatter diagram(Big wave 1)

表2 后報模擬的波浪要素、風要素Table 2 Wave elements and wind elements of hindcast simulation

由表2 可知，模擬的波高結(jié)果與實測值基本接近，外海為SE 向浪時擬合度更好。波浪極值1和波浪極值2 時，當波浪從外海傳播至工程區(qū)時，波浪方向從SE 向浪變?yōu)榱薊 向浪；波浪極值3時，E 向浪變?yōu)榱薊NE 向浪。

實測資料中，8 月的強浪向為E 向，11 月的強浪向為ENE 向。11 月的強風向為NNW 向。敏感性分析中，波浪極值1 情況下，去除了區(qū)域風場，工程區(qū)的波向仍為E 向，計算結(jié)果波高變小；將區(qū)域風場從E 向變?yōu)镹W 向時，計算結(jié)果工程區(qū)的波向變?yōu)镋NE 向。敏感性分析說明當區(qū)域風場風向為E—SE 向時，風場有利于波浪向工程區(qū)傳播，會增大工程區(qū)的波高，如8 月的強浪情況。當區(qū)域風場風向為N—NW 向時，會把工程區(qū)的波向從E 向變?yōu)镋NE 向。以2018 年11 月為例，大連區(qū)域盛行N—NW 風，故此時波浪的強浪向為ENE 向。綜上，工程區(qū)域的波浪為外海波浪、區(qū)域風場共同作用的結(jié)果。

基于定型的后報模型，可回溯模擬過去5~10 a內(nèi)的波浪情況。同時后報模型能為預報模型奠定基礎(chǔ)。本文尚未考慮臺風期風場和波浪場雙向耦合，波流耦合等情況。

3 結(jié)語

本文建立了大連灣及其近岸區(qū)域的波浪后報系統(tǒng)，系統(tǒng)包括了SWAN-MIKE21 嵌套模型、附屬的WRF 模型。通過分析模型計算的波浪結(jié)果，得出如下結(jié)論：

1）SWAN-MIKE21 嵌套模型的波浪后報模擬結(jié)果絕對誤差小于0.2 m，基本能反映近海區(qū)域波浪傳播情況，但對臺風期的波浪過程，該后報模擬系統(tǒng)的模擬效果不夠理想。

2）工程區(qū)的波浪受到外海波浪繞射、折射和區(qū)域風場聯(lián)合作用的影響。當外海波浪為S—SE向時，波浪能傳入灣內(nèi)，其余方向的波浪較難傳入灣內(nèi)。

3） 當風速較大且為S—SE 向、外海波浪為SE 向時，工程區(qū)易有E 向大波浪。每年8 月份易出現(xiàn)這種情況，波浪較大。

4） 冬季時，區(qū)域風場為N 向到NW 向、且風速較大時，容易改變波浪的傳播方向，造成工程區(qū)域出現(xiàn)ENE 向強波浪。