海上试验场对近岸波浪数值模式研究工作的支撑作用分析

王鑫，韩林生，朱锐，吴迪

（国家海洋技术中心，天津 300112）

SWAN、TOMAWAC、MIKE21 等第三代波浪模型，可完整地提供工程应用所需的基本信息，如有效波高、波向、平均频率，以及完整的波浪谱分布等，已经被广泛应用于海洋环境预报、海洋防灾减灾以及港口工程等领域。近岸浅海海域是人类活动最为频繁的区域，其波浪动力环境也是实际工程应用的关注重点。但由于传至近岸的波浪受破碎、海底与岸线反射等因素的影响，增加了对其进行精确模拟的难度，如何减小模拟误差，提高模拟精度，一直是该领域核心与焦点。在近岸划定一定面积的海域，建设海上试验场，并通过水深侧扫、长期水文气象观测、底质勘测等手段，获得高精度的水深数据、长时间序列的水文气象数据以及清晰的底质状况，从而为近岸波浪数值模型的相关研究工作提供有力的支撑，可极大的降低其研究周期与成本。本文将从波浪数值模型所描述的主要物理过程入手，分析其研究过程对各实海况数据的需求，并依此提出海上试验场相应的建设方案。

1 近岸波浪数值模型研究的需求分析

不断提高模拟精度是包括近岸波浪数值模型在内的所有数值模型研究的主要目的。为实现这一目的，改进对波浪传播、绕射、破碎等物理过程的数值表示，优化其数值方法，是主要手段。当然，优化改进的过程中，利用大量实测数据进行验证是必不可少的环节。下文即对波浪数值模型描述的主要物理过程和验证所需的实测数据类型进行分析，为试验场建设方案设计提供依据。

1.1 波浪数值模型模拟的主要物理过程

波浪数值模型模拟的主要物理过程分两部分，一是波浪的传播过程，二是波浪的产生和耗散。波浪的传播过程部分中又包括：由流和非平稳的水深变化引起的折射、由水底和流的变化引起的浅化、逆流传播时的阻碍和反射、波浪在几何空间的传播、次网格障碍物对波浪的阻碍和波浪通过次网格障碍物的传播、波生增水等。波浪的产生和耗散部分中又包括：风输入、白帽破碎、水深变浅引起的破碎、三波和四波非线性相互作用等。不同的物理机制在不同的海域条件下，其相对重要程度有所不同（表1） （SWAN user guide； TOMAWAC；MIKE21 User guide，2008）。

表1 不同的物理机制在不同的海洋区域内的相对重要性

可见，模型用来描述其主要物理过程所应用的动力学理论基础，以及针对不同海域情况，对物理过程的简化与近似策略，是模型模拟结果优劣的重要决定因素之一。当然，模式选择的差分、迭代、网格分辨率设置等数值解决方案也在很大程度上影响着模型的模拟效果，但其问题是基本可在实验室研究解决的，不在本文的讨论之列。

1.2 波浪数值模型的主要输入数据

一般波浪数值模型的主要输入数据和定义的参数包括：水深数据、边界条件数据、风场数据、流场数据、潮位数据、摩擦参数、深水破碎参数、浅水破碎参数等。上述数据均需要转换为模式可识别的格式，不过当前模式研究的发展已极大提升了对不同格式数据的兼容性，数据格式转换已日趋简化。此外，对于当前第三代波浪数值模型而言，还需要对模拟海域的波浪谱型进行选择。对模式结果的验证还需要现场波浪实测数据，这是模式调整已提高模拟精度的重要一步（图1）。

图1 波浪数值模拟流程图

输入数据误差是第三代波浪数值模型误差的主要来源之一，波浪模拟结果对于输入风场数据具有较高的敏感度，因此，保证输入风场数据的精度与分辨率，可作为保证模型模拟结果精度的有效手段。数值模型描述的物理过程中，风输入通常作为构建能量平衡方程的源项，除风速外，其所包含的风时、风区要素也对方程构建合理性起着决定作用。另外，深水破碎参数、浅水破碎参数、白帽破碎过程描述与模式波浪谱的选择密切相关；底摩擦与水深变浅引起的折射等过程的确定，与海底底质情况有着直接的联系（VengatesanVenugopal et al，2011；孙斌，2010；李杰，2005）。

2 海上试验场建设的基本条件

依前文分析，构建可为波浪数值模型研究提供支撑的海上试验场，需具备两方面的条件。一是适宜的自然环境，如场区内有多层级规律变化的水深、有流向规律的流场、有可作为次网格障碍物的岛礁等，即场区内有丰富的自然条件可作为模式各物理过程的模拟对象，以达到对模式物理机制构建方案研究与验证的目的。二是能够获得场区当地多年的风场历史数据、有一年的实测波浪和流场数据、至少有1 ∶5 000（或更为精细）的水深调查数据、有底质勘查数据等，其中要得到齐备的风场历史数据，还需要借助全球风场模拟的结果。（李孟国等，2002；李春颖等，2003；冯芒等，2003）作为输入条件和结果验证依据的实测数据对当前各主流模式而言具有较强的通用性，在特定的场区拥有并不断丰富这些数据，可极大的降低模式研究的成本（图2）。

图2 水深实测数据示意图

3 试验场建设构想

用于支撑波浪数值模型在近岸区域应用研究工作的海上试验场的建设，在依海上试验场建设基本条件选定场址后，可分为前期建设和后期运行服务两个阶段。前期建设阶段的工作重点在于场区监测系统的设置与全区域的精细勘测，目的是以此获得数值模式所需的作为输入条件和结果验证依据的水深实测数据（图3）。

监测系统设置的目的，是实现全场区各波浪要素的“透明化”，即准确掌握全场区各波浪要素，系统设置应该是在确定场区数值模拟方案基础上进行的，设置时应重点关注场区内水深分布，保证在各水深波浪、海流的代表位置布设观测装置，各水深原则上应布设同类型的观测装置，以保证获取数据的可比性；各水深布设装置应具备同步观测和实时通讯能力，目的是保证数据时间序列的同步性。（图4）如场区内有可作为次网格障碍物的岛礁，可在岛礁的背浪测设置波浪观测装置。

后期运行服务阶段工作的重点在于数据的对外服务方案，即要搭建一个服务平台，将试验场积累的大量历史数据和实测数据分类存储，设置调用权限，方便各权限的用户调用（图5，图6）。当然，监测系统后期维护也是必要的工作。

4 结论

从事开源代码波浪模型研究、商业模型软件研发或自主研发波浪数值模型的用户，可利用试验场环境模型在近岸区域应用的相关问题开展研究。如，要对模型中流和非平稳的水深变化引起的折射这一物理机制的设置进行优化，以提升模型的模拟精度。在试验场环境下，水深地形分布、底摩擦系数、波浪破碎系数等均为已知条件，且实测数据量充足，则物理机制不同的优化方案对模型精度提升作用的比较与优选就很容易实现。

图3 场区水深实测数据网格示意图

图4 观测系统设置示意图

图5 服务平台架构示意图

图6 服务平台硬件组成示意图

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.

冯芒，沙文钰，朱首贤，2003.近岸波浪几种数值计算模型的比较，海洋预报，20（1）：52-59.

李春颖，李绍武，2003.基于Boussinesq 方程的波浪破碎模型的研究综述，4：1-4.

李杰，2005.风浪要素数值模拟，河海大学硕士论文.

李孟国，王正林，蒋德才，2002.近岸波浪传播变形数学模型的研究与进展，海岸工程，20（4）：43-57.

孙斌，2010.swan 模型在风浪场预报中的应用研究，天津大学硕士学位论文.