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

莫忠璇 ，時(shí)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(guó)交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xì)化施工作業(yè)對(duì)工程海區(qū)的波浪分析都提出更高的要求。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)波浪預(yù)報(bào)有過(guò)許多研究，研究熱點(diǎn)為臺(tái)風(fēng)浪的雙向耦合模型預(yù)報(bào)[1]。實(shí)際工程中臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)的頻率較低，臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)不能完全滿(mǎn)足海上施工需求。非臺(tái)風(fēng)期海浪模擬分析對(duì)海上工程的施工窗口期非常關(guān)鍵，這類(lèi)模擬中海浪對(duì)大氣模式的反饋不明顯，故采用單向耦合模式。

對(duì)于非臺(tái)風(fēng)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(duì)青島、北海、三亞的海洋浴場(chǎng)進(jìn)行預(yù)報(bào)模擬；方瑩等[3]基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)報(bào)模式對(duì)深圳大鵬灣進(jìn)行了數(shù)月的預(yù)報(bào)。M.M.Amrutha 等[4]總結(jié)各模型特點(diǎn)，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(duì)工程區(qū)的波浪情況進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的模擬。通過(guò)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(duì)灣內(nèi)起到了掩護(hù)作用。本文采用2017 年12 月—2018年11 月的流速剖面儀觀測(cè)數(shù)據(jù)。研究的大區(qū)域?yàn)镹46°—N24°、E102°—E140°，大區(qū)域作為 WRF模型的計(jì)算區(qū)域。中區(qū)域?yàn)镹42°—N34°、E116°—E128°，中區(qū)域作為SWAN 模型的計(jì)算區(qū)域。小區(qū)域作為MIKE21 模型的計(jì)算區(qū)域，見(jiàn)圖1。觀測(cè)儀器的坐標(biāo)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(jiǎn)介

本研究的波浪后報(bào)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(fēng)、底摩擦、海流情況下能準(zhǔn)確地計(jì)算近海的波浪。MIKE21 系列模型是在工程波浪模擬計(jì)算中廣泛應(yīng)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(dòng)流程及背景數(shù)據(jù)

WRF 模型驅(qū)動(dòng)采用ECMWF 的ERA-interiam模型再分析數(shù)據(jù)。SWAN 模型的驅(qū)動(dòng)采用WRF 模型的海面10 m 風(fēng)速。MIKE21 模型采用SWAN 模型波浪作為外海邊界條件、WRF 模型的風(fēng)場(chǎng)作為區(qū)域風(fēng)場(chǎng)。其中SWAN 模型采用Etopo1 地形數(shù)據(jù)庫(kù)，MIKE21 模型地形數(shù)據(jù)采用CMAP 和部分工程實(shí)測(cè)地形。底摩擦參考大連灣泥沙底質(zhì)中值粒徑等值線(xiàn)圖[8]。計(jì)算的驅(qū)動(dòng)流程見(jiàn)圖2。其中，ECMWF 為歐洲氣象中心的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)，GFS 為美國(guó)科研機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)，WRF 模型是美國(guó)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(yù)報(bào)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(qiáng)為2 500 Pa。微物理過(guò)程采用Lin 方案，積云對(duì)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(shí)間步長(zhǎng)取600 s，算法參數(shù)設(shè)置風(fēng)能輸入采用Komen et al（1984），白浪耗散采用Hasselman，非線(xiàn)性波和線(xiàn)性波采用四波Hasselman的DIA 算法、三波Elderberky，深度誘導(dǎo)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(jì)算結(jié)果的偏差反復(fù)調(diào)整。

2 模型結(jié)果的驗(yàn)證與分析

2.1 實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析

實(shí)測(cè)資料中平均有效波高Hs達(dá)到0.21 m，7月、8 月的有效波高較大，Hs分別達(dá)到了0.26 m、0.28 m。測(cè)點(diǎn)觀測(cè)年中月平均Ts在3.2~4.1 s 之間。在11 月—次年3 月，強(qiáng)浪向?yàn)镋NE 向，在4—10 月，強(qiáng)浪向變?yōu)镋 向。各月份的最大波浪要素見(jiàn)表1。

表1 觀測(cè)點(diǎn)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(bào)模擬結(jié)果

本文選取8 月作為SWAN-MIKE21 模型的后報(bào)模擬時(shí)間。8 月14—16 日時(shí)（圖3 中為312~384 h），臺(tái)風(fēng)溫比亞經(jīng)過(guò)黃海海域，氣象水文條件較為復(fù)雜，模擬的效果相對(duì)較差。模擬的結(jié)果中，后報(bào)波高與模擬波高平均絕對(duì)誤差為0.2 m，平均相對(duì)誤差為36%。模擬期間波浪較大的3 個(gè)時(shí)段 8 月 15 日、8 月 17 日、8 月 20 日，后報(bào)模型的波高均相應(yīng)增大。工程后報(bào)波高與坐底儀器實(shí)測(cè)波高如圖3 所示。

圖3 工程后報(bào)波高與坐底儀器實(shí)測(cè)波高比較Fig.3 Comparison of hindcast wave height and measured wave height of sitting instrument

2.3 后報(bào)模擬結(jié)果及敏感性分析

統(tǒng)計(jì)外海波高為模型邊界上的波要素。波浪極值1 時(shí)刻的空間分布圖見(jiàn)圖4。3 個(gè)極值時(shí)，外海波要素、區(qū)域風(fēng)場(chǎng)、實(shí)測(cè)波要素見(jiàn)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(bào)模擬的波浪要素、風(fēng)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(shí)測(cè)值基本接近，外海為SE 向浪時(shí)擬合度更好。波浪極值1和波浪極值2 時(shí)，當(dāng)波浪從外海傳播至工程區(qū)時(shí)，波浪方向從SE 向浪變?yōu)榱薊 向浪；波浪極值3時(shí)，E 向浪變?yōu)榱薊NE 向浪。

實(shí)測(cè)資料中，8 月的強(qiáng)浪向?yàn)镋 向，11 月的強(qiáng)浪向?yàn)镋NE 向。11 月的強(qiáng)風(fēng)向?yàn)镹NW 向。敏感性分析中，波浪極值1 情況下，去除了區(qū)域風(fēng)場(chǎng)，工程區(qū)的波向仍為E 向，計(jì)算結(jié)果波高變小；將區(qū)域風(fēng)場(chǎng)從E 向變?yōu)镹W 向時(shí)，計(jì)算結(jié)果工程區(qū)的波向變?yōu)镋NE 向。敏感性分析說(shuō)明當(dāng)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向?yàn)镋—SE 向時(shí)，風(fēng)場(chǎng)有利于波浪向工程區(qū)傳播，會(huì)增大工程區(qū)的波高，如8 月的強(qiáng)浪情況。當(dāng)區(qū)域風(fēng)場(chǎng)風(fēng)向?yàn)镹—NW 向時(shí)，會(huì)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(fēng)，故此時(shí)波浪的強(qiáng)浪向?yàn)镋NE 向。綜上，工程區(qū)域的波浪為外海波浪、區(qū)域風(fēng)場(chǎng)共同作用的結(jié)果。

基于定型的后報(bào)模型，可回溯模擬過(guò)去5~10 a內(nèi)的波浪情況。同時(shí)后報(bào)模型能為預(yù)報(bào)模型奠定基礎(chǔ)。本文尚未考慮臺(tái)風(fēng)期風(fēng)場(chǎng)和波浪場(chǎng)雙向耦合，波流耦合等情況。

3 結(jié)語(yǔ)

本文建立了大連灣及其近岸區(qū)域的波浪后報(bào)系統(tǒng)，系統(tǒng)包括了SWAN-MIKE21 嵌套模型、附屬的WRF 模型。通過(guò)分析模型計(jì)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(bào)模擬結(jié)果絕對(duì)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(duì)臺(tái)風(fēng)期的波浪過(guò)程，該后報(bào)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(fēng)場(chǎng)聯(lián)合作用的影響。當(dāng)外海波浪為S—SE向時(shí)，波浪能傳入灣內(nèi)，其余方向的波浪較難傳入灣內(nèi)。

3） 當(dāng)風(fēng)速較大且為S—SE 向、外海波浪為SE 向時(shí)，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(shí)，區(qū)域風(fēng)場(chǎng)為N 向到NW 向、且風(fēng)速較大時(shí)，容易改變波浪的傳播方向，造成工程區(qū)域出現(xiàn)ENE 向強(qiáng)波浪。