基于WRF风场再分析的银滩波浪场数值模拟

2016-11-12甘富万孙晋东赵艳林燕柳斌曾行吉

广西大学学报（自然科学版） 2016年5期

甘富万，孙晋东，赵艳林，燕柳斌，曾行吉

(1.广西大学土木建筑工程学院，广西南宁530004；2.广西防灾减灾与工程安全重点实验室，广西南宁530004；3.工程防灾与结构安全教育部重点实验室，广西南宁530004; 4.广西气象信息中心，广西南宁530022)

甘富万1,2,3，孙晋东1，赵艳林1，燕柳斌1，曾行吉4

北海银滩海域实测波浪资料缺乏，为了获取银滩附近海域的波浪数据，以便对银滩水动力条件进行分析，利用WRF(全球气候模型)对NCEP(美国环境预测中心)的CFSR(气候预测系统再分析)资料进行再分析，得到北海区域高空间分辨率的10 m高度风场，并建立潮流模型以计算北海海域潮流场，进一步利用风场、潮流场成果建立MIKE 21 SW波浪模型对北海海域波浪场进行模拟计算及分析。结果表明：模型计算成果合理，可为银滩海域波浪分析提供有效的手段；北海银滩附近全年波浪以南向浪为主且趋于与银滩滩面垂直，全年浪高多为0.2～0.5 m，波浪周期一般为2～4 s。

WRF；风场分析；波浪模型；银滩

银滩海域波浪场是海域水动力特征的重要组成，与潮流场一起构成了银滩演变的主要直接驱动力，因此，非常有必要对银滩波浪随时空变化特征展开研究。然而，波浪数据测量困难且成本昂贵，常规测量手段得到的波浪资料难以满足银滩海域长时期和大范围波浪特征研究的需要，因此，数值模拟的方法就成为重要工具[1]。本研究尝试通过数值方法模拟北海海域的波浪场，为银滩海域波浪特征的研究提供有效的手段。

海域波浪的主要驱动力为风场。银滩海面上的风场资料欠缺，可利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)全球资料[2]进行分析，但该资料格距为0.5°×0.5°，间距太大，不能满足银滩海域波浪场计算及分析的需要。本研究采用NCEP的CFSR全球再分析资料进入WRF模式[3-5]中，生成更高空间分辨率的风场。在利用WRF对北海区域风场进行再分析的基础上，将分析所得风场作为MIKE 21 SW风场边界建立北海海域波浪模型，以计算分析北海银滩波浪特征。

1 WRF风场再分析

1.1 WRF风场再分析模式简介

图1 风场再分析范围及地形Fig.1 Range and topography of the wind field reanalysis

WRF(Weather Research and Forecasting Model)为美国大气研究中心与环境预报中心联合其他科研部门共同研发的新一代中尺度大气模式，可用于全球和区域气候、空气质量等的模拟。WRF包括ARW和NMM两个动力框架，本研究使用WRF-ARW[6]动力框架进行计算。

WRF-ARW采用完全可压非静力通量形式的欧拉方程作为控制方程。水平方向数值离散采用Arakawac网格，垂直方向数值离散采用地形跟随垂直坐标[7]。

1.2 北海区域风场模式

NCEP的CFSR全球资料间距过大，不能满足波浪模型对风场精度的要求。本研究采用NCEP的CFSR资料进入WRF模式中，生成更高空间分辨率的北海区域10 m高度风场。

根据北海区域的地理位置情况，需要综合考虑来自北方的冬季风和来自南方的夏季风，选择图1所示的模式区域。其中，大区域(D1)包括西太平洋部分区域和东亚地区，模式网格水平分辨率为27 km；中区域(D2)包括中国近海及大部分陆地，模式网格水平分辨率为9 km；小区域(D3)包括整个北海及附加区域，模式网格水平分辨率为3 km。外层区域的模式结果为内层区域提供初始场和边界条件。

1.3 WRF风场再分析结果及合理性分析

模型模拟了2010～2013年风场，各年平均风向风速分布如图2所示。北海附近区域陆地及沿海以东北到东北东风为主，海上以东到东偏北风为主。陆地的风速约为1.5～3.5 m/s，沿海的风速在3.5～4.5 m/s，海上的风速在4.5～7 m/s。最大的风速出现在涠洲岛东南附近。

图2 全年平均风向风速图

(a) 实测

(b) WRF计算

图3 北海站风况玫瑰图

Fig.3 Rose diagram of wind in Beihai station

输出北海站(109°07′E，21°29′N)的风场数据并进行统计，与1972～2008年北海市气象资料统计结果进行对比，结果见图3。在风向频率上， 2010年北海市风向主要集中于NNE方向。其余风向集中于东向，西向风较少。NNE方向与N方向相差不大，因此认为本次模拟风场在各向发生频率上合理。在平均风速上，模拟风场除了N、NNE和SSW 3个方向平均风速超过5 m/s，其余各向风速均在5 m/s内。与实测统计数据相差不大，因此认为模拟风场在各向平均风速上也基本合理。

北海地区位于我国大陆南端，气候类型为亚热带季风，常年风场受季风影响显著，受季风影响，小范围内常年风场应相差无几，可见本次WRF模式分析的风场成果是合理的。

2 基于WRF风场的波浪模型

2.1 波浪模型基本原理

本研究采用典型的第三代波谱海浪模型[8-9]MIKE 21 SW模型[10-13]对波浪进行模拟计算。

MIKE 21 SW包括参数化解耦公式和完全型谱公式两种计算方法。参数化解耦公式基于参数化的波作用守恒方程，通过引入波作用谱的0阶矩和1阶矩两个变量将谱的频率空间参数化；完全型谱基于波作用守恒方程，以波作用方向—频率谱为变量，波浪谱仅对基本谱传输方程进行积分得出，不对谱形做任何限制，可用于大范围或局部区域的波浪预报和分析。本次计算采用完全型谱公式计算。

MIKE 21 SW模型对控制方程地理空间以及谱空间的离散采用中心有限体积法。其中，地理空间采用非结构网格，时间积分采用分步方式，波浪传播采用多序列显式法。

2.2 模型建立

①潮流模型

利用MIKE 21 FM水动力模型模拟潮流过程。

首先对需要对模拟波浪的范围(不能超过风场成果涵盖的范围)进行网格剖分，并生成MIKE 21 FM水动力计算数字地形图。网格剖分在外海附近较粗，在海岸水深较浅的区域(包括银滩附近海域)进行局部加密；利用GEBCO全球地形数据结合海图水深及实测地形数据对生成的网格进行插值得到数字化地形图。生成的网格和数字化地形图见图4和图5。

图4 网格剖分

Fig.4 Mesh generation

图5 数字化地形图

Fig.5 Digital terrain

潮流计算的外边界为外海潮位，本次计算采用全球潮汐模型的潮位预测成果。利用北海站实测过程对潮流模型成果进行验证，由图6可见计算成果与实测数据吻合良好。

②MIKE 21 SW波浪模型

将潮流模型计算得到的水位、水流成果整合为MIKE 21 SW波浪模型的水位、水流条件，将WRF再分析得到的风场作为波浪模拟的风场条件进行计算。计算网格采用潮流模型网格，计算时间为2010～2013年，与WRE风场分析时间范围一致。SW模型的陆地、外海边界全部设为闭边界，波浪计算方法采用全谱公式(fully spectral formulation)，时间方程采用非恒定形式(instationary formulation)。

图6 北海站实测潮位与计算结果对比

2.3 模拟结果合理性分析

计算区域内波浪实测数据较为缺乏，本工作利用冠头岭附近海域1977～1979年3年的实测ESE～W向波浪的频次及波高统计数据[14]与2010年计算成果进行对比，结果如图7和图8所示。

模拟结果与1977年～1979年3年的统计数据在方向上整体趋势一致，各向波高与实测值也非常接近，建立的波浪模型可以满足波浪计算和分析的要求。

图7 实测波向与模型模拟波向统计对比

Fig.7 Wave direction comparison between measurement and calculation

图8 实测波高与模型模拟波高统计对比

Fig.8 Wave height comparison between measurement and calculation

3 银滩海域波浪特征分析

银滩附近全年波浪以南向浪为主，其中WSW～S向浪占了银滩浪向的绝大部分。原因如下：银滩海域主要受到北风和南风控制，北风为离岸风，不易在银滩附近形成大浪，因此主要表现为南向风形成的南向浪；在银滩地形作用下，与银滩不垂直的波浪接近银滩时容易产生偏转，使得浪向更加接近垂直于银滩；银滩海域处于北半球，位于北部湾海域北部，对其造成较大影响的台风主要从西太平洋由东向西越过雷州半岛传入北部湾，并穿过银滩附近海域，台风在转移的过程中的风向为逆时针旋转，从而导致台风穿过银滩附近海域时产生的波浪趋于与银滩垂直。

银滩全年浪高多为0.2～0.5 m，波浪周期一般为2～4 s，平均周期为3 s左右。

典型波向分布、波高分布和波浪周期分布见图9～图11。

(a) 南偏西

图10 银滩附近典型浪高分布

图11 银滩附近典型波浪周期分布

4 结论

本工作尝试通过利用NCEP的CFSR全球资料进入WRF模型进行再分析得到北海海域10 m风场，将其作为MIKE 21 SW波浪模型的风场条件模拟北海海域的波浪场，并利用模拟得到的成果对北海银滩的波浪特征进行了分析。得到如下结论：

①WRE模型得到的10 m风场数据与实测数据相符，可为波浪模型提供合理的风场数据。

②建立的波浪模型模拟结果与实测数据非常接近，可以满足波浪计算和分析的要求。

③银滩附近全年波浪以南向浪为主，其中WSW～S向浪占银滩浪向的绝大部分；全年浪高多为0.2～0.5 m，波浪周期一般为2～4 s，平均周期为3 s左右。

[1] 刘忠波,房克照,孙昭晨.波浪在潜堤上破碎的数值分析[J]. 广西大学学报(自然科学版),2012,37(6):1089-1097.

[2] 向华, 张峰, 江静, 等.利用CFSR资料分析近30年全球云量分布及变化[J]. 气象, 2014, 40(5):555-561.

[3] 诸葛丰林.基于WRF模式及其同化QuikSCAT/Windsat卫星资料对舟山群岛近海风能资源的模拟与评估[D]. 南京：南京信息工程大学, 2015.

[4] 郭庆元,丁治英,杜萌萌.基于WRF模式对西安夏季不同性质降水的数值模拟检验[J]. 安徽农业科学, 2016, 44(6):220-223.

[5] 崔宜少.山东半岛冷流暴雪的WRF数值模拟方案研究[J]. 山东气象, 2016, 36(01):8-12.

[6] WANG W, BRUYERE C, DUDA M，et al.ARW Version 3 modeling system user’s guide[R]. Denver of Colorado: Mesoscale and Microscale Meteorology Division, National Center for Atmosphere Research, 2011.

[7] LAPRISE R.The euler equations of motion with hydrostatic pressure as an independent variable[J]. Monthly Weather Review, 1992, 120(1): 197-208.

[8] 谢友鸽, 郭金运,朱金山,等.基于SWAN模型的东沙岛海域有效波高模拟与分析[J]. 山东科技大学学报(自然科学版), 2016, 35 (3):17-24.

[9] PHADKE A C, MARTINO C D, CHEUNG K F, et al.Modeling of tropical cyclone winds and waves for emergency management[J]. Ocean Engineering, 2003, 30 (30): 553-578.

[10]吴楚敏.MIKE21 SW与CGWAVE嵌套模型及其在普陀工程中的应用[J]. 中国港湾建设, 2016, 36(4):12-15, 66.

[11]刘学勇.MIKE21谱模型在台风浪数值模拟中的应用[J]. 水运工程, 2010 (9):7-10, 27.

[12]王扬杰,张庆河,陈同庆,等.大气—海洋—海浪耦合模型在台风过程模拟中的应用[J]. 水道港口, 2016, 37(2):135-141.

[13]孔令双,戚定满,万远扬,等.长江口海域波浪场模拟研究[J]. 水运工程, 2010 (2):46-49.

[14]郑正祺.广西北海渔业基地港内泥沙淤积特征及原因分析[J]. 水运工程, 2000 (8):75-76.

(责任编辑唐汉民裴润梅)

Numerical simulation of wave field in Silver Beach based on WRF wind field reanalysis

GAN Fu-wan1,2,3, SUN Jin-dong1, ZHAO Yan-lin1, YAN Liu-bin1, ZENG Xing-ji1

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Guangxi University, Nanning 530004, China; 2.Guangxi Key Laboratory of Disaster Prevention and Engineering Safety, Guangxi University, Nanning 530004, China; 3.Key Laboratory of Ministry of Education of Disaster Prevention and Structural Safety, Nanning 530004, China; 4.Guangxi Meteorological Information Center, Nanning 530022, China)

In order to obtain the wave data to analyze the hydrodynamic condition of sea area near Silver Beach which lacked observed wave data, the CFSR data of NCEP are reanalyzed based on the WRF global climate model to obtain the 10 m-height wind field with high spatial resolution, and a tide current model is established to obtain the water current field. Based on the simulation results of wind and current field, a MIKE 21 SW wave model is established to simulate and calculate the wave field in Beihai sea area. The results show that the established wave model can be effectively applied to analyze the wave field in sea area near Silver Beach where southbound waves prevail; that the waves tend to be vertical to the beach; that the wave height is mostly between 0.2 and 0.5 m, and that the wave period is commonly between 2 and 4 s in a year.

WRF; wind field reanalysis; wave model; silver beach

2016-06-15；

2016-07-17

广西自然科学基金资助项目(2014GXNSFBA118263,2012GXNSFBA053134)；广西水利厅科技项目(201522)广西重点实验室系统性研究资助项目(2014ZDX011)

甘富万(1981—)，男，广西北流人，广西大学副教授，博士；E-mail:gxugfw@126.com。

甘富万，孙晋东，赵艳林，等.基于WRF风场再分析的银滩波浪场数值模拟[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(5)：1342-1348.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1342

P731

1001-7445(2016)05-1342-07