基于SWAN-MIKE21 嵌套模型在大连湾某工程区的波浪后报模拟应用

2021-02-27莫忠璇时闽生吕迎雪宋江伟尚乾坤

中国港湾建设 2021年2期

莫忠璇，时闽生，吕迎雪，宋江伟，尚乾坤

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222；3.中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071）

0 引言

随着工程技术水平的发展，精细化施工作业对工程海区的波浪分析都提出更高的要求。国内学者对波浪预报有过许多研究，研究热点为台风浪的双向耦合模型预报[1]。实际工程中台风出现的频率较低，台风预报不能完全满足海上施工需求。非台风期海浪模拟分析对海上工程的施工窗口期非常关键，这类模拟中海浪对大气模式的反馈不明显，故采用单向耦合模式。

对于非台风期的海浪数值模拟研究，李本霞等[2]基于WW3-SWAN 构建模型对青岛、北海、三亚的海洋浴场进行预报模拟；方莹等[3]基于神经网络预报模式对深圳大鹏湾进行了数月的预报。M.M.Amrutha 等[4]总结各模型特点，提出WW3 模型适用于大洋区域波浪模拟，SWAN 适用于近岸波浪模拟。海港工程中一般采用MIKE21 模型模拟港区内的波浪[5-6]。

本文构建SWAN-MIKE21 的嵌套模型对工程区的波浪情况进行长时间的模拟。通过模拟结果分析外海波浪传播至工程区域的特征。

1 研究资料及方法

1.1 研究区域

大连湾在黄海西北部，海底水深在湾西侧较浅，东侧较深。湾口处有2 座岛礁，岛礁对湾内起到了掩护作用。本文采用2017 年12 月—2018年11 月的流速剖面仪观测数据。研究的大区域为N46°—N24°、E102°—E140°，大区域作为 WRF模型的计算区域。中区域为N42°—N34°、E116°—E128°，中区域作为SWAN 模型的计算区域。小区域作为MIKE21 模型的计算区域，见图1。观测仪器的坐标为 N38.94°、E121.66°。

图1 WRF 模型、SWAN 模型、MIKE21 模型区域平面图Fig.1 Simulation area layout of WRF,SWAN,MIKE21 model

1.2 波浪数值模型简介

本研究的波浪后报模式采用SWAN-MIKE21嵌套模型。SWAN 模型是基于波浪谱分析方程第三代波浪模型，该模型在给定风、底摩擦、海流情况下能准确地计算近海的波浪。MIKE21 系列模型是在工程波浪模拟计算中广泛应用的波浪模型，包括基于波浪谱作用平衡方程的SW 模型[7]。

MIKE21 的SW 模型的控制方程为：

1.3 模型的驱动流程及背景数据

WRF 模型驱动采用ECMWF 的ERA-interiam模型再分析数据。SWAN 模型的驱动采用WRF 模型的海面10 m 风速。MIKE21 模型采用SWAN 模型波浪作为外海边界条件、WRF 模型的风场作为区域风场。其中SWAN 模型采用Etopo1 地形数据库，MIKE21 模型地形数据采用CMAP 和部分工程实测地形。底摩擦参考大连湾泥沙底质中值粒径等值线图[8]。计算的驱动流程见图2。其中，ECMWF 为欧洲气象中心的全球预报系统，GFS 为美国科研机构开发的全球预报系统，WRF 模型是美国大气研究中心研发的中尺度气象模型。

图2 海浪数值预报系统结构图Fig.2 Structure chart of wave numerical prediction system

1.4 模型的网格划分及参数设置方案

本文采用WRFV4.0 的ARW 框架。水平向网格采用大小为27 km 和9 km 双向嵌套，垂向分层为36 层，顶部最大压强为2 500 Pa。微物理过程采用Lin 方案，积云对流采用Kain-Fritsch 方案，边界层采用YU 方案。SWAN 模型的空间分辨率取0.1°×0.1°，时间步长取600 s，算法参数设置风能输入采用Komen et al（1984），白浪耗散采用Hasselman，非线性波和线性波采用四波Hasselman的DIA 算法、三波Elderberky，深度诱导破碎关闭。MIKE21 SW 模型中底摩擦采用底质中值粒径方案。模型划分中SWAN 模型网格较为粗糙。MIKE21 模型的网格、底摩擦需根据计算结果的偏差反复调整。

2 模型结果的验证与分析

2.1 实测波浪数据的统计分析

实测资料中平均有效波高Hs达到0.21 m，7月、8 月的有效波高较大，Hs分别达到了0.26 m、0.28 m。测点观测年中月平均Ts在3.2~4.1 s 之间。在11 月—次年3 月，强浪向为ENE 向，在4—10 月，强浪向变为E 向。各月份的最大波浪要素见表1。

表1 观测点年度波浪特征值最大值表Table 1 Maximum annual wave characteristic values at observation points

2.2 工程区域海浪后报模拟结果

本文选取8 月作为SWAN-MIKE21 模型的后报模拟时间。8 月14—16 日时（图3 中为312~384 h），台风温比亚经过黄海海域，气象水文条件较为复杂，模拟的效果相对较差。模拟的结果中，后报波高与模拟波高平均绝对误差为0.2 m，平均相对误差为36%。模拟期间波浪较大的3 个时段 8 月 15 日、8 月 17 日、8 月 20 日，后报模型的波高均相应增大。工程后报波高与坐底仪器实测波高如图3 所示。

图3 工程后报波高与坐底仪器实测波高比较Fig.3 Comparison of hindcast wave height and measured wave height of sitting instrument

2.3 后报模拟结果及敏感性分析

统计外海波高为模型边界上的波要素。波浪极值1 时刻的空间分布图见图4。3 个极值时，外海波要素、区域风场、实测波要素见表2。

图4 有效波浪分布图（波浪极值1）Fig.4 Effective wave scatter diagram(Big wave 1)

表2 后报模拟的波浪要素、风要素Table 2 Wave elements and wind elements of hindcast simulation

由表2 可知，模拟的波高结果与实测值基本接近，外海为SE 向浪时拟合度更好。波浪极值1和波浪极值2 时，当波浪从外海传播至工程区时，波浪方向从SE 向浪变为了E 向浪；波浪极值3时，E 向浪变为了ENE 向浪。

实测资料中，8 月的强浪向为E 向，11 月的强浪向为ENE 向。11 月的强风向为NNW 向。敏感性分析中，波浪极值1 情况下，去除了区域风场，工程区的波向仍为E 向，计算结果波高变小；将区域风场从E 向变为NW 向时，计算结果工程区的波向变为ENE 向。敏感性分析说明当区域风场风向为E—SE 向时，风场有利于波浪向工程区传播，会增大工程区的波高，如8 月的强浪情况。当区域风场风向为N—NW 向时，会把工程区的波向从E 向变为ENE 向。以2018 年11 月为例，大连区域盛行N—NW 风，故此时波浪的强浪向为ENE 向。综上，工程区域的波浪为外海波浪、区域风场共同作用的结果。

基于定型的后报模型，可回溯模拟过去5~10 a内的波浪情况。同时后报模型能为预报模型奠定基础。本文尚未考虑台风期风场和波浪场双向耦合，波流耦合等情况。