甘富萬，孫晉東，趙艷林，燕柳斌，曾行吉

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室， 廣西南寧530004；3.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室， 廣西南寧530004; 4.廣西氣象信息中心， 廣西南寧530022)

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基于WRF風(fēng)場再分析的銀灘波浪場數(shù)值模擬

甘富萬1,2,3，孫晉東1，趙艷林1，燕柳斌1，曾行吉4

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西南寧530004；2.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點實驗室， 廣西南寧530004；3.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室， 廣西南寧530004; 4.廣西氣象信息中心， 廣西南寧530022)

北海銀灘海域?qū)崪y波浪資料缺乏，為了獲取銀灘附近海域的波浪數(shù)據(jù)，以便對銀灘水動力條件進(jìn)行分析，利用WRF(全球氣候模型)對NCEP(美國環(huán)境預(yù)測中心)的CFSR(氣候預(yù)測系統(tǒng)再分析)資料進(jìn)行再分析，得到北海區(qū)域高空間分辨率的10 m高度風(fēng)場，并建立潮流模型以計算北海海域潮流場，進(jìn)一步利用風(fēng)場、潮流場成果建立MIKE 21 SW波浪模型對北海海域波浪場進(jìn)行模擬計算及分析。結(jié)果表明：模型計算成果合理，可為銀灘海域波浪分析提供有效的手段；北海銀灘附近全年波浪以南向浪為主且趨于與銀灘灘面垂直，全年浪高多為0.2～0.5 m，波浪周期一般為2～4 s。

WRF；風(fēng)場分析；波浪模型；銀灘

銀灘海域波浪場是海域水動力特征的重要組成，與潮流場一起構(gòu)成了銀灘演變的主要直接驅(qū)動力，因此，非常有必要對銀灘波浪隨時空變化特征展開研究。然而，波浪數(shù)據(jù)測量困難且成本昂貴，常規(guī)測量手段得到的波浪資料難以滿足銀灘海域長時期和大范圍波浪特征研究的需要，因此，數(shù)值模擬的方法就成為重要工具[1]。本研究嘗試通過數(shù)值方法模擬北海海域的波浪場，為銀灘海域波浪特征的研究提供有效的手段。

海域波浪的主要驅(qū)動力為風(fēng)場。銀灘海面上的風(fēng)場資料欠缺，可利用NCEP(National Centers for Environmental Prediction)的CFSR(Climate Forecast System Reanalysis)全球資料[2]進(jìn)行分析，但該資料格距為0.5°×0.5°，間距太大，不能滿足銀灘海域波浪場計算及分析的需要。本研究采用NCEP的CFSR全球再分析資料進(jìn)入WRF模式[3-5]中，生成更高空間分辨率的風(fēng)場。在利用WRF對北海區(qū)域風(fēng)場進(jìn)行再分析的基礎(chǔ)上，將分析所得風(fēng)場作為MIKE 21 SW風(fēng)場邊界建立北海海域波浪模型，以計算分析北海銀灘波浪特征。

1 WRF風(fēng)場再分析

1.1 WRF風(fēng)場再分析模式簡介

圖1 風(fēng)場再分析范圍及地形Fig.1 Range and topography of the wind field reanalysis

WRF(Weather Research and Forecasting Model)為美國大氣研究中心與環(huán)境預(yù)報中心聯(lián)合其他科研部門共同研發(fā)的新一代中尺度大氣模式，可用于全球和區(qū)域氣候、空氣質(zhì)量等的模擬。WRF包括ARW和NMM兩個動力框架，本研究使用WRF-ARW[6]動力框架進(jìn)行計算。

WRF-ARW采用完全可壓非靜力通量形式的歐拉方程作為控制方程。水平方向數(shù)值離散采用Arakawac網(wǎng)格，垂直方向數(shù)值離散采用地形跟隨垂直坐標(biāo)[7]。

1.2 北海區(qū)域風(fēng)場模式

NCEP的CFSR全球資料間距過大，不能滿足波浪模型對風(fēng)場精度的要求。本研究采用NCEP的CFSR資料進(jìn)入WRF模式中，生成更高空間分辨率的北海區(qū)域10 m高度風(fēng)場。

根據(jù)北海區(qū)域的地理位置情況，需要綜合考慮來自北方的冬季風(fēng)和來自南方的夏季風(fēng)，選擇圖1所示的模式區(qū)域。其中，大區(qū)域(D1)包括西太平洋部分區(qū)域和東亞地區(qū)，模式網(wǎng)格水平分辨率為27 km；中區(qū)域(D2)包括中國近海及大部分陸地，模式網(wǎng)格水平分辨率為9 km；小區(qū)域(D3)包括整個北海及附加區(qū)域，模式網(wǎng)格水平分辨率為3 km。外層區(qū)域的模式結(jié)果為內(nèi)層區(qū)域提供初始場和邊界條件。

1.3 WRF風(fēng)場再分析結(jié)果及合理性分析

模型模擬了2010～2013年風(fēng)場，各年平均風(fēng)向風(fēng)速分布如圖2所示。北海附近區(qū)域陸地及沿海以東北到東北東風(fēng)為主，海上以東到東偏北風(fēng)為主。陸地的風(fēng)速約為1.5～3.5 m/s，沿海的風(fēng)速在3.5～4.5 m/s，海上的風(fēng)速在4.5～7 m/s。最大的風(fēng)速出現(xiàn)在潿洲島東南附近。

圖2 全年平均風(fēng)向風(fēng)速圖

(a) 實測

(b) WRF計算

圖3 北海站風(fēng)況玫瑰圖

Fig.3 Rose diagram of wind in Beihai station

輸出北海站(109°07′E，21°29′N)的風(fēng)場數(shù)據(jù)并進(jìn)行統(tǒng)計，與1972～2008年北海市氣象資料統(tǒng)計結(jié)果進(jìn)行對比， 結(jié)果見圖3。在風(fēng)向頻率上， 2010年北海市風(fēng)向主要集中于NNE方向。其余風(fēng)向集中于東向，西向風(fēng)較少。NNE方向與N方向相差不大，因此認(rèn)為本次模擬風(fēng)場在各向發(fā)生頻率上合理。在平均風(fēng)速上，模擬風(fēng)場除了N、NNE和SSW 3個方向平均風(fēng)速超過5 m/s，其余各向風(fēng)速均在5 m/s內(nèi)。與實測統(tǒng)計數(shù)據(jù)相差不大，因此認(rèn)為模擬風(fēng)場在各向平均風(fēng)速上也基本合理。

北海地區(qū)位于我國大陸南端，氣候類型為亞熱帶季風(fēng)，常年風(fēng)場受季風(fēng)影響顯著，受季風(fēng)影響，小范圍內(nèi)常年風(fēng)場應(yīng)相差無幾，可見本次WRF模式分析的風(fēng)場成果是合理的。

2 基于WRF風(fēng)場的波浪模型

2.1 波浪模型基本原理

本研究采用典型的第三代波譜海浪模型[8-9]MIKE 21 SW模型[10-13]對波浪進(jìn)行模擬計算。

MIKE 21 SW包括參數(shù)化解耦公式和完全型譜公式兩種計算方法。參數(shù)化解耦公式基于參數(shù)化的波作用守恒方程，通過引入波作用譜的0階矩和1階矩兩個變量將譜的頻率空間參數(shù)化；完全型譜基于波作用守恒方程，以波作用方向—頻率譜為變量，波浪譜僅對基本譜傳輸方程進(jìn)行積分得出，不對譜形做任何限制，可用于大范圍或局部區(qū)域的波浪預(yù)報和分析。本次計算采用完全型譜公式計算。

MIKE 21 SW模型對控制方程地理空間以及譜空間的離散采用中心有限體積法。其中，地理空間采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，時間積分采用分步方式，波浪傳播采用多序列顯式法。

2.2 模型建立

①潮流模型

利用MIKE 21 FM水動力模型模擬潮流過程。

首先對需要對模擬波浪的范圍(不能超過風(fēng)場成果涵蓋的范圍)進(jìn)行網(wǎng)格剖分，并生成MIKE 21 FM水動力計算數(shù)字地形圖。網(wǎng)格剖分在外海附近較粗，在海岸水深較淺的區(qū)域(包括銀灘附近海域)進(jìn)行局部加密；利用GEBCO全球地形數(shù)據(jù)結(jié)合海圖水深及實測地形數(shù)據(jù)對生成的網(wǎng)格進(jìn)行插值得到數(shù)字化地形圖。生成的網(wǎng)格和數(shù)字化地形圖見圖4和圖5。

圖4 網(wǎng)格剖分

Fig.4 Mesh generation

圖5 數(shù)字化地形圖

Fig.5 Digital terrain

潮流計算的外邊界為外海潮位，本次計算采用全球潮汐模型的潮位預(yù)測成果。利用北海站實測過程對潮流模型成果進(jìn)行驗證，由圖6可見計算成果與實測數(shù)據(jù)吻合良好。

②MIKE 21 SW波浪模型

將潮流模型計算得到的水位、水流成果整合為MIKE 21 SW波浪模型的水位、水流條件，將WRF再分析得到的風(fēng)場作為波浪模擬的風(fēng)場條件進(jìn)行計算。計算網(wǎng)格采用潮流模型網(wǎng)格，計算時間為2010～2013年，與WRE風(fēng)場分析時間范圍一致。SW模型的陸地、外海邊界全部設(shè)為閉邊界，波浪計算方法采用全譜公式(fully spectral formulation)，時間方程采用非恒定形式(instationary formulation)。

圖6 北海站實測潮位與計算結(jié)果對比

2.3 模擬結(jié)果合理性分析

計算區(qū)域內(nèi)波浪實測數(shù)據(jù)較為缺乏，本工作利用冠頭嶺附近海域1977～1979年3年的實測ESE～W向波浪的頻次及波高統(tǒng)計數(shù)據(jù)[14]與2010年計算成果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖7和圖8所示。

模擬結(jié)果與1977年～1979年3年的統(tǒng)計數(shù)據(jù)在方向上整體趨勢一致，各向波高與實測值也非常接近，建立的波浪模型可以滿足波浪計算和分析的要求。

圖7 實測波向與模型模擬波向統(tǒng)計對比

Fig.7 Wave direction comparison between measurement and calculation

圖8 實測波高與模型模擬波高統(tǒng)計對比

Fig.8 Wave height comparison between measurement and calculation

3 銀灘海域波浪特征分析

銀灘附近全年波浪以南向浪為主，其中WSW～S向浪占了銀灘浪向的絕大部分。原因如下：銀灘海域主要受到北風(fēng)和南風(fēng)控制，北風(fēng)為離岸風(fēng)，不易在銀灘附近形成大浪，因此主要表現(xiàn)為南向風(fēng)形成的南向浪；在銀灘地形作用下，與銀灘不垂直的波浪接近銀灘時容易產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)，使得浪向更加接近垂直于銀灘；銀灘海域處于北半球，位于北部灣海域北部，對其造成較大影響的臺風(fēng)主要從西太平洋由東向西越過雷州半島傳入北部灣，并穿過銀灘附近海域，臺風(fēng)在轉(zhuǎn)移的過程中的風(fēng)向為逆時針旋轉(zhuǎn)，從而導(dǎo)致臺風(fēng)穿過銀灘附近海域時產(chǎn)生的波浪趨于與銀灘垂直。

銀灘全年浪高多為0.2～0.5 m，波浪周期一般為2～4 s，平均周期為3 s左右。

典型波向分布、波高分布和波浪周期分布見圖9～圖11。

(a) 南偏西

(c) 南偏東

圖10 銀灘附近典型浪高分布

圖11 銀灘附近典型波浪周期分布

4 結(jié) 論

本工作嘗試通過利用NCEP的CFSR全球資料進(jìn)入WRF模型進(jìn)行再分析得到北海海域10 m風(fēng)場，將其作為MIKE 21 SW波浪模型的風(fēng)場條件模擬北海海域的波浪場，并利用模擬得到的成果對北海銀灘的波浪特征進(jìn)行了分析。得到如下結(jié)論：

①WRE模型得到的10 m風(fēng)場數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)相符，可為波浪模型提供合理的風(fēng)場數(shù)據(jù)。

②建立的波浪模型模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)非常接近，可以滿足波浪計算和分析的要求。

③銀灘附近全年波浪以南向浪為主，其中WSW～S向浪占銀灘浪向的絕大部分；全年浪高多為0.2～0.5 m，波浪周期一般為2～4 s，平均周期為3 s左右。

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(責(zé)任編輯 唐漢民 裴潤梅)

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

廣西自然科學(xué)基金資助項目(2014GXNSFBA118263,2012GXNSFBA053134)；廣西水利廳科技項目(201522)廣西重點實驗室系統(tǒng)性研究資助項目(2014ZDX011)

甘富萬(1981—)，男，廣西北流人，廣西大學(xué)副教授，博士；E-mail:gxugfw@126.com。

甘富萬，孫晉東，趙艷林，等.基于WRF風(fēng)場再分析的銀灘波浪場數(shù)值模擬[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，41(5)：1342-1348.

10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.1342

P731

A

1001-7445(2016)05-1342-07