波浪数学模型中谱分割功能的应用

第39卷第1期

JournalofZhejiangUniversity(ScienceEdition)

V01．39No．1

2012年1月

http：／／www．journals．zju．edu．cn／sci

Jan．20I2

DOI：10．3785／j．issn．1008—9497．2012．01．019

波浪数学模型中谱分割功能的应用

孙骁帆，朱志夏。

(上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院。上海200240)

摘要：海洋风浪的数值模拟常以全谱有效波高作为模拟结果。并在验证时将它与实测风浪记录相对比．实际上，

全谱中既包含了当地风浪部分。也包括了外海传入的涌浪部分。其有效波高在物理意义上并不等价于风浪渡高．采用海浪模型wAVEWATCH—III和MIKE21-Sw进行西北太平洋海域的风浪后报。并应用模型的谱分割功能，可对完整的渡谱进行分割，分离出风浪和涌浪部分．数值计算结果对比证实：利用该功能得到的分离波高不仅能提高风

浪模拟的精度，也使波能状态信息更加完善．另外，对比发现wAVEWATCH-Ill相对于MIKE21一SW表现出更好的效果．建议在模拟有涌浪成分的风成浪时应采用谱分割功能．

关键词：谱分割；风浪；涌浪；全谱波浪模型；W

AVEWATCH—Ill：M1KE21_SW中圈分类号：P731．22

文献标志码：A

文章编号：1008—9497(2012)01—089—06

SUNXiao-fan。ZHUZhi—xia(SchoolofNavalArchitecture，OceanandCivil

Engineering。ShanghaiJiaotong

University，Shanghai200240。China)．ImplementationofSpectral

partition

inwave

models．JournalofZhejiangUniversity(ScienceEdition)，2012，39(1)：089—094

Abstract：In

ocean

wave

simulation，significant

wave

heightsofthetotalspectrumareusuallyconsidered

as

thefinal

resultsand

are

comparedw

ithobservedwindwavesduringnumericalwavemodelcalibration．However，arealspec—trumusuallyincludesboththeloeal

windwavesandtheswellscomingfromdeepsea：therefore，thesignificant

height

isnot

equal

to

windwaveheightinphysicalmeaning．Thew

avemodelsWAVEWATCH—IIIandMIKE21一SWare

applied

tO

hindcasttheocean

wave

fieldoftheNorthwestPacific．Meanwhile，thenumericalapproachofspectral

partitioncan

separate

swellsandwindwavesfromthetotalspectrum．Comparisonsbetweencalculatedw

aveheightsand

measurementsshowthatthefunctionof

spectral

partition

can

increase

theaccuracyofsimulationandimprove

theintegrityofinformationofthewaveenergystatus．Inaddition，WAVEWATCH—IIIgivesa

betterpartitionresult

thanMIKE21一SW．Therefore，itisreasonabletO

applyspectralpartition

innumerical

simulationsrelating

tO

wind—

generatedw

avethatcontains

swell．

Key

Words：spectralpartitioning；windwave；swell；full—spectrum

wave

model；WAVEWATCH—III；MIKE21一SW

围海域的波浪研究．国内外相关文献主要描述了其应

0

引言

用情况，包括该模型的发展和与其他模型的对比等，但新版本应用方面的文献尚不多见．W11vrMANN[1】数值模拟是研究海洋波浪的一个主要手段，波浪介绍了WW3在美国数字气象海洋中心(FNMOC)取模型的计算结果可以为海洋与近岸工程、船舶航行等代WAM模型进行海洋波浪预报的情况，以大量数据提供可靠的环境波浪信息，兼具低成本高效率的优点．

对比体现了前者较于后者的优势；模型开发者TOL—WAVEWATCH—III(WW3)是现今发展最成熟MAN【20针对1．15版本在全球范围内的波浪后报结的全谱波浪模型之一，较早在美国被应用于一些大范

果，对模型进行了一些优化调节；FENG等[33将该模

收稿日期：2010—10—19．

基金项目：国家重大科技专项“船舶字化智能设计系统”；教育部留学同国人员科研启动基金项目．

作者简介：孙骁帆(1986～)，男，上海人，硕士．主要从事河u海岸及海洋工程值模拟

面的研究．

*通信作者．E—mail：zhixia．zhu@gmail．corn．

90

浙江大学学报(理学版)第39卷

型应用于修正卫星测量的海平面高度，结果显示NECP／QSCAT混合风场比纯NECP风场算得波浪的效果更好；HANSON等[43对比评估了WW3、WAM和WAVAD模型在太平洋区域风浪后报的表现，认为WW3总体上表现更好；TRACY等¨1在太平洋区域波浪信息研究(WlS)的后报计算中采用了较新版本的WW3并得到了较好的结果．国内也有一些应用于我国附近不同海域的成果．周良明等¨1使用WW3模型计算了南海区域多年的波浪场，包括了台风浪，使用的风场为多个不同来源资料的再分析结果；周科等[73计算并统计分析了西北太平洋区域(包括东海和南海)的波浪场，使用的风场为QSOAT／NCEP混合风场，得到的波高与实测符合较好．

WW3新版本中增加了波谱分割数值方法．TRACY等[83对这种方法的引进进行了介绍，此外WANY等∽1也介绍了一种类似的方法．该方法对全谱中的风浪和涌浪成分做出分辨和分割，其应用在国内文献中尚无记录．

DHI的MIKE工程软件包是一个功能多样的水模拟系统。集合了水流、波浪、泥沙等众多要素，在国内外大量海洋、近岸和内陆涉水工程中得到应用．其中的MIKE2I-SW模块是一个基于WAM的谱波浪模型，现在的版本出于研究涌浪的目的也添加了谱分割的功能．

本文针对谱分割的实际应用结果，将分割处理前后波谱对应的波高与实测风浪资料进行了对比验证，同时对其实用价值进行了评价．

1数值模拟过程及谱分割功能

1．1模型的设置与运行

WW3和MIKE21一SW模型是建立在波浪频率一方向谱的平衡方程的基础上的，两者在频率一方向划分和源项参数的推荐值上有所差别．WW3给出频率一方向的二维离散形式的缺省值；频率cro=0．041

18，

靠+，=1．1a。，行=O～24；方向平均24等分．较早的全球或大洋区域波浪研究中，一般把网格精度设为0．5×0．5或1×1经纬度[3“]．随着硬件设备的发展和更高的精度需求。在研究区域性海洋波浪时，对方向数和网格也可有更密的划分【6Jj．输入风场的精度至关重要，现今一般认为风场的影响大于模型的物理机制，只要风场资料可靠，即可保证计算出的波参

有较高的精度．

MIKE21-SW采用非结构网格，划分更为灵活，网格文件也可用外部软件生成并转换成相应的

ASCII文件．其所有设置及运行均在窗口模式和选项卡参数框下完成，而无须像WW3那样先修改各个子程序的脚本文件然后逐个运行．

将地形和风场文件作为输入项，经过数值计算，可得到预设的输出项，例如整个计算域内网格节点或特定站点的波浪参数等．本文的计算区域为105～145。E，5～45。N，采用的频率离散均设为WW3给出的缺省值，方向划分为60，WW3网格为0．2×0．2经纬度，MIKE21一SW三角形网格允许最大面积和最大内角分别为0．16de92和32。．输入风场均采用0．5×0．5度分辨率的QSCAT／NCEP混合风场，它结合了卫星测定和NCEP的全球大气模型分析。是现今公认的一种较为可靠的风场资料．

1．2

结果的验证及涌浪的影响

用于验证的实测波参数有浮筒测站的定点时间序列数据，也有空间分布更广的散点数据，后者主要来源于卫星和志愿船测定．而要更真实地评价一个波浪模型，这些散点数据会比浮筒数据更具普遍代表性，因此也更不可少．

在实际海域，某地点的波谱成分中，除了本地风生成的风浪以外。还包括外海不同方向传来的涌浪．因此，理论上模型算得的谱包括了风浪和涌浪，其有效波高的含义并不精确等价于风浪的波高．事实上，在模型验证中将算得的有效波高与实测风浪高进行对比时，所得结果难免会受到涌浪的影响．

WW3的定点输出功能包括了按模型预设的离散频率一方向输出能量密度谱值的选项。利用输出值可做成二维波谱图．图l为某点某时刻的完整波谱，可以发现图中有若干个明显突出的谱峰，说明此时该点受涌浪影响较显著．

0．4

奄

p

掌

要每

0．2

导

O．0

图1二维波谱示例

Fig．1

Exampleoffull—directional(2D)wavespectrum

波能密度谱(126．3。E。28．1。N，7／01，2000)

第1期孙骁帆．等：波浪数学模型中谱分割功能的应用

1．3谱分割功能的引入

发生了严重的变形，但仍能大致辨认出(a)的原型；为了使模型网格节点上的波浪信息更为清晰，新(2)分离出的波高值总体上比(a)图有所减小，一些非版WW3中增加了“谱分割”数值方法口…，实质上就是陆地区域出现了零波高，即这些海域该时刻完全由涌

可以将能量谱中的风浪与涌浪分离开来．该方法将前浪主导．

人提出的一种数字图像分割处理算法应用到了波谱图形的分割上，这种算法由VINCENT和SOILLE提出，并由HANSON和JENSON第1次应用在分析海浪数据上．TRACY等称之为波谱能量分割(WaveSEP)算法，将代码改写为FORTRAN格式，引入到了新版本的WW3中，并成功地应用于若干实例o]．该方法中引入了一个所谓的“风浪分数”，W=E1E[vp～，其中E为全

谱的能量密度矩阵，U为波向上的投影风速，若认定群速c慢于以的那部分波浪为直接受本地风驱动的

波浪(即风浪)．则Elu～就表示整个谱中直接受到本地风影响的那部分(即风浪谱)．显然，当w=1时，能量谱为纯风浪谱；Ⅳ一。时，为纯涌浪谱．

利用此方法，新版本WW3在计算输出项上增加了一些谱分割后的波参数．以波高为例，除了输出全谱的有效波高以外。还可以选择性地输出谱分割后所分离出的风浪高或涌浪高．而MIKE2009的SW模块对于波谱中涌浪部分的分离提供了3种可选形式““，其中一种的判定准则与前述WW3采用的很相似”“，也是由基于波龄的动态频率来判断风浪和涌浪部分．但两者的默认参数有所不同．WW3默认波龄关系U。一1．7u。。COS(0--钆)>f作为判断风浪的标准，其中1．7是常系数，而MIKE2卜SW默

认u∽os(口一九)／c1bJWW3分离渡高00：00，9／102000

将风浪部分作为谱分割默认的分离部分．

图2WW3渡高／分离波高的分布

Fig．2

Distributionof

WW3

significantW

aVe2模拟结果及对比分析

heightandpartitionedheight

MIKE21一SW的模拟结果为该软件固有格式的2．1模拟结果

图形数据文件，打开后自行完成作图，结果如图3所WW3模拟结果的输出包括整个计算域、特定示．该分布图与WW3的结果较相似。只是WW3的站点和轨迹线等，可利用模型的后处理功能转换为输出不分辨零风浪区域和陆地．

GRADS绘图软件的输人格式，也可将输出结果经自2．2浮筒资料验证

编程序转换格式后，应用其他绘图软件，输出计算域将2000年9月的浮筒风浪随时间变化过程与模内特定时刻有效波高与谱分割所得分离风浪高的二型计算值进行比较，实测风浪高分辨率为0．5lTL根维平面分布图和时问序列的动态演变过程．

据图4所示结果，WW3的模拟值无论是原有效波高图2给出了WW3计算所得整个计算域内波高还是谱分割所得分离波高的时问过程线，在变化趋势和分离波高的分布情况，该计算域位于西北太平洋海上都与实测值吻合得较好．但在某些时间段，分离波域，几乎包括了我国所有海域和日本海、菲律宾海等．高明显小于原有效波高，且普遍更接近实测值．在一该时间受热带气旋影响，在马里亚纳群岛和琉球群岛些极大波高情况下，两者基本相等．M1KE21一SW的全

之间海域有较大风速，产生6ITI以上巨浪．通过图谱有效波高结果与WW3很相近，但分离波高有明显

2(a)、(b)的对比可以发现：(1)分离所得风浪高相比差别．虽然整体变化趋势上仍与实测值较吻合，但模全谱有效波高，分布更复杂且混乱。(b)图的分布形状

拟值总体偏小，在较大波高时容易发生大的偏差．

粕竹+出喾掘7坪咎忾、

Abovc70

鳓5340～55450～—5405

嬲20、22

5

】050～～】150

110

115

120125130135140

110115120125130135

B躲甄

140

Value

(a)MIKE21SW渡高00：00,9／10。2000

(b)MIKE21SW分离渡高∞：O仉9，10工O∞

图3

MIKE21一SW渡高／分离渡高的分布

Fig．3

Distributionof

MIKE21一SWsignificant

wave

heightandpartitionedheight

10lO998877E

6

E6

谊5

谊5

蜊^

韬d

332211

0

0

10

12

14

16

18

20

22

24

26船30日期

(a)2000年6B

10IO998

8

7

7

E6

目6

谴5

通5

蜊4

鲻d

3

3

22

1

10

0

3

5

7

91113151719

21日期

(c)2000W-6B(d)2∞O年9月

图4波高时间序列对比

Fig．4

Timeseriescomparisonof

wRveheight

2．3船测资料验证

测波高的分布位置与WW3的情况相比有下移趋

实测值来源于125～130。E，25～30。N区域势，尤其是3m以下的部分结果更好些，使整体精2000年1～9月的船测记录，实测浪高分辨率为0．5m度有所提高．

图5结果显示，ww3全谱有效波高与实测渡高的MIKE21一SW全谱有效波高与实测波高的相关相关系数为0．860，标准偏差为0．586，已具有较好系数为0．845，标准偏差为0．621，略差于WW3的的精度．应用谱分割功能分离出的风浪高与实测值结果．分离出的风浪高与实测值的相关系

为

的相关系

达到0．881，标准偏差为0．581，在

值

0．828，但标准偏差为0．692，明显偏大．由图5所示上略有提升．而从图中可以发现WW3分离波高／实

可见MIKW21一SW分离出的风浪高比全谱有效波

第1期孙骁帆．等：波浪数学模型中谱分割功能的应用

93

高明显缩小，其缩小程度比WW3更显著．另外，WW3风浪高的缩小主要集中在3m以下的部分，

MIKE21一SW的结果则是整体缩小．

图5波高／分离波高与实测值的对比，2000年1～9月

Fig．5

ithobservedwindsea，Jan-Sep，2000Comparisonofsignificant／partitionedheightw

2．4结果分析

WW3模型应用波谱分割功能分离出的波高比全谱的有效波高更接近风浪实测值。精度有所提高．从散布各点3m以下的中、轻波浪看，分离波高整体上明显小于有效波高且更接近实测风浪值，2000年9月浮筒过程线的前半段也显示出类似的特征．而理论上分离出的波高就是风浪高，它与实测风浪高的相关度也应该更好，因此模拟的结果与理论是相符合的．当波浪模拟的精度要求或对波能状况的详细程度要求较高时，可以利用WW3新增的谱分割功能及各种输出项来实现．

MIKE21-SW分离出的风浪高无论是在时间序列还是散布点的对比中，都明显有偏小的趋势，精度并不优于全谱有效波高．在2．3节中提到，WW3默认判定波谱中f<1-7U。。cos(O一0。)的部分为风浪，而将MIKE21一SW的判定式由判定涌浪改为判定风浪后，得f<1．2U，。cos(O一0。)，可见其全谱中的风浪部分比wW3的限定范围要小，理论上应该得到较小的风浪高．因此，MIKE21-SW风浪高与实测值对比

结果欠佳的原因可能源于模型默认参数的设定。

3总结与展望

对于～般的大范围波浪后报，新版本之前的WW3就已经能满足较高的精度要求．MIKE21在工程上主要被应用于浅海、近岸和内陆，但其SW模块也可应用于深海和大范围海域．引入了谱分割功能和相应的输出项之后，两者的模拟结果中风浪和涌浪可以分离开来，节点的波能状态信息得到了补充．经过西北太平洋区域的实际模拟计算，并用浮筒与船测数据进行验证分析，发现WW3的分离波高在与浮筒时间变化过程的对比中比全谱有效波高总体更接近实测值，在与大量船测值的对比中将相关系数由0．860提高到了0．881，尤其在3m以下波高部分与实测值吻合得更好．因此，在受涌浪影响较大的区域，谱分割对风浪和涌浪的研究具有一定的实用意义．但同时，也对硬件和计算时间有更高的要求，是否使用该功能还需按实际情况来综合考虑．

94

浙江大学学报(理学版)第39卷

MIKE21一SW判定涌浪的参数值在本文的应用中显示出偏差，而模型本身没有提供修改该参数值的选项．此外，WW3新版本虽然增加了分离出的波高等参数的输出功能，但没有提供分离出的波谱的输出．这些方面仍然有待改进，以完善模型的叮调性和实用功能．

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