[发明专利]一种基于MIKE21-SW模型的全球波浪数值模拟方法

说明书

本发明公开了一种基于MIKE21‑SW模型的全球波浪数值模拟方法，主要步骤包括：原始数据收集、地形制作和模型参数设置、模型参数的率定、模型运算和大范围的模型验证、定期更新波浪时间序列(含台风浪)及用户界面平台的搭建，最终得到一种全球深海及近岸的、可靠的、高精度的、便于用户提取使用的定期更新的波要素及谱参量数据。本发明通过引入了近岸可获取的实测地形和波浪数据，能够更加准确的进行模型的运算和验证，提高了模型模拟结果的可靠性；本发明通过加密近岸的网格，能更好的模拟近岸的波浪；本发明提供了友好的用户交互式平台，使用户能够方便快捷的获取全球的波浪数据。

技术领域

本发明涉及自然环境模拟技术领域，尤其涉及一种基于MIKE21-SW模型的全球波浪数值模拟方法。

背景技术

随着经济全球化，水运事业得到了快速的发展，建港水平显著提高。在进行港口的设计和施工过程中，常需要通过数值模拟的方法得到近岸及码头附近的波浪要素，而建立全球的波浪模型可以方便、快捷的得到工程海域的波浪状况，为港口工程的设计和施工提供波浪参数，并给近岸及港内波浪模型提供波浪边界条件。

目前常用的波浪数值模拟方法主要有三大类：一是基于Boussinesq方程的波浪数值模型：Boussinesq方程的波浪数值模型假定水质点为水平和垂直速度，其能够模拟波浪的浅水变形、折射、绕射和波浪之间的非线性相互作用，但该模型一般稳定性较差，只适用于小范围的波浪数值模拟；二是基于缓坡方程的波浪数值模型：该模型是假定边坡平缓的情况下，用摄动展开的方法，将三维问题简化为二维问题，能够模拟波浪的浅水效应、折射和绕射等物理过程，但该模型也只适用于小范围的波浪数值模拟；三是基于能量平衡方程的波浪数值模型：该模型能够模拟波浪传播过程中的各种物理过程，如波浪的浅水变形、折射和绕射等，由于采用的是能量平衡方程，因而时空步长不受波长的影响，没有局限性，能够进行大尺度、长时间的波浪数值模拟。

三种方式相比较而言，因为需要模拟的全球的波浪场属于大尺度、长时间的波浪数值模拟，对于模型的稳定性要求较高，所以目前全球波浪数值模拟的理论一般都是采用能量平衡方程作为控制方程，公式如下所示：

S＝S_in+S_n1+S_ds+S_bot+S_surf

式中，λ表示经度坐标，φ表示纬度坐标，S表示与波浪谱有关的源和汇的总和，N指波作用量密度谱，t指时间，S_in是指风波相互作用；S_n1是指非线性波波相互作用；S_ds是指白帽损失项；S_bot是指底部摩擦损失项；S_surf是指波浪破碎项。

目前基于能量平衡方程，已有的且比较常用的全球波浪数值模型主要有以下三种：

(一)NOAA全球波浪数值模型

NOAA全球波浪模型是由美国国家海洋和大气局(National Oceanic andAtmospheric Administration，简称NOAA)开发的全球波浪模型，基于第三代海浪数值模拟方法WaveWatchⅢ模型，采用能量平衡方程作为控制方程，使用CFSR风场作为驱动条件，能模拟波浪的折射、浅水变形、白浪等物理现象。WaveWatch波浪数值模型最先是由Deflt大学基于能量平衡方程开发出来的波浪数值模型，后来经过不断改进和完善，到如今广泛使用其第三代模型，即WaveWatchⅢ。该模型是采用物理参数化方案和精确的数值积分格式，并考虑风驱动等的物理机制，通过结构化网格进行波浪的数值模拟。NOAA全球波浪数值模型的时间分辨率为3小时，空间分辨率在大部分区域为0.5°×0.5°，某些个别区域会有更高的网格精度(如地中海区域、西北印度洋等)。

该模型的优点在于得到了全球的波浪数值模拟数据，缺点在于其对于台风作用下的波浪模拟效果不太理想，同时对于近岸区域的波浪模拟结果精度不高。