极陡前礁地形下极端波浪传播与爬高的实验与数值模拟研究

本研究针对珊瑚礁前缘极陡坡地形(βf 1/5)在极端波浪条件(Tr>100年)下的波浪变形与爬高机制，通过物理模型实验和SWASH数值模拟，揭示了波浪破碎能量耗散规律，发现数值模型对低频涌浪的预测局限，并优化了现有爬高参数化模型，为礁缘海岸防洪设计提供重要理论依据。

　　

珊瑚礁作为天然的海岸屏障，能有效耗散97%的入射波能，在全球气候变化导致极端风暴事件频发的背景下，其防护价值愈发凸显。然而现有研究多关注理想化缓坡礁型(β_f
<1/10)，对塔希提岛Teahupo'o等极陡前礁地形(坡度达1/2.29)在极端波浪条件下的水动力过程认知不足。更严峻的是，珊瑚礁退化导致其高度每年降低1-2%，使海岸暴露在风暴潮威胁下的风险加剧。墨西哥国立自治大学海岸工程实验室通过物理模型与数值模拟相结合，首次系统研究了这一关键科学问题。

研究团队采用1:60比例的Teahupo'o礁地形剖面，在40米波浪水槽中模拟了16种重现期5-1000年的极端波浪工况(H_s
达7.2m原型尺度)。通过15组波高仪和流速仪同步采集数据，结合SWASH非静水模型(3层垂向网格)，分析了波浪破碎、低频波生成及爬高过程。关键技术包括：基于Hilbert变换的波包络分析、k-ε湍流闭合模型、水动力参数化方法，以及机器学习优化算法。

波浪变形特征显示，极陡前礁导致强烈卷破波(plunging breaker)，在礁坡处波高先增大68%后骤降，礁坪上低频波能占比达60%。SWASH模型验证表明：模型能较好预测波高变化(r=0.99)和增水(r=0.99)，但对低频涌浪(S_ig
)低估7.7mm，导致重现期>100年的爬高(R_2%
)预测偏低。交叉相关分析揭示，破波点强迫机制是低频波主要来源，该过程在剧烈卷破时被模型简化处理所弱化。

参数化模型评估发现，采用破波点局部坡度(1/18.91)比前礁坡度(1/2.29)更准确(RMSE从2.19m降至0.74m)。通过83组补充模拟数据优化后的新参数式，将预测精度提升至r²
=0.96，显示礁坪长度(B项)对爬高的控制作用强于礁冠高度(C项)。

该研究首次量化了极陡前礁地形对极端波浪的响应机制，指出现有数值模型在模拟卷破波诱导的低频波时存在局限。优化后的参数化模型为珊瑚礁海岸灾害评估提供了新工具，尤其对法属波利尼西亚等陡峭礁型海岸的防洪设计具有重要指导意义。未来研究需结合RANS模型等更精细的湍流模拟方法，以改进剧烈破碎过程的数值表征。论文发表于《Applied Ocean Research》，为全球珊瑚礁保护与海岸韧性提升提供了科学依据。