深度均匀环境流场下波浪动力学的扩展SWASH模型实验验证与非线性调制机制研究

为解决海岸带复杂环境中波浪与潮流相互作用的高精度模拟难题，研究人员基于非静压模型SWASH开展深度均匀环境流场(Depth-uniform ambient currents)嵌入算法的实验室验证。通过构建跟随流、逆向流及强逆向流等多场景实验，证实该模型能以2-20层垂向分辨率准确预测波长/波幅变化、波浪破碎阻塞及频率下移等非线性现象，为港口航道安全等工程应用提供高效计算工具。

　　

在河口、潮汐通道等复杂海岸系统中，表面重力波与潮汐/风生流的相互作用长期困扰着科研人员。传统相位平均模型(如SWAN)虽能耦合环流模型，却无法解析波浪衍射、三重相互作用等相位相关过程；而直接采用相位解析模型(如Boussinesq方程或非静压模型)模拟环境流场又面临计算量爆炸的困境。这种矛盾严重制约了海岸带波浪-流耦合作用的精细化预测能力。

大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室团队在《Ocean Modelling》发表的研究，通过实验室实验系统验证了Rijnsdorp等(2024)提出的扩展SWASH模型。该创新方法将外部提供的深度均匀环境流场(Depth-uniform ambient currents)以附加项形式嵌入控制方程，避免直接模拟流场演化。研究采用50米长水槽实验，构建单色波、双色波与跟随流/逆向流/强逆向流组合的12组工况，通过对比实测数据评估模型性能。关键技术包括：1)双向泵控系统生成稳态均匀流场；2)多垂向分层(2-20层)网格验证计算效率；3)高频波高仪阵列捕捉波浪非线性演化特征；4)基于线性理论验证多普勒频移等基础物理过程。

弱流条件下的模型表现
在流速较弱的跟随流(案例A4)和逆向流(案例B4)工况中，仅需2层垂向分辨率即可准确预测波长变化(跟随流伸长12%、逆向流缩短9%)与波幅调制(误差<5%)，与线性波理论高度吻合。这表明模型能可靠处理弱非线性相互作用。

强逆向流引发的非线性现象
当遭遇弗劳德数Fr>0.3的强逆向流时，模型需20层垂向分辨率才能捕捉：1)波浪破碎导致的能量耗散突变；2)接近理论阻塞点时出现的频率下移现象；3)双色波侧频带(Sideband)不稳定性增长过程。虽然波高预测存在15%过估计，但成功再现了单色波演化为波包、最终在阻塞点前发生破碎的全过程动力学。

讨论与结论
该研究首次系统揭示了非静压模型在强流-波相互作用场景中的分辨率敏感性。方法学突破在于通过流场解耦策略，将传统相位解析模型的计算成本降低1-2个数量级，同时保留了对非线性关键过程的解析能力。实际意义体现在：1)为港口共振风险评估提供新工具；2)优化了航道波浪遮蔽设计中的流场修正系数；3)揭示了强逆向流导致波浪频谱演化的物理机制。未来研究需进一步验证模型在三维流场和随机波条件下的适用性。