基于波浪作用平衡模型的海岛周边混合波浪中风浪与涌浪的分离方法研究

针对海岛周边风浪与涌浪混合波谱难以准确分离的问题，研究人员通过波浪作用平衡模型(SWAN)结合风场消隐技术，提出了一种考虑地形和风场影响的新型分离方法。该研究利用台风"莎莉嘉"实测数据验证了方法的有效性，成功实现了方向谱和一维谱的精确分离，为海洋工程荷载计算提供了新思路。

　　

在海洋工程领域，准确评估海岛周边结构物承受的波浪荷载至关重要。然而，由于风浪(wind sea)和涌浪(swell)的混合作用，形成的双峰或多峰波谱给荷载计算带来巨大挑战。传统基于分离频率的方法仅考虑风速因素，忽略了地形和水深等关键参数的影响，导致计算结果与实际情况存在偏差。特别是在台风过境期间，复杂的波浪相互作用使得波谱分离更加困难。

为解决这一难题，中国研究人员在《Applied Ocean Research》发表论文，创新性地提出了基于波浪作用平衡模型的分离方法。该方法通过建立嵌套网格的SWAN(Simulating WAves Nearshore)模型，结合Sverdrup-Munk-Bretschneider(SMB)生长曲线确定风区范围，再通过局部风场消隐技术实现了涌浪成分的精确提取。研究以2016年台风"莎莉嘉"期间南海环礁的实测波浪数据为验证对象，证实了该方法的可靠性。

关键技术包括：(1)采用WRF(Weather Research and Forecasting)模型获取高分辨率台风风场；(2)建立双重嵌套的SWAN波浪模型(大区域分辨率33-11km，小区域达350×220网格)；(3)基于SMB生长曲线反演计算风区长度；(4)通过局部风场消隐(66×66 km²范围)实现涌浪分离；(5)运用方向谱分析技术解析多波系相互作用。

研究结果部分显示：

1. 方法验证：对比实测数据表明，模型能准确模拟台风前后双峰谱向单峰谱的转变过程，验证了SWAN模型在浅水区域的适用性。
2. 风区敏感性：当局部消隐区域在44-88 km²范围内变化时，分离结果保持稳定，证实了SMB生长曲线确定风区的可靠性。
3. 方向谱分离：成功识别出台风不同阶段的多波系传播特征，如台风过境前主导的240-300°传播波系，以及过境后新生的东北向(25°和65°)涌浪系统。
4. 一维谱分析：发现传统Earle方法(分离频率f_s=0.8f_m)会高估风浪能量(如将实测38.19%的涌浪能量误判为风浪)，而新方法能捕捉到频率重叠区域的能量分布。
5. 能量占比演变：定量揭示了台风过程中涌浪能量占比从38.19%升至94.17%的动态变化规律，符合"台风临近时涌浪主导"的工程经验。

研究结论指出，该方法创新性地将波浪成长理论与数值模拟相结合，首次实现了考虑地形效应的波浪系统分离。相比传统方法具有三大优势：能处理同频多向的复杂波系、适用于浅水地形条件、可获得方向谱信息。实际应用表明，在台风"莎莉嘉"案例中，涌浪能量占比被传统方法低估达56%，这将直接影响海洋结构物的安全设计。该成果不仅为海岛工程波浪荷载计算提供了新工具，也为台风波浪预报理论发展提供了重要参考。未来研究可进一步探讨该方法在大尺度风系统下的适用性，以及多源涌浪的分离技术。