实施和校准一个嵌套的WW3-SWAN模型，用于模拟在各种极端天气条件下的海浪：以阿尔及利亚海岸为例

《Ocean Engineering》：Implementation and calibration of a nested WW3-SWAN model for simulating waves under varying and extreme weather conditions: Case Study of the Algerian Coast

基于WW3-SWAN耦合模型的高分辨率波浪模拟与参数优化研究

　　本研究致力于在地中海南部沿岸，特别是阿尔及利亚海岸，实施并校准高分辨率的WaveWatch III（WW3）和SWAN耦合波浪模型。该研究的目的是为了提高对极端波浪事件的预测精度，从而为海上作业、沿海结构设计以及海洋环境管理提供更加可靠的波浪数据支持。WaveWatch III模型用于较粗的网格区域，提供边界条件，而SWAN模型则嵌套在这些边界条件中，用于近岸波浪建模。通过调整可调系数，对WW3模型中的源项包（ST4和ST6）进行了评估和校准，并在不同网格区域中对SWAN模型的风浪增长和白浪破碎源项包进行了优化，以提升模型对极端天气条件下波浪特性的模拟能力。

波浪模型的校准是确保其预测结果与实际观测数据相符的重要步骤。研究中使用了七座海上浮标的数据进行WW3模型的校准，而验证则采用了四座位于阿尔及利亚海岸的浮标数据。通过对这些数据的分析，研究团队发现，WW3模型在风暴波浪条件下，采用ST4物理参数且β_max设为2.5时，能够更准确地生成SWAN模型所需的边界条件。这一发现表明，模型的参数选择对模拟结果具有重要影响，特别是在极端天气条件下，需要对模型进行细致的调整，以提高其预测的准确性。

在SWAN模型的校准过程中，研究团队考虑了不同网格区域（G1、G2、G3和G4）的特性，分别对风浪增长和白浪破碎源项包进行了优化。例如，在G1和G3网格区域中，推荐使用Komen和Janssen的组合，并将白浪破碎系数C_ds设为1.5。而在G2网格区域，当C_ds设为6.5时，模型的性能更佳。对于G4网格区域，Komen和Komen的组合搭配C_ds为0.36E-5则更为合适。这些结果表明，SWAN模型的参数设置需要根据具体的地理位置和海况进行调整，以实现最佳的模拟效果。

此外，研究团队还发现，SWAN模型在半封闭海域中的校准能够显著提高其预测精度。例如，在马尔马拉海和西地中海区域，使用CFSR风场数据，并结合Komen和Janssen的源项包，能够更准确地模拟波浪特性。而在黑海区域，使用Komen风浪增长和Janssen白浪破碎源项包，且C_ds设为1.5时，模型的预测效果最佳。这些研究结果强调了模型参数选择的重要性，并指出在不同海域和不同气象条件下，最优参数组合可能有所不同。

考虑到WW3模型在离岸区域的准确性以及SWAN模型在浅水区域的适用性，研究团队认为，校准后的WW3和SWAN模型能够提供更精确的波浪预报和回溯数据。这不仅有助于提高沿海结构的设计标准，还能为港口管理和海洋能资源评估提供科学依据。同时，校准后的模型还可以用于安全航行的决策支持，确保船舶在恶劣天气条件下的航行安全。

在研究过程中，团队还评估了不同风场数据对模型性能的影响。例如，使用ERA5风场数据，结合ST6物理参数，能够更好地模拟黑海区域的波浪特性。而在其他海域，如西地中海和阿尔及利亚海岸，使用不同的风场数据和源项包组合，也能取得较好的模拟效果。这些发现表明，风场数据的选择和源项包的配置对模型的准确性具有显著影响，因此在实际应用中需要根据具体区域的气象条件进行优化。

研究团队还指出，尽管已有许多关于WW3和SWAN模型的校准研究，但目前尚未有针对阿尔及利亚海岸的高分辨率耦合模型校准。因此，本研究填补了这一空白，提供了针对该区域的详细校准结果。这些结果不仅有助于提升阿尔及利亚沿海波浪预测的准确性，还为其他类似地理区域的模型应用提供了参考。

总的来说，本研究通过实施和校准WW3和SWAN耦合模型，提高了对阿尔及利亚海岸极端波浪事件的预测能力。研究结果表明，模型参数的调整和优化对于提升模拟精度至关重要，尤其是在不同地理区域和不同气象条件下。此外，研究还强调了模型校准在实际应用中的重要性，特别是在需要高精度波浪数据的沿海工程和海洋管理领域。这些成果为未来的波浪模型研究和应用提供了重要的基础和指导。