北海自由次重力波的重要性：基于现场观测和非结构化SWAN模型的创新研究

本研究针对北海海域次重力波(FIG)的传播机制展开深入探索，通过现场观测数据和非结构化SWAN模型相结合的方法，揭示了近岸FIG波的显著贡献及其与束缚次重力波(BIG)的能量比关系。研究发现FIG波在风暴条件下可较BIG波高出一个数量级，为海岸安全评估提供了重要理论依据。该成果对完善区域海洋灾害预警系统具有重要实践意义。

　　

在广袤的海洋中，有一种被称为次重力波(Infragravity waves, IG waves)的特殊长波，其周期介于30-200秒之间。这些看似温和的波浪实则暗藏巨大能量，在风暴来临时能显著调制潮位和风暴增水，成为海岸侵蚀、越浪甚至洪灾的"隐形推手"。传统观点认为，近岸IG波主要来源于与风浪非线性耦合的束缚次重力波(Bound IG, BIG)，而自由传播的次重力波(Free IG, FIG)往往被忽视。然而，在北海这样的半封闭海域，FIG波可能通过远距离传播对沿岸地区产生意想不到的影响。

为揭开FIG波的神秘面纱，由Gal Akrish领衔的国际研究团队在北海南部展开了为期两年的野外观测，结合最新开发的非结构化SWAN波浪模型，首次系统评估了FIG波在区域海洋中的重要性。研究团队在10-40米水深处布设了多台雷达、阶梯式验潮仪和压力传感器，获取了两轮风暴季(2022年1-4月和2023/24年冬季)的完整波浪数据。通过改进的SWAN模型参数化方案，研究人员成功实现了对FIG波辐射源项的精确刻画，并创新性地采用非结构化网格技术，兼顾了离岸区的计算效率与近岸区的分辨率需求。

研究结果令人振奋：在风暴条件下，北海近岸FIG波高可达BIG波的10倍之多。特别是在面向英国海岸的观测站OS11和BG2，FIG波的能量贡献占据绝对主导地位。模型分析显示，这种异常高的FIG能量部分来源于数百公里外海岸线的反射波，其传播机制与传统开放海域截然不同。风暴"Babet"期间的观测更是揭示了一个有趣现象：当盛行东风将英国海岸产生的FIG波向西输送时，荷兰沿岸的IG波高出现显著增长，这完美诠释了区域海域内FIG波的"远程效应"。

技术方法亮点包括：1)基于OceanMesh2D构建的非结构化计算网格，实现从深水到近岸的无缝模拟；2)改进的SWAN源项参数化方案，特别是对频率分布函数F和方向分布函数D的优化；3)多站点同步观测策略，涵盖北海南部典型海岸类型；4)创新性的能量比分析方法，定量区分FIG_L(本地产生)和FIG_R(远程传播)的贡献。

【FIG波的观测特征】通过频谱分析发现，近岸FIG波高与海涌波高(H_ss)呈显著线性关系，而BIG波则呈现平方关系。在30米以浅水域，FIG波能占到总IG能量的70%以上，这一比例随着水深减小而递增。

【风暴的影响机制】对比12场典型风暴发现，当风暴路径导致强风正向袭击海岸时，FIG_R波的贡献尤为突出。如风暴"Corrie(b)"期间，丹麦海岸反射的FIG波传播至荷兰沿岸后，使当地IG波高增加了约15cm。

【模型验证结果】改进的SWAN模型对FIG波的模拟误差控制在4cm以内，尤其在近岸区域的预测性能更为优异。模型成功再现了FIG波在区域海域的"汇聚效应"，即来自不同海岸线的FIG波可在特定区域叠加放大。

【工程意义】传统海岸设计仅考虑BIG波的做法可能导致安全裕度不足。研究建议在北海沿岸工程中，需额外考虑FIG波贡献，特别是在面向英国和丹麦的海岸线段。对于水深10-20m的典型设计区域，FIG波高可能达到BIG波的2-4倍。

这项发表于《The Ocular Surface》的研究打破了人们对IG波的传统认知，首次系统论证了区域海域内FIG波的重要性。其创新性不仅体现在观测技术的突破，更在于建立了区域尺度FIG波的定量预测框架。该成果为北海沿岸国家的防灾减灾提供了科学依据，也为其他半封闭海域的波浪研究树立了新范式。未来研究可进一步探索FIG波在海岸形态演变中的作用，以及气候变化背景下其时空特征的可能变化。