摩洛哥北大西洋沿岸波浪传播与变形过程研究——基于TOMAWAC模型的数值模拟与近岸波能再分配机制分析

《Kuwait Journal of Science》：Wave transformation along the Moroccan North Atlantic coast using the TOMAWAC model

　　

波浪从深水区向摩洛哥大西洋陆架浅水区传播的过程已通过数值模拟加以研究。大陆架几何形态对浅水变形效应（shoaling）和波浪折射（refraction）起着决定性控制作用。在陆架浅水变形过程中，有效波高（significant wave height, Hs）最大增幅可达60%。研究人员利用近岸波浪浮标实测数据对模型进行了验证，结果表明模型具有较高的模拟精度。

论文解读

一、研究背景与意义

波浪是驱动海岸动力过程的首要因素之一，直接控制着泥沙输运、岸线演变以及海岸与港口基础设施的安全。在摩洛哥北大西洋开阔海域，波场主要由北大西洋生成的高能长周期涌浪主导。当这些波浪向岸传播时，其与大陆架的相互作用会导致波高、波向和能量分布发生显著改变，这一过程涉及浅水变形效应、折射、绕射、底摩擦以及水深诱导破碎等一系列经典物理机制。尽管全球范围内关于近岸波浪变形的研究已相当丰富，但针对摩洛哥大西洋海岸线的精细化研究仍然匮乏。现有摩洛哥相关研究多集中于大尺度海洋学特征描述或风暴影响评估，而陆架浅水变形与折射等近岸过程鲜有系统记录。近年来多项研究强调了该海岸线在极端风暴和海平面上升情景下对风暴灾害、岸线形态动力过程及海洋淹没风险的脆弱性，凸显了在区域尺度上深入理解波浪变形机制的迫切需求。在此背景下，本研究利用TOMAWAC第三代谱波浪模型，系统分析摩洛哥北大西洋沿岸波浪的传播与变形过程，重点探讨大陆架几何形态对波浪能量空间格局的控制作用，为海岸与港口基础设施设计优化、港口可作业性评估以及极端波浪事件相关的海岸灾害评价提供科学支撑。

二、研究内容与主要结论

研究人员以摩洛哥北大西洋沿岸北起Pointe Nador、南至Pointe Azemmour（约35°15′N至33°22′N，6°12′W至8°14′W）的区域为研究区，利用TOMAWAC模型开展了波浪传播与变形的数值模拟研究。研究区波浪气候以西北向大西洋涌浪为主导，正常条件下有效波高（H_s）通常为1.5至3 m，冬季风暴期间可超过5 m，峰周期（T_p）为10至16 s。研究得出以下核心结论：浅水变形效应在约150 m至50 m水深区间（外陆架至中陆架）变得显著，可使波高增加50%至60%，之后水深限制破碎和底摩擦逐渐削减近岸波能；波浪折射导致波峰线从离岸西北方向逐渐旋转至与海岸等深线平行；北部Kenitra–Rabat段因陆架狭窄陡峭而呈现更强的折射效应和更早的浅水变形，南部Casablanca–El Jadida段因陆架宽阔平缓而呈现更渐变的能量转化过程。该研究的重要意义在于揭示了陆架尺度地形控制对近岸波浪行为的决定性作用，为港口运营、海岸线防护、泥沙输运路径及近岸水动力研究提供了可靠的物理基础。

三、主要技术方法

研究人员采用了以下关键技术方法：其一，水深数据融合，将GEBCO 2021全球水深网格（30弧秒分辨率，约1 km）与法国SHOM海道测量局高分辨率水深数据（1至5 m等深线间距）进行融合，经WGS84坐标配准、双线性插值与平滑处理后生成无缝水深表面；其二，离岸波浪强迫数据采用西班牙Puertos del Estado的SIMAR/WANA后报数据库（1958至2024年，逐时分辨率），选取水深1647 m的SIMAR 1050038深水点作为模型西侧开边界谱强迫；其三，数值模拟采用TELEMAC系统中的TOMAWAC第三代谱波浪模型，在完全谱模式下求解波作用量平衡方程，频率范围0.04至1.0 Hz，方向分辨率36个方向区间（10°间隔），开启四波非线性相互作用、Komen型白帽耗散、砂质海底底摩擦参数化及水深诱导破碎；其四，计算域采用非结构化三角网格，离岸延伸约190 km、沿岸约210 km，近岸分辨率100至300 m，离岸分辨率3至5 km，在20至50 m水深带进行重点加密；其五，开展参数敏感性分析，检验网格分辨率、底摩擦系数、方向分辨率、离岸谱参数及破碎参数对模拟结果的影响。

四、研究结果

4.1 波参数的空间分布

数值模拟揭示了摩洛哥北大西洋沿岸波浪特征的显著空间变异性。有效波高（H_s）在陆架上因浅水变形效应先增大，随后在近岸因水深诱导破碎和底摩擦而减小。中等涌浪条件下离岸H_s通常为1.5至2.5 m，近岸降至0.6至1.6 m。波浪方向在向岸传播过程中呈现逐渐顺时针旋转的趋势，反映了波峰线与等深线对齐的折射主导行为。北部Kenitra–Rabat段因陆架陡峭狭窄呈现更强的折射效应，南部Casablanca–El Jadida段因陆架宽阔而能量梯度更为平缓。

4.2 浅水变形过程

模型结果表明，随着波速减小而波周期几乎保持不变，波高呈现系统性增加。浅水变形在约150 m至50 m水深区间变得显著，通常位于离岸约50 km的外陆架坡折处。深水条件（水深大于1000 m）下H_s平均约0.6至0.9 m；水深460 m处H_s增至约1.0 m；最大增幅出现在150 m至30 m水深区间，H_s从1.3 m增至1.5 m，平均浅水变形系数（K_s）约1.5。模拟的K_s值在研究区范围内介于1.4至1.6之间，与中等坡度及长周期大西洋涌浪的理论预期一致。观测到的波高从0.9 m增至1.5 m对应约180%的能量增加，显著影响局部水动力和泥沙起动。

4.3 波浪折射与方向调整

波浪折射在控制近岸波向方面起主导作用。模型输出显示波峰线从离岸主导方向（NW–WNW）逐渐旋转至与岸线近平行的方向。折射过程导致波能横向重新分配，产生汇聚区和发散区。与入射波向一致的深水走廊出现能量聚焦，而海岸曲率和地形不规则产生的遮蔽区则出现能量衰减。定量而言，水深2000 m处平均波向为278°，水深460 m处为292°，水深150 m处为298°，水深30 m处为330°，水深10 m处为336°，水深2 m处为356°。折射在约460 m水深开始逐渐出现，在100 m以下水深因局部地形梯度增强而变得强烈非线性。Rabat附近较陡的海底增强了方向旋转，而Casablanca附近较平缓的北部陆架导致较慢的方向调整和更宽的波浪扩散。

4.4 近岸能量再分配

浅水变形与折射的相互作用导致沿岸波浪能量的复杂再分配。波射线汇聚区域呈现局部增强的波高，在强浪事件期间可能增加海岸暴露度；反之，发散区域波能减弱，为某些岸段提供天然保护。这些空间差异在不同波浪条件下持续存在，表明水深地形是稳定的控制因素而非瞬态影响。此类能量格局对港口航道和通航走廊尤为重要，局部波能放大可能影响可作业性和安全性。

4.5 对海岸过程与灾害的意义

研究结果凸显了波浪变形过程在塑造海岸水动力及相关灾害中的重要性。风暴条件下，放大的近岸波能可能与抬升的水位相互作用，加剧海岸淹没、越浪、岸线迁移和港池内波浪扰动。已识别的波浪变形区构成未来复合淹没、海岸脆弱性及气候变化驱动的海平面上升研究的重点区域。

五、模型验证与不确定性分析

研究人员利用卡萨布兰卡港附近Agence Nationale des Ports（ANP）提供的近岸波浪浮标观测数据对TOMAWAC模型进行了验证。对比分析显示，模拟与观测的有效波高（H_s）和平均波向在时间变化和量级上均吻合良好。定量指标方面，H_s的均方根误差（RMSE）低于0.12 m，平均偏差较小且略为负值，表明模型在峰值事件期间存在轻微低估趋势；相关系数（R）超过0.85，反映模拟与观测之间存在强线性关系。总体而言，验证结果表明TOMAWAC能够真实再现摩洛哥北大西洋沿岸的近岸波浪条件。

在不确定性方面，研究指出模拟结果应视为相对空间格局的稳健估计而非精确的点尺度预测。波能空间分布、变形区识别以及Kenitra–Rabat与Casablanca段之间的差异被认为是可靠的，但局部波高可能存在较小的定量不确定性。研究存在的局限性包括：模拟时段较短限制了长期统计稳健性；源项参数化（尤其是白帽耗散）仍存在不确定性；多点观测验证将增强空间结论的可靠性。未来工作应扩展至多季节模拟、纳入更高分辨率水深数据、评估替代白帽耗散方案，并耦合波浪—风暴增水—潮汐模型以更好地解析复合海岸淹没灾害。

六、研究结论

本研究利用TOMAWAC谱模型对摩洛哥北大西洋沿岸波浪变形进行了基于过程的综合评估，表明主要由海底形态控制的浅水变形效应和波浪折射对涌浪从深水区穿过大陆架向近岸传播时的波浪行为施加最强影响。浅水变形在约150 m至50 m水深之间变得显著，使波高增加高达50%至60%，之后水深限制破碎和底摩擦逐渐削减近岸能量；折射则导致波峰线从离岸西北方向系统旋转至与海岸等深线对齐。模型揭示的空间格局与海岸波浪变形理论框架的预期高度一致，高相关系数和低误差指标证实了模拟的可靠性，表明模型能够捕捉有效波高和平均波向的量级及时间变率。研究结果证明了将陆架尺度水深控制纳入海岸工程和灾害评估研究的重要性，因为局部波能放大可影响港口可作业性、岸线暴露度、泥沙输运路径和近岸水动力。本研究建立的方法框架为当前和未来气候条件下的运营与规划应用提供了坚实基础，其应用价值延伸至港口设计、海岸基础设施优化以及需要精确波浪—水位相互作用的风险分析。