中国海域海面波浪的数值模拟

《Ocean Modelling》：Numerical simulations of ocean surface waves in the China Seas

中国海域波浪模拟研究基于WW3-ST6模型，采用1-10公里变分辨率不structured网格，发现小岛和珊瑚礁区域存在波能高估问题，通过局部100米网格细化及未解障碍物参数化方法有效修正，验证了SWOT数据在分析岛屿掩护效应的应用价值。

　　

欧阳祖荣|董向辉|刘庆祥|高志毅|孙天奇|亚历山大·V·巴巴宁

中国海洋大学物理海洋学国家重点实验室，青岛，中国

摘要

在过去的几十年里，光谱波建模技术取得了显著的进步。然而，对这些现代物理和数值方法在中国海域适用性的彻底研究仍然相对较少。在本文中，我们基于第三代光谱波模型WAVEWATCH III（WW3）和基于观测的源项包ST6，对中国海域的海洋表面波进行了系列数值模拟。首先，我们设计了一个覆盖整个中国海域的大规模非结构化网格，分辨率从海岸线的1公里到开放边界的约10公里不等。研究表明，在ERA5中性风的驱动下，非结构化的WW3-ST6框架在中国海域的表现相当不错，与高度计记录相比，波高的整体偏差为5%。一个显著的例外是南海的西沙群岛和南沙群岛附近，由于这些地区分布密集的小岛屿和珊瑚礁无法被我们的公里级网格解析，导致波能被显著高估。为此，我们尝试了两种策略来解决这一挑战：（i）局部网格细化；（ii）子网格参数化，即未解析障碍物源项方法。通过浮标和SWOT波观测的验证表明，这两种策略都能显著减少西沙群岛和南沙群岛附近的模型误差。我们的结果还强调了SWOT波数据在研究岛屿和珊瑚礁的遮蔽效应方面的适用性。

引言

了解海洋表面波对于海洋环境预报、海洋工程设计以及船舶的安全航行至关重要。由于观测数据（如现场波浮标数据和遥感记录）的时间和空间覆盖范围有限，波模拟成为获取实际海洋中波信息的关键工具。经过几十年的发展，第三代光谱波模型（如WAVEWATCH III；WAVEWATCH III?开发组，2019年）的准确性已显著提高（例如，Cavaleri等人，2018年）。例如，根据Liu等人（2021年）的研究，基于基于观测的源项包ST6（Rogers等人，2012年，Zieger等人，2015年，Liu等人，2019年）和现代风场再分析数据（ERA5；Hersbach等人，2020年），WW3-ST6全球波预报与卫星高度计观测的相关系数达到了0.97，显示出在全球海洋中的出色性能。Dong等人（2025a，2025b）也展示了WW3-ST6框架在沿海水域的能力。使用高分辨率非结构化网格，他们的模型在澳大利亚海岸取得了良好的吻合度，与高度计数据的偏差大多在10%以内，与浮标观测的相关系数为0.96。

然而，Liu等人（2021年）从他们的全球预报中报告称，中国沿海水域的模型误差相对较大，东中国海和黄海的散布指数偶尔达到约0.4（见他们的图11）。不可否认，中国海域出现如此较大误差的原因可能包括全球预报的网格分辨率过于粗糙，无法解析复杂的海岸线，以及强迫数据、模型物理和数值方法的误差（例如，Hu等人，2025年，Yao等人，2025年）。这也需要进一步进行波的降尺度处理以提高模型精度。另一方面，尽管一些研究已经将WW3-ST6方案应用于中国海域的部分区域并显示出良好的性能（例如，Sun等人，2023年，Gong等人，2024年），但它尚未在中国整个海域得到广泛的应用或系统的验证。因此，本研究的主要目标是扩展Liu等人（2021年）的工作，基于WW3-ST6框架对中国海域进行非结构化高分辨率波模拟，进一步全面评估ST6在这些沿海地区的性能。这项工作也代表了高分辨率非结构化网格在中国海域的大规模应用。为此，我们设计了一个覆盖整个中国海域的大规模非结构化网格，分辨率从近岸区域的1公里到开放边界的10公里不等（见图1）。然后，通过与Ribal和Young（2019年）的高度计记录比较，验证了WW3-ST6的整体良好性能。

然而，在我们的初步调查过程中，我们发现上述公里级波模型对中国南海的西沙群岛和南沙群岛的波能进行了显著的高估。尽管Liu等人（2021年）的整体研究发现南海的波能被低估（见他们的图8），但在他们的全球结果中也可以观察到类似的异常高估。一个关键原因是西沙群岛和南沙群岛由许多小岛屿组成，这些岛屿无法被公里级（甚至更粗糙的）模型网格解析（例如，Sun等人，2023年，他们的图1）。除了这些岛屿本身，这些地区还以广阔的沉没珊瑚礁系统为特征（例如，Lowe和Falter，2015年，他们的图4），通常在空间尺度上为数十米。实地测量和卫星高度计观测表明，由于这些珊瑚礁系统表面非常粗糙以及深度引起的波浪破碎作用，它们可以强烈耗散波能（例如，Young，1989年，Lowe等人，2005年，Gallop等人，2014年）。然而，由于缺乏详细的水深数据和底部摩擦粗糙度数据，在数值波模型中明确表示这些耗散过程仍然具有很高的挑战性，特别是对于相对大尺度的模型应用（Dong等人，2025a，Dong等人，2025b）。

为了解决这些未解析障碍物引起的误差，细化模型分辨率无疑是一种有效的方法。例如，Sun等人（2023年）将西沙群岛周围的网格分辨率细化到几十米，并取得了满意的结果。Yao等人（2024年）在覆盖整个南海的模拟中，将西沙群岛周围的分辨率局部细化到0.002°（约200米），这也改善了结果。然而，这样的细化模拟会显著增加计算成本，特别是如果模型域中考虑了相对广阔的南沙群岛。除了网格细化之外，子网格参数化提供了另一种减少未解析障碍物引起的误差的方法（例如，Tolman，2003年）。在这方面，基于未解析障碍物源项（UOST；Mentaschi等人，2015年，Mentaschi等人，2018年），Dong等人（2025a）开发了一种两步子网格建模策略，用于表示大堡礁（世界上最大的珊瑚礁系统）上的大量波能耗散。这种方法将模拟波高的偏差从超过100%降低到不到20%，显著提高了模型精度。因此，本研究的另一个目标是分别应用这两种方法，即细化局部分辨率和采用子网格参数化，来纠正西沙群岛和南沙群岛的波能高估，并评估它们的相对性能。

本文的结构如下。第2节概述了用于中国海域波模拟和验证的模型配置、风场强迫和高度计观测，并评估了WW3-ST6的性能。第3节重点讨论了基于两种不同方法改进西沙群岛和南沙群岛附近模型性能的方法，并使用浮标和SWOT观测验证了改进的结果。最后，第4节提出了结论。

部分摘录

模型配置

第三代光谱波模型WW3通过求解辐射传输方程（RTE）来模拟风生成波的传播和转换。其一般形式表示为（Komen等人，1994年）：其中表示二维波谱。右侧的项代表与不同物理过程相关的波能的源和汇（例如，Holthuijsen，2007年，Young，1999年）。

在

局部网格细化

如前所述，未能解析子网格珊瑚礁可能导致在富含珊瑚礁区域的模拟中低估障碍物引起的波能耗散（Dong等人，2025a，Dong等人，2025b）。然而，我们使用的水深数据集（GEBCO；约400米）无法解析小尺度（数十米）的珊瑚礁特征。为了更好地表示复杂的西沙群岛和南沙群岛区域并考虑潜在的珊瑚礁影响，我们设计了两个细化的网格：M1和M2（见图6和

结论

在这项研究中，我们首先应用了一个高分辨率（1-10公里）的非结构化WW3模型来模拟2014年中国海域的风生成波，使用了基于观测的ST6源项包（Liu等人，2019年）。与卫星高度计观测的验证表明，非结构化的WW3-ST6框架在这个沿海区域表现令人满意（见图4，图5），并且调整可调动量通量参数（CDFAC）有效地减少了风场强迫的影响

CRediT作者贡献声明

欧阳祖荣：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理。董向辉：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据管理，概念化。刘庆祥：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，监督，软件，资源，项目管理，方法论，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

作者感谢NOAA/NCEP分发和维护WAVEWATCH III代码。本研究得到了国家自然科学基金（42576014）、山东省优秀青年科学家海外基金计划（2023HWYQ-056）、中央高校基本科研业务费（202441007）和泰山学者计划（tsqnz20221111）的资助。