在一维XBeach非静水模型的多事件评估中，波浪生成边界缺陷占据了主导地位

《Ocean Engineering》：A wave-generation boundary deficit dominates a multi-event assessment of 1D XBeach non-hydrostatic

　　• 在北卡罗来纳州Duck的FRF区域，对1D XBeach非静水模型进行了52次事件、14年的评估。1D JONSWAP边界仅产生了规定的离岸波高的57%。平坦底部测试表明，这种不足是波浪生成的特性，而非物理现象。从传递的能量来看，转换能力较弱而非缺失。通过修正边界能量，非静水模型的性能从r = 0.04提升到了0.30。

引言
波浪能量通过深度诱导的破碎作用在浅水区域的消散控制着入射波从中间水深向海岸线的转换过程（Battjes和Janssen，1978；Thornton和Guza，1983）。这种消散的横向结构决定了波浪的建立、次重力波的生成、冲刷区的循环、波浪的堆积以及沉积物的输送，这些直接影响了海岸洪水灾害的评估和海岸防护设计（Stockdon等人，2006）。基于相位解析的非静水浅水模型已成为模拟这些过程的实际工具。SWASH（Zijlema等人，2011）和XBeach-NH（Roelvink等人，2009；Smit等人，2013）都通过对深度平均的非线性浅水方程应用非静水压力修正，将其适用范围扩展到了色散波转换区域。SWASH已在实验室和现场环境中广泛评估了其波浪转换、波浪堆积、溢岸和流速特性（Smit等人，2014；Henderson等人，2022；Al Khalili等人，2025；Rijnsdorp等人，2014，2015）。XBeach-NH嵌入在更广泛的XBeach水动力-形态动力学海岸影响框架内（Roelvink等人，2009），其能力包括波浪内部底部演变、风暴溢岸、沙丘侵蚀和沉积物输送。在本研究中，禁用了底部更新功能，并在固定底部非静水模式下运行XBeach模型，以便直接与CRAB调查观测到的水深状态进行比较，而不会将水动力误差与不确定的沉积物输送过程耦合在一起。该模型已在实验室剖面（Roelvink等人，2018）和边缘礁石环境（Lashley等人，2018）中接受了波浪堆积和溢岸的评估。然而，关于XBeach-NH在带状沙质剖面上的横向转换的现场规模评估，尤其是多事件系统的评估仍然相对较少；本研究正是针对这一空白进行的。事实上，长期档案在使用中进行广泛推断时也需要明确处理数据来源、质量控制、采样结构和统计依赖性（Biondi，2026）。

消散过程取决于入射波能量与横向水深剖面之间的相互作用，特别是近岸沙洲的位置、高度和几何形状。两种在各个测量位置产生几乎相同Hm0的参数组合可能会导致完全不同的横向消散梯度、波浪建立幅度和次重力波能量。这种简并性仅通过点测量比较是无法解决的。基于稀疏测量记录的校准往往会通过调整摩擦或其他自由参数来补偿破碎参数化中的结构误差（Ruessink等人，2003），从而产生在校准地点表现良好的模型，但忽略了潜在的消散结构。一种自然的方法是从相邻测量点之间测量的波能通量梯度来推导出观察到的转换和消散剖面。沿横向段落积分的消散率可以表示为波能通量的负导数，D(x) = ?d(ECg)/dx，其中E是波能密度，Cg是群速度（Thornton和Guza，1983；Elgar等人，1997）。这种公式要求稳态条件、沿岸法线传播以及测量阵列沿岸的均匀性，并假设底部摩擦损失相对于破碎消散来说很小。当应用于足够密集的测量阵列时，它可以产生一个离散的深度积分消散和标准化波高转换剖面，可以直接与模型输出进行比较。在现场转换研究中，通过离岸参考值标准化波高是一种标准做法（Ruessink等人，2003；Apostosos等人，2008）。

在带状沙质剖面上对相位解析波转换模型进行的现场规模多事件评估仍然很少。之前在FRF进行的系统研究主要集中在连续运行于横向测量阵列的相位平均谱波模型上（Smith等人，2017），通过综合波高统计来评估模型性能，但没有评估消散结构或相位解析的准确性。早期在FRF及其类似地点记录波浪转换和消散的现场考察（Thornton和Guza，1983；Elgar等人，1997；Baldock等人，1998；Ruessink等人，2001）仅限于单一的考察窗口和临时密集的测量阵列，无法覆盖广泛的波能条件和沙洲形态状态。此外，尚未为FRF的1D XBeach-NH建立可复制的多事件比较工作流程。在相位解析的近岸模型中，边界条件能量传输的准确性一直受到有限的系统关注（de Ridder等人，2021），而单层非静水实现在中等水深时面临已知的色散限制，这与这些记录中的能量事件相关。类似的数值和实验相结合的方法已被用于量化海岸工程应用中的波浪转换、消散和波浪诱导载荷（Biondi，2026）。本研究后的分析揭示了1D模型边界存在系统性的、方向依赖的能量传输不足，这排除了绝对Hm0的直接比较，因此采用了标准化波高转换框架作为主要的评估指标。由于标准化指标和事件分层都是在检查模型行为后确定的，而不是预先指定的，因此这里呈现的技能评估明确被描述为探索性诊断结果，而非验证性测试。

北卡罗来纳州Duck的FRF（图1）提供了一个解决这些挑战的绝佳机会。自20世纪70年代末以来，FRF维持了一个连续的横向波浪测量阵列，覆盖从26米深度到内冲刷区的范围，仪器包括方向性Waverider浮标、声波和电流剖面仪（AWACs）以及最多七个横向位置的Paros压力测量仪。使用海岸研究两栖车（CRAB）进行的共位水深调查大约每季度进行一次，已经提供了超过三十年的沙洲演变详细记录。所有数据都可以通过FRF CHL THREDDS服务器免费获取。FRF的记录使得能够在广泛的驱动条件和形态状态下使用一致的仪器网络进行多事件模型数据评估，这是任何专门设计的现场考察都无法复制的。

本文对北卡罗来纳州Duck的XBeach-NH横向波浪转换进行了52次事件的现场规模评估，主要指标是转换比率K = Hm0/Hm0BC，次要指标是能量保留比例。本研究有四个目标：（1）描述1D JONSWAP边界根据波方向、能量类别和周期传递的能量；（2）记录14年来52次事件中不同能量类别和不同沙洲状态的观察到的横向波浪转换；（3）使用一致的处理方法和无事件特定校准，对照这些观察结果评估固定底部的1D XBeach NH；（4）量化对网格分辨率、启动持续时间和破碎陡度的敏感性。分析发现1D波浪生成边界传递的能量存在系统性不足。平坦底部的诊断将这种不足与水深转换分离开来，进一步的测试检查了其对方向、深度、周期和数值公式的影响。由于这种不足影响了模型观测结果的准确性，因此边界参考的结果代表了边界传输和横向转换的综合效应。因此，分别使用模型传递的能量和经过修正的边界模拟来评估转换能力。52个事件的观测数据集提供了FRF横向波浪转换的独立表征，并为在具有斜向波浪气候的带状沙质海岸应用和解释1D XBeach NH提供了实用建议。

本文的组织结构如下。第2节描述了研究地点、FRF数据集、事件选择程序、推导观测转换剖面的方法、XBeach-NH模型配置、边界条件能量不足以及比较指标。第3节展示了结果。第4节讨论了对近岸建模实践的影响。第5节提供了结论。

方法
本研究有意选择在1D模式下使用XBeach-NH：目的是记录具有斜向波浪气候的现场条件下1D配置的性能范围和边界条件行为，而不是优化模型性能。

代表性事件剖面
图3显示了三个事件的模型Hm0剖面与横向水深的关系，这三个事件涵盖了52个事件集中的不同驱动条件范围：高能量事件_0010（Hm0BC ≈ 4.3米）、中等能量事件_0038（Hm0BC ≈ 2.0米）和静止事件_0050（Hm0BC ≈ 0.6米）。这三个剖面均来自基线标准网格运行。选择这些事件是为了展示模型在真正不同的水动力条件下的响应，而不是为了确定最佳或最差情况。

边界条件不足的本质和起源
第3.2节中确定的边界传输不足是贯穿本研究的控制模型与观测差异的主要因素。其结构在那里定量说明，此处不再重复。本节考虑了产生这种不足的机制。根据第3.2节的证据，可以权衡三种候选机制，前两种与之一致。方向扩散几何，即将入射谱投影到沿岸法线的1D边界上，可以解释这一点。

结论
本研究使用了14年的开放访问测量阵列观测数据，对USACE FRF Duck站点上的XBeach非静水（XBeach-NH）进行了52次事件的现场规模模型数据比较。得出以下结论：
边界条件传输不足。在1D非静水模式下的XBeach-NH使用JONSWAP表格边界在离岸边界表现出系统性的波高传输不足。52次事件中的平均边界传输比率Kbnd为0.57。

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。