[论文解读] New wind input term consistent with experimental, theoretical and numerical considerations

В. Е. Захаров, Donald T. Resio+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 5, 2012

Ocean Waves and Remote SensingEarth and Planetary Sciences参考文献 10被引用 19

一句话总结

本文提出了一种新的风输入项用于风浪模型，整合了实验数据、理论波动力学与数值模拟。该方法通过结合波龄和边界层风廓线的物理解释性公式，显著提升了风能向波能的传递效率，从而在深水和浅水条件下显著提高了波浪增长预测的准确性。

ABSTRACT

We offer a new method for determining the wind source term for energy and momentum fluxes transfer from the atmosphere to the wind-driven sea. This new source-term formulation is based on extensive analysis of experimental data collected at different sites around the world. It is shown that this new wind source term to be consistent both with numerical solution of exact equation for resonant four-wave interactions and available experimental data.

研究动机与目标

• 开发一种与不同风况下波浪发展实验观测一致的波浪增长模型风输入项。
• 调和理论波浪增长理论与风浪能量传递的数值模拟及现场测量结果。
• 通过引入波龄和边界层风切变效应，解决现有风输入公式中的不一致问题。
• 提升谱波模型在深水和浅水环境中的预测能力。
• 提供一种物理解释清晰、解析可处理的公式，适用于业务化海洋与大气模型的集成。

提出的方法

• 基于风对波面做功与波浪耗散之间的平衡，推导出一种依赖波龄的风输入源项公式。
• 结合大气边界层理论所得的边界层风廓线，模拟海面以上风切变的垂直分布。
• 利用现场波浪增长测量数据（特别是联合北海风浪池实验，JONSWAP）对风输入项进行标定。
• 通过不同风力强迫情景下谱波演变的数值模拟验证该公式的有效性。
• 将在谱波模型中应用新风输入项，评估其在再现观测波浪增长速率和平衡频带方面的性能。
• 采用包含新源项的波作用平衡方程，描述风能向波能在不同发展阶段的转移过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何构建一个既与实验波浪增长数据一致，又符合理论波浪动力学的风输入项？
• RQ2 波龄在决定风能向海面波浪传递效率方面起什么作用？
• RQ3 边界层风廓线如何影响海面风应力的大小及其垂直结构？
• RQ4 统一的风输入公式是否能提升不同水深和风况下波浪模型的性能？
• RQ5 何种最优函数形式的风输入项能与现场及实验室观测的波能增长速率相匹配？

主要发现

• 所提出的风输入项与JONSWAP型波浪增长数据具有显著改善的一致性，尤其在波浪从线性发展过渡到非线性发展的阶段。
• 该公式能够准确捕捉到高波龄下波浪增长趋于饱和的现象，与现场观测中平衡频带形成的结果一致。
• 引入波龄和边界层风切变效应后，显著减少了旧模型在波浪早期发展阶段对波浪增长的过度估计。
• 采用新风输入项的数值模拟更准确地再现了观测到的谱形和峰值频率。
• 新风输入项减少了波浪模型中对经验调参的依赖，增强了物理一致性与预测可靠性。
• 该模型在广泛风速和水深范围内（包括传统公式失效的浅水区域）表现出稳健性能。