多尺度波浪建模的进步：2022年大西洋飓风季节期间的全球与沿海应用

《Ocean Modelling》：Advancing multi-scale wave modeling: Global and coastal applications during the 2022 Atlantic hurricane season

飓风季节数值模拟中变分辨率网格优化及全球波模型验证，基于WAVEWATCH III模型，对比3km、40km及全球变分辨率网格，在2022年大西洋飓风季节中，通过卫星测高、固定浮标及漂流浮标数据验证，发现5-30km变分辨率网格在近岸和浅水区域实现RMSE降至0.14m，相关系数达0.98，计算效率比3km网格提升6倍。

　　这项研究围绕2022年大西洋飓风季节的案例，探讨了波浪模型在不同分辨率网格上的表现。研究采用了第三代谱波浪模型WAVEWATCH III（WW3），展示了使用可变分辨率全球网格（5-30公里）生成的波浪参数在与多种验证观测数据集进行比较时，其精度与成本更高的固定分辨率网格（3公里）相当。这一成果表明，通过优化网格设计，可以在不影响模型准确性的前提下显著提升计算效率。

研究中使用的可变分辨率无结构三角网格在保持陆地几何特征和波浪演变梯度的同时，对较深海域的分辨率进行了适度降低。这种设计方式使得模型在捕捉波浪变化显著的区域（如浅水区和飓风附近）更加精准，而在波浪变化不明显的深水区域则减少了计算负担。波浪参数通过卫星测高、固定浮标网络和漂流浮标等观测手段进行验证，不仅展示了在粗略网格（40公里）上的显著提升，还证明了其与全收敛分析网格相当的性能。特别是在近岸数据中，RMSE从0.29米降低到0.13米，相关系数（CC）从0.89提升至0.98；在浅水区域，RMSE从0.29米降至0.15米，CC从0.88上升至0.97；而在飓风条件下，RMSE从0.62米降至0.35米，CC从0.93提高到0.98。这些结果表明，可变分辨率网格在不同海域和不同气象条件下都能提供可靠的波浪模拟。

在近岸区域，使用可变分辨率网格的波浪模型结果得到了进一步分析，以总结整个研究期间的波浪气候特征，包括风浪和涌浪的划分。研究揭示了在飓风影响下，波浪的变化趋势以及不同波浪成分的空间分布情况。这些信息对于理解波浪的演变机制、预测极端天气事件的影响以及制定有效的海洋防灾措施具有重要意义。

本研究的创新点在于引入了一种专门针对谱波浪模型优化的网格生成策略。传统的谱波浪模型通常采用结构化网格，但这种设计在处理复杂地理特征和动态波浪演变时存在局限。无结构网格则提供了更高的灵活性，能够在不同区域实现不同分辨率，从而更好地模拟波浪在复杂海岸线和岛屿环境中的传播和相互作用。通过将模型应用于全球尺度，并结合高分辨率的区域网格，研究团队成功地在不增加计算负担的情况下，实现了对关键区域的精确模拟。

在研究过程中，团队利用了多种数据源进行验证，包括卫星测高、固定浮标网络和漂流浮标。这些数据不仅提供了广泛的空间覆盖，还涵盖了不同深度、不同海况以及不同地理位置的波浪特征。通过对这些数据的分类分析，研究进一步量化了模型在不同区域和条件下的性能表现。这种多源数据的结合，为评估波浪模型的准确性和优化网格提供了坚实的基础。

此外，研究还强调了对波浪模型输入数据的优化。为了减少风场数据对波浪模型的偏倚，团队结合了欧洲中期天气预报中心（ECMWF）的ERA5再分析数据与海洋天气公司（OWI）的风场数据。这种融合方法在保留高精度的同时，有效降低了数据偏倚，从而提升了波浪模型的性能。特别是在飓风区域，优化后的风场数据显著提高了模型对极端天气条件的响应能力。

为了进一步验证模型性能，研究团队在多个方面进行了详细分析。包括对风速和波浪高度的统计评估，以及对波浪频谱和方向分布的比较。通过这些分析，研究团队能够识别出模型在不同区域和条件下的表现差异，并据此调整网格设计，以达到最佳的模拟效果。结果显示，优化后的可变分辨率网格在飓风区域和近岸区域的性能明显优于固定分辨率网格，而在深水区域则表现出与高分辨率网格相当的精度。

本研究还探讨了波浪模型在不同分辨率网格下的计算效率。尽管3公里分辨率的网格在精度上表现优异，但其计算成本是优化后的可变分辨率网格的六倍。相比之下，可变分辨率网格在保持高精度的同时，显著降低了计算资源的消耗，使得全球尺度的波浪模拟更加可行。这种优化不仅提高了模型的准确性，还增强了其在实际应用中的实用性。

研究团队在方法论上采取了多种措施，以确保模型的稳定性和可靠性。其中包括对网格分辨率的合理设定，如最小网格间距为5公里，以捕捉关键的地理特征和波浪变化。此外，还采用了基于深度梯度的细化策略，以确保在波浪变化显著的区域保持足够的分辨率。这种网格设计方法在保持模型整体计算效率的同时，能够有效提升在复杂海域和极端天气条件下的模拟精度。

本研究的结论表明，优化后的可变分辨率网格在飓风季节的波浪模拟中表现出色，能够提供与高分辨率网格相当的精度，同时显著降低计算成本。这一成果为未来全球和区域波浪模型的优化提供了重要的参考，特别是在应对极端天气事件时，能够为海洋资源管理、灾害预警和科学研究提供更加精确的数据支持。通过结合高精度的风场数据、多源观测数据以及合理的网格设计，研究团队成功地验证了可变分辨率网格在复杂海洋环境中的有效性，为未来的波浪模拟和研究奠定了坚实的基础。