海洋环境模型 -海洋环境模型研究进展报告

01 研究背景

近年来，随着科技的发展，出于对环境保护的重视，以及对海洋资源开发的需求，蓝色经济的概念被愈加提及。蓝色经济是在海洋科技、海洋经济与海洋文化发展到一定阶段而出现的社会经济现象，它是以海洋经济为主题，以海带陆，以陆促海，海陆结合，海陆统筹为特色的区域经济。可持续发展是蓝色经济的指导思想，在保护资源，尊重自然的基础上，把握机会，在全球范围内推动海洋生产性活动，例如：海洋环境的管理、保护和开发；海洋、沿海和海上工程的产品和服务；可再生海洋能源和场地的勘探；物流和运输；渔业和娱乐活动。所有这些经营建设活动，都需要使用可靠的高分辨率数据和最适用的模拟软件作为支撑，在研究范围内搭建模型，对区域性的共同影响进行模拟复现，全面规划。在这种情况下，由意大利SPERI机构资助的智能波项目开发了一个先进的建模框架，为决策者提供可靠的管理服务。目前由西西里地区资助，部分区域已投入开发，建立了包括地中海、墨西哥湾和波斯湾的海洋区域模型。这些模型使用了先进的多用途有限元水动力模型open TELEMAC，生成网格的空间分辨率可选范围极大，从整个海域数百公里的海岸边界，到特定位置的水工建筑物，都可以精确描述海洋气象变化。

02 案例展示

. ~4 Z8 ^& [. ~& Y; q

研究区域

8 ^$ s" L1 T1 T1 I

建立了三种不同的海洋区域模型来模拟地中海、墨西哥湾和波斯湾的运动特征。该模型使用open TELEMAC中的两个模块：用来模拟波浪的TOMAWAC和负责二维水动力的TELEMAC-2D，它们能够模拟不同尺度下的各种海洋气象过程。

' W4 W9 \4 q# T4 x8 L

网格

各区域网格的范围设置得非常广泛，凡可能对研究区域产生影响的海域均涵盖在内。本次研究网格密度设定为5km。建立的三角形网格具有自适应的分辨率，会根据地形和海岸线的特征而轻微改变密度。

图1 地中海区域模型的网格划分

图2 墨西哥湾区域模型的网格划分

图3 波斯湾区域模型的网格划分

大气压强

3 U+ h7 @% a5 w% O: u

首先对模型所在区域进行了大气压强敏感性分析，通过与历史数据的验证，确定了各区域最适合的压强数值设置，从而保证不影响后续参数进行率定。

边界数据

# l6 a/ T: ?+ `' h2 K3 p, n+ `7 s

随着气象卫星处理图像效率和计算能力的不断提高，全球尺度上海洋建模的精度和空间/时间分辨率都在不断提高。有国际机构和组织开发了多套数据库，负责收录全球或局部区域范围内的海洋气象信息，能够提供不同尺度、不同格式的边界输入数据。主流的有ERA5, CFSR, COSMO, TPXO。在本案例的三个区域中，会选取最适合的数据集作为输入数据。

+ p7 M: f( d. ^# z- Q9 p

测深数据

N, B0 Q9 j2 ]

数值模型所采用的水深数据来自最新、最全面的海洋数据库。数据形式为一些具有高程数据的点集。输入网格后，open TELEMAC会根据这些点的高程，以及距离岸边的距离做自动插值，以获得覆盖全区域的高程面数据。

结果比较

) A" }" G0 a+ A) h

在完成模型的基础设置后，便可进行模拟值与实际观测值的率定工作，得到各区域最适合的参数值。

A. 地中海区域在研究范围内有五个水位观测点，如下图所示。其中，红色的是波浪站点，黑色的是水位站点。右侧的色条表示水底深度，单位为米。

3 [! R4 j: W# ?( S9 K

图4 地中海区域的站点，及水深分布（红色点：波浪测站；黑色点：水位测点）

选用ERA5作为边界输入数据集,得出模拟计算值后，对各波浪站点进行率定，比较数值为有效波高和波峰重现期。将参数调整至最佳值后，在五天时间里，各站点的模拟值都很好的贴合了实际观测值的变化曲线，各图像右上角计算出的相关系数R也可以看出相近程度。下面展示法国的Leucate站。

图5 波浪站点Leucate的测量值（黑线）与模型结果（蓝线）对比（上：显著波高；下：波峰周期）

接下来是水位对比结果。趋势上也几乎符合，数值相差的部分可能来源于地中海与大西洋的潮汐相互作用，如有必要，可以划定更大的研究区域，建立统一模型以减少误差。

! Z, {2 @# R8 J8 b F8 I

图6 水位站点Trieste处的测量值（黑线）与模型结果（蓝线）对比

B.在墨西哥湾进行相似的波浪与水位校准工作。经比较后，墨西哥湾比较适合使用ERA5数据集作为数据输入。

图7 墨西哥区域的站点，及水深分布（红色点：波浪测站；黑色点：水位测点）

在参数校准之后，波浪和水位的变化曲线符合得很好，回归系数在可接受范围内。

; _7 C5 P9 F( o$ @3 L) ~; x' A5 y

图8 波浪站点42012的测量值（黑线）与模型结果（蓝线）对比（上：显著波高；下：波峰周期）

图9 水位站点9500966处的测量值（黑线）与模型结果（蓝线）对比

C.在波斯湾进行波浪与水位校准工作。由于波斯湾边界相对平整，且长度足够，使用模型与边界定义相对整齐的TPXO输入数据集比较好。

图10 墨西哥区域的站点，及水深分布（红色点：波浪测站；黑色点：水位测点）

比较水位和波浪随时间的变化曲线，符合程度也较高。

图11 波浪站点P3的测量值（黑线）与模型结果（蓝线）对比（上：显著波高；下：波峰周期）

图12 水位站点P00处的测量值（黑线）与模型结果（蓝线）对比

03 研究结论

% E. q! }: p* E4 o3 S) M: [6 g3 T! v

借助open TELEMAC在世界三个海域进行模拟，将得到的海洋气象模拟值与实测值进行比较率定，得到了适合各区域的一系列特性参数，以便进行以后的海洋气象预测计算。通过在远海设置粗网格，近海处加密网格的方法，在保证计算速度的同时，有效保障了模拟的精度，与近海处的测站比较时，吻合程度很高。在数百公里的空间尺度上，能达到如此的准确程度，也是依赖于open TELEMAC良好的网格计算收敛性，以及自主调整各参数的灵活配置能力。

! }' f5 r0 S6 P7 ^

04 小结

: }. y; ~- X* ^/ X! m

通过对比短时间的水位与波浪，能够证明建立的海洋气象模型可以对世界上三个不同地区的海浪状况进行稳健的预测。在对计算结果的比较中，发现了使用区域模型来预测潮汐波动的局限性，进而提出了使用全球范围演化模型的方法，对预测结果准确性起到了提升作用，在后续研究中，也将就此进行探索。

% a+ H+ J1 j; T- ~

更多资讯可登录格物CAE官方网站

9 l' J U" l3 O+ L/ [! U$ `

https://cae.yuansuan.cn/

/ P. [# u, I! Y/ I

远算在bilibili、知乎、仿真秀定期发布课程视频等内容

期待您的关注