本站讯 近日，由中国海洋大学“筑峰人才工程”第一层次教授、深海圈层与地球系统前沿科学中心/物理海洋教育部重点实验室张绍晴领衔的地球系统模式研发团队，在高效高精度海浪数值模拟方面的研究取得新进展。
海浪是海气交界面的一个重要物理过程，海浪对海洋混合的累积效应会对地球气候系统产生长期影响。开展海浪数值模拟对推进海浪灾害预报、海浪能源开发、台风生消机制研究等都有重要意义。海浪数值模拟也是地球系统模拟不可缺少的环节，高分辨率海浪模拟可以更准确地描述局地风强迫、复杂地形以及岸线影响特征，从而更准确地模拟海浪的生消过程，但由于牵涉巨大的计算资源需求，使得目前海浪模拟精度不够高，海浪也不能在高分辨率地球系统模拟中被正确地描述为一个快速反应的物理过程，进而阻碍了高分辨率地球系统模式发展。如何既提高海浪数值模拟精度，又提高海浪模拟的计算效率，是近年来海浪数值模拟研究亟待解决的难题之一。
图1：控制实验和参照实验的有效波高(a、b)、平均波周期(c、d)、平均波向(e、f)的均方根误差(a、c、e)和相关系数(b、d、f)的空间分布（a/c/e单位：米/秒/度）。其中参照实验使用均匀空间分辨率 (0.125°)的三角形细网格，而控制实验使用变空间分辨率(0.0625°-0.125°-0.5°-1°)的三角形变网格。控制实验的计算资源消耗仅为参照实验的约30%。
本研究从海浪现象的物理实质和海浪建模的核心思想出发，通过分析海浪模拟精度对浅水和深水海域地形特征的不同依赖性、海浪传播在近岸和大洋海域对模式分辨率的不同敏感性、以及海浪传播与风强迫的相关性，阐明了海浪在浅水海域对风强迫和地形效应均十分敏感，而在深水海域仅对风强迫敏感。基于上述研究结果和海浪频散关系，研究团队首先设计了一个空间分辨率在近岸精细并逐步向开阔海域加粗的无结构变网格模拟体系。然后，评估了在该体系下使用不同传播方案的海浪模拟性能，并量化了海浪模式分辨率和大气风强迫空间精度之间的匹配关系。最后基于“两洋一海”区域系统实现了大幅度提高海浪模拟精度（图1）的同时，大规模减小模式计算资源消耗（图2）的目标。在该工作所建立的无结构变网格海浪模拟框架的支持下，近岸海域网格分辨率可不断加密来拟合岸线、描述地形效应和响应高精度局地风强迫，而开阔海域可用适配风强迫的较粗网格来提高模式计算效率，建立近岸-区域-全球无缝隙的无结构变网格系统，从而实现全方位高效高精度的海浪模拟。研究成果突破了当前高分辨率海浪模拟的低效率瓶颈，可促进高精度海浪模拟作为动态耦合演变过程直接参与高分辨率地球系统模式，对深入理解海气相互作用，推动高分辨率地球系统模式发展具有重要意义。
图2：多组海浪数值模拟实验使用相同计算节点模拟一个月海浪状态所花费的计算时间（单位：小时）。前4组实验使用均匀空间分辨率为1°、0.5°、0.25°、0.125°的矩形网格，第5组实验使用均匀空间分辨率为0.125°的三角形网格，第6和7组实验使用非结构三角形变分辨率网格（分别为：0.125°-0.5°-1°、0.0625°-0.125°-0.5°-1°）。
上述成果由国际知名学术期刊Geoscientific Model Development（《地球科学模式发展》）以“Design and Evaluation of an Efficient High-Precision Ocean Surface Wave Model with a Multiscale Grid System”（《设计和评估一个变网格系统的高效高精度海浪模式》）为题在线发表。中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室科研博士后李江玉为第一作者，张绍晴教授为通讯作者，联合学校刘庆翔副教授、于晓林副教授、张志伟教授等共同合作完成。
通讯员：侯霞
编辑：冯文波
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