【CAE案例】应用水动力仿真建立海洋气象区域模型

01  研究背景

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

研究区域

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

04  小结