基于MPI的近岸不规则区域海浪嵌套模式设计及其实例应用

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海浪灾害是最常见的海洋灾害之一,它对于人们的海洋活动、近岸工程以及人们生命财产安全等方面均产生了巨大威胁,严重影响着海洋经济的发展。深入细致地研究海浪数值预报具有重要的现实经济意义。本文基于国家海洋局第一海洋研究所开发的第三代MASNUM海浪模式,针对其复杂特征线嵌入算法的特点,进行了并行化设计,提高了计算效率。考虑到海浪模式在近岸浅水小区域中应用时的风区大小、海岸形状和水深变化等因素对海浪演变成长具有重要影响,本文采用网格嵌套方法,实现关注区域的重点加密,设计了不规则开边界的海浪嵌套模式,实现了海浪模式在任何形状边的局部海域进行嵌套模拟的灵活性和实用性,并在最大程度上减少了在不规则区域的海浪模拟因传统单重或多重矩形嵌套及网格加密带来的沉余计算量和复杂性。本文选取浙江舟山宁波附近海域为研究区域,以该区域为中心分别采用大区域、中区域和小区域开展了上述嵌套模式的三重嵌套应用,模拟了2011年该区域的海浪。其中大区域和中区域采用规则矩形开边界,而小区域的海浪模拟采用了不规则开边界,相比矩形边界的计算量减少了45%左右。大区域的模拟为中区域实验为无嵌套实验,但在模拟过程中为中区域提供相应的开边界条件。中区域的2个实验分别为嵌套实验和无嵌套实验,嵌套实验采用规则矩形方式设置开边界,同时输出小区域嵌套实验在不规则开边界上的边界条件。中区域的嵌套实验和无嵌套实验结果与观测资料的对比表明:二者在开边界附近的有效波高差异较大,达到0.5m以上;相对卫星观测有效波高的误差,嵌套实验比无嵌套实验的误差小30%左右;8月份中区域的无嵌套实验所得有效波高平均为0.7m,最大值为3.6m,嵌套实验结果则分别为1.0m和7.1m,后者更接近以往观测资料所显示的平均波高1.5~2.0m和最大波高5.0~10.0m的认识,这表明了该常规嵌套方式在该系统中的可行性。小区域实验也设计了嵌套和无嵌套2个实验,开边界均采用不规则形状,实验结果表明:嵌套实验的波向在5~8月期间与无嵌套结果差异较明显,主要表现为外海传入;嵌套实验与无嵌套实验的有效波高的差异在6~7月份达到1.0m以上;嵌套实验的周期普遍大于无嵌套的模拟结果,其最大差异为8s。综合上述实验结果表明,该嵌套模式可用于规则开边界区域和不规则区域的嵌套实现,可保证在相同计算条件下获得更好的模拟效果,外海的涌浪信息通过规则或者不规则开边界的嵌套过程合理地改善内部计算区域的计算结果,该嵌套模式可应用于复杂近岸区域的海浪数值模拟和预报,有效提高对关注区域的模拟能力。
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