近日，中國科學(xué)院南海海洋研究所熱帶海洋環(huán)境國家重點實驗室（LTO）謝培煒博士構(gòu)建了基于納維-斯托克斯求解器的強非線性海嘯波浪生成模型。該模型的構(gòu)建彌補了海嘯災(zāi)害領(lǐng)域中強非線性波浪生成模型的缺失，并在國際范圍內(nèi)首次實現(xiàn)對典型海嘯波浪記錄的模擬重現(xiàn)。相關(guān)成果由謝培煒博士為第一作者，杜巖研究員為共同作者，發(fā)表在國際期刊Coastal Engineering上。
2004年的印度洋海嘯記錄和2011年的日本海嘯記錄，都揭示了海嘯波浪除具有長波的特征之外，還擁有明顯的強非線性特征，即在近岸海域具有接近于水深的波高，通常伴隨著一個前置波谷。在海嘯災(zāi)害領(lǐng)域中，運用求解納維-斯托克斯方程組的計算流體力學(xué)求解器生成海嘯波浪是研究海嘯的工程影響及岸灘沖刷效應(yīng)的基礎(chǔ)。在現(xiàn)有的基于納維-斯托克斯求解器的海嘯波浪生成模型中，傳統(tǒng)的孤立波模型已被證實并不適用于海嘯波浪的模擬研究，而采用線性淺水方程的模型亦無法生成具有強非線性特征的波浪。為滿足海嘯研究領(lǐng)域中模擬生成強非線性波浪的需求，該研究采用非線性淺水方程推導(dǎo)求得海嘯波速邊界條件的控制方程，并將該控制方程編譯入計算納維-斯托克斯方程組的開源求解器interFoam中，實現(xiàn)對海嘯波浪生成模型的構(gòu)建。通過與多個物理實驗的比對驗證得知，該模型具備了模擬海嘯波浪生成、傳播、陡化、頻散和上岸破碎過程的能力。運用此模型實現(xiàn)了對2004年印度洋海嘯和2011年日本海嘯兩組典型的強非線性海嘯波浪的模擬重現(xiàn)，這在國際范圍內(nèi)為首例。
該文章還進一步研究了波谷前置型海嘯波浪的爬升及上岸過程，展示了海表高度和流速場的空間和時間變化過程。研究表明，更大波幅的前置波谷會導(dǎo)致波浪上岸之前的岸線后退得更遠，而后在上岸時產(chǎn)生更高的波浪爬高。隨著前置波谷波幅的增加，上岸波浪的海向和陸向流速都得到加強。前置波谷的存在使得上岸波浪的波前更加陡峭，并可能引發(fā)波浪破碎，造成劇烈的岸灘侵蝕。
該研究由國家自然科學(xué)基金、中國博士后基金和LTO實驗室自主項目等共同資助完成。
相關(guān)論文信息：Xie, P., & Du, Y. (2023). Tsunami wave generation in Navier–Stokes solver and the effect of leading trough on wave run-up. Coastal Engineering, 104293.
https://doi.org/10.1016/j.coastaleng.2023.104293
圖1：(a), (b)和(c)為海嘯波浪上岸至岸灘中段時的波形及流速場圖像，其中(a)無前置波谷；(b)前置波谷波幅較小；(c)前置波谷波幅較大。(d), (e)和(f)為波前抵達岸線位置且波浪破碎時的圖像。
圖2：數(shù)值模擬結(jié)果（紅線）與 (a) 2004年印度洋海嘯記錄和 (b) 2011年日本海嘯記錄的對比（星形）。
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