近日，中國科學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。該模型的構建彌補了海嘯災害領域中強非線性波浪生成模型的缺失，并在國際范圍內首次實現(xiàn)對典型海嘯波浪記錄的模擬重現(xiàn)。相關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。在海嘯災害領域中，運用求解納維-斯托克斯方程組的計算流體力學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的基礎。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致波浪上岸之前的岸線后退得更遠，而后在上岸時產生更高的波浪爬高。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：數值模擬結果（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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