本研究由河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室及港口海岸与近海工程学院的徐福敏、俞茂玲、苗琪共同完成，研究论文《印尼沿岸灾害性海浪模拟研究》发表于2020年的《海洋科学》期刊第44卷第2期。这是一项针对印度尼西亚（以下简称印尼）沿岸海域在咆哮西风带和热带气旋共同影响下的灾害性海浪生成与传播机制进行的数值模拟与机理分析研究。
该研究的学术背景集中于物理海洋学和海岸工程领域，特别是海浪数值模拟与预报方向。印尼作为全球最大的群岛国家，其漫长的海岸线直接暴露于南印度洋，易受南印度洋咆哮西风带产生的强涌浪以及偶发热带气旋掀起的巨浪侵蚀，这对海岸防护工程和居民生命财产安全构成严重威胁。然而，由于该海域环境恶劣，长期、系统的现场观测数据（如浮标数据）极为匮乏，导致对当地海浪，尤其是灾害性海浪的发展、传播机理认识不清，严重制约了海浪预报业务和海岸防灾减灾工程的开展。尽管已有学者对印尼局部海域（如爪哇岛、Adipala海域）进行过研究，但系统性、大范围的模拟研究，特别是针对咆哮西风带与热带气旋联合作用下的海浪特性研究仍属空白。因此，本研究旨在利用先进的第三代海浪数值模式，建立覆盖整个印度洋至印尼沿岸的高分辨率嵌套模型，模拟并揭示在咆哮西风带单独作用及其与热带气旋联合作用下，印尼沿岸灾害性海浪的空间分布、谱能量结构及传播特性，以弥补该区域海浪研究资料的不足，并为当地的海洋灾害预报和工程防护提供科学依据和技术参考。
研究的工作流程详细且系统，主要包含以下几个核心环节。首先，研究团队选择了国际上公认适用于大尺度海浪模拟的第三代海浪模式Wavewatch III (WW3，版本v5.16)作为核心工具。该模式基于波作用密度谱平衡方程，综合考虑了风场输入、非线性波波相互作用、白帽耗散、底摩擦等多种物理过程，尤其在大浪的生成与传播模拟方面具有优势。其次，为了平衡计算效率与模拟精度，研究构建了一个精细的三级嵌套网格系统。最外层网格覆盖整个印度洋，第二层嵌套于南印度洋至赤道附近，第三层则聚焦于印尼沿岸关键海域。网格空间分辨率从外到内逐级加密，确保了在目标区域能够捕获精细的海浪变化过程。模型驱动风场采用了高时空分辨率的CCMP交叉校正多平台海洋表面风场，水深数据则采用ETOPO1全球地形数据。模型参数设置上，谱空间划分为32个频率段和36个方向，并采用了包含对高风速拖曳系数进行修正的ST4方案等先进物理参数化方案。
研究的核心流程包括模型验证、情景模拟与谱分析。在模型验证环节，鉴于目标区域实测数据稀缺，研究采用了浮标与卫星高度计数据相结合的方式进行验证。利用了印度洋上三个浮标站以及Jason-3卫星多条轨道的有效波高观测数据，与WW3模型的模拟结果进行了系统对比。验证指标包括相关系数、均方根误差和偏差。结果显示，模型模拟的有效波高与浮标、卫星观测值变化趋势高度一致，相关系数普遍在0.95以上，对气旋过程产生的波高峰值也能较好再现，证明了所建立的嵌套模型及参数设置对于印度洋海域海浪模拟的合理性和可靠性。这是后续进行机理分析的数据基础。
在情景模拟与特性分析阶段，研究设定了两种典型情景：一是咆哮西风带单独作用时期，选取了热带气旋“Caleb”发生前（2017年3月15日至21日）的相对稳定时段；二是咆哮西风带与热带气旋联合作用时期，即气旋“Caleb”活跃期间（2017年3月22日至28日）。对于每种情景，研究首先分析了海表风场、混合浪（风浪与涌浪的合成）、风浪和涌浪的空间分布场，揭示了海浪的宏观分布特征。更为深入的是，研究利用了WW3模式内置的谱分割技术，实现了对风浪和涌浪成分的分离，并选取了多个具有代表性的控制点（包括气旋路径左右不同距离的点，以及印尼沿岸深水、浅水、有掩护等不同环境的点），输出了这些点的二维方向海浪谱。通过分析这些能量密度谱的峰值数量、能量集中方向（浪向）、频率分布以及与风向的关系，能够精细地揭示不同海域、不同天气系统影响下海浪的能量构成与传播机理。
研究取得了一系列明确而细致的结果。在模型验证部分，结果证实了模型的可靠性。例如，位于马达加斯加北部浅水区的Seychelles浮标，模拟与观测的相关系数高达0.977，均方根误差仅为0.12米；而Jason-3卫星166轨道的验证相关系数也达到0.9765。这些验证结果为后续情景分析结果的可信度提供了坚实支撑。
在咆哮西风带单独作用的情景下，研究结果显示印尼沿岸盛行南向和西南向海浪，有效波高等值线大致平行于海岸线，并向东北方向递减。海浪以涌浪为主导，风浪成分较弱。通过对不同控制点海浪谱的分析，发现深水区（如P1、P2点）海浪能量呈现向北传播的特性，能量谱呈多峰结构，能量主要集中在60°–90°方向（大致为东偏北至正东方向），表明来自南半球的涌浪在此占主导。而在近岸浅水区，由于地形和浅水变形效应，海浪谱结构更为复杂，能量分布范围更广。对于开敞的浅水海域（如P3、P4点），涌浪能量仍在60°–90°范围占优；但对于有掩护的海域（如P5点），由于地形遮挡，涌浪能量峰值方向则转移至0°（正北）附近。
在咆哮西风带与热带气旋“Caleb”联合作用的情景下，海浪场变得极为复杂且显著增强。空间分布上，气旋中心附近海域浪向呈顺时针旋涡状分布，路径左右两侧形成闭合的有效波高等值线圈。具体而言，气旋路径左侧（南半球气旋的移动方向左侧）由于风向与浪向一致，东南向风浪剧烈增强，成为涌浪的低值区；而这些增强的风浪向北传播后，在其北部又形成了涌浪的高值区。气旋路径右侧则同时存在西北向的风浪和南向的涌浪。谱分析结果进一步精细化地揭示了能量结构的时空演变。在气旋靠近时，路径左侧近气旋中心处（A1, A2点）能量几乎全部由110°–130°方向（东南向）的风浪提供；路径右侧近中心处（A3点）则呈现南向涌浪与东南向风浪能量相当的局面；而远离中心的右侧（A4点）则以涌浪能量为主导。随着气旋远离，路径左侧风浪能量减弱，60°方向的涌浪能量逐渐增强并占据主导；路径右侧风浪能量也逐渐消散，涌浪能量峰值向60°–90°范围转移。对于远离气旋的印尼近岸浅水点，其海浪也受到扰动：开敞海域（如P4点）在气旋影响下，0°附近风浪能量一度增强至与涌浪相当；而有掩护海域（P5点）则始终保持0°附近涌浪能量的主导地位，仅在外围风场增强时伴有轻微的风浪能量增长。
基于以上结果，研究得出了明确的结论。首先，在无热带气旋干扰时，印尼沿岸的海浪场主要由咆哮西风带产生的南向涌浪所主导，具有清晰的东北向衰减梯度和向北传播的谱能量特性，近岸地形对能量分布有显著调制作用。其次，热带气旋的加入会剧烈改变局部海浪结构，在气旋路径两侧形成不对称的风浪-涌浪分布格局，左侧风浪爆发式增长，右侧则呈现风浪与涌浪并存的复杂状态。这种影响会随着与气旋距离的变化而发生动态演变。本研究不仅系统刻画了印尼沿岸灾害性海浪的宏观分布规律，更重要的是通过谱分析技术，从能量构成和传播方向的角度，深入揭示了不同驱动机制（西风带、气旋）和不同地理环境（深水、浅水、开敞、有掩护）下海浪的微观物理机理。
本研究的科学价值在于，首次利用高分辨率嵌套海浪模型，对南印度洋至印尼沿岸这一数据稀缺但灾害频发的海域，进行了系统性、机理性的海浪模拟研究，清晰揭示了咆哮西风带与热带气旋两种重要天气系统对该区域海浪场的联合影响机制与量化特征。其应用价值突出，所建立和验证的数值模型框架可为该区域后续的业务化海浪预报提供技术基础，所揭示的海浪分布与传播规律可直接为印尼沿岸的海岸工程设计、防灾减灾规划（如防波堤走向、港口布局）提供关键的科学依据和参数输入。研究还指出了当前WW3模式谱分割技术在气旋强风区应用的局限性，为未来海浪组分分离算法的改进指明了方向。
本研究的亮点体现在多个方面。一是研究对象的特殊性与重要性，聚焦于长期缺乏系统研究的印尼灾害性海浪问题。二是研究方法的先进性与系统性，构建了覆盖源区至影响区的三级嵌套高精度WW3模型，并综合运用了浮标和卫星数据进行严格验证，确保了研究结论的可靠性。三是分析层次的深度，不仅进行了传统的海浪场空间分析，更创新性地运用谱分割技术和多控制点二维谱分析，从能量频域-方向域的角度深入剖析了风浪与涌浪的贡献、相互作用及传播路径，使机理揭示更为透彻。四是研究结论的细致与实用，结论区分了不同天气条件、不同相对位置、不同水深地形下的海浪特性，提供了非常具体和具有操作指导意义的科学认识。