《Ocean Modelling》：Quantifying Wave-Current Interaction Effects on Wave Energy Resources of High Energy Sites
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本研究利用开源模型TOMAWAC和TELEMAC，考察了波浪-水流相互作用（WCI）对英国彭特兰湾（Pentland Firth）和奥克尼水域（Orkney Waters）波浪参数的影响。研究应用并验证了一个北大西洋尺度纯波浪模型和一个区域双向波流耦合模型。选
本研究利用开源模型TOMAWAC和TELEMAC，考察了波浪-水流相互作用（WCI）对英国彭特兰湾（Pentland Firth）和奥克尼水域（Orkney Waters）波浪参数的影响。研究应用并验证了一个北大西洋尺度纯波浪模型和一个区域双向波流耦合模型。选取了八个代表性站点，涵盖具有单峰波浪的开阔海域环境和具有双峰波浪的潮汐通道环境。利用方向谱分析，在小潮（Neap Tide）和大潮（Spring Tide）条件下分析了显著波高（Significant Wave Height, Hm0）、平均波浪周期（Mean Wave Period, Tm）和平均波浪方向（Mean Wave Direction, θm）的变化。这些站点代表了广泛的海洋环境条件，波高从不足1 m到超过5 m，潮流速度从低于1 m/s到超过4 m/s不等。研究还对2016年全年进行了后报模拟，以评估长期效应，并制作了考虑与不考虑潮流条件下的波浪气候图和波浪能功率图。结果表明，潮流在潮汐入口中心区域增加了波高和波浪能功率；相反，在岬角附近，由于强流作用下的能量耗散增强，波高有所降低。这些结果证明了在潮汐活跃区域的波浪资源评估中考虑波浪-水流相互作用的重要性。
本研究聚焦于高能量海洋环境中波浪-水流相互作用（Wave-Current Interaction, WCI）对波浪能资源评估的影响机制。研究区域英国彭特兰湾和奥克尼水域是全球最具代表性的强波浪-强潮汐共存海域，该处波浪能与潮汐能开发项目并存，为理解极端条件下的WCI效应提供了独特自然实验场。然而，既有研究存在明显局限：多数波浪模拟未考虑潮流影响，采用单向耦合的模型未能捕捉波流反馈效应，商业软件 limitations 制约了方法的可及性，且缺乏覆盖完整年际变化的长期模拟研究。为此，研究人员构建了基于开源TELEMAC-MASCARET系统的TOMAWAC波浪模型与TELEMAC流场模型双向耦合框架，实现了2016年全年高分辨率后报模拟，系统揭示了WCI在多时间尺度、多空间类型下的复杂效应。
研究采用的关键技术方法包括：（1）嵌套网格策略——建立北大西洋尺度纯波浪模型作为边界驱动，其内部嵌套高分辨率（近岸50 m）区域波流耦合模型；（2）双向动态耦合——每300 s交换流场信息（潮流速度、水深）与波浪驱动力（Fx、Fy），实现波流实时相互作用；（3）增强耗散参数化——采用Westhuysen方法处理强流导致的波浪破碎能量耗散，经校准确定耗散系数为5.2；（4）多源验证体系——利用Cefas WaveNet四座波浪浮标验证纯波浪模型，采用Nortek AWAC（Westray Firth，2016年77天）和Teledyne Sentinel V50 ADCP（Pentland Firth，2017年58天，数据由SAE MeyGen项目提供）验证耦合模型；（5）方向谱分析——对八个代表性站点进行小潮/大潮周期的精细方向谱解构，区分单峰与双峰波态的系统响应差异。
波浪参数时间序列变化特征：通过对小潮周（9月7-14日）和大潮周（11月12-19日）十个时段数据的分析，研究揭示了WCI对显著波高（H
m0）的调制规律。北大西洋侧的Location 1、6在小潮期间几乎不受潮流影响，但大潮期间出现约0.5 m的波高降低；位于潮汐通道入口的Location 2、7在大潮期间波高增幅可达1 m；而快速潮汐通道内的Location 3、4、8全年均经历达±1 m的显著调制。特别值得关注的是，Location 8（Pentland Firth内湾）在强逆流条件下出现波高降低而非升高的"反常"现象，H
m0/H
m0,0比值恒小于1，这归因于Westhuysen增强耗散项对强流破碎的捕捉。
方向谱揭示的频谱结构演变：研究通过方向谱分析阐明了平均周期（T
m）和平均方向（θ
m）变化的内在机制。对于单峰波态站点（Location 1、2、5、6），逆流时高频率分量（>0.15 Hz）受到抑制，能量向低频转移导致T
m增大；顺流时周期基本不变或略降。Location 4的双峰谱案例尤为典型：该点同时受北大西洋涌浪（约130°）和北海风浪（约330°）影响，逆流时大西洋来波分量能量增强且峰频降低，而顺流时该分量能量削减，导致能量加权平均方向发生近180°的突变——此现象并非物理折射所致，而是谱能量再分配的结果，凸显了方向谱分析在 tidal channel 环境中的必要性。
季节性与年际尺度资源分布重构：2016年全年后报显示，WCI显著改变了波浪能资源的空间格局。在Stroma岛附近的彭特兰湾，耦合模型较纯波浪模型呈现系统性波高降低，年降幅达21%（Location 8），冬季最大降幅约0.8 m，源于强潮致破碎耗散。相反，潮汐入口中心区域（Westray Firth及Pentland Firth西入口）波浪能功率年增约3.7 kW/m，Location 4因能量方向汇聚和谱峰放大实现46.46%的最大相对增幅。波浪能功率玫瑰图进一步证实，潮流既可锐化（Location 2、3）也可打散（Location 4、8）方向分布，对波浪能转换器的定向设计具有工程指导价值。
研究结论部分指出，该系统研究定量验证了波浪-水流相互作用在潮汐活跃区域波浪资源评估中的关键作用。短期分析表明：逆流通常增波高但强流下因增强耗散而反转；逆流抑制高频分量使平均周期增大；单峰波态受折射主导，双峰波态受谱再分配主导。长期视角揭示：近岸岬角区波高与能功率持续降低，潮汐入口中心区能功率显著增强，且WCI深刻改变波浪能的方向分布特征。研究方法学上，开源耦合框架（TOMAWAC-TELEMAC）的构建为同类研究提供了可扩展的技术范式，其无缝几何共享特性避免了插值误差，保障了高分辨率长时间模拟的可行性。该成果发表于《Ocean Modelling》，并为海洋能开发与近海工程安全提供了重要的理论依据与实践参考。
