波浪是驱动近岸水沙运动、地形地貌演变和海工建筑物响应的最重要能量来源之一。波浪在近岸地区发生的能量转化过程十分复杂，包括波浪破碎和底部摩阻引起的能量耗散，波浪能量在高频和低频之间的相互转移，以及水下地形和岸线反射引起的波浪能量在方向上的转移等。过去很长时间里，通常认为反射波相比于入射波只是很小的一部分，因此在工程上往往忽略波浪反射。而实际上，在海床较陡、周期较长等一些特定条件下，可能会有高达20%（100%）的高频（低频）入射波能量最终被反射回外海，是近岸波浪总能量收支的重要组成部分。最近几年，越来越多的研究发现反射波会增大相对波高、增强底部离岸流、改变波浪非线性特征和边界层余流结构、减小波浪爬高和促进韵律型地貌形成等，对破波带水沙运动和地貌演变具有不可忽略的影响。

        目前，可以模拟波浪反射的相位解析数学模型（如Boussinesq模型、非静压模型、CFD模型等），其计算量较大，仍不适用于大范围长时间的动力地貌模拟。而在海岸工程中应用最为广泛、计算较为简便的基于能量守恒的相位平均数学模型，却一直无法模拟波浪反射。这个难点，是阻碍我们在大尺度（米-千米）、长周期（秒-年）海岸动力地貌演变中考虑波浪反射效应以提高模拟准确度的关键瓶颈。

        课题组综合应用波浪理论和经验公式，独辟蹊径地提出了一种可适用于相位平均数学模型的波浪反射高效模拟方法。基于入射波和反射波的能量守恒方程，该方法可以同时计算水下地形变化和岸线冲流带引起的局地反射波能流。前者的计算是基于单点水下反射与斜坡段整体反射的相似性分析，后者的计算是基于一个防波堤反射系数经验公式的修正。通过将该方法计算结果与理论公式、实验数据和CFD模拟结果进行比较，证实了所提出的波浪反射高效模拟方法可以很好地模拟淹没式防波堤、珊瑚礁地形和沙滩剖面上的反射波能沿程分布，其计算耗时比相位解析模型少几十倍到几百倍，反射波高模拟精度与入射波在同一量级（RMSPE<15%），且不需要额外的模型率定参数。

        本研究改变了相位平均波浪数学模型不能模拟波浪反射的传统认识，为精细分析和准确预测波浪反射影响下的多时空尺度海岸演变过程提供了可能性及其技术途径，于近日发表在学术期刊《Coastal Engineering》（2021年第169卷）。这是继近岸非线性波峰面坡度（Zhang et al., CE, 2017）、近岸波浪破碎复合指标（Zhang et al., CE, 2021a）之后，课题组在“破波带能量转化及其次生波动的机制与模拟”研究方向上取得的新突破，并有望在新一代海岸动力地貌演变数学模型的发展中得到更广泛的应用。

参考文献：
Zhang Chi*, Li Yuan, Zheng Jinhai*, Xie Mingxiao, Shi Jian, Wang Gang. Parametric modelling of nearshore wave reflection. Coastal Engineering. 2021b, 169, 103978.
Zhang Chi*, Li Yuan, Cai Yu, Shi Jian, Zheng Jinhai*, Cai Feng, Qi Hongshuai. Parameterization of nearshore wave breaker index. Coastal Engineering. 2021a, 168, 103914.
Zhang Chi, Zhang Qingyang, Zheng Jinhai*, Demirbilek Zeki. Parameterization of nearshore wave front slope. Coastal Engineering. 2017, 127, 80-87.