濱海核電可能最大臺風浪的推算

丁赟

（廣東省電力設計研究院,廣東廣州 510663）

濱海核電可能最大臺風浪的推算

丁赟

（廣東省電力設計研究院,廣東廣州 510663）

采用當前國際流行的第三代波浪模式SWAN探討了濱海核電工程可能最大臺風浪的計算，并分析了可能最大臺風浪與相伴隨的可能最大風暴潮成長規律。分析得可能最大臺風浪通常滯后可能最大風暴潮增水峰值，推算得到的可能最大臺風浪高于遮浪海洋站觀測到的最大波高，為濱海核電工程可能最大臺風浪的推算提供參考。

可能最大臺風浪；SWAN；可能最大風暴潮

1 引言

可能最大臺風浪是濱海核電工程設計基準洪水中所需考慮的因素之一。《濱海核電廠廠址設計基準洪水的確定》[1]規定濱海廠址的洪水分析中，應考慮到極端事件如可能最大風暴潮（PMSS）、可能最大海嘯、可能最大假潮發生時風浪的影響，如果組合的主要事件是風暴潮，則引起風浪的風場則由產生可能最大風暴潮的風暴產生。而可能最大臺風浪就是指可能最大熱帶氣旋引起的伴隨可能最大風暴潮所產生的臺風浪。

我國目前核電項目急劇擴張，但論述防洪設計中可能最大臺風浪的文章卻很少，秦山核電三期工程[2]采用了混合型海浪數值模式并經近岸折繞射模型推算了廠坪前沿可能最大臺風浪；嶺澳核電站先以宇野木早苗公式推出了大亞灣口與PMSS相應的逐時波浪后做淺水變形計算后得出防波堤前的波要素。隨著波浪數值模式的發展，可能最大臺風浪的推算也應有所改進。

本文采用國際流行的第三代波浪模式SWAN（Simulating Waves Nearshore）來推算廣東碣石灣海域可能最大臺風浪，并探討可能最大臺風浪、可能最大風暴潮時程變化規律。

2 工程區域簡介

本文關心區域位于碣石灣東南端，碣石灣灣口寬約25 km，縱深約18 km，灣口朝向SSW向，工程海域外散落有眾多小暗礁，較大的有東南側的東桔礁和西南側的西桔礁。海域附近最近的長期測波站為位于碣石灣西南側遮浪角的遮浪海洋站（22 o39'N，115o34'E），遮浪角是一個半島岬角，西北緊靠紅海灣，東北靠碣石灣。遮浪角周圍的海岸大部分是沙質，只有少數岸段是礁石，近岸海底多為泥沙，東側近岸100 m范圍內水深9—12 m，往外可達20 m。自1971年測波以來，于7908號臺風影響時期測到波浪最大，遮浪海洋站記錄得H1/10為8.5 m，最大波高Hmax為9.5 m，波向SE向，周期9.1 s，其次是7514號臺風，記錄得H1/10為8.1 m，最大波高Hmax為9.0 m，波向E向。

3 可能最大風暴潮及可能最大熱帶氣旋

本文可能最大風暴潮（PMSS）是由南至北距離工程點37.5 km的可能最大熱帶氣旋（PMTC）產生的，其特征參數 P∞為1006 hPa， P0為887 hPa，R為30 km，臺風移速28 km/h，形成的可能最大臺風風場見圖1a。空間范圍為14°—26°N，110°—120°E，空間分辨率為5'×5'，時間分辨率為5分鐘。關于熱帶氣旋各參數的確定，《核電廠設計基準熱帶氣旋》[3]有詳細論述，文章[4]也曾討論，在此不再多述，而工程海域風暴潮增水最高達5.07 m，其增水過程線見圖1b。

圖1 產生PMSS的可能最大熱帶氣旋移動路徑及最大時刻風場、可能最大風暴潮增水過程曲線

4 可能最大臺風浪的推算

因可能最大臺風浪是伴隨可能最大風暴潮產生的，而可能最大風暴潮在短時間內可以引起水深場高達5 m的變化，這在淺水區尤其是近岸工程海域，必極大的影響著波高的發展變化，而這也是可能最大臺風浪與一般臺風浪計算時的顯著區別。因此，如何正確的反應水深的變化對模擬好可能最大臺風浪尤為關鍵。

第三代SWAN波浪模式不僅適應于深水波浪計算，而且也考慮了深度破碎效應，最重要的是其計算水深可隨時間而變化，非常適合可能最大風暴潮水深隨時間快速變化的特點，因此，本文可能最大臺風浪的計算選用SWAN模式。

4.1SWAN模式簡介

第三代淺海波浪模式SWAN[5]，全稱為Simulating Waves Nearshore，目前已被檢驗并成功應用到渤海、黃海、湛江港及長江口等多個近岸海洋工程[6-10]。模式考慮的主要物理過程有：風能輸入，白浪耗散，深度誘導的波浪破碎，底摩擦引起的耗散，波波相互作用，波流相互作用，障礙物引起的耗散等；主要物理機制有：空間中沿波射線傳播，由于海底地形和流場的空間變化所引起的折射，傳播過程中的繞射影響，由于底部和流場的空間變化所引起的破碎，由于逆向流動產生的阻擋和反射，碰到次網格障礙物時的反射、阻擋或通過等。在數值計算方法上，SWAN模式在物理空間和譜空間都采用隱式迎風格式，并且在譜空間用了一個中心近似作為補充，數值計算屬無條件穩定，與采用顯式差分格式的傳統譜模式來說，這可保證在有限深的淺水內，其計算結果也是穩定收斂的。

4.2 區域選取

考慮到本案例關心區域，同時為了減小邊界效應對關心區域波要素的影響，提高計算效率，采用大、中、小三重網格嵌套的方法，即先計算大區域粗網格的可能最大臺風浪，然后作為下層區域波浪場計算時的邊界條件，并細化計算區域網格。

大區域采用與產生可能最大風暴潮風場所對應的區域，即14°—23.5°N，110°—119°E，中區域采用115°30′—116°10′E，22°36′—22°52′N，小區域 采 用 115°45.6′—115°52.5′E， 22°42′— 22°48′N，見圖2。

4.3 參數設置

圖2 各計算區域及水深

大區域空間分辨率與風場相對應采用為5'×5'，頻譜網格分辨率為25×24；中區域空間分辨率為為0.4′×0.4′，頻譜分辨率為31×24；小區域空間分辨率0.03′×0.03′，頻譜分辨率為31×24，各區域頻段關系為fn+1=1.1fn，波向分辨率為15°。

模式大、中及小區域時間步長均設為15分鐘，輸出的時間間隔也為15分鐘。整個模擬時間與可能最大風暴潮相同，共計72小時。

大區域水邊界考慮為零；中、小區域邊界上采用上層區域輸出的方向譜，三區域中的驅動風場均采用產生可能最大風暴潮的臺風風場[1]。

可能最大臺風浪是伴隨可能最大風暴潮發生的，因此從設計基準洪水位的組合事件出發，水深場采用10%天文潮位加可能最大風暴潮形成的隨時間變化的動態水深場[11]。

模式底摩擦系數取為南海區域慣用的0.01。深度破碎引起的波浪能量損失參數，則采用相對較小的能量損耗系數。其他參數設置采用模式默認值。

4.4 結果與分析

將可能最大風暴潮峰值時刻對應的SWAN模式運行結果見圖3，可以看出，最高處Hs達12 m多，高于遮浪海洋站觀測到的最大波高9.5 m。波高等值線與水深等值線走向基本一致，工程關心區域突出岬角為波能聚集區。

以等深線-2 m、-5 m、-10 m和-15 m為代表，給出了各等深線上可能最大臺風浪的時程線。圖4以可能最大風暴潮出現的峰值為中心時刻，發生可能最大風暴潮時前后各12小時的PMSS、波浪時程曲線及可能最大臺風浪波要素。可以看出當波高受水深限制時，比如2 m、5 m、10 m，波高峰值基本與可能最大風暴潮峰值保持一致，而值得注意的是，當增水較快且波浪未破碎時，比如15 m水深時，波高峰值滯后于風暴潮15分鐘。這主要因為風暴潮受風速調整的同時，還調整了水深，而波高受風速和水深雙重調整，與風暴潮存在明顯的非線性效應，故波高峰值滯后于風暴潮增水峰值，而滯后時間則與當地地形及風暴潮增水的速度有關。

圖3 可能最大風暴潮峰值時刻對應的臺風浪場（Hs波高）

圖4 不同等深線下各累積頻率波高與可能最大風暴潮增水時程線

5 結語

可能最大臺風浪與一般臺風浪的不同點在于其水深是隨時間快速變化的，本文以SWAN模式探討了可能最大臺風浪的模擬，為可能最大臺風浪的計算提供參考。

模擬得到的15 m水深處可能最大臺風浪Hs波高為11.6 m，H0.4%波高為13.8 m，高于遮浪海洋站觀測到的最大波高。

可能最大臺風浪與可能最大風暴潮峰值相比，往往存在一定的滯后，這與嶺澳核電及秦山核電[2]的結論一致，滯后的時間往往與地形和可能最大風暴潮有關。因此在確定設計基準洪水時，若滯后時間較大，則應考慮可能最大臺風浪與風暴潮疊加過程中的高峰，而不是將兩者的峰值作簡單疊加。

感謝：國家海洋環境預報中心所提供的可能最大風暴潮和風場。

[1]HAD101/09,濱海核電廠廠址設計基準洪水的確定[S].國家核安全局,1990.

[2]謝亞力,黃菊卿.秦山核電三期工程廠坪前沿可能最大臺風浪計算[J].浙江水利科技,2001(3):1-3.

[3]HAD101/11,核電廠設計基準熱帶氣旋[S].國家核安全局,1991.

[4]王樂銘,劉建良.濱海核電站可能最大風暴潮(PMSS)研究[J].電力勘測設計,1999(2):49-53.

[5]Booij N,Ris R C,Holthuijsen L H.A third-generation wave model for coastal regions,1.Model description and validation[J].Geo phys Res.,1999,104:7649-7666.

[6] 楊德周,尹寶樹,徐艷青等.SWAN淺水波浪模式在渤海的應用研究[J].水科學進展,2005,16(5):710-714.

[7] 李燕,薄兆海.SWAN模式對黃渤海海域浪高的模擬能力試驗[J].海洋預報,2005,22(3):75-82.

[8]胡克林,丁平興,朱首賢等.長江口附近海域臺風浪的數值模擬[J].海洋學報,2004,26(5):23-33.

[9]潘玉萍,陳希,沙文鈺.湛江港海域臺風浪分布特征模擬[J].解放軍理工大學學報(自然科學版),2003,4(4):82-88.

[10]徐福敏,張長寬,陶建峰.淺水波浪數值模型SWAN的原理及應用綜述[J].水科學進展,2004,15(4):538-542.

[11]謝世楞.核電廠海域工程的設計標準問題[J].中國港灣建設,2000(1):6-7.

Estimation of probable maximum typhoon wave for coastal nuclear power plant

DING Yun
(Guangdong Electric Design Institute,Guangzhou Guangdong 510663 China)

The third-generation wave model,SWAN(Simulating Waves Nearshore),was employed to estimate the probable maximum typhoon wave at a coastal engineering area.The relationship between the development of probable maximum typhoon wave and that of probable maximum storm surge was investigated.It is shown that the probable maximum typhoon wave usually occurs later than the probable maximum storm surge.The estimated probable maximum typhoon wave is higher than the historical observational maximum wave height data of Zhelang station.The approach utilized in this study to estimate probable maximum typhoon wave could provide valuable information in design of coastal engineering.

probable maximum typhoon wave,SWAN,probable maximum storm surge

P731

A

1003-0239（2011）04-0043-05

2010-11-29

丁赟（1980-），女，工程師，主要從事波浪、風暴潮、臺風研究工作。E-mail：dingyunocean@gmail.com