不同風(fēng)場模式下“燦鴻”臺風(fēng)浪數(shù)值模擬及應(yīng)用

陳鵬超，李瑞杰,2，李玉婷，勾 賀，戴 路

(1.河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護教育部重點實驗室， 南京 210098；2.河海大學(xué) 環(huán)境海洋實驗室，南京 210098；3. 虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室(南京師范大學(xué))，南京 210023；4. 江蘇省地理環(huán)境演化國家重點實驗室培育建設(shè)點，南京 210023；5. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023；6.蘇交科集團股份有限公司，南京 210000)

由于海岸線漫長，海域遼闊，我國平均每年有28次6m以上的海浪災(zāi)害發(fā)生，造成海灘事故七十余起。僅2015年北上型臺風(fēng)“燦鴻”就導(dǎo)致江浙滬三百多萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失超85億，其中江蘇三十多萬人受災(zāi)，直接經(jīng)濟損失達1.2億。南通是江蘇省重要的海濱城市，擁有海岸線210 km，其通州灣新區(qū)與寧波港將形成以上海港為核心的“一體兩翼”發(fā)展格局，被譽為“長三角北翼經(jīng)濟中心”，處于瀕江臨海“T”字形經(jīng)濟交匯處，黃金水道和黃金海岸的交匯點，有利于建成綜合性現(xiàn)代化國際深水海港，其近海資源豐富，具有獨特的發(fā)展優(yōu)勢和不可估量的發(fā)展?jié)摿Γ贤ㄑ睾Ｃ磕暌蚺_風(fēng)浪給人民的生命財產(chǎn)造成巨大損失。

范從建，李瑞杰等[1]利用SWAN模型研究江蘇灘涂圍墾規(guī)劃工程實施對其近海海域波浪場的影響，得出江蘇北部沿海圍墾規(guī)劃區(qū)實施后波高變化不大，而其南部附近海域波高變化較大。戴路，李瑞杰等[2]對影響江蘇近海的北上型臺風(fēng)“梅花”進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)江蘇沿海中北部海域波浪以涌浪為主，南部海域以風(fēng)浪為主。梁連松，李瑞杰等[3]對舟山附近海域波浪場進行數(shù)值模擬研究，認為舟山群島對臺風(fēng)浪的傳播有較明顯的阻擋作用。驅(qū)動風(fēng)場對模擬結(jié)果的精度起著至關(guān)重要的作用，以上研究中并沒有對不同的合成風(fēng)場模型進行比選，而直接采用Holland梯度風(fēng)場與背景風(fēng)場合成作為海面的驅(qū)動風(fēng)場，存在其不足之處。通過自嵌套模式對臺風(fēng)“燦鴻”進行模擬：選取SWAN (Simulating WAves Nearshore)海浪模型分別對3種不同的合成風(fēng)場進行大范圍海域數(shù)值模擬，通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)對比論證，選出最適合成風(fēng)場模擬生成的波譜邊界作為驅(qū)動來對小范圍海域進行數(shù)值計算，最后再分別對近、遠期區(qū)域建設(shè)用海規(guī)劃實施后波高變化進行對比分析。

1 合成風(fēng)場模型

在臺風(fēng)浪數(shù)值模擬中選取合理準(zhǔn)確的驅(qū)動風(fēng)場能更為有效地提高臺風(fēng)浪的計算精度。以ECMWF (European Centre for Medium-range Weather Forecasts)風(fēng)場資料為背景風(fēng)場，其數(shù)據(jù)空間分辨率取0.25°×0.25°、時間分辨率為6 h，并分別與3種不同的臺風(fēng)梯度風(fēng)場模型進行疊加，構(gòu)建新的合成風(fēng)場作為SWAN模型的驅(qū)動條件。風(fēng)場空間尺度為114°E～129°E、18°N～41°N，比模擬大范圍海域稍大。

1.1 臺風(fēng)梯度風(fēng)場模型

合理的選擇臺風(fēng)梯度風(fēng)場模型，正確的描述風(fēng)場結(jié)構(gòu)對海浪的計算至關(guān)重要[2-5]。選取3種常用的臺風(fēng)梯度風(fēng)場模型：藤田模型、捷式模型和Holland模型，并與衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行比選。

目前研究人員大多根據(jù)梯度風(fēng)原理先計算出臺風(fēng)氣壓場，再利用臺風(fēng)的氣壓場來計算臺風(fēng)梯度風(fēng)場。3種模型氣壓場分布函數(shù)見表1，臺風(fēng)域內(nèi)氣壓場模型為

P(r)=P0+(P∞-P0)F(r)

(1)

臺風(fēng)梯度風(fēng)場模型函數(shù)由下式計算

(2)

式(1)求導(dǎo)代入式(2)可得出3種臺風(fēng)模型的梯度風(fēng)速。式中P∞和P0分別為臺風(fēng)外圍海面氣壓和臺風(fēng)中心氣壓，單位為百帕，臺風(fēng)中心氣壓資料來自中國臺風(fēng)網(wǎng)；r是計算點到臺風(fēng)中心的距離；B是Holland氣壓剖面參數(shù)，其確定存在一定的時空性差異，文中取B=1.5+(980-P0)/120；ρa為空氣密度；f為科氏力參數(shù)。Rmax為最大風(fēng)速半徑，直接影響到風(fēng)場的空間風(fēng)速分布。在實測數(shù)據(jù)不足的條件下，常用經(jīng)驗公式來計算最大風(fēng)速半徑Rmax，取Graham，Nunn經(jīng)驗公式[6]

式中：φ表示中心維度；V為臺風(fēng)中心移動速度， km/h。

表1 3種氣壓場模型分布函數(shù)Tab.1 Three kinds of pressure field model′s distribution function

1.2 合成風(fēng)場的構(gòu)建

在臺風(fēng)中心附近，實際風(fēng)場與背景風(fēng)場存在較大偏差，需要新的合成風(fēng)場進行校正。因此在臺風(fēng)中心附近采用背景風(fēng)場與臺風(fēng)梯度風(fēng)場模型以一定的權(quán)重系數(shù)疊加，構(gòu)建新的合成風(fēng)場

W(r)hc=EW(r)ERA+(1-E)W(r)t

(3)

(4)

式(4)選取權(quán)重系數(shù)能有效保證外圍背景風(fēng)場和臺風(fēng)中心附近合成風(fēng)場的平滑過渡。合成風(fēng)場速度的計算分量為：u=-W(r)hc·cosθ；v=W(r)hc·sinθ。其中u為計算點到臺風(fēng)中心的速度沿東西方向上的分量，v為計算點到臺風(fēng)中心的速度沿南北方向上的分量，θ是計算點與臺風(fēng)中心的連線與正北方向的夾角。

2 模型設(shè)置

圖1 模擬區(qū)域地形圖Fig.1 Topographic map of simulated domain

利用SWAN海浪模式模擬“燦鴻”經(jīng)過東中國海過程。為更加精確的模擬不規(guī)則岸線邊界，模型采用非結(jié)構(gòu)化三角網(wǎng)格[7]，其節(jié)點數(shù)35 742，三角網(wǎng)格數(shù)為69 956。計算范圍為19°N～40.9°N，115°E～128.5°E。自嵌套為29.57°N～35.66°N，119.19°E～124.3°E，模擬區(qū)域水深地形圖如圖1所示。大范圍為東中國海，其網(wǎng)格尺寸從近岸5 km到外海12 km逐步遞增。自嵌套小范圍工程附近海域進行網(wǎng)格加密處理約為0.4 km，向外海逐漸過渡到3.8 km。模擬時間為2015年7月4號8時～2015年7月13號2時，時間步長取15 min，迭代次數(shù)為10。為更好地研究近海工程對波浪場的影響，考慮繞射項[8]。

2015年9號臺風(fēng)“燦鴻”于6月30號20時在西北太平洋洋面上生成，7月3號升級為臺風(fēng)，7月11號16時40分在浙江舟山普陀朱家尖登陸，登錄時中心附近最大風(fēng)力達14級，風(fēng)速45m/s，繼續(xù)北上與7月13號凌晨在朝鮮西南部地區(qū)減弱為熱帶低壓，隨后對其停止編號。為驗證臺風(fēng)浪的模擬效果，將波浪模擬值與已剔除無效數(shù)據(jù)后的Jason-2衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)進行對比。在模擬時段內(nèi)，Jason-2衛(wèi)星主要有T127、T138及T164軌道經(jīng)過東中國海。

3 模型優(yōu)化

采用上述3種合成風(fēng)場作為SWAN模型的驅(qū)動風(fēng)場，模擬結(jié)果與衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)進行對比。如圖2所示。圖2-a中3種合成風(fēng)場模擬結(jié)果與T127衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)對比效果基本一致，這是由于此時T127軌道所經(jīng)過路徑在合成風(fēng)場疊加半徑外部，模擬時采用同一背景風(fēng)場ECMWF模擬所致。圖2-b中發(fā)現(xiàn)在最大風(fēng)速半徑附近，藤田合成風(fēng)場模型模擬值與衛(wèi)星所測數(shù)據(jù)相差較大，不宜取。為定量分析3種方案的模擬效果，采用平均相對誤差(MRE)、均方根誤差(RMSE)、相關(guān)系數(shù)(R)和偏差(B)4個數(shù)學(xué)統(tǒng)計量對軌道T138和T164數(shù)據(jù)進行對比。

(6)

(7)

(8)

(9)

2-aT1272-bT1382-cT164圖2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)和模擬有效波高對比Fig.2Comparisonofsatellitedatawithsimulatedsignificantwaveheight

表2 不同合成風(fēng)場模擬值與衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比Tab.2 Comparison of different synthesis wind field with satellite data

對比T138軌道統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其偏差為負值，即各合成風(fēng)場模型的模擬波高值小于衛(wèi)星數(shù)據(jù)。捷式較Holland合成風(fēng)場，平均相對誤差、均方根誤差和偏差絕對值均有所降低，且相關(guān)系數(shù)增大；對T164進行分析，相對Holland合成風(fēng)場，捷式合成風(fēng)場的平均相對誤差、均方根誤差和偏差略有降低，且捷式合成風(fēng)場的相關(guān)性更好。總體而言，可認為捷式與Holland合成風(fēng)場模型較藤田模型可以更好地反映臺風(fēng)中心附近的風(fēng)場，而捷式較Holland合成風(fēng)場模擬效果更好。捷式合成風(fēng)場特征時刻場圖如圖3所示，最大波高出現(xiàn)在臺風(fēng)中心右前方，與理論相符且風(fēng)速與波高吻合度高，能夠很好地模擬此次臺風(fēng)浪過程，以給小范圍提供較準(zhǔn)確的波譜邊界條件。故選用捷式合成風(fēng)場作為下文小范圍自嵌套模型的驅(qū)動風(fēng)場。

3-a7月11日8時3-b7月11日14時3-c7月11日20時3-d7月12日02時圖3 大范圍風(fēng)場矢量和波高分布圖Fig.3Distributionofwindspeedandwaveheightatlargecomputationarea

4 模型應(yīng)用

SWAN是一種基于能量守恒原理的波浪譜模型，Holthuijsen等[9]對40.41版以后的SWAN模型進行改進，可更加全面地考慮地形變化影響下的波浪淺化、折射、反射、繞射、破碎、風(fēng)能輸入、波-波非線性相互作用和波浪耗散等效應(yīng)，本模型采用40.91版SWAN。源匯項表示與波動能量的生成、消耗以及能量的再分布有關(guān)的物理過程，可由以下幾部分組成

S=Sin+Snl3+Snl4+Sds,w+Sds,b+Sds,br

(10)

式中:Sin為風(fēng)能量輸入所致的波浪成長；Snl3為三波相互作用所導(dǎo)致的波浪能量非線性傳播；Snl4為四波相互作用所致的波浪能量的非線性傳輸；Sds,w，Sds,b，Sds,br分別為白浪破碎所引起的波能衰減、底摩擦引起的波能衰減及水深變化導(dǎo)致的波浪破碎所引起的波能衰減。

4.1 工程區(qū)域模型的驗證

規(guī)劃區(qū)域建設(shè)用海工程的實施將改變岸線形態(tài)，導(dǎo)致規(guī)劃區(qū)域及其附近海域波浪場變化，分別對南通近海的區(qū)域建設(shè)用海實施前、建設(shè)用海近期規(guī)劃和遠期規(guī)劃實施后波浪場進行模擬研究，以分析區(qū)域建設(shè)用海對近岸波浪場的影響范圍及程度。自嵌套小范圍模擬區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，工程區(qū)域最小網(wǎng)格僅80 m。區(qū)域建設(shè)用海規(guī)劃地形如圖4所示，淺灰色表示南通近期區(qū)域建設(shè)用海工程規(guī)劃，黑色為遠期規(guī)劃。波浪測站浮標(biāo)驗證數(shù)據(jù)有浮標(biāo)處水深為8 m的響水測站(120.101°E，34.436°N)和蠣岈山波浪測站(121.568°E，32.147°N)，均為每小時采集一次數(shù)據(jù)，可以反映臺風(fēng)“燦鴻”期間臺風(fēng)成長全過程。用最適捷式合成風(fēng)場作為SWAN自嵌套模型的驅(qū)動風(fēng)場，模擬結(jié)果與波浪測站進行對比，如圖5所示，實測數(shù)據(jù)與模擬值吻合度較高，該模型能很好地反映小范圍海域內(nèi)臺風(fēng)浪分布情況。

圖4 南通近海區(qū)域建設(shè)用海規(guī)劃及特征站位布置圖Fig.4Tongzhoubayregionalconstructionschemeandstationarrangement5-a蠣岈山測站 5-b響水波浪測站圖5 實測波浪測站有效波高與自嵌套小范圍數(shù)值模擬值對比Fig.5Comparisonofthemeasuredsignificantwaveheightofwavestationwiththenestednumericalvaluesinasmallscope

表3 特征站位水深，有效波高及波高變化Tab.3 Water depth,significant wave height and wave height variation in the station

4.2 工程對近海波浪場的影響

區(qū)域建設(shè)用海規(guī)劃工程的實施將影響波高的時空分布變化，這種變化可能對近岸工程造成災(zāi)害性破壞，故對區(qū)域用海建設(shè)前后波高的變化進行研究不僅能有效減少潛在性災(zāi)害，還能提高區(qū)域用海工程建設(shè)布局規(guī)劃的合理性，增加經(jīng)濟效益。篇幅所限，僅列舉7月11號14時的波高分布圖如圖6所示，此時外海波向以ESE向為主。選取特征站位對其波高進行對比分析，如表3所示。

規(guī)劃工程東部a、b區(qū)(a區(qū)即以字母a開頭的特征站位及其附近海域，如特征站位a1～a8附近海域為a區(qū)，以此類推)所取特征站位平均水深7.5 m，近期用海規(guī)劃工程實施較工程前波高以降低為主，其中a3、a7降幅達40 cm以上，而特征站位a8處波高明顯增大，增幅達46.5 cm。這可能是由于工程的實施改變近岸水動力環(huán)境，造成波浪的原波峰線長度發(fā)生變化，在特征站位處輻聚、輻散，使其波高有增有減所致，a、b區(qū)所取特征站位平均降幅4 cm，其中a區(qū)降幅較b區(qū)更為明顯。相對近期規(guī)劃，遠期用海規(guī)劃工程實施后，平均波高降幅達12.4 cm，由于遠期規(guī)劃工程尤其是a、b區(qū)之間的建筑工程的實施，使其附近，尤其是b區(qū)波高明顯降低，降幅大都在10 cm以上，其中特征站位b3比近期規(guī)劃工程實施后波高減小19 cm。

c1～c4特征站位平均水深11.5 m，工程的實施改變其附近海域的波能分布，使其波高發(fā)生變化。近期規(guī)劃實施后，所取特征站位平均有效波高降低不足1 cm，而c1、c3波高升降較為劇烈；在遠期工程實施后平均波高增加了3.5 cm，其中離工程區(qū)域近的c1、c2特征站位較近期工程實施后，波高明顯增大，可能是由于c區(qū)西部工程的實施，使其建筑物產(chǎn)生類似海岬岬角的效應(yīng)所致。

南部航道d區(qū)所取特征站位平均水深9.7 m，近期規(guī)劃工程的實施后d區(qū)附近海域波高以增加為主，特征站位d2、d6、d8處波高增幅約10 cm，較為顯著，所取特征站位平均水深增加了2.5 cm。遠期工程實施后，特征站位d2、d3、d4、d8增幅均在10 cm以上，其中d8增幅達20 cm以上，d3、d4特征站位較近期規(guī)劃工程波高增幅更為明顯，這可能是由于遠期工程的實施使得反射作用更為顯著所致。

相較規(guī)劃工程實施前，近期區(qū)域用海規(guī)劃工程實施后，全部特征站位平均有效波高降低4.5%，其中站位a3、a4、a6、a8、c1、c2附近海域波高變化劇烈，在其附近海域進行航海、漁業(yè)等海洋活動時，應(yīng)考慮加強防護措施；遠期區(qū)域用海規(guī)劃工程實施后，平均波高降低了6.8%，但站位a8、c1、d8的有效波高增幅明顯，若在其附近海域進行海洋工程建設(shè)，按工程原工況設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)進行規(guī)劃，可能帶來越浪、潰堤等威脅，故需綜合考慮，提高其附近海域海洋工程的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

6-a工程前6-b近期工程6-c遠期工程圖6 工程附近波高等值線分布圖Fig.6Waveheightcontourmapinthevicinityofengineering

5 結(jié)論

在不同合成風(fēng)場模式下對“燦鴻”進行臺風(fēng)浪數(shù)值模擬，采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行對比分析得出最適合成風(fēng)場，并討論南通近海規(guī)劃工程對近海波浪場的影響：

(1)不同風(fēng)場模型對比中，捷式合成風(fēng)場模型的臺風(fēng)浪數(shù)值模擬效果最好，Holland次之，藤田最差。

(2)在最適風(fēng)場模型下對南通近海規(guī)劃進行應(yīng)用分析：較近期規(guī)劃，遠期規(guī)劃工程實施后，工程南部航道平均有效波高增幅更大；而東部區(qū)域平均波高降幅更明顯。

(3)上述結(jié)論僅對北上型臺風(fēng)“燦鴻”適用，對其他臺風(fēng)的適用性還有待進一步研究。

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