一種基于聯合風場的海洋工程環境設計波要素方法

張 莉

(福建省環境科學研究院，福建 福州 350013)

1 概述

波浪是海洋中最主要的動力要素之一，準確進行設計波浪要素計算是涉海工程建設的前提條件。海洋工程中常見的設計波浪要素推算方法包括基于波浪經驗公式的推算法[1]、基于實測風速波浪的相關分析法[2]和基于海浪數值模型的數學推算法。隨著計算機數值計算技術的發展，數值模型法以其快速、直觀和準確的優勢成為了海浪計算的首選。波浪數值計算經歷了三代發展過程，現今最常用的波浪計算模型分為以下三類：一是緩坡方程海浪計算模型，這類模型在海底地形變化劇烈、水深較淺時數值模擬精度欠佳；二是以SWAN為代表的基于能量平衡方程的海浪計算模型，這類模型應用最為廣泛，模擬精度較好；三是以MIKE BW/SW為代表的基于Boussinesq方程的海浪計算模型，這類模型適用于復雜地形下的小尺度波浪計算。

劉國等[3]采用SWAN模型，以WRF模式風場聯合CCMP風場為驅動模擬了如東風電場海域近20年的波浪過程并得到不同重現期風速和波浪要素。文先華等[4]采用SWAN和WAVEWATCH III相嵌套，以WRF模式風場為驅動，計算珠江口附近海域50年一遇和100年一遇波浪極值。齊慶輝等[5]采用MIKE SW模式，以WRF模式風場為驅動再現了0713號臺風過境期間連云港海域的波浪變化過程。袁華等[6]采用MIKE21 SW模型,以長江口附近氣象站風速設計風速為驅動計算得到該區域設計波浪要素。

本文以福建省連江縣東洛島附近一深海養殖平臺工程為例，介紹一種基于SWAN海浪數值模型，以NCEP再分析風場和Jelesnianski臺風模型風場為聯合風場驅動計算的工程設計波要素推算方法。

2 研究區域概況

本文研究的深海養殖平臺位于連江縣苔菉鎮東洛島西南海域北茭海峽內，如圖1所示，平臺平面為規則矩形，其西南、東南、東北及西北角分別編號為1、2、3、4。北茭海峽位于黃岐半島以北，連接著羅源灣可門口和三都澳。該養殖平臺北側為西洛島和東洛島，距離東洛島僅500 m，南側距離黃岐半島大陸岸線約5 km，東側距離大陸岸線約3.5 km。北茭海峽島嶼暗礁較多，水深變化復雜。

根據《東海區海洋站海洋水文氣候志》[7]中北茭氣象海洋站(圖1)的統計，該區域全年東北風最多，其次為東北東向和西南南。風向季節變化明顯，秋、冬季以東北風最多，春季以東北風和東北東風為多，夏季西南南風最多。根據1982—2001年北茭逐時風速統計，最大風速為37.0 m/s，出現在臺風2001年“飛燕”臺風期間。北茭站統計累年最大波高均不小于4.5 m，大多出現在7—10月間的臺風影響季節。

圖1 項目工程位置、北茭海洋站及黃岐浮標

3 模型及數據

3.1 SWAN海浪模型及計算域網格

SWAN是荷蘭Delft大學研發的第三代近岸海浪模式，適用于淺海和近岸風浪、涌浪及混合浪計算。SWAN模型采用動譜平衡方程來描述風浪生成及其在近岸區的演化過程，對近海區域海浪模擬精度較好，應用最為廣泛。

本研究的計算范圍為24.8°～27.4°N，118.8°～123°E。采用三角形網格對計算域進行剖分，可以準確貼合復雜多變的岸線、島嶼。網格自海洋邊界向岸線逐漸加密，在工程附近進一步加密，最小網格邊長約30m，共包含18522個網格單元。采用etop2-1min、海圖、遙感反演等多種數據融合得到的水深數據插值。

3.2 NCEP/NCAR再分析風場

NCEP/NCAR再分析數據集是美國氣象環境預報中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯合制作，采用全球資料同化系統對各種來源的觀測資料進行質量控制和同化處理獲得。NCEP/NCAR再分析風場資料覆蓋全球，共有192×94格點。本文選用2000—2020年研究區域的每日四次NCEP/NCAR再分析風場資料。

3.3 Jelesnianski臺風模型風場

臺風期間，臺風氣旋風場結構變化劇烈，NECP風場的精度不足以描述其風場結構，因此采用Jelesnianski風場對2000—2020年間對本工程區域影響較大的47場臺風風場進行重新描述。Jelesnianski風場以最大風速表示的風速剖面表達式如下：

(1)

式中，VR為距離臺風中心r處的臺風環流風速(m/s)，VRmax為環流最大風速(m/s)，Rmax為臺風氣旋環流最大風速距離臺風中心的半徑(m)。

4 結果與分析

4.1 模型適用性驗證

選取2015年“蘇迪羅”、“杜鵑”兩場臺風過程進行海浪計算驗證。黃岐浮標，位于該工程項目東南約2 km位置(圖1)。將兩次臺風浪模擬結果與黃岐浮標實測進行比較，判斷模型在該海域的適用性，并率定模型波浪計算相關參數。

臺風“蘇迪羅”：2015年7月30日20時在西北太平洋洋面上生成，強度逐漸加強，8月3日加強為強臺風，而后達到其巔峰強度17級以上。8日清晨以中心附近最大風力15級在臺灣花蓮市登陸，并于同日晚22時以中心附近最大風力13級在福建省莆田市登陸。

臺風“杜鵑”：2015年9月23日，在西北太平洋洋面上生成，命名為“杜鵑”，25日升級為中度臺風，26日再次卷入干空氣，升級為強臺風，27日升級為超強臺風，28日登陸臺灣地區，29日在福建省莆田市秀嶼區登陸。

由圖2可見，兩次臺風過程黃岐浮標位置波浪模擬結果與實測資料整體規律符合良好，尤其是有效波高峰值模擬準確。從浮標實測資料可見，在臺風還很遠時，黃岐浮標處就出現了約0.5m的臺風浪，這應該是夏季盛行的西南季風造成。而臺風風場模型中不包含季風等背景風場影響。總體來看，本文設計的模型對該海域的海浪數值計算是可行的。

圖2 臺風“蘇迪羅”及“杜鵑”有效波高模擬驗證

4.2 50年重現期風速推算

對2000—2020年NCEP/NCAR再分析風場資料及47場臺風的Jelesnianski風場數據進行統計，得到該養殖平臺位置出現頻次最高的風向為NE向(40.0%)，其次是E向(16.1%)，再次是SW向(11.1%)。工程區域重現期為50年的各向風速通過耿貝爾分布推算得到，具體見表1。

表1 50年重現期的風速推算結果

4.3 工程設計波要素計算及分析

采用SWAN模型進行連續20年的海浪計算。結果顯示，該養殖平臺2000—2020年計算有效波高最大值為4.75m，波向為193°(東北偏東方向，ENE向)，出現在2008年9月14日7時，處于2018年“森拉克”臺風期間。次大值為4.73m，波向為196°(東北偏東方向，ENE向)，出現在2009年8月9日9時，處于2019年“莫拉克”臺風期間。

根據50年重現期風速推算結果，進行8個方位均一風場作用下的海浪計算，可輸出該養殖平臺4個位置點(圖 1)的逐時有效波高、有效波周期、跨零周期、譜峰周期等波要素。最大波高可根據SWAN輸出有效波高推算得到。福建近海浮標實測最大波高(Hmax)與有效波高(Hs)擬合公式為：

Hmax=1.4389×Hs+0.0508

(2)

由50年重現期的8個方位均一風場作用下的有效波高模擬結果可知，東洛島右側開闊外海的海浪有效波高可達8m以上，受東洛島、址洛島和西洛島的阻擋，該工程區域波浪明顯減小。工程區域NE、N、E、SE和NW向的風作用產生的波浪較大，而S、W、SW三個風向作用產生的波浪較小。S、W、SW向的風作用受黃岐半島大陸限制從而風區較短，因此波浪發展幅度有限。NE、N、E、SE和S向風產生的海浪傳播受東洛島等三島的遮擋，因此在該養殖平臺處浪高明顯降低。相對而言，養殖平臺西南角是遭受風浪危險最高的位置。N、NE、E、SE、SW、W六個方向的風作用下，工程區域最大波高均出現在其東南角，而S向風作用下大波高出現在其東北角、NW向風作用下大波高出現在其西南角。工程區域重現期為50年的最大波高出現在其東南角，為7.14 m，受NE向風作用，見表2。

表2 重現期為50 年的NE向風作用波浪特征值

5 結論

本文介紹了一種基于SWAN海浪模式計算，用NCEP/NCAR再分析風場和Jelesnianski臺風風場聯合風場驅動的海洋工程環境設計波要素計算方法。該方法解決了一般海洋工程區域缺少風速和波浪實測的問題，提出根據再分析風場和耿貝爾分布法推算不同重現期的各向風速，然后采用SWAN模式進行各向風速的波浪場模擬，從而得到海洋工程建設所需的設計波要素。本文采用這一方法對福建東洛島深海養殖平臺的設計波要素進行計算，得到了該養殖平臺50年一遇的最大波高為7.14m，并提出該平臺最危險的位置是其西南角。