廣東某海上風(fēng)電場(chǎng)利用臺(tái)風(fēng)氣象數(shù)據(jù)推算波浪要素的研究

荊亞濤，劉東海

1.廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木學(xué)院，廣東廣州，510650；2.廣東省能源集團(tuán)有限公司，廣東廣州，510620

0 引言

海上風(fēng)電是可再生能源發(fā)展的新領(lǐng)域，也是風(fēng)電發(fā)展的重要方向，具備發(fā)展空間大、離負(fù)荷中心近等優(yōu)勢(shì)，有序推進(jìn)海上風(fēng)電發(fā)展意義重大。根據(jù)彭博新能源最新發(fā)布的2021年全球海上風(fēng)電報(bào)告顯示，2021年全球新增海上風(fēng)電裝機(jī)容量約13.4GW，最大的貢獻(xiàn)來(lái)自中國(guó)，占比四分之三，約10.8GW。根據(jù)“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃初步成果，預(yù)計(jì)到2025年底，我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)30GW~40GW。海上風(fēng)電大力發(fā)展的同時(shí)，也逐步顯現(xiàn)出各個(gè)層面的風(fēng)險(xiǎn)和問題。我國(guó)風(fēng)電企業(yè)現(xiàn)今也在不斷提高企業(yè)管理的信息化水平，建立數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，從而對(duì)風(fēng)電管理和運(yùn)營(yíng)的風(fēng)險(xiǎn)、安全、決策提供重要的依據(jù)。從風(fēng)險(xiǎn)管理角度來(lái)講，臺(tái)風(fēng)是廣東海域的海上風(fēng)電所面臨的最大自然災(zāi)害。不但影響運(yùn)維管理，甚至影響結(jié)構(gòu)本身安全[1-3]。

現(xiàn)階段，《熱帶氣旋年鑒》中的數(shù)據(jù)為氣壓、運(yùn)動(dòng)軌跡、最大風(fēng)速、降雨量等氣象數(shù)據(jù)。臺(tái)風(fēng)所引起的波浪要素只能通過測(cè)算，波浪觀測(cè)站所記錄數(shù)據(jù)僅能用于局部區(qū)域參考和后期驗(yàn)證作用。快速對(duì)臺(tái)風(fēng)波浪要素的推算，更適用工程使用，對(duì)臺(tái)風(fēng)下海上風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)及安全管理具有重要意義。

1 海洋波浪要素分析方法

海上風(fēng)電場(chǎng)波浪主要有風(fēng)浪、涌浪和臺(tái)風(fēng)浪三種。對(duì)于風(fēng)浪和涌浪的波浪參數(shù)，可通過兩個(gè)方法獲得。第一種方法是，如果工程建設(shè)海域周邊有海洋水文觀測(cè)站，并已積累多年的波浪觀測(cè)資料，則可通過頻率統(tǒng)計(jì)分析方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，推斷今后多年內(nèi)可能出現(xiàn)的特征波浪。第二種方法是，如果工程建設(shè)海域周邊沒有海洋水文觀測(cè)站，則可利用當(dāng)?shù)鼗蜞徑鼩庀笳撅L(fēng)況資料來(lái)推算波浪。為便于工程使用，推算方法大都屬于經(jīng)驗(yàn)和半經(jīng)驗(yàn)方法。

對(duì)于臺(tái)風(fēng)浪，由于臺(tái)風(fēng)本身是移動(dòng)的，上述適用于常規(guī)風(fēng)浪的推算方法已不適用。臺(tái)風(fēng)在移動(dòng)過程中，風(fēng)速、風(fēng)向會(huì)不斷變化，臺(tái)風(fēng)本身移動(dòng)速度、移動(dòng)路徑具有不規(guī)則特點(diǎn)。臺(tái)風(fēng)現(xiàn)場(chǎng)險(xiǎn)惡，實(shí)測(cè)資料難以獲取，因此，臺(tái)風(fēng)浪的計(jì)算十分困難。現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)外常用的臺(tái)風(fēng)浪估算的半經(jīng)驗(yàn)方法有：Bretschneider颶風(fēng)浪法、宇野木早苗法和井島武士法[4-5]。

近些年，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值計(jì)算方法在波浪要素推算中也多推薦使用，常見的模型有SWAN模型、ADCIRC模型等。模型在常規(guī)浪和臺(tái)風(fēng)浪分析中都有應(yīng)用?，F(xiàn)階段，因波浪數(shù)值計(jì)算的各種模式還處于發(fā)展階段，極端海洋環(huán)境參數(shù)評(píng)估方法期待解決，尚無(wú)公認(rèn)的數(shù)值計(jì)算方法。另外，數(shù)值計(jì)算方法對(duì)工程廣泛使用，尚難以進(jìn)行普遍推廣。因此，本文所采用的方法仍為目前各國(guó)較多使用的半經(jīng)驗(yàn)公式[6-8]。

2 臺(tái)風(fēng)氣象參數(shù)分析

2.1 臺(tái)風(fēng)特征及臺(tái)風(fēng)參數(shù)

廣東沿海地區(qū)，大部分海上風(fēng)電場(chǎng)位于北緯21~23°之間。根據(jù)多年的《熱帶氣旋年鑒》統(tǒng)計(jì)，進(jìn)入廣東周邊區(qū)域的臺(tái)風(fēng)，起源于太平洋的居多，多出現(xiàn)于7-10月，臺(tái)風(fēng)中心氣壓多在950~1000之間，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度10~50km/h，臺(tái)風(fēng)眼直徑約為10~40km。臺(tái)風(fēng)計(jì)算中，有兩個(gè)重要參數(shù)，分別為最大風(fēng)速和最大風(fēng)速半徑[4-5]。其中：

最大風(fēng)速半徑R采用美國(guó)的格雷厄姆和紐恩提出的經(jīng)驗(yàn)公式：

2.2 臺(tái)風(fēng)參數(shù)分析

珠海金灣海上風(fēng)電場(chǎng)工程場(chǎng)址位于珠海市三灶島南側(cè)海域，維度范圍：21°52′22.80″~21°56′31.20″，經(jīng)度范圍：113°22′58.80″~113°29′27.60″。規(guī)劃場(chǎng)址海域面積約52km2，海底水深標(biāo)高介于-11.9m~-21.9m（1985），屬于近海風(fēng)電場(chǎng)[9]。

根據(jù)CMA-STI 熱帶氣旋路徑數(shù)據(jù)集及中央氣象臺(tái)臺(tái)風(fēng)路徑資料，1949~2017年間共有90個(gè)熱帶氣旋中心經(jīng)過研究區(qū)域。根據(jù)歷年的《熱帶氣旋年鑒》路徑資料，均可利用公式2計(jì)算臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑R。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過程中，會(huì)隨著緯度、氣壓、移動(dòng)速度的不同而變化。臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑R會(huì)隨著中心氣壓和臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度增大而增大。對(duì)任意速度，氣壓變化引起的最大風(fēng)速半徑變化幅度基本完全相同。

3 臺(tái)風(fēng)波浪推算

3.1 海上風(fēng)電場(chǎng)波浪參數(shù)

海上風(fēng)電場(chǎng)包含升壓站和風(fēng)機(jī)兩個(gè)構(gòu)筑物，根據(jù)DNV及我國(guó)海上風(fēng)電場(chǎng)的系列規(guī)范、水文規(guī)范、海洋建設(shè)的相關(guān)規(guī)范和規(guī)定，海上升壓站對(duì)環(huán)境荷載設(shè)計(jì)重現(xiàn)期為100年，海上風(fēng)機(jī)為50年。波浪高度和相應(yīng)周期是波浪計(jì)算的基本參數(shù)。廣東沿海海域?qū)賮啛釒ШＱ笮詺夂颍瑥难睾８髡静ɡ私y(tǒng)計(jì)資料來(lái)看，年極值波浪多為臺(tái)風(fēng)浪，西南季風(fēng)和東北季風(fēng)造成的最大波高通常低于臺(tái)風(fēng)造成的臺(tái)風(fēng)浪。

3.2 臺(tái)風(fēng)氣象參數(shù)推導(dǎo)波浪方法

通過氣象參數(shù)推算臺(tái)風(fēng)浪的方法主要有三種：Bretschneider颶風(fēng)浪法、宇野木早苗法、井島武士法。三種方法所依據(jù)的實(shí)測(cè)資料有所不同，Bretschneider颶風(fēng)浪法采用的是緯度較低、且海域開敞的實(shí)測(cè)資料，宇野木早苗法采用緯度較高、且臺(tái)風(fēng)已多轉(zhuǎn)向、強(qiáng)度有所降低的實(shí)測(cè)資料，井島武士法采用的是半封閉的日本海資料。因此，相對(duì)于我國(guó)廣東沿海海域，前兩種方法條件相似性更為接近。因此，本文僅對(duì)前兩種方法進(jìn)行驗(yàn)證，即Bretschneider颶風(fēng)浪法和宇野木早苗法。

（1）Bretschneider颶風(fēng)浪法（B氏法）

深水有效波高和有效波周期為：

（2）宇野木早苗法（宇野法）

3.3 數(shù)據(jù)分析

從公式（3）和公式（4）中可以看出，臺(tái)風(fēng)浪有效波高及周期與臺(tái)風(fēng)的移動(dòng)速度、中心氣壓值等有比較密切的關(guān)系。圖1給出采用兩種方法分析時(shí)，臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度和中心氣壓對(duì)臺(tái)風(fēng)浪有效波高和周期的影響關(guān)系。從整體上看，氣壓對(duì)臺(tái)風(fēng)浪有效波高的影響呈線性降低的趨勢(shì)，B氏法比宇野法降低斜率偏小。臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度較小時(shí)，氣壓越低，宇野法結(jié)果大于B氏法。移動(dòng)速度較大時(shí)，氣壓越高，B氏法所算結(jié)果大于宇野法。兩種方法計(jì)算結(jié)果相近的范圍有兩處：（1）臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度30km/h時(shí)，氣壓變化955~975kPa；（2）臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度20km/h時(shí)， 氣壓變化970~985kPa。

圖2和圖3給出采用兩種方法估算5個(gè)臺(tái)風(fēng)在途經(jīng)珠海金灣海上風(fēng)場(chǎng)附近海域時(shí)，臺(tái)風(fēng)浪波高（H1%）和相應(yīng)周期的對(duì)比圖。本工程設(shè)計(jì)施工中，所采用100年重現(xiàn)期波浪波高（H1%）為：13.67m~18m，周期為14.5~16.4s。從圖中可以看出，兩種半經(jīng)驗(yàn)方法所計(jì)算的數(shù)據(jù)，均有所對(duì)應(yīng)。宇野法計(jì)算結(jié)果與工程項(xiàng)目中所采用的數(shù)值更為接近。

4 結(jié)語(yǔ)

通過Bretschneider颶風(fēng)浪法和宇野木早苗法對(duì)實(shí)際工程中臺(tái)風(fēng)浪要素的分析，及與實(shí)際工程數(shù)據(jù)對(duì)比，說明在廣東周邊海域，采用文中的兩種半經(jīng)驗(yàn)方法進(jìn)行臺(tái)風(fēng)浪要素的估算均具有一定的可行性。結(jié)合兩種方法的邊界條件和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，宇野木早苗方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)際工程中的數(shù)值更為接近，其適用性更好。相比海洋站數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析和數(shù)值模擬分析，半經(jīng)驗(yàn)法更能快速地給工程提供較為可靠的參考數(shù)據(jù)。