潘冬冬，王 俊，周 川

(1.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣州 510663；2.廣東科諾勘測(cè)工程有限公司，廣州 510663)

臺(tái)風(fēng)是一種強(qiáng)烈的災(zāi)害性海洋天氣，破壞力巨大，強(qiáng)烈的臺(tái)風(fēng)通常會(huì)引起巨大的臺(tái)風(fēng)浪。臺(tái)風(fēng)浪是我國(guó)沿海區(qū)域最主要的海洋災(zāi)害之一，其破壞力會(huì)造成重大的海洋事故以及海洋工程建筑物的損毀，嚴(yán)重威脅沿海居民的人身和財(cái)產(chǎn)安全。

近年來(lái)，由于國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電場(chǎng)工程大規(guī)模建設(shè)，對(duì)于風(fēng)機(jī)抗臺(tái)風(fēng)的設(shè)計(jì)尤為重要，所以對(duì)臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行研究是風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)階段的重要工作內(nèi)容之一。目前近岸臺(tái)風(fēng)浪的研究方法主要從兩個(gè)方面開(kāi)展：一方面是對(duì)近岸實(shí)測(cè)的臺(tái)風(fēng)浪數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和研究，如陳劍橋等[1]利用相對(duì)密集的海上浮標(biāo)和岸基臺(tái)站觀測(cè)資料，分析1205號(hào)臺(tái)風(fēng)“泰利”影響期間臺(tái)灣海峽及周邊海域的風(fēng)浪特征。但是，完整的臺(tái)風(fēng)浪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)很難獲取，不僅需要投入很大的人力物力，而且臺(tái)風(fēng)浪破壞力巨大，使得波浪觀測(cè)設(shè)備的安全性很難得到保證。另一方面就是采用數(shù)值模擬的手段對(duì)臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行研究，伴隨各種硬件軟件技術(shù)的提升，其模擬精度也越來(lái)越高，可以滿足實(shí)際工程的相關(guān)要求。如趙紅軍等[2]采用QSCAT/NCEP背景風(fēng)場(chǎng)和Myers經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)模型進(jìn)行疊加構(gòu)造臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，對(duì)0601號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“珍珠”進(jìn)行臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值模擬，結(jié)果顯示臺(tái)風(fēng)浪要素的數(shù)值模擬值與實(shí)測(cè)值吻合良好。唐建等[3]采用CCMP背景風(fēng)場(chǎng)分別疊加四種臺(tái)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)，采用SWAN模型對(duì)1105號(hào)臺(tái)風(fēng)“米雷”進(jìn)行模擬，對(duì)比驗(yàn)證后發(fā)現(xiàn)Holland風(fēng)場(chǎng)模型計(jì)算結(jié)果與浮標(biāo)實(shí)測(cè)資料最接近。目前，工程上主要通過(guò)結(jié)合以上兩種方法開(kāi)展設(shè)計(jì)波浪參數(shù)的計(jì)算，如采用實(shí)測(cè)波浪數(shù)據(jù)進(jìn)行波高-周期聯(lián)合分布統(tǒng)計(jì)；根據(jù)數(shù)值模擬方法推算重現(xiàn)期波要素，所以對(duì)風(fēng)浪數(shù)學(xué)模型的模擬精度提出了更高的要求。

采用ERA-5風(fēng)場(chǎng)與Holland經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)疊加構(gòu)成臺(tái)風(fēng)輸入風(fēng)場(chǎng)，利用MIKE21 SW波浪數(shù)學(xué)模型進(jìn)行臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值模擬，結(jié)合1822號(hào)“山竹”臺(tái)風(fēng)實(shí)測(cè)風(fēng)浪數(shù)據(jù)，研究Holland B參數(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)構(gòu)造的影響機(jī)理，對(duì)四種常用Holland B參數(shù)計(jì)算公式的各個(gè)模擬值進(jìn)行驗(yàn)證，并對(duì)其進(jìn)行對(duì)比分析。

1 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型

臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)采用經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)和背景風(fēng)場(chǎng)的疊加風(fēng)場(chǎng)作為模型輸入風(fēng)場(chǎng)。其中，背景風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)源于ECMWF(歐洲中尺度天氣預(yù)報(bào)中心)ERA-5項(xiàng)目(數(shù)據(jù)來(lái)源：www.ecmwf.int)，ERA-5項(xiàng)目是在原有ERA-40和ERA-interim基礎(chǔ)上，利用改進(jìn)的大氣模型和四維變量同化方法生成[4]。空間分辨率為0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率為1 h，高度為海面以上10 m。臺(tái)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)模型采用Holland模型[5]，該模型在國(guó)內(nèi)外臺(tái)風(fēng)研究中均有廣泛的應(yīng)用[6-9]。

將Holland經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)與ERA-5背景風(fēng)場(chǎng)通過(guò)一個(gè)權(quán)重系數(shù)疊加構(gòu)造新的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，權(quán)重系數(shù)根據(jù)計(jì)算點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心距離的不同而不同，臺(tái)風(fēng)中心區(qū)域使用Holland風(fēng)壓模型的經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)，臺(tái)風(fēng)外圍區(qū)域采用ERA-5背景風(fēng)場(chǎng)，保證兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的平穩(wěn)過(guò)渡，更加接近實(shí)際臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)[10]。

Holland經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)

(1)

式中：B為Holland氣壓剖面參數(shù)；ρα為空氣密度，取為1.2 kg/m3；RMW為最大風(fēng)速半徑；P為臺(tái)風(fēng)外圍氣壓，統(tǒng)一取為1 010 hPa；P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓；r為計(jì)算點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心距離；f為科氏力參數(shù)。

臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑存在多個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式[11-13]，但是臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值模擬多數(shù)采用Graham的經(jīng)驗(yàn)公式[2-3]

(2)

式中：φ為臺(tái)風(fēng)中心緯度；V為臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)速度。

風(fēng)場(chǎng)構(gòu)造公式為

(3)

式中：VHolland為Holland模型經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)；VERA-5為ERA-5背景風(fēng)場(chǎng)；e為權(quán)重系數(shù)，e=C4/(1+C4)；C是考慮臺(tái)風(fēng)影響范圍的一個(gè)系數(shù)，C=r/(n×RMW)，取n=9。

根據(jù)上述臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)構(gòu)造過(guò)程，對(duì)1822號(hào)臺(tái)風(fēng) “山竹”進(jìn)行波浪數(shù)值模擬研究。臺(tái)風(fēng) “山竹”為2018年太平洋第22個(gè)被命名的熱帶氣旋，2018年9月7日20時(shí)起編，11日8時(shí)加強(qiáng)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，15日5時(shí)仍為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)級(jí)別，中心附近最大風(fēng)力達(dá)17級(jí)以上(風(fēng)速為65 m/s)，16日17時(shí)登陸廣東臺(tái)山海宴鎮(zhèn)時(shí)中心附近最大風(fēng)力14級(jí)(風(fēng)速為45 m/s)。臺(tái)風(fēng)“山竹”的中心氣壓和移動(dòng)路徑等數(shù)據(jù)來(lái)源于中國(guó)臺(tái)風(fēng)網(wǎng)(www.typhoon.org.cn)。

2 波浪數(shù)學(xué)模型

采用MIKE21 SW模型進(jìn)行臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值模擬研究，該模型是基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的新一代波浪動(dòng)譜能量模型，能夠進(jìn)行大洋深水海域和近岸淺水海域風(fēng)浪和涌浪的模擬，可以分別求解準(zhǔn)定常和非定常波浪作用平衡方程的全譜公式和方向解耦參數(shù)公式[14]，在波浪數(shù)值模擬研究上有著廣泛應(yīng)用。

2.1 控制方程

動(dòng)譜能量方程形式如下

(4)

式中：N為動(dòng)譜能量密度；σ為相對(duì)波浪頻率；θ為波向；Cx、Cy為波浪沿x、y方向傳播的速度；Cσ、Cθ為波浪在σ、θ坐標(biāo)下的傳播速度；S為源匯項(xiàng)，如下式表示

S=Sin+Snl+Sds+Sbot+Ssurf

(5)

式中：Sin為風(fēng)能輸入項(xiàng)；Snl為非線性波-波相互作用的能量傳輸；Sds為波浪白帽耗散造成的能量損失；Sbot為波浪底部摩阻所造成的能量損失；Ssurf為波浪破碎所導(dǎo)致的能量損失。

2.2 模型設(shè)置

波浪模型計(jì)算區(qū)域包括整個(gè)南海海域，空間范圍為：5.9°～28.5°N，103.8°～ 132.9°E，時(shí)間范圍為：2018年9月14日0時(shí)至2018年9月17日12時(shí)。采用非結(jié)構(gòu)性三角形網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行剖分，最大網(wǎng)格精度為1.5°×1.5°，最小網(wǎng)格精度為0.3′×0.3′，時(shí)間步長(zhǎng)為180 s，模型初始條件為初始風(fēng)場(chǎng)的JONSWAP譜。采用準(zhǔn)定常的全譜公式進(jìn)行計(jì)算，頻率上采用24個(gè)離散度，方向上采用36個(gè)離散度。模型計(jì)算水深數(shù)據(jù)采用DHI的C-Map地形數(shù)據(jù)庫(kù)水深插值而成，水深起算基面為平均海平面。圖1為波浪模型計(jì)算網(wǎng)格。

圖1 波浪模型計(jì)算網(wǎng)格Fig.1 Computational grid of wave model

3 Holland B參數(shù)對(duì)模擬結(jié)果的影響分析

Holland B參數(shù)主要是用來(lái)確定臺(tái)風(fēng)風(fēng)速和氣壓的剖面形狀，是臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型研究領(lǐng)域至關(guān)重要的一個(gè)參數(shù)，直接對(duì)臺(tái)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)的構(gòu)造有重要影響[15]，進(jìn)一步還會(huì)對(duì)波浪場(chǎng)的分布也產(chǎn)生影響，所以本節(jié)結(jié)合其他研究成果對(duì)其影響機(jī)制進(jìn)行具體研究。

3.1 Holland B參數(shù)分析

當(dāng)臺(tái)風(fēng)中心氣壓P0和最大風(fēng)速半徑RMW一定的情況下，不同Holland B參數(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速剖面的影響見(jiàn)圖2。從圖中可以看出：Holland B參數(shù)越大，距離臺(tái)風(fēng)中心位置的風(fēng)速越小，即氣壓值越低，從而與臺(tái)風(fēng)外圍的氣壓差越大，導(dǎo)致風(fēng)速剖面的斜率越大。而臺(tái)風(fēng)在移動(dòng)過(guò)程中，各個(gè)臺(tái)風(fēng)參數(shù)都是隨時(shí)間變化的，故Holland B參數(shù)也是一個(gè)不斷變化的參數(shù)。

圖2 不同Holland B參數(shù)情況下臺(tái)風(fēng)風(fēng)速剖面圖Fig.2 Wind speed profile of typhoon with different Holland B parameters

根據(jù)國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)Holland B參數(shù)的研究成果，影響B(tài)參數(shù)的主要因素包括：臺(tái)風(fēng)中心氣壓P0、臺(tái)風(fēng)外圍氣壓P、最大風(fēng)速半徑RMW、臺(tái)風(fēng)中心緯度φ等。選取其中四個(gè)典型Holland B參數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算比較，B1～B4公式來(lái)源參見(jiàn)文獻(xiàn)[5,16-18]，具體公式見(jiàn)表1。

表1 不同Holland B參數(shù)計(jì)算公式Tab.1 Calculation formula of different Holland B parameters

3.2 模擬結(jié)果比較與分析

根據(jù)臺(tái)風(fēng)“山竹”實(shí)測(cè)風(fēng)浪數(shù)據(jù)，采用不同Holland B參數(shù)公式進(jìn)行臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值模擬的研究與分析，為近岸海域臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值模擬選取一個(gè)合適的Holland B參數(shù)計(jì)算公式。

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)源于廣東省電力設(shè)計(jì)研究院有限公司承擔(dān)的某海洋工程臨時(shí)觀測(cè)站，臨時(shí)觀測(cè)站離岸距離約25 km，水深約35 m。觀測(cè)站處于臺(tái)風(fēng)路徑的右側(cè)，與臺(tái)風(fēng)中心的最小距離約136 km，與臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑距離較近，可以較好代表臺(tái)風(fēng)外圍的風(fēng)浪特征。風(fēng)速風(fēng)向資料為距離海面25 m高度實(shí)測(cè)的逐時(shí)數(shù)據(jù)，波浪資料為聲學(xué)頻率為600 kHz的AWAC“浪龍”儀器實(shí)測(cè)的逐時(shí)數(shù)據(jù)，所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，可以反映臺(tái)風(fēng)期間的真實(shí)海況。

在其他參數(shù)和設(shè)置相同的情況下，對(duì)不同Holland B參數(shù)計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)證比較，風(fēng)速和有效波高的驗(yàn)證比較結(jié)果見(jiàn)圖3。由圖可知，四個(gè)Holland B參數(shù)計(jì)算公式的計(jì)算結(jié)果變化不大，變化趨勢(shì)和極值均有較好一致性。但是對(duì)于風(fēng)速驗(yàn)證，尤其在臺(tái)風(fēng)影響前期，風(fēng)速模擬值明顯大于實(shí)測(cè)值，其主要原因是臺(tái)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)為理論風(fēng)場(chǎng)，導(dǎo)致風(fēng)圈外圍的風(fēng)速偏大。而實(shí)際臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)為不規(guī)則風(fēng)圈，而且具有特定的風(fēng)圈結(jié)構(gòu)，最終引起各個(gè)風(fēng)速模擬值均偏大于實(shí)測(cè)值。但是在臺(tái)風(fēng)影響期間，各個(gè)風(fēng)速和波高模擬極值均與實(shí)測(cè)值基本吻合。

圖3 不同B參數(shù)公式實(shí)測(cè)值與模擬值對(duì)比Fig.3 Comparison of values measured by different B parameter formula and calculated values

誤差統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表2。由表可知，B1公式的平均絕對(duì)誤差、均方根誤差和極大值相對(duì)誤差均是四個(gè)公式中最小的，風(fēng)速和有效波高的平均絕對(duì)誤差分別為4.257 m/s和0.567 m，均方根誤差分別為7.019 m/s和1.234 m，極大值相對(duì)誤差分別為0.11%和0.19%。其次是B2和B3，驗(yàn)證效果最差的是B4公式。由此可知，采用B1公式進(jìn)行臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的構(gòu)造，可以使得臺(tái)風(fēng)風(fēng)速的生成和波浪有效波高的計(jì)算效果達(dá)到最佳，為進(jìn)一步研究Holland模型臺(tái)風(fēng)浪模擬精度提供了一種方法。

表2 風(fēng)速和有效波高誤差統(tǒng)計(jì)分析Tab.2 Error analysis and statistics of wind speed and significant wave height

通過(guò)進(jìn)一步研究，發(fā)現(xiàn)不同Holland B參數(shù)對(duì)風(fēng)向和平均波向基本無(wú)影響，具體驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)圖4。由圖可知，整體上風(fēng)向和平均波向模擬值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致，在局部時(shí)刻，尤其是臺(tái)風(fēng)影響后期(2018年9月17日以后)平均波向的模擬精度較差，雖然模擬精度不及風(fēng)速和有效波高，但是仍然可以反應(yīng)實(shí)際風(fēng)場(chǎng)和波浪場(chǎng)的變化趨勢(shì)。

圖4 風(fēng)向與平均波向的實(shí)測(cè)值與模擬值比較Fig.4 Comparison of measured and simulated wind direction and average wave direction

4 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)與波浪場(chǎng)空間對(duì)比分析

根據(jù)上述研究成果，采用Holland B1公式的臺(tái)風(fēng)浪模擬成果，分別給出空間上臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)與波浪場(chǎng)的分布圖，進(jìn)一步分析不同海域風(fēng)速與波高的分布差異性。選取臺(tái)風(fēng)期間的四個(gè)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的風(fēng)場(chǎng)和有效波高波浪場(chǎng)分布圖，分別見(jiàn)圖5和圖6。由圖可以直觀看出臺(tái)風(fēng)移動(dòng)過(guò)程中整個(gè)風(fēng)場(chǎng)與波浪場(chǎng)的變化情況，第一，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的最大風(fēng)速出現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)眼外圍區(qū)域，并不在臺(tái)風(fēng)眼中心；第二，臺(tái)風(fēng)風(fēng)速與有效波高的大值范圍基本一致，說(shuō)明臺(tái)風(fēng)浪極值主要受臺(tái)風(fēng)外圍風(fēng)速大小控制；第三，臺(tái)風(fēng)路徑右側(cè)海域波高明顯高于左側(cè)，主要是右側(cè)風(fēng)向與臺(tái)風(fēng)移動(dòng)方向一致導(dǎo)致風(fēng)速疊加變大，而左側(cè)方向相反遭到削減變小。綜上，通過(guò)臺(tái)風(fēng)期間風(fēng)場(chǎng)與波浪場(chǎng)空間分布圖的分析，不僅得到二者的空間分布特征，而且還可以為沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)影響期間防災(zāi)減災(zāi)提供參考建議。

5 結(jié)語(yǔ)

研究臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)結(jié)構(gòu)中Holland B參數(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)浪模擬結(jié)果的影響研究，采用ERA-5背景風(fēng)場(chǎng)與Holland經(jīng)驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)疊加構(gòu)成的臺(tái)風(fēng)輸入風(fēng)場(chǎng)，利用MIKE21 SW波浪數(shù)學(xué)模型進(jìn)行南海大范圍臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值模擬；結(jié)合“山竹”臺(tái)風(fēng)期間的實(shí)測(cè)風(fēng)浪數(shù)據(jù)，研究Holland B參數(shù)對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)構(gòu)造的影響機(jī)理，對(duì)四種常用Holland B參數(shù)計(jì)算公式的模擬值進(jìn)行驗(yàn)證，并進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)論如下。

(1)Holland B參數(shù)主要對(duì)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速和氣壓剖面產(chǎn)生影響，進(jìn)而影響到臺(tái)風(fēng)浪的波浪場(chǎng)分布；

(2)四個(gè)Holland B參數(shù)公式計(jì)算得到的風(fēng)速和有效波高模擬值均與實(shí)測(cè)值有較好一致性。B1參數(shù)公式的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合最好，其中風(fēng)速和有效波高的平均絕對(duì)誤差、均方根誤差和極大值相對(duì)誤差均是最?。?/p>

(3)不同Holland B參數(shù)對(duì)風(fēng)向和平均波向基本不產(chǎn)生影響，其模型模擬值與實(shí)測(cè)值吻合度較高，可以較好反演整個(gè)臺(tái)風(fēng)影響期間的臺(tái)風(fēng)浪特征；

(4)通過(guò)臺(tái)風(fēng)場(chǎng)與波浪場(chǎng)的空間分布對(duì)比分析，為沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)期間防災(zāi)減災(zāi)提供參考建議。