張 莉

(福建省環(huán)境科學(xué)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(zhǔn)確進(jìn)行設(shè)計(jì)波浪要素計(jì)算是涉海工程建設(shè)的前提條件。海洋工程中常見的設(shè)計(jì)波浪要素推算方法包括基于波浪經(jīng)驗(yàn)公式的推算法[1]、基于實(shí)測風(fēng)速波浪的相關(guān)分析法[2]和基于海浪數(shù)值模型的數(shù)學(xué)推算法。隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模型法以其快速、直觀和準(zhǔn)確的優(yōu)勢成為了海浪計(jì)算的首選。波浪數(shù)值計(jì)算經(jīng)歷了三代發(fā)展過程，現(xiàn)今最常用的波浪計(jì)算模型分為以下三類：一是緩坡方程海浪計(jì)算模型，這類模型在海底地形變化劇烈、水深較淺時(shí)數(shù)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(jì)算模型，這類模型應(yīng)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(jì)算模型，這類模型適用于復(fù)雜地形下的小尺度波浪計(jì)算。

劉國等[3]采用SWAN模型，以WRF模式風(fēng)場聯(lián)合CCMP風(fēng)場為驅(qū)動模擬了如東風(fēng)電場海域近20年的波浪過程并得到不同重現(xiàn)期風(fēng)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(fēng)場為驅(qū)動，計(jì)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(fēng)場為驅(qū)動再現(xiàn)了0713號臺風(fēng)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(fēng)速設(shè)計(jì)風(fēng)速為驅(qū)動計(jì)算得到該區(qū)域設(shè)計(jì)波浪要素。

本文以福建省連江縣東洛島附近一深海養(yǎng)殖平臺工程為例，介紹一種基于SWAN海浪數(shù)值模型，以NCEP再分析風(fēng)場和Jelesnianski臺風(fēng)模型風(fēng)場為聯(lián)合風(fēng)場驅(qū)動計(jì)算的工程設(shè)計(jì)波要素推算方法。

2 研究區(qū)域概況

本文研究的深海養(yǎng)殖平臺位于連江縣苔菉鎮(zhèn)東洛島西南海域北茭海峽內(nèi)，如圖1所示，平臺平面為規(guī)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(yǎng)殖平臺北側(cè)為西洛島和東洛島，距離東洛島僅500 m，南側(cè)距離黃岐半島大陸岸線約5 km，東側(cè)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(fù)雜。

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

圖1 項(xiàng)目工程位置、北茭海洋站及黃岐浮標(biāo)

3 模型及數(shù)據(jù)

3.1 SWAN海浪模型及計(jì)算域網(wǎng)格

SWAN是荷蘭Delft大學(xué)研發(fā)的第三代近岸海浪模式，適用于淺海和近岸風(fēng)浪、涌浪及混合浪計(jì)算。SWAN模型采用動譜平衡方程來描述風(fēng)浪生成及其在近岸區(qū)的演化過程，對近海區(qū)域海浪模擬精度較好，應(yīng)用最為廣泛。

本研究的計(jì)算范圍為24.8°～27.4°N，118.8°～123°E。采用三角形網(wǎng)格對計(jì)算域進(jìn)行剖分，可以準(zhǔn)確貼合復(fù)雜多變的岸線、島嶼。網(wǎng)格自海洋邊界向岸線逐漸加密，在工程附近進(jìn)一步加密，最小網(wǎng)格邊長約30m，共包含18522個(gè)網(wǎng)格單元。采用etop2-1min、海圖、遙感反演等多種數(shù)據(jù)融合得到的水深數(shù)據(jù)插值。

3.2 NCEP/NCAR再分析風(fēng)場

NCEP/NCAR再分析數(shù)據(jù)集是美國氣象環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和美國國家大氣研究中心(NCAR)聯(lián)合制作，采用全球資料同化系統(tǒng)對各種來源的觀測資料進(jìn)行質(zhì)量控制和同化處理獲得。NCEP/NCAR再分析風(fēng)場資料覆蓋全球，共有192×94格點(diǎn)。本文選用2000—2020年研究區(qū)域的每日四次NCEP/NCAR再分析風(fēng)場資料。

3.3 Jelesnianski臺風(fēng)模型風(fēng)場

臺風(fēng)期間，臺風(fēng)氣旋風(fēng)場結(jié)構(gòu)變化劇烈，NECP風(fēng)場的精度不足以描述其風(fēng)場結(jié)構(gòu)，因此采用Jelesnianski風(fēng)場對2000—2020年間對本工程區(qū)域影響較大的47場臺風(fēng)風(fēng)場進(jìn)行重新描述。Jelesnianski風(fēng)場以最大風(fēng)速表示的風(fēng)速剖面表達(dá)式如下：

(1)

式中，VR為距離臺風(fēng)中心r處的臺風(fēng)環(huán)流風(fēng)速(m/s)，VRmax為環(huán)流最大風(fēng)速(m/s)，Rmax為臺風(fēng)氣旋環(huán)流最大風(fēng)速距離臺風(fēng)中心的半徑(m)。

4 結(jié)果與分析

4.1 模型適用性驗(yàn)證

選取2015年“蘇迪羅”、“杜鵑”兩場臺風(fēng)過程進(jìn)行海浪計(jì)算驗(yàn)證。黃岐浮標(biāo)，位于該工程項(xiàng)目東南約2 km位置(圖1)。將兩次臺風(fēng)浪模擬結(jié)果與黃岐浮標(biāo)實(shí)測進(jìn)行比較，判斷模型在該海域的適用性，并率定模型波浪計(jì)算相關(guān)參數(shù)。

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

臺風(fēng)“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(fēng)，26日再次卷入干空氣，升級為強(qiáng)臺風(fēng)，27日升級為超強(qiáng)臺風(fēng)，28日登陸臺灣地區(qū)，29日在福建省莆田市秀嶼區(qū)登陸。

由圖2可見，兩次臺風(fēng)過程黃岐浮標(biāo)位置波浪模擬結(jié)果與實(shí)測資料整體規(guī)律符合良好，尤其是有效波高峰值模擬準(zhǔn)確。從浮標(biāo)實(shí)測資料可見，在臺風(fēng)還很遠(yuǎn)時(shí)，黃岐浮標(biāo)處就出現(xiàn)了約0.5m的臺風(fēng)浪，這應(yīng)該是夏季盛行的西南季風(fēng)造成。而臺風(fēng)風(fēng)場模型中不包含季風(fēng)等背景風(fēng)場影響?？傮w來看，本文設(shè)計(jì)的模型對該海域的海浪數(shù)值計(jì)算是可行的。

圖2 臺風(fēng)“蘇迪羅”及“杜鵑”有效波高模擬驗(yàn)證

4.2 50年重現(xiàn)期風(fēng)速推算

對2000—2020年NCEP/NCAR再分析風(fēng)場資料及47場臺風(fēng)的Jelesnianski風(fēng)場數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到該養(yǎng)殖平臺位置出現(xiàn)頻次最高的風(fēng)向?yàn)镹E向(40.0%)，其次是E向(16.1%)，再次是SW向(11.1%)。工程區(qū)域重現(xiàn)期為50年的各向風(fēng)速通過耿貝爾分布推算得到，具體見表1。

表1 50年重現(xiàn)期的風(fēng)速推算結(jié)果

4.3 工程設(shè)計(jì)波要素計(jì)算及分析

采用SWAN模型進(jìn)行連續(xù)20年的海浪計(jì)算。結(jié)果顯示，該養(yǎng)殖平臺2000—2020年計(jì)算有效波高最大值為4.75m，波向?yàn)?93°(東北偏東方向，ENE向)，出現(xiàn)在2008年9月14日7時(shí)，處于2018年“森拉克”臺風(fēng)期間。次大值為4.73m，波向?yàn)?96°(東北偏東方向，ENE向)，出現(xiàn)在2009年8月9日9時(shí)，處于2019年“莫拉克”臺風(fēng)期間。

根據(jù)50年重現(xiàn)期風(fēng)速推算結(jié)果，進(jìn)行8個(gè)方位均一風(fēng)場作用下的海浪計(jì)算，可輸出該養(yǎng)殖平臺4個(gè)位置點(diǎn)(圖 1)的逐時(shí)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(jù)SWAN輸出有效波高推算得到。福建近海浮標(biāo)實(shí)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(xiàn)期的8個(gè)方位均一風(fēng)場作用下的有效波高模擬結(jié)果可知，東洛島右側(cè)開闊外海的海浪有效波高可達(dá)8m以上，受東洛島、址洛島和西洛島的阻擋，該工程區(qū)域波浪明顯減小。工程區(qū)域NE、N、E、SE和NW向的風(fēng)作用產(chǎn)生的波浪較大，而S、W、SW三個(gè)風(fēng)向作用產(chǎn)生的波浪較小。S、W、SW向的風(fēng)作用受黃岐半島大陸限制從而風(fēng)區(qū)較短，因此波浪發(fā)展幅度有限。NE、N、E、SE和S向風(fēng)產(chǎn)生的海浪傳播受東洛島等三島的遮擋，因此在該養(yǎng)殖平臺處浪高明顯降低。相對而言，養(yǎng)殖平臺西南角是遭受風(fēng)浪危險(xiǎn)最高的位置。N、NE、E、SE、SW、W六個(gè)方向的風(fēng)作用下，工程區(qū)域最大波高均出現(xiàn)在其東南角，而S向風(fēng)作用下大波高出現(xiàn)在其東北角、NW向風(fēng)作用下大波高出現(xiàn)在其西南角。工程區(qū)域重現(xiàn)期為50年的最大波高出現(xiàn)在其東南角，為7.14 m，受NE向風(fēng)作用，見表2。

表2 重現(xiàn)期為50 年的NE向風(fēng)作用波浪特征值

5 結(jié)論

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