海南省清瀾漁港近岸臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值模擬及波高重現(xiàn)值的推算

王南圖,王曉亮,欒曙光

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧大連116023)

海南省清瀾漁港近岸臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值模擬及波高重現(xiàn)值的推算

王南圖,王曉亮,欒曙光

(大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院,遼寧大連116023)

選取1980—2010年在海南省東海岸登陸的、每年強(qiáng)度等級(jí)最高的31個(gè)臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù),應(yīng)用MIKE21 SpectralWave計(jì)算模型,模擬清瀾漁港臺(tái)風(fēng)浪的全過程,并對(duì)其中3個(gè)臺(tái)風(fēng)浪進(jìn)行模型率定,計(jì)算結(jié)果與海南省清瀾漁港近岸30 m水深處波浪實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)相吻合。應(yīng)用皮爾遜Ⅲ型頻率曲線軟件進(jìn)行分析,清瀾漁港近岸30 m水深處最大有效波高出現(xiàn)在N至NE方向,百年一遇的有效波高為5.78 m,50年一遇的有效波高為5.3 m,20年一遇的有效波高為4.6 m。本研究結(jié)果可對(duì)漁港的規(guī)劃設(shè)計(jì)、防災(zāi)減災(zāi)提供有效參考,特別對(duì)缺少波浪實(shí)測(cè)資料的近岸工程具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

海南省清瀾漁港;臺(tái)風(fēng)浪;模型率定;有效波高

在海洋工程設(shè)計(jì)中,波浪要素的確定是重要因素之一。然而,就一般海區(qū)而言,有長(zhǎng)期實(shí)測(cè)波浪資料的地區(qū)很少,為滿足工程上的需要,必須進(jìn)行一系列的推算。目前,國(guó)內(nèi)外主要依靠長(zhǎng)期的風(fēng)資料來推算較長(zhǎng)重現(xiàn)期的波浪。

潘玉萍等[1]利用第三代近岸海浪數(shù)值模式(SWAN),模擬了湛江港海域一次臺(tái)風(fēng)浪過程,結(jié)果表明,臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)直接決定了海浪的分布特征,在臺(tái)風(fēng)場(chǎng)的驅(qū)動(dòng)下,風(fēng)向與浪向基本上一致,并且波高、波長(zhǎng)與周期的發(fā)展和傳播方向與風(fēng)向也一致;風(fēng)速的大小決定了波高、波長(zhǎng)與周期的大小;海浪的分布特征受臺(tái)風(fēng)中心的位置和移動(dòng)路徑影響較大,這可為湛江港海域臺(tái)風(fēng)浪的預(yù)報(bào)提供借鑒。陳希等[2]利用SWAN模式對(duì)影響南海湛江港海域的兩次臺(tái)風(fēng)浪過程進(jìn)行了模擬研究,結(jié)果表明,由藤田臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)模型同化相應(yīng)時(shí)刻的臺(tái)風(fēng)要素、NCAR/NCEP網(wǎng)格點(diǎn)資料、單站觀測(cè)資料后,提供模式所需風(fēng)場(chǎng);利用自嵌套的方式,提供模式波譜邊界條件;兩次模擬結(jié)果與實(shí)際海浪觀測(cè)資料符合較好,這可為該海域臺(tái)風(fēng)浪的模擬預(yù)報(bào)提供較為重要的參考。欒曙光等[3]根據(jù)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng) “桑內(nèi)” 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù),分析了沙埕港在 “臺(tái)風(fēng)”正面登陸時(shí)港口波浪分布特征和災(zāi)害成因,可為漁港的規(guī)劃設(shè)計(jì)、防災(zāi)減災(zāi)提供指導(dǎo)。于紅等[4]建立了中國(guó)東南沿海避風(fēng)型漁港規(guī)劃問題的數(shù)學(xué)模型,并用此模型對(duì)中國(guó)東南沿海實(shí)際的漁港和漁船數(shù)據(jù)進(jìn)行了計(jì)算,計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性較好。本研究中,作者選取了海南省東海岸1980—2010年的臺(tái)風(fēng)資料,應(yīng)用MIKE21 SpectralWaves(SW)模塊推算近岸臺(tái)風(fēng)浪,從近岸30 m水深處的臺(tái)風(fēng)浪中提取波浪參數(shù),在其中3個(gè)臺(tái)風(fēng)參數(shù)與實(shí)測(cè)值想吻合的基礎(chǔ)上,再應(yīng)用皮爾遜Ⅲ (P-Ⅲ)型頻率曲線軟件進(jìn)行分析,獲取不同重現(xiàn)期的有效波高值。

1 MIKE21 Spectral Waves 數(shù)值計(jì)算

1.1 計(jì)算原理[5]

MIKE21 SW模塊是新一代基于無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的風(fēng)成浪波浪譜模型,可模擬風(fēng)成浪的成長(zhǎng)、衰退和傳播變形。SW模型包含以下現(xiàn)象:因風(fēng)而成長(zhǎng)的波浪,非線性波與波的相互作用,底摩阻和白帽耗散,因水深變化而產(chǎn)生的波浪折射和淺水效應(yīng),波與流的相互作用,以及水深隨時(shí)間的變化。SW模型是一種基于波作用守恒方程、采用波作用密度譜N(σ,θ)來描述波浪的模型,波作用密度與波能

譜密度E(σ,θ)的關(guān)系式為

其中:σ為相對(duì)頻率;θ為波向。

在笛卡爾坐標(biāo)系下,MIKE21 SW的控制方程,即波作用守恒方程可以表示為

其中:v為波群速度,v= (cx,cy,cσ,cθ),cx、cy分別為波作用在地理空間 (x,y)中傳播時(shí)的變化,cσ為由于水深和水流變化造成的相對(duì)頻率的變化,cθ為由水深和水流引起的折射;S為能量平衡方程中以譜密度表示的源函數(shù):

式中:Sin為風(fēng)輸入能量;Snl為波與波之間的非線性作用引起的能量耗散;Sds為由白帽引起的能量耗散;Sbot為由底摩阻引起的能量耗散;Ssurf為由水深變化引起的波浪破碎而產(chǎn)生的能量耗散。

1.2 參數(shù)的確定

1.2.1 地形的選取和網(wǎng)格劃分 MIKE21 SW模型對(duì)空間的離散采用有限體積法,所采用的網(wǎng)格為三角網(wǎng)格。因此,先要用網(wǎng)格生成器生成網(wǎng)格,然后將地形數(shù)據(jù)差值到各個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。計(jì)算區(qū)域如圖1所示,計(jì)算范圍為950 km×750 km,在海南省沿海岸線使用局部加密的方法來細(xì)化網(wǎng)格,以增加后續(xù)計(jì)算的精確度。

圖1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格設(shè)置Fig.1 Setting girds of com putational domain

1.2.2 邊界條件和參數(shù)的確定 在地理空間的陸地邊界上采用全吸收邊界,入射量 (以傳播速度垂直于小單元正向?yàn)檎?設(shè)置為零,透射邊界不需要邊界條件;在開邊界處需要指定能量譜。在頻率空間,所有的邊界都為全吸收邊界;在方向空間,不需要邊界條件。本模型分別在東向、南向劃分兩個(gè)開邊界,即E、S邊界。該模塊計(jì)算需要的數(shù)據(jù)有地形數(shù)據(jù)、風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)、水流與水位數(shù)據(jù)、海床特性 (底摩阻系數(shù))和校驗(yàn)數(shù)據(jù) (校驗(yàn)點(diǎn)的實(shí)測(cè)波浪參數(shù),如特征波高、譜峰周期、平均波向等)。

1.2.3 率定模型 根據(jù)文獻(xiàn) [6]中得到的海南地區(qū)對(duì)應(yīng)的相關(guān)參數(shù),其中底摩阻系數(shù)f取為0.01。本研究中通過與龍灣觀測(cè)站在東經(jīng)110°40＇17.70″、北緯19°17＇21.59″處的波浪觀測(cè)資料對(duì)比來率定模型,對(duì)1993年6月27日16:00、7月10日23:00和8月28日17:00 3個(gè)時(shí)刻該觀測(cè)點(diǎn)最大波高和最大周期的計(jì)算值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較,結(jié)果見圖2。從圖2可見,最大波高的計(jì)算值比實(shí)測(cè)值略大,而最大周期的計(jì)算值比實(shí)測(cè)值略小,除1993年6月27日16:00的波高外,其他時(shí)刻的最大波高相差不超過38%,最大周期相差均不超過20%,因此,該模型可以用于推算臺(tái)風(fēng)浪。

圖2 3個(gè)時(shí)刻最大波高與最大周期的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值比較Fig.2 The comparison ofmeasured and calculated data of the largest wave height and the largest period

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)場(chǎng)資料

本研究中選取2005年0518號(hào)臺(tái)風(fēng) “達(dá)維”作為分析實(shí)例。臺(tái)風(fēng) “達(dá)維”為西北行路徑,等級(jí)為超強(qiáng)臺(tái)風(fēng),其路徑距離清瀾漁港最近處僅為35 km,且對(duì)清瀾漁港造成較大影響,因此具有代表性。超強(qiáng)臺(tái)風(fēng) “達(dá)維”的路徑圖如圖3所示,臺(tái)風(fēng)輸入數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 計(jì)算結(jié)果點(diǎn)波浪要素分析

本研究中,從清瀾漁港近岸-30 m等深線上選取3個(gè)觀測(cè)站點(diǎn),提取波浪參數(shù)進(jìn)行分析 (圖4)。在超強(qiáng)臺(tái)風(fēng) “達(dá)維”過境過程中,從2005年9月25日5:00至9月26日5:00,3個(gè)選取點(diǎn)各波浪要素隨時(shí)間的變化曲線如圖5所示。由于清瀾漁港外3個(gè)計(jì)算點(diǎn)位于超強(qiáng)臺(tái)風(fēng) “達(dá)維”路徑的上方,距離 “達(dá)維”臺(tái)風(fēng)路徑 (垂直距離)最近時(shí)僅為35 km左右,小于最大風(fēng)力半徑,計(jì)算點(diǎn)經(jīng)過臺(tái)風(fēng)眼。從圖5可見:有效波高和最大波高均經(jīng)歷了升高、降低、再升高、再降低的變化過程;平均波向隨時(shí)間呈順時(shí)針變化。

臺(tái)風(fēng)對(duì)清瀾漁港近岸海域的影響主要是臺(tái)風(fēng)引起的向岸波浪,所以,本研究中僅統(tǒng)計(jì)了向岸波浪的有效波高。根據(jù)清瀾漁港的地理位置特征,將向岸波向分為SW～NE 9個(gè)方向 (圖6中陰影部分),海港水文規(guī)范JTJ 213-98[7]規(guī)定,當(dāng)需確定某一主波向不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)波浪時(shí),年最大波高及其相應(yīng)周期的數(shù)據(jù)可在該方向左右各22.5°范圍內(nèi)選取。本研究中根據(jù)規(guī)范將SW～NE 9個(gè)方向劃分為3個(gè)大的波向,即A波向?yàn)镹E、NNE和N方向, B波形為NNW、NW和WNW方向,C波向?yàn)閃、WSW和SW方向。

現(xiàn)將臺(tái)風(fēng) “達(dá)維”過境時(shí),清瀾漁港近岸30 m水深點(diǎn)的向岸波浪有效波高按波向統(tǒng)計(jì)如表2所示。根據(jù)水文統(tǒng)計(jì)的特點(diǎn),取3個(gè)計(jì)算點(diǎn)最大有效波高的最大值作為統(tǒng)計(jì)值,即取方向A上3點(diǎn)的最大有效波高4.871 90 m作為2005年A波向的最大有效波高統(tǒng)計(jì)值。其他30年影響最大的臺(tái)風(fēng)采用與2005年影響最大的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng) “達(dá)維”同樣的統(tǒng)計(jì)過程,本研究中不再一一列出。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知,A波向?yàn)槌２ㄏ?。本研究中只研究A波向,即N、NNE、NE方向的最大有效波高,統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表1 超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“達(dá)維”輸入數(shù)據(jù)表Tab.1 The input data on super typhoon Dam re

圖3 0518號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng) “達(dá)維”路徑圖Fig.3 The path diagram of No.0518 super typhoon Dam re

圖4 3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的地理位置俯視圖Fig.4 The top view of three data collection stations' geographic position

圖5 有效波高、最大波高、平均波向隨時(shí)間的變化Fig.5 The curves of the significant wave height,largest wave height,and average wave direction

2.3 用P-Ⅲ型頻率曲線推算波高重現(xiàn)值

圖6 波向示意圖Fig.6 The diagram of wave direction

表2 “達(dá)維”臺(tái)風(fēng)3個(gè)計(jì)算點(diǎn)向岸波向的最大有效波高Tab.2 The largest significant landward wave heights of Dam re calculated in the three stations m

目前,國(guó)內(nèi)外海岸及海洋工程設(shè)計(jì)波高的獲取,大多采用概率統(tǒng)計(jì)分析方法,即假設(shè)年極值波高符合某種理論分布,如Gumbe 1分布、P-Ⅲ型分布、Log-norma 1分布或Weibul 1分布等,再推算出某一重現(xiàn)期的波高設(shè)計(jì)值。本研究中采用P-Ⅲ型分布來推算清瀾漁港百年一遇的波高設(shè)計(jì)值。

2.3.1 P-Ⅲ型分布[8]P-Ⅲ型分布是Pearson分布曲線族中的一種,P-Ⅲ型曲線在中國(guó)海港設(shè)計(jì)的波浪計(jì)算中應(yīng)用很廣,其密度函數(shù)為

其中:υ是最大有效波高;Γ(α)是α的伽馬函數(shù),α為形狀參數(shù);β為尺度參數(shù);υ0為最大有效波高的位置參數(shù),且

2.3.2 P-Ⅲ曲線的繪制 清瀾漁港最大有效波高的P-Ⅲ型頻率曲線如圖7所示。從圖7可見:清瀾漁港港外30 m水深處31年的最大有效波高期望值為2.35 m,百年一遇的有效波高為5.78 m,50年一遇的有效波高為5.3 m,20年一遇的有效波高為4.6 m。

表3 1980—2010年N、NNE、NE方向最大有效波高的統(tǒng)計(jì)Tab.3 The data on the largest significant wave heights in the direction of N,NNE,NE from 1980 to 2010

3 結(jié)論

1)用MIKE21 Spectral Wave模型計(jì)算的臺(tái)風(fēng)浪參數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合較好,說明在缺少實(shí)測(cè)資料的海域可以依據(jù)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)資料應(yīng)用MIKE21 Spectral Wave模型推算波浪參數(shù)。

2)清瀾漁港向岸波浪主要集中在N、NNE、NE方向,且該方向上有效波高為0.33～5.21 m。

3)清瀾漁港近岸30 m水深處最大有效波高發(fā)生在N至NE方向,最大有效波高期望值為2.35m,百年一遇的有效波高為5.78 m,50年一遇的有效波高為5.3 m,20年一遇的有效波高為4.6 m。

隨著海浪數(shù)值模擬技術(shù)的不斷發(fā)展,對(duì)海-氣介面的動(dòng)量交換、波浪破碎、海底摩擦、浪-流相互作用等動(dòng)力學(xué)過程認(rèn)識(shí)的不斷加強(qiáng),將會(huì)進(jìn)一步改進(jìn)海浪數(shù)值模式并提高計(jì)算精度,從而不斷完善數(shù)值模擬計(jì)算方法。若數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)資料吻合,則可為港口選址及規(guī)劃設(shè)計(jì)提供重要的參數(shù)依據(jù),保證港口的防災(zāi)減災(zāi)能力。

圖7 清瀾漁港最大有效波高 (N、NNE、NE方向)的P-Ⅲ型頻率曲線Fig.7 The P-Ⅲcurve of the largest wave height(N,NNE,NE direction)in Qinglan fishing port

[1] 潘玉萍,陳希,沙文鈺,等.湛江港海域臺(tái)風(fēng)浪分布特征模擬[J].解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2003(4):82-88.

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[3] 欒曙光,李可,桑寶峰.沙埕港超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“桑美”災(zāi)害成因的數(shù)值模擬分析[J].大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2012,27(1):69-72.

[4] 于紅,馮艷紅,李放,等.避風(fēng)型漁港規(guī)劃研究的啟發(fā)式算法研究[J].大連海洋大學(xué)學(xué)報(bào),2012,27(4):373-376.

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[6] 南京水利科學(xué)研究院.三亞市港門中心漁港波浪數(shù)學(xué)模型試驗(yàn)報(bào)告(中間成果)[R].南京:南京水利科學(xué)研究院,2008.

[7] 中華人民共和國(guó)交通部.海港水文規(guī)范JTJ 213-1998[S]. 1999.

[8] 龐文保,白光弼,滕躍,等.P-Ⅲ型和極值Ⅰ型分布曲線在最大風(fēng)速計(jì)算中的應(yīng)用[J].氣象科技,2009,37(2):221-223.

The numerical simulation of typhoon wave and recurrence wave height calculation in Qinglan fishing port of Hainan

WANG Nan-tu,WANG Xiao-liang,LUAN Shu-guang
(College of Marine and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

The MIKE21 Spectral Wavemodel is used to simulate typhoon wave fields with data on 31 typhoons of the highest category landing in the east coast of Hainan Province from 1980-2010.And model calibration is done with three typhoon wave fields.The calibration results coincide with the data collected actually in waters of 30 meters depth of Qinglan fishing port of Hainan.The paper analyses the typhoon wave field in waters of 30-meters depth of Qinglan fishing port with the P-Ⅲ frequency curve software.The result shows that the highest significant wave height occurs in the direction of N to NE,that the significant wave height once in 100 years is 5.78 m,that it is 5.3 m once in 50 years,and that it is 4.6 m once in 20 years.This conclusion ismeaningful to fishing port designing,disaster prevention and reduction,and especially to the coastal constructions without measured data on wave.

Qinglan fishing port of Hainan;typhoon wave;model calibration;significant wave

U651

A

2095-1388(2013)05-0506-05

2013-03-20

農(nóng)業(yè)部重點(diǎn)科研項(xiàng)目

王南圖 (1989-),男,碩士研究生。E-mail:wangnantu@hotmail.com

欒曙光 (1954-),女,教授。E-mail:shugluan@qq.com