西北行路徑臺風(fēng)浪的特征分析

夏璐一，欒曙光，張超

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

臺風(fēng)會引起巨浪狂潮，導(dǎo)致船只沉沒、房屋倒塌，常給沿海地區(qū)帶來巨大災(zāi)害與損失。防臺減災(zāi)一直受到眾多專家學(xué)者的高度關(guān)注，董美瑩等［1］對“麥莎”臺風(fēng)引起的浙江省大風(fēng)分布特征和成因進(jìn)行了分析;高帆等［2］利用中尺度數(shù)值模式MM5，模擬臺風(fēng)“麥莎”的路徑、強(qiáng)度及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析了“麥莎”的動力和熱力特征;趙凱等［3］對強(qiáng)臺風(fēng)“珍珠”引起的近岸臺風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了近岸臺風(fēng)浪場有效波高的變化規(guī)律;欒曙光等［4］對超強(qiáng)臺風(fēng)“桑美”進(jìn)行數(shù)值模擬，分析了臺風(fēng)“桑美”正面登陸沙埕港時(shí)港內(nèi)波浪分布的特征及災(zāi)害成因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，1949—2012年，在浙江省登陸的熱帶氣旋共41個(gè)，其中西北行路徑的臺風(fēng)頻繁出現(xiàn)，約占73%。為此，作者基于MIKE21 SW譜波浪模型，建立了浙江省海域臺風(fēng)浪的計(jì)算模型，選擇近十年西北行路徑的6個(gè)臺風(fēng)，即“海葵”(201211號)、“卡努”(200515號)、 “云娜” (200414號)、 “麥莎” (200509號)、“韋帕” (200713號)和“桑美” (200608號)對模型進(jìn)行驗(yàn)證，在計(jì)算結(jié)果與波浪觀測值相吻合的基礎(chǔ)上，分析了臺風(fēng)移動路徑上及其兩側(cè)臺風(fēng)浪的變化規(guī)律，旨在為近岸臺風(fēng)浪預(yù)報(bào)和漁船選擇回港避風(fēng)路徑提供參考依據(jù)。鑒于對6個(gè)臺風(fēng)的計(jì)算結(jié)果一致，本研究中，僅以強(qiáng)臺風(fēng)“?？睘閷?shí)例，對西北行路徑的臺風(fēng)浪進(jìn)行數(shù)值模擬。

1 浙江省海域臺風(fēng)風(fēng)場模型的建立

1.1 風(fēng)場模型參數(shù)

臺風(fēng)風(fēng)速的計(jì)算公式為

其中:vr為旋轉(zhuǎn)風(fēng)速，由下式［5］確定，即

vt為平移速度，計(jì)算公式為

Rm為最大風(fēng)速半徑 (km)，其計(jì)算采用Graham和Nunn提出的經(jīng)驗(yàn)公式［6］，即

式中:vmax為最大風(fēng)速 (km/s);vf為風(fēng)場的移動速度 (km/s);φ為最大風(fēng)速與臺風(fēng)圓外法線之間的夾角 (°);vF為臺風(fēng)中心移動速度 (km/s);φ為地理緯度;P0為臺風(fēng)中心氣壓 (kPa)。

利用公式 (5)求得風(fēng)場半徑約為43 km。

1.2 風(fēng)場模型的建立

本研究中，建立風(fēng)場模型的模擬范圍從福建省福清市起向北至上海市全水域。在臺風(fēng)風(fēng)場模擬范圍內(nèi)劃分矩形網(wǎng)格，網(wǎng)格密度為100 m×100 m。由于風(fēng)場模型的準(zhǔn)確性影響著臺風(fēng)浪數(shù)值模擬的精度，因此，需要對臺風(fēng)風(fēng)場模型進(jìn)行驗(yàn)證。在計(jì)算區(qū)域內(nèi)，由大陳風(fēng)速監(jiān)測站 (121．9°E，28．45°N)實(shí)時(shí)記錄了臺風(fēng)的風(fēng)速，利用實(shí)測風(fēng)速資料對風(fēng)場模型進(jìn)行驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果相吻合。

2 浙江省海域臺風(fēng)浪模型的建立

2.1 波浪模型控制方程

臺風(fēng)的波浪模型是在臺風(fēng)風(fēng)場模型的基礎(chǔ)上建立的。SW模型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。波作用密度與波能譜密度E(σ，θ)的關(guān)系為

其中:σ為相對波頻率;θ為波向。

在笛卡爾坐標(biāo)系下，MIKE21 SW的控制方程采用波作用守恒方程，即

其中:v 為波群速度，v=(cx，cy，cσ，cθ)，式中cx、cy分別為波作用速度在地理空間 (x，y)坐標(biāo)中的變化，cσ為由水深和水流引起波速在頻率上的變化，cθ為由水深和水流引起的折射;S為能量平衡方程中的源函數(shù)，以譜密度表示，即

式中:Sin表示風(fēng)輸入的能量;Snl表示波浪間非線性作用引起的能量轉(zhuǎn)移;Sds表示由白帽引起的能量損耗;Sbot表示由底摩阻引起的能量耗散;Ssurf表示由水深的變化引起波浪破碎產(chǎn)生的能量損耗。

在方向頻率譜中，不同波浪組分之間的非線性能量傳遞對波浪傳播來說至關(guān)重要，本研究中能量傳遞采用四波相互作用模式。水深引起的波浪破碎是由于波浪波高太大致使水深不足以維持完整的波形，而使得波能耗散的過程，在波浪譜模型中使用Battjes等［7］和 Jassen［8］的模型。對于底摩阻引起的能量損耗，采用Nikuradse粗糙度。對于白帽破碎耗散引起的能量損耗，采用Komen等［9］建議修改的白帽耗散項(xiàng)。

2.2 邊界條件與網(wǎng)格劃分

模型的邊界條件分為陸地邊界和開邊界。陸地邊界采用波浪全吸收邊界，且邊界對向岸流全反射，不考慮離岸流的作用。開邊界采用自由輻射邊界。本研究中，建立的浙江省臺風(fēng)浪模型有3個(gè)開邊界和1個(gè)陸地邊界，邊界條件設(shè)定如圖1所示。風(fēng)浪模型采用非結(jié)構(gòu)化三角形網(wǎng)格，網(wǎng)格單元數(shù)為17 952個(gè)，結(jié)點(diǎn)數(shù)為30 449個(gè)。計(jì)算區(qū)域從福建省福清市起向北至上海市全水域，風(fēng)浪場的計(jì)算區(qū)域?yàn)?119．41°E，25．54°N)～ (128．42°E，32．42°N)。

2.3 臺風(fēng)浪模型的驗(yàn)證

通過對比舟山外海波浪監(jiān)測站 (124°E，29．51°N)的模擬值和實(shí)測值來驗(yàn)證臺風(fēng)浪模型的準(zhǔn)確性。舟山外海監(jiān)測站位于強(qiáng)臺風(fēng)“?？鼻斑M(jìn)方向的右側(cè)，產(chǎn)生了7 m左右的波浪?！昂？迸_風(fēng)浪模擬值與實(shí)測值的對比結(jié)果基本一致 (圖2)。結(jié)果表明，用本模型模擬浙江省近岸海域的波浪是合理可行的。

3 臺風(fēng)浪特征分析

3.1 分析位置點(diǎn)的選取

在強(qiáng)臺風(fēng)“?？币苿勇窂缴线x取水深分別為-10、-30、-60、-80 m的4個(gè)0點(diǎn)，分析臺風(fēng)移動路徑上臺風(fēng)浪的特征。再選取-30 m等深線上的點(diǎn)1至點(diǎn)6，其中點(diǎn)1至點(diǎn)3位于溫州附近海域，位于臺風(fēng)移動路徑的左側(cè);點(diǎn)4至點(diǎn)6位于舟山附近海域，位于臺風(fēng)移動路徑的右側(cè)，其中點(diǎn)1和點(diǎn)4位于臺風(fēng)十級風(fēng)圈內(nèi)，點(diǎn)2和點(diǎn)5位于臺風(fēng)十級風(fēng)圈上，點(diǎn)3和點(diǎn)6位于臺風(fēng)十級風(fēng)圈外即七級風(fēng)圈內(nèi)。點(diǎn)1和點(diǎn)4距-30 m等深線上0點(diǎn)的距離為100 km，點(diǎn)2和點(diǎn)5距-30 m等深線上0點(diǎn)的距離為200 km，點(diǎn)3和點(diǎn)6距-30 m等深線上0點(diǎn)的距離為250 km。選取的點(diǎn)1至點(diǎn)6分別位于風(fēng)眼區(qū)域之外的十級或七級風(fēng)圈上，用于分析臺風(fēng)移動路徑左側(cè)和右側(cè)的臺風(fēng)浪特征，選點(diǎn)位置如圖3所示。

3.2 移動路徑上的臺風(fēng)浪特征

圖1 計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格圖Fig.1 Grids of computational area

圖2 強(qiáng)臺風(fēng)“?？憋L(fēng)浪模型與實(shí)測值的比較Fig.2 Comparison between wave field model and measured data of severe typhoon“Haikui”

圖3 選取點(diǎn)位置圖Fig.3 Location map of the selected points

臺風(fēng)移動路徑上的點(diǎn)即臺風(fēng)移動過程中風(fēng)眼區(qū)域經(jīng)過的點(diǎn)。在臺風(fēng)移動過程中，強(qiáng)臺風(fēng)“海葵”從外海向近岸沿西北行路徑移動，在海上逐漸聚集能量，強(qiáng)臺風(fēng)“?？钡那把郾?、風(fēng)眼中心區(qū)域和后眼壁依次經(jīng)過水深-80、-60、-30、-10 m的4個(gè)0點(diǎn)區(qū)域。對其移動路徑上-80 m水深處的0點(diǎn)分析得出，有效波高隨時(shí)間的變化呈現(xiàn)四個(gè)階段，如圖4所示。

第一階段是從模擬的初始時(shí)刻至8月7日20時(shí)，該點(diǎn)有效波高隨時(shí)間呈現(xiàn)上升趨勢，當(dāng)強(qiáng)臺風(fēng)“?？钡那把郾趧偤门c該點(diǎn)重合時(shí)，移動路徑上-80 m水深處的0點(diǎn)恰好位于臺風(fēng)中心的NW向，風(fēng)速達(dá)到最大值47 m/s，風(fēng)向?yàn)镹E，有效波高達(dá)到最大值9．06 m，浪向?yàn)镹E。風(fēng)向和浪向相差13°，是強(qiáng)臺風(fēng)“?？蹦鏁r(shí)針旋轉(zhuǎn)的風(fēng)速與沿西北行路徑移動速度相疊加的結(jié)果。

第二階段是從8月7日20時(shí)至8月7日23時(shí)，隨著臺風(fēng)中心向前移動，該點(diǎn)從風(fēng)速最大值的前眼壁處逐漸進(jìn)入風(fēng)眼中心區(qū)域，有效波高隨時(shí)間呈現(xiàn)衰減狀態(tài)，當(dāng)臺風(fēng)中心超過該點(diǎn)，在相距臺風(fēng)中心33 km的風(fēng)眼區(qū)域內(nèi)時(shí)，有效波高跌至6 m，浪向?yàn)镾SE。在臺風(fēng)眼中心區(qū)域，風(fēng)和浪經(jīng)歷著無規(guī)律的衰減過程。

第三階段是從8月7日23時(shí)至8月8日3時(shí)，強(qiáng)臺風(fēng)“?？比岳^續(xù)向岸邊移動，當(dāng)后眼壁經(jīng)過該點(diǎn)時(shí)，強(qiáng)臺風(fēng)“海葵”的有效波高經(jīng)歷著再次升高的階段，有效波高最大值為7．79 m，風(fēng)向?yàn)镾SW向，浪向?yàn)镾SW，此時(shí)移動路徑上-80 m水深處的0點(diǎn)位于臺風(fēng)中心的SE向。

第四階段是從8月8日3時(shí)至8月8日4時(shí)臺風(fēng)登陸后，強(qiáng)臺風(fēng)“?？蹦芰恐饾u耗散，隨著中心點(diǎn)與該點(diǎn)距離的增加，臺風(fēng)等級也逐漸降低，移動路徑上-80 m水深處的0點(diǎn)的波浪逐漸減小至正常情況下的有效波高，此時(shí)風(fēng)向和浪向均為SSW。

強(qiáng)臺風(fēng)“?？币苿勇窂缴?60、-30、-10 m水深處的0點(diǎn)也經(jīng)歷了上述四個(gè)階段 (圖4)。移動路徑上的臺風(fēng)浪特征與文獻(xiàn) ［3］的研究結(jié)果相符合。

圖4 強(qiáng)臺風(fēng)“?？币苿勇窂缴嫌行Рǜ叩淖兓?guī)律Fig.4 Significant wave height distribution in the moving route of severe typhoon“Haikui”

3.3 移動路徑左側(cè)和右側(cè)的臺風(fēng)浪特征

圖5為強(qiáng)臺風(fēng)“海葵”移動路徑左半圈的有效波高變化圖，點(diǎn)1至點(diǎn)3位于臺風(fēng)移動路徑的左半圈，不經(jīng)過臺風(fēng)中心的眼壁區(qū)域，因此，有效波高的變化只經(jīng)歷了升高和降低兩個(gè)階段。點(diǎn)1至點(diǎn)3的有效波高具有相同的變化規(guī)律，在與臺風(fēng)移動路徑的距離達(dá)到最小值時(shí)，3個(gè)點(diǎn)同時(shí)達(dá)到有效波高的最大值。因點(diǎn)1與臺風(fēng)路徑的距離最近，其上各點(diǎn)的有效波高值均大于點(diǎn)2和點(diǎn)3，點(diǎn)1的有效波高最大值為5．23 m，波向?yàn)閃NW。

圖5 強(qiáng)臺風(fēng)“?？币苿勇窂阶蟀肴Φ挠行Рǜ咦兓?guī)律Fig.5 Significant wave height distribution in the left semicirclemoving route ofsevere typhoon“Haikui”

圖6為強(qiáng)臺風(fēng)“海葵”移動路徑右半圈的有效波高變化圖，點(diǎn)4至點(diǎn)6位于臺風(fēng)移動路徑的右半圈，與臺風(fēng)移動路徑的左半圈的點(diǎn)1至點(diǎn)3有相同的變化規(guī)律，即只經(jīng)歷了升高和降低兩個(gè)階段。有效波高的最大值也發(fā)生在與臺風(fēng)移動路徑的距離達(dá)到最小值時(shí)。點(diǎn)4的有效波高最大值為7．25 m，波向?yàn)镋SE，均大于點(diǎn)5和點(diǎn)6，且臺風(fēng)移動路徑右側(cè)的有效波高值均大于左側(cè)，可能是由于臺風(fēng)移動路徑右側(cè)的風(fēng)速和移動速度相一致，使得北半球臺風(fēng)前進(jìn)方向右側(cè)的波浪發(fā)展迅速，導(dǎo)致有效波高遠(yuǎn)大于左側(cè)，形成危險(xiǎn)半圈。移動路徑左側(cè)和右側(cè)的臺風(fēng)浪特征與文獻(xiàn)［3］的研究結(jié)果相吻合。

強(qiáng)臺風(fēng)“海葵”右半圈有效波高相對于左半圈的增幅如圖7所示，其中橫坐標(biāo)30 km是位于臺風(fēng)眼壁處，60～200 km處位于臺風(fēng)十級風(fēng)圈內(nèi)，200～240 km是位于臺風(fēng)七級風(fēng)圈內(nèi)。從圖7可以看出，從距離臺風(fēng)中心30 km到距離臺風(fēng)中心150 km處，右半圈有效波高的增幅呈上升趨勢，30 km處有效波高增幅為29%，150 km處的增幅為48%，達(dá)到最大值。之后右半圈有效波高的增幅呈下降趨勢，240 km處的增幅為28%，達(dá)到最小值。因此，漁船在回港避風(fēng)途中應(yīng)遠(yuǎn)離臺風(fēng)移動路徑右側(cè)的十級風(fēng)圈，選擇臺風(fēng)移動路徑左側(cè)的十級風(fēng)圈以外或右側(cè)七級風(fēng)圈以外的海域航行。

圖6 強(qiáng)臺風(fēng)“?？币苿勇窂接野肴Φ挠行Рǜ咦兓?guī)律Fig.6 Significant wave height distribution in the right semicirclemoving route ofsevere typhoon“Haikui”

圖7 臺風(fēng)右半圈有效波高相對左半圈增幅的百分比Fig.7 Growth of significant wave height between right and left in moving route

4 結(jié)論與建議

本研究中利用MIKE21 SW譜波浪模型，建立了浙江省附近海域的風(fēng)場模型和臺風(fēng)浪模型，在數(shù)值模擬與實(shí)測結(jié)果相吻合的基礎(chǔ)上，分別對201211號強(qiáng)臺風(fēng)“海葵”、200509號臺風(fēng)“麥莎”、200515號臺風(fēng)“卡努”等6個(gè)西北行路徑的臺風(fēng)浪進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算與分析，它們有相同的變化規(guī)律，并得出以下結(jié)論:

(1)對于西北行路徑的臺風(fēng)，移動路徑上前眼壁處有效波高值最大，后眼壁處有效波高次之，前后眼壁處有效波高的波向分別為NE向和SSE向。臺風(fēng)眼中心區(qū)域有效波高經(jīng)歷著無規(guī)律的衰減過程，臺風(fēng)移動路徑上遠(yuǎn)離臺風(fēng)中心處有效波高值與臺風(fēng)中心的距離成反比。

(2)臺風(fēng)移動路徑左側(cè)和右側(cè) (即移動路徑以外區(qū)域)有效波高經(jīng)歷著升高和降低兩個(gè)階段，有效波高與該點(diǎn)到臺風(fēng)移動路徑的距離成反比，當(dāng)與臺風(fēng)移動路徑的距離最小時(shí)，有效波高達(dá)到最大值。臺風(fēng)移動路徑左側(cè)的波向?yàn)閃NW向，右側(cè)的波向?yàn)镋SE向。

(3)臺風(fēng)移動路徑右側(cè)的風(fēng)速與移動速度相疊加，導(dǎo)致右半圈的有效波高大于左半圈，其有效波高的增幅可達(dá)29%～48%，增幅最大值出現(xiàn)在距臺風(fēng)中心150 km的十級風(fēng)圈內(nèi)。

當(dāng)漁船接到臺風(fēng)預(yù)警信號后，建議漁船科學(xué)地選擇回港避風(fēng)路徑，應(yīng)遠(yuǎn)離臺風(fēng)中心，選擇臺風(fēng)移動路徑左側(cè)十級風(fēng)圈以外或右側(cè)七級風(fēng)圈以外的區(qū)域航行，并避免漁船垂直于臺風(fēng)浪方向航行。

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