舟山海域臺風浪數值模擬

梁連松，李瑞杰，2，豐青，孔從穎，宋曉波

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098；2.河海大學環(huán)境海洋實驗室，南京210098；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300000）

舟山海域臺風浪數值模擬

梁連松1，李瑞杰1，2，豐青1，孔從穎3，宋曉波1

（1.河海大學海岸災害及防護教育部重點實驗室，南京210098；2.河海大學環(huán)境海洋實驗室，南京210098；3.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津300000）

為提高臺風浪模擬的精度，將Holland臺風風場模型與CCMP背景風場相疊加，構造合成風場來驅動SWAN模型。運用Jason?2衛(wèi)星數據進行驗證，比較了不同的最大風速半徑計算公式和Holland B參數組合構造出的合成風場對模擬結果影響。選取最優(yōu)組合，運用自嵌套，模擬了臺風“米雷”通過舟山海域的波浪場。結果表明舟山群島對臺風浪的阻擋效果明顯，臺風期間舟山東部海域波高大、周期長且涌浪影響明顯，西部海域波高較小且以風浪影響為主。

臺風浪；SWAN；Holland；Jason?2；舟山

在臺風浪的數值模擬中，波浪場的模擬精度很大程度上依賴于海面風場的計算精度。通過在經驗臺風風場中加入再分析風場資料，能有效提高海面風場的精度。常見的臺風風場模型有藤田模型、Myers模型、Jelenianski模型、Fujita模型等，其中Holland臺風風場模型能有效提高臺風過境期間大風、大浪的模擬精度［1］。

舟山群島港灣眾多，臺風過境期間，臺風浪往往對其海岸工程、海洋交通造成較大威脅［1-2］。本文以臺風“米雷”為例，利用SWAN模型，通過與Jason?2衛(wèi)星波高數據的比較，比較不同Holland風場模型中最大風速半徑和Holland B參數計算組合對臺風浪模擬精度的影響，并分析了臺風“米雷”在舟山海域的臺風浪分布特征。

1 風場和波浪模型

1.1 波浪模型

SWAN模型在笛卡爾坐標系下控制方程為

式中：N為作用量密度；σ為頻率；θ為傳播方向；Stot為源匯項；Cx、Cy、Cσ、Cθ分別為在x、y、σ、θ空間上的群速度。SWAN是Delft大學提出的考慮地形變化影響下的波浪淺化、破碎、波-波非線性相互作用、風能輸入和波浪耗散等效應的波浪模型，能用于近岸海域等淺水區(qū)域的波浪計算［1］，模型采用全隱格式，具有無條件穩(wěn)定的特點。

1.2Holland臺風風場模型

臺風風場通常利用梯度風原理，由臺風氣壓場計算得到。1980年，Holland在Schloemer指數型氣壓分布模型的基礎上，引入Holland B參數，用梯度風方程得到Holland臺風風場模型［3］

表1 最大風速半徑Rmax和Holland B參數計算公式Tab.1Summary of Rmax and Holland B estimation methods

由式（2）可知，當臺風中心氣壓確定后，Holland B參數和最大風速半徑即可確定Holland臺風風場模型。最大風速半徑能夠反映出臺風氣壓分布的陡度，Holland B參數則確定臺風氣壓剖面和風速剖面的形狀。表1列舉了國內外學者提出的最大風速半徑和B參數的計算公式。表1中，φ是臺風中心緯度，V為臺風中心移動速度，為飛行層最大風速，此處飛行層氣壓為700 hPa，高度約3 km，其值為［4］

臺風風場往往具有不對稱性。然而Holland理想臺風模型是圓對稱風場，造成了臺風模型應用的局限性。為此，在臺風外圍采用背景風場，臺風中心附近仍用臺風模型風場，構造出合成的臺風風場［10］

式中：Vi為合成風場；Vh為Holland風場；Vc是背景風場；e為權重系數系數n通常取9或10。背景風場采用NASA研發(fā)的CCMP風場，其空間分辨率為0.25°×0.25°；時間分辨率為6 h。

2 數值模擬

2.1 模型設置

文中用SWAN模型模擬“米雷”經過舟山海域時的臺風浪過程?！懊桌住庇?011年6月22日生成，24日下午加強為強熱帶風暴，26日晚在山東登陸，27日上午減弱后于朝鮮再次登陸。臺風期間在東海海面形成4～8 m高的臺風浪，國家海洋局QF207浮標實測最大有效波高達6.7 m［11］。

大范圍模型采用非結構三角網格，網格數72 096，網格點數36 877（圖1）。初始化方法為基于初始輸入有限風場的JONSWAP譜，方向分為36段，分辨率為10°。計算時間從6月21日～6月29日，時間步長取600 s。模型考慮海底摩擦、波浪破碎、三波和四波相互作用。自嵌套的小范圍模擬區(qū)域覆蓋舟山海域，網格數85 928，網格點43 931。由于舟山海域島嶼眾多，小范圍模型還考慮了繞射項，其余設置與大范圍模型一致。模型所使用的地形資料來自于ETOPO1全球地形數據集。臺風路徑以及中心氣壓來源于中國氣象局熱帶氣旋資料中心的CMA最佳路徑數據集。

圖11105 臺風“米雷”移動路徑、Jason-2衛(wèi)星軌道及SWAN模型大、小范圍計算區(qū)域Fig.1Computational area and 1105 typhoon moving path and Jason?2 track

2.2 風場方案

為比較不同的Holland B參數和最大風速半徑Rmax計算公式構造出的臺風風場對臺風浪模擬精度的影響，文中設置了6組實驗方案。方案設置如表2所示，其中T2、T3、T4的B參數均選用Hubbert的經驗公式，但三者選取的最大風速半徑不同；T4、T5、T6選用Willoughby的最大風速半徑公式，B參數選取不同。

表2 實驗方案設置Tab.2Numbers and content of the experiments

Jason?2衛(wèi)星于2008年發(fā)射，其海面測高精度可達3.4 cm。文中選用Jason?2衛(wèi)星高度計Ku波段的波浪資料作為驗證。臺風期間，衛(wèi)星正處于cycle109，有3條軌道經過模擬區(qū)域，分別為P214、P229和P240（圖1）。

圖2為模擬波高和衛(wèi)星波高的對比圖?？傮w上，散點較為均勻地分布在直線x=y的兩側，表明模擬結果較好，且當衛(wèi)星波高大于4 m時，合成風場的散點分布更為接近直線x=y。為定量分析各實驗方案模擬效果，采用平均相對誤差EMAE、均方根誤差Rmse和相關系數r對臺風浪模擬結果和衛(wèi)星波高資料進行比較分析。

式中：yi為模擬值；xi為衛(wèi)星數據；xˉ、yˉ分別為衛(wèi)星數據和模擬值的平均值；N為樣本總數，此處共371個數據點。

由表3模擬波高和衛(wèi)星數據對比的統(tǒng)計結果可知，各方案中相關系數r均大于0.9，表明模擬結果與衛(wèi)星波高數據相關性較高。合成風場的平均相對誤差均不超過0.15，除T2中均方根誤差要稍大于T1外，合成風場的計算結果較T1均有一定程度的改善，可見合成風場能夠提高CCMP風場模擬有效波高的精度。對比T2、T3、T4，發(fā)現不同最大風速半徑計算公式的選取對臺風浪的模擬結果影響較大，且T4的模擬結果要優(yōu)于T2、T3，表明Willoughby提出的最大風速半徑的計算公式模擬效果較好。比較T4，T5，T6，三者的平均相對誤差相差不大，這可能是衛(wèi)星數據所處的軌道離臺風中心有一定距離及風場分辨率的限制導致的?？傮w上T6組合的模擬結果最優(yōu)，T4次之。用T6組合構造的合成風場作為SWAN模型的輸入風場。圖3為T6組合的合成風場下輸出大范圍風場矢量和有效波高分布圖。

表3 實驗模擬有效波高與衛(wèi)星數據的對比Tab.3Comparisons of significant wave height with satellite data

圖2 實驗方案的衛(wèi)星數據和模式模擬波高對比的散點圖（圖中實線表示x=y）Fig.2Comparison between model results and satellite data

圖3 大范圍風場矢量和有效波高分布圖Fig.3Distribution of significant wind speed，wave height at large computation area

2.3 結果分析

圖4給出了從24日21時～26日11時臺風“米雷”經過舟山海域時波高分布圖。當臺風逼近時，舟山東南部海域的波高最先增加，隨著臺風中心的北移，最大波高位置也隨之北移，同時，波浪也沿著群島之間的水道向舟山西部海域傳播。從總體上看，群島大致為南北走向，越靠近群島波高等值線分布越密，東部海面波高明顯要高于群島西部海域，可見舟山群島對臺風浪起到了阻擋作用。

圖4 舟山海域波高分布圖Fig.4Distribution of wave height in Zhoushan

為更好地分析臺風“米雷”對舟山海域的影響，依據舟山海域的地形特征選取了3個特征站位，東面海域為A、B站位，水深大約為40 m，分別代表舟山東南部外海和東北部外海，C站位則處于群島西部海域（圖5）。

觀測點在臺風期間的波高變化如圖5～圖6所示。初始時，A、B、C的波高均處在0.6～1.1 m，是當地的風場并非“米雷”臺風系統(tǒng)的風場所造成。24日6時，A站位涌浪波高開始增大，B站位增幅較小，此時臺風中心距離A站位900 km左右。隨后，A、B兩站位海域的混合浪波高迅速增加，當臺風中心距A站位120 km時，A站位于25日13時到達混合浪波高最大值5.36 m，Tm01達到10 s，涌浪波高在短短30 h內就增加到了3.9 m，表明A站位在臺風逼近的過程中受涌浪影響較大。25日13時后，A站位波高下降明顯，B站位則于17時波高升到峰值，達到4.2 m，Tm01達到了10 s。C站位于19時波高達到最大。25日19時后，臺風中心開始遠離，3處海域波高均下降。

相比較而言，位于舟山西部海域的C站位的混合浪波高則一直處于1.5 m以下，涌浪波高最大時僅0.18 m，Tm01維持在1.8～4 s。由于舟山群島的阻擋作用，僅部分涌浪得以從島嶼之間的水道傳入，當臺風中心開始遠離舟山海域時，C站位海域波高下降較A、B站位明顯，表明在此過程中舟山西部海域的波浪以風浪為主。

圖5 小區(qū)域計算范圍及觀測點布置Fig.5Computed area by SWAN at small grid and distribution of characteristic stations

圖6 特征站點的波高過程線Fig.6 Variation of mixed wave height and swell with time in A，B，C

3 結語

文中采用Holland臺風模型與CCMP背景風場疊加后的合成風場模擬臺風風場，通過SWAN模型計算臺風浪，利用Jason?2衛(wèi)星波浪資料作為驗證，探討了不同的最大風速半徑計算公式和B參數組合構造出的風場對臺風浪模擬精度的影響。表明T6組合即Willoughby的最大風速半徑計算公式和Vickery的Holland B參數經驗公式組合計算效果最優(yōu)。通過自嵌套，模擬了臺風經過舟山海域附近時的臺風浪。模型中未考慮島嶼反射現象，可能對島嶼附近波高有一定影響。

結果表明舟山群島對臺風浪的阻擋效果明顯。群島大致為南北走向，臺風期間，越靠近群島波高等值線分布越密，群島東部海面波高明顯要高于西部海域的波高；臺風接近舟山海域500～900 km時，涌浪開始出現在舟山海域，東南部外海上升最快且最大，由于群島的阻擋作用，舟山西部海域最晚；舟山東部海域在臺風期間涌浪作用明顯，波高大，波浪周期較長。西部海域則以風浪作用為主，波浪周期小。

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長興島恒力石化碼頭工程使用港口岸線獲批復

本刊從交通運輸部獲悉，長興島恒力石化精對苯二甲酸項目配套液體化工碼頭工程、配套散雜貨碼頭工程和2萬t級散貨碼頭工程使用港口岸線近日已獲得交通運輸部批復。3個碼頭工程位于大連港長興島港區(qū)北岸作業(yè)區(qū)，其中，恒力石化精對苯二甲酸項目配套液體化工碼頭工程將建設2個10萬t級液體化工泊位，設計年通過能力638萬t。交通運輸部同意工程可行性研究報告推薦的總平面布置方案，按640 m泊位長度使用所對應的港口岸線。恒力石化項目配套散雜貨碼頭和2萬t級散貨碼頭工程將建設3個5萬t級散雜貨泊位，設計年通過能力404萬t，泊位長度816 m；建設一個2萬t級散貨泊位(水工結構按照靠泊5萬t級船舶設計和建設)，設計年通過能力128萬t，泊位長度242 m。交通運輸部同意工程可行性研究報告推薦的總平面布置方案，按1 058 m泊位長度使用所對應的港口岸線。（殷缶，梅深）

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本刊從交通運輸部獲悉，甌江航道整治工程麗水段（船寮鎮(zhèn)黃言村—溫溪鎮(zhèn)馱灘上游）工程可行性研究報告已于2014年11月3日獲浙江省發(fā)改委批復。工程起自船寮鎮(zhèn)黃言村，終于溫溪鎮(zhèn)馱灘上游麗水、溫州交界處，全場約30 km。其中船寮鎮(zhèn)黃言村至青田溫溪大橋段約27.5 km，按內河四級天然河道和渠化河流航道標準整治；青田溫溪大橋至溫溪鎮(zhèn)馱灘上游段約2.5 km，按可乘潮通航1 000 t級海輪的內河三級天然河流航道標準整治；三溪口和青田樞紐船閘按四級標準建設。本項目航道疏浚約125萬m3，新建三溪口和青田樞紐船閘2座，新建護岸約1.2 km，新建橋梁防撞設施14座，錨地、服務區(qū)、船閘遠方調度站各1座，配套建設導助航設施和信息化配套設施。項目總投資估算為67 851萬元，建設資金除國家和省級內河建設資金補助外，其余由麗水市政府財政負責落實。（殷缶，梅深）

Numerical simulation of typhoon wave in Zhoushan

LIANG Lian?song1,LI Rui?jie1,2,FENG Qing1,KONG Cong?ying3,SONG Xiao?bo1
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098, China；2.Laboratory of Ocean Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China;3.Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC，Tianjin 300000,China）

To improve the accuracy of near?shore typhoon wave simulation,numerical simulations were made for typhoon during the period of typhoon Meari,based on SWAN,with combination of the Holland model wind field and CCMP wind field.The Jason?2 satellite data were used to verify the simulation results.The merged wind fields constructed by different maximum wind speed radius formula and parameter B were compared.Then,the typhoon Meari was simulated by adopted nested grid in SWAN.The results demonstrate that the retarding effect of Zhoushan Archipelago for typhoon wave is significant.During typhoon period,the significant wave height in the offshore areas of eastern Zhoushan Archipelago is higher than the one of the west.The offshore areas of eastern Zhoushan Archipel?ago are greatly affected by surge while the western Zhoushan Archipelago areas are dominated by wind wave.

typhoon wave；SWAN；Holland；Jason?2；Zhoushan Archipelago

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2014）06-0582-07

2014-06-09；

2014-08-04

國家自然科學基金項目（41276017）；國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項項目（201205005）

梁連松（1990-），男，浙江省蒼南人，碩士研究生，主要從事港口海岸及近海工程方向研究。

Biography：LIANG Lian?song(1990-)，male，master student.