不同風場模式下“燦鴻”臺風浪數(shù)值模擬及應用

陳鵬超，李瑞杰,2，李玉婷，勾 賀，戴 路

(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. 虛擬地理環(huán)境教育部重點實驗室(南京師范大學)，南京 210023；4. 江蘇省地理環(huán)境演化國家重點實驗室培育建設點，南京 210023；5. 江蘇省地理信息資源開發(fā)與利用協(xié)同創(chuàng)新中心，南京 210023；6.蘇交科集團股份有限公司，南京 210000)

由于海岸線漫長，海域遼闊，我國平均每年有28次6m以上的海浪災害發(fā)生，造成海灘事故七十余起。僅2015年北上型臺風“燦鴻”就導致江浙滬三百多萬人受災，直接經(jīng)濟損失超85億，其中江蘇三十多萬人受災，直接經(jīng)濟損失達1.2億。南通是江蘇省重要的海濱城市，擁有海岸線210 km，其通州灣新區(qū)與寧波港將形成以上海港為核心的“一體兩翼”發(fā)展格局，被譽為“長三角北翼經(jīng)濟中心”，處于瀕江臨?！癟”字形經(jīng)濟交匯處，黃金水道和黃金海岸的交匯點，有利于建成綜合性現(xiàn)代化國際深水海港，其近海資源豐富，具有獨特的發(fā)展優(yōu)勢和不可估量的發(fā)展?jié)摿?，但南通沿海每年因臺風浪給人民的生命財產(chǎn)造成巨大損失。

范從建，李瑞杰等[1]利用SWAN模型研究江蘇灘涂圍墾規(guī)劃工程實施對其近海海域波浪場的影響，得出江蘇北部沿海圍墾規(guī)劃區(qū)實施后波高變化不大，而其南部附近海域波高變化較大。戴路，李瑞杰等[2]對影響江蘇近海的北上型臺風“梅花”進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)江蘇沿海中北部海域波浪以涌浪為主，南部海域以風浪為主。梁連松，李瑞杰等[3]對舟山附近海域波浪場進行數(shù)值模擬研究，認為舟山群島對臺風浪的傳播有較明顯的阻擋作用。驅動風場對模擬結果的精度起著至關重要的作用，以上研究中并沒有對不同的合成風場模型進行比選，而直接采用Holland梯度風場與背景風場合成作為海面的驅動風場，存在其不足之處。通過自嵌套模式對臺風“燦鴻”進行模擬：選取SWAN (Simulating WAves Nearshore)海浪模型分別對3種不同的合成風場進行大范圍海域數(shù)值模擬，通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)對比論證，選出最適合成風場模擬生成的波譜邊界作為驅動來對小范圍海域進行數(shù)值計算，最后再分別對近、遠期區(qū)域建設用海規(guī)劃實施后波高變化進行對比分析。

1 合成風場模型

在臺風浪數(shù)值模擬中選取合理準確的驅動風場能更為有效地提高臺風浪的計算精度。以ECMWF (European Centre for Medium-range Weather Forecasts)風場資料為背景風場，其數(shù)據(jù)空間分辨率取0.25°×0.25°、時間分辨率為6 h，并分別與3種不同的臺風梯度風場模型進行疊加，構建新的合成風場作為SWAN模型的驅動條件。風場空間尺度為114°E～129°E、18°N～41°N，比模擬大范圍海域稍大。

1.1 臺風梯度風場模型

合理的選擇臺風梯度風場模型，正確的描述風場結構對海浪的計算至關重要[2-5]。選取3種常用的臺風梯度風場模型：藤田模型、捷式模型和Holland模型，并與衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行比選。

目前研究人員大多根據(jù)梯度風原理先計算出臺風氣壓場，再利用臺風的氣壓場來計算臺風梯度風場。3種模型氣壓場分布函數(shù)見表1，臺風域內氣壓場模型為

P(r)=P0+(P∞-P0)F(r)

(1)

臺風梯度風場模型函數(shù)由下式計算

(2)

式(1)求導代入式(2)可得出3種臺風模型的梯度風速。式中P∞和P0分別為臺風外圍海面氣壓和臺風中心氣壓，單位為百帕，臺風中心氣壓資料來自中國臺風網(wǎng)；r是計算點到臺風中心的距離；B是Holland氣壓剖面參數(shù)，其確定存在一定的時空性差異，文中取B=1.5+(980-P0)/120；ρa為空氣密度；f為科氏力參數(shù)。Rmax為最大風速半徑，直接影響到風場的空間風速分布。在實測數(shù)據(jù)不足的條件下，常用經(jīng)驗公式來計算最大風速半徑Rmax，取Graham，Nunn經(jīng)驗公式[6]

式中：φ表示中心維度；V為臺風中心移動速度， km/h。

表1 3種氣壓場模型分布函數(shù)Tab.1 Three kinds of pressure field model′s distribution function

1.2 合成風場的構建

在臺風中心附近，實際風場與背景風場存在較大偏差，需要新的合成風場進行校正。因此在臺風中心附近采用背景風場與臺風梯度風場模型以一定的權重系數(shù)疊加，構建新的合成風場

W(r)hc=EW(r)ERA+(1-E)W(r)t

(3)

(4)

式(4)選取權重系數(shù)能有效保證外圍背景風場和臺風中心附近合成風場的平滑過渡。合成風場速度的計算分量為：u=-W(r)hc·cosθ；v=W(r)hc·sinθ。其中u為計算點到臺風中心的速度沿東西方向上的分量，v為計算點到臺風中心的速度沿南北方向上的分量，θ是計算點與臺風中心的連線與正北方向的夾角。

2 模型設置

圖1 模擬區(qū)域地形圖Fig.1 Topographic map of simulated domain

利用SWAN海浪模式模擬“燦鴻”經(jīng)過東中國海過程。為更加精確的模擬不規(guī)則岸線邊界，模型采用非結構化三角網(wǎng)格[7]，其節(jié)點數(shù)35 742，三角網(wǎng)格數(shù)為69 956。計算范圍為19°N～40.9°N，115°E～128.5°E。自嵌套為29.57°N～35.66°N，119.19°E～124.3°E，模擬區(qū)域水深地形圖如圖1所示。大范圍為東中國海，其網(wǎng)格尺寸從近岸5 km到外海12 km逐步遞增。自嵌套小范圍工程附近海域進行網(wǎng)格加密處理約為0.4 km，向外海逐漸過渡到3.8 km。模擬時間為2015年7月4號8時～2015年7月13號2時，時間步長取15 min，迭代次數(shù)為10。為更好地研究近海工程對波浪場的影響，考慮繞射項[8]。

2015年9號臺風“燦鴻”于6月30號20時在西北太平洋洋面上生成，7月3號升級為臺風，7月11號16時40分在浙江舟山普陀朱家尖登陸，登錄時中心附近最大風力達14級，風速45m/s，繼續(xù)北上與7月13號凌晨在朝鮮西南部地區(qū)減弱為熱帶低壓，隨后對其停止編號。為驗證臺風浪的模擬效果，將波浪模擬值與已剔除無效數(shù)據(jù)后的Jason-2衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)進行對比。在模擬時段內，Jason-2衛(wèi)星主要有T127、T138及T164軌道經(jīng)過東中國海。

3 模型優(yōu)化

采用上述3種合成風場作為SWAN模型的驅動風場，模擬結果與衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)進行對比。如圖2所示。圖2-a中3種合成風場模擬結果與T127衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)對比效果基本一致，這是由于此時T127軌道所經(jīng)過路徑在合成風場疊加半徑外部，模擬時采用同一背景風場ECMWF模擬所致。圖2-b中發(fā)現(xiàn)在最大風速半徑附近，藤田合成風場模型模擬值與衛(wèi)星所測數(shù)據(jù)相差較大，不宜取。為定量分析3種方案的模擬效果，采用平均相對誤差(MRE)、均方根誤差(RMSE)、相關系數(shù)(R)和偏差(B)4個數(shù)學統(tǒng)計量對軌道T138和T164數(shù)據(jù)進行對比。

(6)

(7)

(8)

(9)

2-aT1272-bT1382-cT164圖2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)和模擬有效波高對比Fig.2Comparisonofsatellitedatawithsimulatedsignificantwaveheight

表2 不同合成風場模擬值與衛(wèi)星數(shù)據(jù)統(tǒng)計對比Tab.2 Comparison of different synthesis wind field with satellite data

對比T138軌道統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)其偏差為負值，即各合成風場模型的模擬波高值小于衛(wèi)星數(shù)據(jù)。捷式較Holland合成風場，平均相對誤差、均方根誤差和偏差絕對值均有所降低，且相關系數(shù)增大；對T164進行分析，相對Holland合成風場，捷式合成風場的平均相對誤差、均方根誤差和偏差略有降低，且捷式合成風場的相關性更好。總體而言，可認為捷式與Holland合成風場模型較藤田模型可以更好地反映臺風中心附近的風場，而捷式較Holland合成風場模擬效果更好。捷式合成風場特征時刻場圖如圖3所示，最大波高出現(xiàn)在臺風中心右前方，與理論相符且風速與波高吻合度高，能夠很好地模擬此次臺風浪過程，以給小范圍提供較準確的波譜邊界條件。故選用捷式合成風場作為下文小范圍自嵌套模型的驅動風場。

3-a7月11日8時3-b7月11日14時3-c7月11日20時3-d7月12日02時圖3 大范圍風場矢量和波高分布圖Fig.3Distributionofwindspeedandwaveheightatlargecomputationarea

4 模型應用

SWAN是一種基于能量守恒原理的波浪譜模型，Holthuijsen等[9]對40.41版以后的SWAN模型進行改進，可更加全面地考慮地形變化影響下的波浪淺化、折射、反射、繞射、破碎、風能輸入、波-波非線性相互作用和波浪耗散等效應，本模型采用40.91版SWAN。源匯項表示與波動能量的生成、消耗以及能量的再分布有關的物理過程，可由以下幾部分組成

S=Sin+Snl3+Snl4+Sds,w+Sds,b+Sds,br

(10)

式中:Sin為風能量輸入所致的波浪成長；Snl3為三波相互作用所導致的波浪能量非線性傳播；Snl4為四波相互作用所致的波浪能量的非線性傳輸；Sds,w，Sds,b，Sds,br分別為白浪破碎所引起的波能衰減、底摩擦引起的波能衰減及水深變化導致的波浪破碎所引起的波能衰減。

4.1 工程區(qū)域模型的驗證

規(guī)劃區(qū)域建設用海工程的實施將改變岸線形態(tài)，導致規(guī)劃區(qū)域及其附近海域波浪場變化，分別對南通近海的區(qū)域建設用海實施前、建設用海近期規(guī)劃和遠期規(guī)劃實施后波浪場進行模擬研究，以分析區(qū)域建設用海對近岸波浪場的影響范圍及程度。自嵌套小范圍模擬區(qū)域采用非結構化網(wǎng)格，工程區(qū)域最小網(wǎng)格僅80 m。區(qū)域建設用海規(guī)劃地形如圖4所示，淺灰色表示南通近期區(qū)域建設用海工程規(guī)劃，黑色為遠期規(guī)劃。波浪測站浮標驗證數(shù)據(jù)有浮標處水深為8 m的響水測站(120.101°E，34.436°N)和蠣岈山波浪測站(121.568°E，32.147°N)，均為每小時采集一次數(shù)據(jù)，可以反映臺風“燦鴻”期間臺風成長全過程。用最適捷式合成風場作為SWAN自嵌套模型的驅動風場，模擬結果與波浪測站進行對比，如圖5所示，實測數(shù)據(jù)與模擬值吻合度較高，該模型能很好地反映小范圍海域內臺風浪分布情況。

圖4 南通近海區(qū)域建設用海規(guī)劃及特征站位布置圖Fig.4Tongzhoubayregionalconstructionschemeandstationarrangement5-a蠣岈山測站 5-b響水波浪測站圖5 實測波浪測站有效波高與自嵌套小范圍數(shù)值模擬值對比Fig.5Comparisonofthemeasuredsignificantwaveheightofwavestationwiththenestednumericalvaluesinasmallscope

表3 特征站位水深，有效波高及波高變化Tab.3 Water depth,significant wave height and wave height variation in the station

4.2 工程對近海波浪場的影響

區(qū)域建設用海規(guī)劃工程的實施將影響波高的時空分布變化，這種變化可能對近岸工程造成災害性破壞，故對區(qū)域用海建設前后波高的變化進行研究不僅能有效減少潛在性災害，還能提高區(qū)域用海工程建設布局規(guī)劃的合理性，增加經(jīng)濟效益。篇幅所限，僅列舉7月11號14時的波高分布圖如圖6所示，此時外海波向以ESE向為主。選取特征站位對其波高進行對比分析，如表3所示。

規(guī)劃工程東部a、b區(qū)(a區(qū)即以字母a開頭的特征站位及其附近海域，如特征站位a1～a8附近海域為a區(qū)，以此類推)所取特征站位平均水深7.5 m，近期用海規(guī)劃工程實施較工程前波高以降低為主，其中a3、a7降幅達40 cm以上，而特征站位a8處波高明顯增大，增幅達46.5 cm。這可能是由于工程的實施改變近岸水動力環(huán)境，造成波浪的原波峰線長度發(fā)生變化，在特征站位處輻聚、輻散，使其波高有增有減所致，a、b區(qū)所取特征站位平均降幅4 cm，其中a區(qū)降幅較b區(qū)更為明顯。相對近期規(guī)劃，遠期用海規(guī)劃工程實施后，平均波高降幅達12.4 cm，由于遠期規(guī)劃工程尤其是a、b區(qū)之間的建筑工程的實施，使其附近，尤其是b區(qū)波高明顯降低，降幅大都在10 cm以上，其中特征站位b3比近期規(guī)劃工程實施后波高減小19 cm。

c1～c4特征站位平均水深11.5 m，工程的實施改變其附近海域的波能分布，使其波高發(fā)生變化。近期規(guī)劃實施后，所取特征站位平均有效波高降低不足1 cm，而c1、c3波高升降較為劇烈；在遠期工程實施后平均波高增加了3.5 cm，其中離工程區(qū)域近的c1、c2特征站位較近期工程實施后，波高明顯增大，可能是由于c區(qū)西部工程的實施，使其建筑物產(chǎn)生類似海岬岬角的效應所致。

南部航道d區(qū)所取特征站位平均水深9.7 m，近期規(guī)劃工程的實施后d區(qū)附近海域波高以增加為主，特征站位d2、d6、d8處波高增幅約10 cm，較為顯著，所取特征站位平均水深增加了2.5 cm。遠期工程實施后，特征站位d2、d3、d4、d8增幅均在10 cm以上，其中d8增幅達20 cm以上，d3、d4特征站位較近期規(guī)劃工程波高增幅更為明顯，這可能是由于遠期工程的實施使得反射作用更為顯著所致。

相較規(guī)劃工程實施前，近期區(qū)域用海規(guī)劃工程實施后，全部特征站位平均有效波高降低4.5%，其中站位a3、a4、a6、a8、c1、c2附近海域波高變化劇烈，在其附近海域進行航海、漁業(yè)等海洋活動時，應考慮加強防護措施；遠期區(qū)域用海規(guī)劃工程實施后，平均波高降低了6.8%，但站位a8、c1、d8的有效波高增幅明顯，若在其附近海域進行海洋工程建設，按工程原工況設計標準進行規(guī)劃，可能帶來越浪、潰堤等威脅，故需綜合考慮，提高其附近海域海洋工程的設計標準。

6-a工程前6-b近期工程6-c遠期工程圖6 工程附近波高等值線分布圖Fig.6Waveheightcontourmapinthevicinityofengineering

5 結論

在不同合成風場模式下對“燦鴻”進行臺風浪數(shù)值模擬，采用衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行對比分析得出最適合成風場，并討論南通近海規(guī)劃工程對近海波浪場的影響：

(1)不同風場模型對比中，捷式合成風場模型的臺風浪數(shù)值模擬效果最好，Holland次之，藤田最差。

(2)在最適風場模型下對南通近海規(guī)劃進行應用分析：較近期規(guī)劃，遠期規(guī)劃工程實施后，工程南部航道平均有效波高增幅更大；而東部區(qū)域平均波高降幅更明顯。

(3)上述結論僅對北上型臺風“燦鴻”適用，對其他臺風的適用性還有待進一步研究。

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