如東海域某風電場設(shè)計風速和波浪研究

劉國，齊曉海，董軍，柏延強，楊光耀，張慶河

（1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518034；2.天津大學水利仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072）

0 引言

近年來，可再生能源在我國越來越受到重視，海上風電行業(yè)發(fā)展迅速。但相當多的海上風電場建設(shè)海域缺乏長期風、浪觀測資料，如何獲得精度較高的不同重現(xiàn)期風速和波浪要素以合理設(shè)計風電支撐結(jié)構(gòu)，成為風電場建設(shè)的重要環(huán)節(jié)。我國如東海域目前正在進行較大規(guī)模風電場建設(shè)，合理確定風電場位置處設(shè)計風速和設(shè)計波浪是十分重要的前期研究工作。

就風場而言，隨著全球大氣模擬和衛(wèi)星測量技術(shù)的不斷進步，目前已經(jīng)形成了較高精度的全球風場數(shù)據(jù)，可以用于工程設(shè)計風速的推求，如QuikSCAT/NCEP、ECMWF-ERA-Interim、JRA-55、CCMP等。CCMP全稱為Cross Calibrated Multi-Platform，以ERA再分析風場數(shù)據(jù)作為背景場，同化了來自交叉校準衛(wèi)星的風場產(chǎn)品，以及來自經(jīng)過質(zhì)量控制的定浮標觀測風矢量數(shù)據(jù)[1]。CCMP提供海平面以上10 m處風場，其空間分辨率為0.25毅伊0.25毅，時間間隔為6 h。眾多學者對不同的風場數(shù)據(jù)進行了對比[2-4]，發(fā)現(xiàn)CCMP風場可以較好地體現(xiàn)東中國海的風場特征。孔叢穎等[5]用CCMP風場驅(qū)動WAVEWATCHIII模擬了中國近海波浪場，獲得了較好的結(jié)果。綜上，本文選用CCMP的風場再分析數(shù)據(jù)作為波浪模擬的驅(qū)動風場是最為合適的。

對于一般風過程的波浪模擬，CCMP的時間和空間分辨率已經(jīng)足夠，但對于時空變化都較快的熱帶風暴過程，CCMP時空分辨率仍有所偏低，影響波浪場模擬精度。因此，對于熱帶風暴過程采用WRF（The Weather Research and Forecasting Model）大氣模式進行模擬，將模擬結(jié)果和CCMP進行組合（下文簡稱WRF-CCMP），可以合理提高風場時空分辨率。眾多學者[6-9]均發(fā)現(xiàn)WRF模擬結(jié)果能較好地描述臺風周圍風場特征。因此，本文選取WRF模擬的熱帶風暴過程修正CCMP再分析資料以獲得精度更高的風場。

在波浪模擬方面，SWAN模式由于在波浪的淺水變形方面考慮比較充分，因此在近海波浪過程模擬及設(shè)計波浪要素推算中得到了廣泛應(yīng)用。例如，Rogers等[10]、李紹武等[11]均發(fā)現(xiàn)SWAN模式能較好地模擬近海波浪運動。尹朝暉等[12]以WRF、SWAN模式計算的氣象、海浪預(yù)報為基礎(chǔ)選擇外海施工作業(yè)窗口。為此，本文將采用WRF-CCMP組合風場，采用SWAN模式進行波浪推算，期望獲得如東海域風電場不同重現(xiàn)期風速和設(shè)計波浪。

1 熱帶風暴的選取

JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》[13]規(guī)定，進行波高和周期的頻率分析時，應(yīng)取近期的連續(xù)資料，年數(shù)不宜少于20 a。因此根據(jù)中國臺風網(wǎng)提供的中國歷年熱帶風暴數(shù)據(jù)統(tǒng)計，本文選取1999—2018年經(jīng)過工程海域的共計18場熱帶風暴（表1）以修正CCMP1999—2018年連續(xù)20 a的風場數(shù)據(jù)。

表1 1999—2018年影響如東海域的熱帶風暴匯總Table 1 Summary of tropical storms affecting Rudong sea area from 1999 to 2018

2 風場模擬結(jié)果

如東近海某風電場位于如東縣東部近海海域內(nèi)（32.37毅N，121.68毅E），海底高程-3.7耀-15.3 m（1985國家高程基準），離岸5~50 km。規(guī)劃范圍內(nèi)海域開闊，海底地勢較為平坦，無大的起伏，海底地質(zhì)條件良好，相對穩(wěn)定。工程海域位置如圖1所示。

圖1 WRF模型計算范圍Fig.1 Calculation scope of WRF

2.1 計算范圍的確定

WRF模型的水平方向為規(guī)則化網(wǎng)格，計算區(qū)域的大小和網(wǎng)格的精度是影響臺風模擬結(jié)果的兩個重要因素。本文采用兩層網(wǎng)格嵌套模式，具體選取范圍如圖1所示，大模型的范圍為19毅N—45毅N，107毅E—137毅E，網(wǎng)格精度為12 km伊12 km。嵌套模型范圍為28毅N—39毅N，117毅E—130毅E，網(wǎng)格精度為4 km伊4 km。

2.2 計算參數(shù)的選取

WRF大氣模式模擬不同的氣象過程需要不同的參數(shù)化方案。根據(jù)研究海域的位置、地形特征以及所模擬的氣象過程類型選取合適的參數(shù)化方案，是獲得良好模擬結(jié)果的重要前提。本文在譚鳳[6]研究的基礎(chǔ)上，進行了多組參數(shù)的嘗試，最終選定參數(shù)如表2所示。

表2 選用的WRF參數(shù)Table 2 Selected WRF parameters

2.3 模擬結(jié)果驗證

由于模擬的熱帶風暴場次較多，現(xiàn)以201818號熱帶風暴“溫比亞”為例進行結(jié)果驗證?！皽乇葋啞庇?月16日12時進入本文研究區(qū)域，為強熱帶風暴?！皽乇葋啞弊畲箫L速驗證結(jié)果如圖2所示，因本文涉及的不同熱帶風暴算例采用的是相同的計算參數(shù)，所以可以認為WRF對如東海域熱帶風暴過程的模擬是合理的。

圖2 201818號臺風最大風速驗證（2018-08-16 T 00:00—08-17 T 06:00）Fig.2 Verification of the maximum wind speed of typhoon No.201818(2018-08-16T00:00—08-17T06:00)

2.4 設(shè)計風速計算

統(tǒng)計并綜合分析CCMP和WRF風場數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)對于部分年份（1999、2002、2011、2014、2015），WRF-CCMP的風速年極值高于直接使用CCMP獲得的風速年極值，而對于其他年份兩者相等（如圖3），這是因為部分年份本文研究區(qū)域未發(fā)生熱帶風暴，或熱帶風暴引起的最大風速小于寒潮大風，在年極值統(tǒng)計上無法體現(xiàn)，但對于熱帶風暴影響明顯的年份，直接運用再分析資料獲得的風速年極值偏小不利于工程安全。

圖3 CCMP/WRF-CCMP年N向年極值風速對比Fig.3 Comparison of annual extreme wind speed in the N direction of CCMP and WRF-CCMP

綜上所述，在進行風設(shè)計要素的推算時，采用WRF模擬熱帶風暴結(jié)果修正CCMP再分析數(shù)據(jù)更為合理。N向的設(shè)計風速推算結(jié)果曲線如圖4所示。

圖4 N向設(shè)計風速推算結(jié)果Fig.4 Prediction results of design wind speed in N direction

3 波浪場模擬結(jié)果

3.1 地形的劃分

SWAN模型采用的坐標形式為經(jīng)緯坐標，采用局部加密的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和曲線開邊界，大小范圍模型嵌套，小模型地形水深、范圍如圖5所示。模型網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為10 578，單元數(shù)為5 662，開邊界網(wǎng)格空間最大步長為0.2毅，近岸網(wǎng)格最小為0.006毅。

圖5 如東海域地形水深Fig.5 The water depth of Rudong sea area

3.2 模擬結(jié)果的驗證

從臺風過程的波浪場中提取測站（121.77毅E，32.36毅N）的有效波高的時間序列數(shù)據(jù)集進行驗證，驗證結(jié)果如圖6所示，可得SWAN對波浪場的模擬是合理的。

圖6 臺風過程有效波高驗證（2010-08-31 T14:00—2019-09-01 T23:00）Fig.6 Verification of the significant wave height in the typhoon process(2010-08-31 T 14:00—2019-09-01T23:00)

3.3 設(shè)計波浪計算

統(tǒng)計并分析CCMP和WRF驅(qū)動下的波浪場數(shù)據(jù)，以工程區(qū)域30 m等深線的東南方向波浪設(shè)計要素為例，CCMP/WRF-CCMP驅(qū)動SWAN獲得的有效波高年極值對比如圖7所示，發(fā)現(xiàn)對于1999年、2014年、2018年，WRF-CCMP驅(qū)動SWAN獲得的有效波高年極值高于直接使用CCMP驅(qū)動SWAN獲得的有效波高年極值，其余年份兩者相等，說明熱帶風暴影響工程區(qū)域的概率較低，但熱帶風暴一旦發(fā)生，其影響不可忽略。工程區(qū)域30 m等深線處東北方向的波浪設(shè)計要素推算結(jié)果如圖8所示。

圖7 CCMP/WRF-CCMP年SE向年極值有效波高對比Fig.7 Comparison of annual extreme significant wave height in the SE direction of CCMP and WRF-CCMP

圖8 NE向30 m等深線有效波高推算Fig.8 Prediction result of significant wave height of 30 m isobath in the NE direction

4 重現(xiàn)期風速與波浪結(jié)果

根據(jù)本文上述得到的風速和波浪極值分布曲線獲得工程區(qū)附近常風向、強風向的設(shè)計風速和常浪向、強浪向的設(shè)計波浪要素列于表3和表4。這些結(jié)果可作為風電場建設(shè)的設(shè)計依據(jù)。

表3 工程區(qū)域最大風速推算結(jié)果Table 3 Prediction results of maximum wind speed in the project area m/s

表4 工程區(qū)域波浪要素推算結(jié)果Table 4 Prediction results of wave elements in the project area

5 結(jié)語

本文采用WRF大氣模式模擬熱帶風暴的過程并聯(lián)合CCMP風場數(shù)據(jù)集作為驅(qū)動風場，利用SWAN模型對如東風電場海域近20 a的波浪過程進行了模擬，獲得了不同重現(xiàn)期風速和波浪要素。主要結(jié)論如下：

1）WRF模擬熱帶風暴結(jié)果和CCMP風場聯(lián)合可以獲得更為準確的風場，基本可以重現(xiàn)如東風電海域近20 a風場。

2）以本文獲得的風場為驅(qū)動場，采用SWAN海浪模式對如東工程海域的波浪場進行模擬，能夠較好地重現(xiàn)該海域的波浪場過程。

3）如東風電海域發(fā)生臺風數(shù)量較少，近20 a影響如東工程區(qū)域的熱帶風暴共計18場，然而，熱帶風暴引起的風速和波浪在設(shè)計要素推算中起著重要作用。