強臺風“珍珠”引起的近岸波浪場數(shù)值分析

趙凱，欒曙光，張瑞瑾

（大連海洋大學，遼寧大連 116023）

強臺風“珍珠”引起的近岸波浪場數(shù)值分析

趙凱，欒曙光，張瑞瑾

（大連海洋大學，遼寧大連 116023）

臺風浪的研究對于船舶航行、避風以及港口、海洋和近岸建筑物的安全有著重要的現(xiàn)實意義。本文基于考慮波浪折射、底部損耗及波浪破碎等的波譜模型，在充分考慮風能量輸入、白帽耗散、水深誘導以及波-波間的非線性相互作用等物理過程，對襲擊廣東省和福建省沿海的0601號強臺風“珍珠”引起的臺風浪過程進行了數(shù)值模擬計算，計算結(jié)果與云澳海洋站和遮浪海洋站的觀測資料基本吻合。經(jīng)分析得到了近岸臺風浪場有效波高分布的變化規(guī)律，為近岸海域臺風浪場模擬與預(yù)報提供了一種有效的方法，為船舶和港口的防災(zāi)減災(zāi)提供了較為重要的參考依據(jù)。

波譜模型；波浪場；有效波高

1 引言

中國位于太平洋西岸,擁有廣闊的領(lǐng)海和漫長的海岸線。因而在臺風多發(fā)的西北太平洋海域,每年臺風引發(fā)的災(zāi)害都非常嚴重。研究表明,臺風引起的巨大波浪的破壞力遠比臺風本身大,每年由海浪造成的直接經(jīng)濟損失達數(shù)億元。因此對臺風浪場進行數(shù)值計算與分析對于防災(zāi)減災(zāi)、保障災(zāi)區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全是十分必要的。

2 數(shù)學模型簡介

2.1 模型控制方程

波浪要素采用丹麥水力研究所（DHI Water&Environment）研制的計算軟件MIKE21 SW（Spectral Waves FM）模型進行推算。該軟件是波譜模型，可以考慮波浪的折射、底部損耗、波浪破碎、波流聯(lián)合作用及風等因素對波浪傳播的影響，可以用來進行大范圍的波浪場的推算，也可以滿足大尺度波浪推算的要求。

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。模型的自變量為相對波頻率σ和波向θ。波作用密度與波能譜密度E(σ ,θ )的關(guān)系為：

式中σ為相對頻率，θ為波向。

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

S指能量平衡方程中以譜密度表示的源函數(shù)：

式中，Sin指風輸入的能量，Snl指波與波之間的非線性作用引起的能量耗散，Sds指有白帽引起的能量耗散，Sbot指由底摩阻引起的能量耗散，Ssurf指由于水深變化引起的波浪破碎產(chǎn)生的能量耗散。

式中傳播速度均采用線性波理論計算：

2.1.1 風能輸入

2.1.2 非線性作用

2.1.3 白帽耗散

這里Cf為底摩擦系數(shù)；k為波數(shù)；d為水深； fc為水流的摩擦系數(shù)；u為水流速度。系數(shù)Cf依賴于底床和水流條件，一般為0.001—0.01 m/s。

2.1.5 波浪破碎

波浪向淺水區(qū)域傳播時，由于水深不足以支持波高，波浪會發(fā)生破碎。MIKE 21 SW模塊中所用的是Batjes和Janssen推導的波浪破碎公式。源函數(shù)形式為:

2.1.4 底摩阻耗散

由底摩阻引起的耗散公式為:

這里αBJ≈1.0為校準常數(shù)；Qb為波浪破碎分數(shù)； fˉ為平均頻率；X為波浪傳播時總能量與最大允許波高的波浪能量的比率。

2.1.6 邊界條件

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為正)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。

2.2 最大風速半徑的計算

應(yīng)用MIKE 21數(shù)值計算軟件中的SW（Spectral Waves）模塊進行臺風浪場數(shù)值計算時，需要輸入的臺風參數(shù)有臺風中心的經(jīng)緯度、最大風速半徑、最大風速、中心氣壓和標準氣壓。臺風中心的經(jīng)緯度、最大風速、中心氣壓和標準氣壓可應(yīng)從氣象臺站提供的臺風基本參數(shù)資料中獲得。最大風速半徑R采用Graham和Nunn提出的臺風經(jīng)驗公式（15）計算。式（15）除了考慮臺風中心氣壓以外，還考慮了地理緯度和臺風中心移動速度的影響。

式中：VF為臺風中心移動的速度（km/h），φ為地理緯度，P0為臺風中心氣壓（hPa）。

3 強臺風“珍珠”數(shù)值模擬驗證

強臺風“珍珠”是2006年我國編號的首個熱帶氣旋。它于5月9日20時在西北太平洋貝勞群島附近（8.3°N，132.1°E）由熱帶低壓發(fā)展成熱帶風暴，移動過程中不斷加強，15日02時中心氣壓為950 hPa，近中心風速增強到45 m/s，發(fā)展成強臺風等級。之后以每小時15 km的速度在10°—20°N的低緯度洋面上北行，越過20°N后“珍珠”的移動速度加快，風力等級降低，中心氣壓升高，方向為NNE。本文選取的“珍珠”風場資料從20°N沿NNE方向行至登陸，再沿著NE方向的海岸線行直至26.5°N處，即2006年5月17日8時—2006年5月18日15時的全部風場資料（見圖1）。輸入的風場參數(shù)有“珍珠”每一時間步的中心經(jīng)緯度、最大風速半徑、最大風速、中心氣壓和標準氣壓。其中最大風速從45 m/s降低至18 m/s，中心氣壓從945升至995 hPa，移動速度從15 km/h增至30 km/h，最大風速半徑從45 km降至25 km，熱帶氣旋的等級從強臺風降至為低氣壓。所取的時間步為31步，時間步長為3600 s（見表1）。

圖1 強臺風“珍珠”移動路徑圖

在17日08時，臺風中心越過20°N接近廣東沿海，云澳海洋站和遮浪海洋站都觀測到有效波高在3 m以上的大浪[4]。為了驗證MIKE 21SW模型對“珍珠”臺風浪的模擬計算結(jié)果，將SW模型計算的結(jié)果與云澳海洋站（117°5.959'E，23°23.78'N）和遮浪海洋站（115°34.2'E，22°39'N）的同步觀測資料進行了對比分析。圖2是由風場資料推算的有效波高值和云澳海洋站觀測到的有效波高值的比較，計算值與實測值的最大誤差小于0.5 m，吻合性較好。圖3是由風場資料推算的有效波高值和遮浪海洋站觀測到的有效波高值的比較，在最初的2小時實測的有效波高值偏大，之后計算值與實測值的最大誤差均小于0.5 m。波浪平均周期5—9 s。

4 強臺風“珍珠”的波浪場特征分析

在廣東汕尾至福建廈門近岸沿海區(qū)域-30 m等深線上，分別選取14個點。其中1點位于汕頭市近岸沿海地區(qū)，是臺風行進路徑上的點；2—6點位于汕尾至汕頭之間的沿海區(qū)域，在強臺風“珍珠”移動路徑的左邊；7—14點位于汕頭至廈門之間的沿海區(qū)域，在強臺風“珍珠”移動路徑的右邊；且各點之間的距離均為30 km，圖4給出了選點位置圖。

圖2 有效波高計算值與云澳海洋站觀測值的比較 圖3 有效波高計算值與遮浪海洋站觀測值的比較

表1 強臺風“珍珠”風場參數(shù)一覽表

圖5為受強臺風“珍珠”影響1—6點有效波高變化曲線；圖6為受強臺風“珍珠”影響7—14點有效波高變化曲線。強臺風“珍珠”行進路徑上1點的有效波高隨時間的變化特征呈現(xiàn)出四個階段，

第一階段從開始模擬的時刻到5月17日21時，“珍珠”逐漸從外海深水向近岸淺水1點位置移動，“珍珠”在海上聚集了大量能量，圖5可以看出，5月17日8時1點有效波高為1.98 m，5月17日21時“珍珠”移動到臺風中心距1點位置43 km處，即“珍珠”前眼壁剛好與1點重合，此時風速達到最大值，1點位置處有效波高也達到最大值7.58 m。

第二階段從5月17日21時—5月18日0時，這個階段隨著“珍珠”向前移動，1點從風速極大值的前眼壁處逐漸移動到風速較小的風眼中心區(qū)域，有效波高從21時的最大值7.58 m，逐漸降低到18日0時的5.23 m，此時臺風中心超過1點位置約27 km，1點仍位于風眼中心區(qū)域。風眼中心風速迅速減小，使得波高也迅速減小。但是由于臺風中心區(qū)域氣壓較低以及受外圍涌浪的影響，有效波高不會降到很低。但海況也十分惡劣，有巨大的金字塔浪，俗稱三角浪，它具有駐波的性質(zhì)。

第三階段從5月18日0時—1時，這個階段“珍珠”繼續(xù)向前移動，1點又從風速較小的風眼中心區(qū)域逐漸移動到風速極大值的后眼壁處。此時1點位置的有效波高從0時的5.23 m，迅速增大到1時的6.02 m。

第四階段從5月18日1時到臺風消失，“珍珠”于18日2時15分在饒平縣和汕頭澄海區(qū)交界的沿海地區(qū)登陸。登陸后移速進一步加快，并在福建省沿岸東北行，中心強度逐漸減弱，于18日17時在福建省寧德附近減弱為低氣壓。這個階段臺風等級逐漸降低，并且隨著臺風的移動，1點距離“珍珠”的距離越來越遠，有效波高從1時的6.02 m，迅速降低到正常情況下的有效波高。

從圖5—6中還可以看出，2點和7點的有效波高變化曲線與1點的有效波高變化曲線有相同的變化規(guī)律，也經(jīng)歷了上述四個階段。因為2點和7點距1點的距離為30 km，均小于臺風眼的半徑43 km，所以2點和7點也先后經(jīng)歷了“珍珠”的從前眼壁到風眼中心區(qū)域再到后眼壁的變化過程。其有效波高值經(jīng)歷了升高、降低、再升高、再降低四個階段。7點位于臺風中心區(qū)域的右半圈，由于風向和“珍珠”移動方向一致，移速和風速相互疊加，造成移動方向右半圈的風力較左半圈大，其產(chǎn)生的有效波高最大值略大于2點。

3—6點和8—14點距離“珍珠”路徑上的1點均大于或等于60 km，大于風眼半徑，即“珍珠”移動路徑左邊3—6點及移動路徑右邊8—14點均不經(jīng)歷臺風眼中心區(qū)域，其有效波高的變化曲線與經(jīng)歷臺風眼中心區(qū)域的1點、2點和7點有明顯的不同。有效波高變化曲線只經(jīng)歷上升和下降兩個階段。曲線類似于向下開口的拋物線型，拋物線上的最大值出現(xiàn)在各選取點距臺風路徑最短距離的時刻，此時該選取點產(chǎn)生有效波高的最大值，且選取點距離臺風中心越近產(chǎn)生的有效波高最大值越大（見圖5—6）。

強臺風“珍珠”沿NNE方向行進，首先影響到的是3—6點，有效波高隨時間變化曲線在開始階段陡峭上升，5點和6點最先接近“珍珠”中心區(qū)域，在17日17時曲線達到峰值點，其有效波高均為6.6 m；而之后4點和3點接近“珍珠”中心區(qū)域，在18時和19時其曲線分別達到各自的峰值點，有效波高分別為7.5 m和7.6 m?？梢娺x取點與臺風中心距離達到最小時產(chǎn)生的有效波高值最大，且隨著距離的增大，有效波高呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。強臺風“珍珠”于18日凌晨2點在廣東汕頭澄海和饒平之間登陸，登陸后10小時3—6點的有效波高從5 m逐漸降低至2 m以下，距離臺風中心越遠的選取點有效波高值越小（見圖5）。

強臺風“珍珠”繼續(xù)沿NNE（北東北）方向行進，17日24時中心區(qū)域接近1點位置，距離為60 km的8點的有效波高曲線首先達到峰值，其有效波高為7.1 m。之后9—14點的曲線依次達到各自的峰值點，隨選取點距離臺風中心越來越遠，各點的有效波高最大值是依次降低的。圖6與圖5相比，移動路徑右邊8—14點達到有效波高最大值經(jīng)歷了16個小時，有效波高變化曲線的上升段表現(xiàn)為平緩上升；而移動路徑左邊3—6點達到有效波高最大值經(jīng)歷了9個小時，有效波高變化曲線的上升段表現(xiàn)為陡峭上升。

圖4 選取點位置圖

圖5 強臺風“珍珠”移動路徑左邊1—6點有效波高變化曲線

圖6 強臺風“珍珠”移動路徑右邊7—14點有效波高變化曲線

由于8—14點依次距離“珍珠”行進路徑越來越遠，各點的有效波高值是依次降低的。離臺風移動路徑最近的8點的有效波高最大值達到7 m，發(fā)生在17日24時。之后9—14點從18日1時至“珍珠”登錄各點依次出現(xiàn)了5.5—6.5 m有效波高最大值?！罢渲椤钡顷懞螅苿铀俣冗M一步加快，中心強度逐漸減弱，并在福建省沿岸東北行，又依次接近8—14點，接近時刻各點的有效波高變化曲線有平緩的上升，然后再平穩(wěn)的下降。見圖6有效波高變化曲線下降段。

綜上所述，強臺風“珍珠”由于其特殊的路徑，在登陸前9小時，移動路徑左邊汕尾至汕頭之間近岸沿海-30 m等深線附近區(qū)域離臺風中心的距離較近，有效波高率先達到最大值，屬于危險區(qū)域。在登陸前2小時，“珍珠”臨近岸邊，移動路徑右邊汕頭至廈門近岸沿海-30 m等深線附近區(qū)域的有效波高達到最大值，也屬于危險區(qū)域。所以對強臺風“珍珠”來說，無論其移動路徑左邊或者右邊，十級風圈范圍內(nèi)均可能產(chǎn)生6 m以上的巨浪，不適于船舶航行或錨泊，船舶應(yīng)優(yōu)先選擇十級風圈以外的避風錨地避風。

臺風“珍珠”在行進過程中的有效波高數(shù)值模擬計算，得知臺風浪場的有效波高在由眼壁處達到最大值，向外風力等級逐漸降低，有效波高值逐漸減小；自眼壁向內(nèi)有效波高卻有降低的趨勢。

5 結(jié)論

本文利用目前國際上較先進的MIKE21 SW模型，對0601號強臺風“珍珠”的臺風浪進行了數(shù)值模擬計算，得到如下結(jié)論。

（1）MIKE21 SW模型模擬的強臺風“珍珠”的有效波高與云澳海洋站（117°5.959'E，23°23.78'N）和遮浪海洋站（115°34.2'E，22°39'N）的觀測資料吻合性較好。表明應(yīng)用Graham和Nunn提出的臺風經(jīng)驗公式計算的最大風速半徑R，再輸入臺風風場的相關(guān)參數(shù)，借助MIKE21 SW模型模擬臺風浪場的計算是可行的；

（2）在臺風眼中心區(qū)域的點其有效波高經(jīng)歷了升高、降低、再升高、再降低四個階段；而在臺風眼中心區(qū)域之外的點其有效波高只經(jīng)歷了升高和降低2個階段。上升、下降；

（3）在臺風眼中心區(qū)域的臺風浪是由眼壁處形成的波浪傳播所致，是波高值較小，波向較復(fù)雜的海域；而在眼壁的外圍區(qū)域，臺風浪高與臺風中心的距離成正比，距離越近產(chǎn)生的有效波高值越大。北半球臺風前進方向右側(cè)的波浪發(fā)展迅速，浪高增大較快，形成危險半圈。所以當臺風臨近時船舶應(yīng)優(yōu)先選擇其路徑的左半圈并盡量遠離十級風圈；

（4） 由于臺風的行進路徑復(fù)雜、強度等級不同，而且臺風浪由深水傳至淺水時，岸邊水深及地形復(fù)雜，波浪變化特征復(fù)雜化，特別是波浪的傳播方向與深海有很大的差異，有待進一步深入研究。

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[2]Janssen PAE M.Quasi-linear theory of wind wave generation applied to wave forecasting[J].J Phys Oceanogr,1991,21:1631-1642.

[3]Hasselmann S,Hasselmann K.Computation and parameterizations of Non-linear Energy Transfer in a Gravity-wave Spectrum,Part 2:Parameterisations o f non-linear energy transfer for applications in wave models[J].J Phys Oceanog,1985,15:1778-1391.

[4]鄧文君,宋萍萍,馮偉忠等.強臺風“珍珠”引發(fā)廣東沿岸災(zāi)害性海浪調(diào)查分析[J].海洋預(yù)報,2007,24(2):52-59.

[5]姬厚德.臺灣海峽及附近港灣的風浪場數(shù)值模擬研究[D].廈門大學碩士學位論文,2007.

Numerical analysis on the offshore wave field induced by the strong typhoon“Pearl”

ZHAO Kai，LUAN Shu-guang，ZHANG Rui-jin

(Dalian Ocean University,DaLian Liaoning 116023 China)

It has most important realistic significance that the research of typhoon and waves to ship navigation,shelter and the safety of the port,marine and coastal buildings.In this paper,based on the wave spectrum model with the wave refraction,bottom friction and wave breaking,full considering the wind forcing input,white capping,and quadruplet-wave interaction between such physical process,the waves'process by no.0601“pearl”typhoon,which attacked to the coast of Guangdong and Fujian provinces,is simulated.The calculated wave heights of the strong typhoon“pearl”are basically same to the wave observation data at Yunao ocean station and Zhelang ocean station.By analyzing the model output,we got the variation of effective wave height by the typhoon.It provides a kind of effective method for the wave simulation platform.It also provides important reference for the ship and port disaster-reduction.

wave spectrum model;wave field;significant wave height

P444

A

1003-0239（2011）04-0035-08

2010-09-18

趙凱(1984-)，男，大連海洋大學碩士研究生。E-mail：zhaokai840703@163.com