影響長江口深水航道驟淤的非常態(tài)天氣過程Ⅱ:臺風(fēng)要素敏感性分析及典型臺風(fēng)路徑

賈 曉,路川藤,黃華聰

(1.上海河口海岸科學(xué)研究中心,上海 201201; 2.上海交通大學(xué)水動力學(xué)教育部重點實驗室,上海 200240;3.南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所,江蘇 南京 210029)

影響長江口深水航道驟淤的非常態(tài)天氣過程Ⅱ:臺風(fēng)要素敏感性分析及典型臺風(fēng)路徑

賈 曉1,2,路川藤3,黃華聰1

(1.上海河口海岸科學(xué)研究中心,上海 201201; 2.上海交通大學(xué)水動力學(xué)教育部重點實驗室,上海 200240;3.南京水利科學(xué)研究院河流海岸研究所,江蘇 南京 210029)

為進一步研究臺風(fēng)中心氣壓、臺風(fēng)距離長江口距離(簡稱距離)、最大風(fēng)速半徑和移動風(fēng)速4個典型參數(shù)對長江口航道驟淤的影響水平,采用正交試驗方法,設(shè)計了64組典型試驗工況,選擇藤田-高橋圓形風(fēng)場經(jīng)驗公式架構(gòu)了臺風(fēng)場,然后采用SWAN模型模擬不同臺風(fēng)工況的波況,并計算牛皮礁站的波能。據(jù)波能的極差分析和方差分析,得出臺風(fēng)要素的敏感性次序。研究表明,長江口過境臺風(fēng)中,距離最敏感,而最大風(fēng)速半徑為較不敏感因素。選取主要的敏感性參數(shù)(距離、中心氣壓)為代表參數(shù),概化移動風(fēng)速和最大風(fēng)速半徑。在合理選取能夠引起驟淤的臨界波能的標(biāo)準(zhǔn)下,給出較易引發(fā)驟淤的典型包絡(luò)線范圍,為驟淤的預(yù)報提供了新的參考指標(biāo)。

長江口深水航道；驟淤;臺風(fēng)參數(shù);敏感性分析;正交試驗;極差分析;方差分析;臺風(fēng)典型路徑

根據(jù)統(tǒng)計分析資料,以及文獻[1]的數(shù)學(xué)模型證明,臺風(fēng)路徑自東側(cè)過境,在長江口水域較易引起較大的風(fēng)浪,且發(fā)生驟淤的概率很大。

通常認(rèn)為,臺風(fēng)級別越高,臺風(fēng)中心離深水航道越近,對深水航道的影響越大[2]。但對于距離與臺風(fēng)級別的定量判別指標(biāo)沒有研究。即在實際中也發(fā)現(xiàn)部分臺風(fēng)(或熱帶風(fēng)暴)行走路徑在上海東側(cè)海域但沒有發(fā)生驟淤,從驟淤的提前預(yù)警角度,需要對發(fā)生驟淤的典型路徑,或者可能引發(fā)驟淤的參數(shù)特征進行分析。

對于長江口而言,臺風(fēng)包含4個主要參數(shù),中心氣壓、距長江口(以牛皮礁站為例)的距離(后文簡稱距離)、最大風(fēng)速半徑和移動風(fēng)速,4個參數(shù)總體呈獨立分布。

為了分析長江口發(fā)生驟淤的臨界情況及牛皮礁站出現(xiàn)較大波能的臺風(fēng),首先需要分析臺風(fēng)的幾個參數(shù)的敏感性。因為統(tǒng)計樣本數(shù)量較少,無法從實測的臺風(fēng)過程、波能和相應(yīng)的驟淤量數(shù)據(jù)分析各參數(shù)的敏感性，因此,需要開展系列數(shù)值計算,模擬概化的臺風(fēng)風(fēng)場以及波浪場,計算牛皮礁站的波能,并做對比分析。

合理的試驗設(shè)計是統(tǒng)計分析的前提,本文選擇正交試驗方法[3],有效地縮減了試驗組次,計算了不同工況牛皮礁站的波能,并通過概率統(tǒng)計的方差分析和極差分析方法分析各個要素的敏感性。

在分析得到各個要素敏感性的基礎(chǔ)上,選取最敏感的臺風(fēng)參數(shù)作為臺風(fēng)的代表參數(shù),概化其他不敏感的參數(shù)取值,則可以構(gòu)筑典型的臺風(fēng)工況。然后通過藤田-高橋圓形風(fēng)場經(jīng)驗公式,計算得到相應(yīng)工況下臺風(fēng)的風(fēng)場,并進一步計算得到波浪場以及牛皮礁站的波能。參考發(fā)生驟淤期間的臨界波能值,可以得到臺風(fēng)的典型路徑范圍。

1 正交試驗設(shè)計及分析方法

表1 臺風(fēng)4個因素的各水平值

正交試驗法是一種科學(xué)地安排多因素、多水平試驗,它是在試驗因素的全部水平組合中,挑選部分有代表性的水平組合進行試驗,通過對這部分試驗結(jié)果的分析了解全面試驗的情況,并采用統(tǒng)計學(xué)方法分析試驗結(jié)果的一種試驗設(shè)計方法[4-6]。

試驗因素和因素水平較低的試驗可以通過查閱特定的正交試驗表設(shè)計試驗。本次試驗以長江口中的牛皮礁站為參考點,考慮中心氣壓、距離、最大風(fēng)速半徑、移動速度4個臺風(fēng)因素,每個因素取8個水平,全部開展計算,則試驗組次達到84,采用SPSS軟件，利用正交表設(shè)計4因素8水平試驗[7](表1),組次安排見表2。正交試驗的數(shù)據(jù)分析方法分為極差分析法(又稱直觀分析法)和方差分析法(又稱統(tǒng)計分析法)兩種[4,6]。

2 試驗結(jié)果分析

圖1 牛皮礁波能隨各因素水平變化趨勢Fig.1 Wave energy changing with different parameters in NPJ Station

以根據(jù)正交試驗設(shè)計確定的64個計算組次中的臺風(fēng)要素為標(biāo)準(zhǔn),采用藤田-高橋經(jīng)驗公式進行臺風(fēng)風(fēng)場模擬[8-9],并采用SWAN模型計算得到臺風(fēng)期間牛皮礁站的波況參數(shù)[10-13],最后由波能計算公式得到牛皮礁站的總波能(表2)。

繪制牛皮礁站點在臺風(fēng)期間總波能隨各因素水平變化的趨勢(圖1)，圖1中k1至k8分別表示每個因素列上水平號為1至8時所對應(yīng)的牛皮礁總波能之和的算術(shù)平均值。由圖1可得，中心氣壓、距離、最大風(fēng)速半徑、移動速度的極差R分別為267.49 kW·h、324.74 kW·h、36.10 kW·h、273.88 kW·h。

由圖1可以看出,牛皮礁站的波能隨著中心氣壓、距離和移動速度的增大呈現(xiàn)顯著減小趨勢,而最大風(fēng)速半徑的變化對牛皮礁站點的波能變化影響不大。另由極差分析,可以判斷距離對牛皮礁站點的波能變化影響最大,其次是移動速度和中心氣壓,這2個因素對波能的影響相差不大,而最大風(fēng)速半徑對牛皮礁波能的影響最小。

表2 正交試驗的組次設(shè)計及計算結(jié)果

表3 正交試驗方差分析結(jié)果

注:F為方差檢驗(又稱F檢驗)的判別參數(shù),與給定顯著水平的標(biāo)準(zhǔn)F值相比較,F值越大,說明因素之間效果越明顯。

在極差分析的基礎(chǔ)上,運用方差分析法對牛皮礁站波能指標(biāo)進行分析,結(jié)果見表3。

選擇2個置信度作為判別區(qū)間,0.25和0.001。通過查F分布表可知,F0.25(7,35)=1.37,F0.001(7,35)=4.59。

由表3可知,中心氣壓、距離和移動風(fēng)速的F均大于F0.001(7,35),說明這3個因素均有較為顯著的影響,其中距離的影響最大。而最大風(fēng)速半徑的F小于F0.25(7,35),說明臺風(fēng)最大風(fēng)速半徑為不顯著影響因素。

3 典型路徑的包絡(luò)線

驟淤對距離和中心氣壓變化最敏感,移動風(fēng)速次之,而對最大風(fēng)速半徑不敏感。故選擇距離和中心氣壓表達可能引起驟淤的臺風(fēng),其他2個參數(shù)在計算中選取有統(tǒng)計代表性的取值。選取的原則是較易在長江口區(qū)域形成波能較大、持續(xù)時間較長的波浪。根據(jù)上述原則,最大風(fēng)速半徑取合理范圍內(nèi)的最大值,移動風(fēng)速取可能范圍內(nèi)的最小值。

3.1移動風(fēng)速和最大風(fēng)速半徑的概化

臺風(fēng)移動風(fēng)速通常與臺風(fēng)所在的中尺度氣流槽的速度相關(guān)性較大,但臺風(fēng)形成后且行進過程中不受陸地影響,氣壓和移動風(fēng)速總體也呈現(xiàn)一定的規(guī)律,即臺風(fēng)中心氣壓越低,則移動風(fēng)速越快。長江口同緯度臺風(fēng)移動風(fēng)速與中心氣壓的關(guān)系見圖2。

若假定移動風(fēng)速選取圖2所示的下包絡(luò)線,基本可涵蓋所有的東側(cè)過境臺風(fēng)的移動風(fēng)速,即移動風(fēng)速滿足下式:

Vel=-0.33Pre+339

(1)

式中:Vel——移動風(fēng)速;Pre——臺風(fēng)中心氣壓。

最大風(fēng)速半徑是風(fēng)場計算的難題,近年來有諸多文獻做過討論,根據(jù)文獻[11, 14-15]中公式,計算風(fēng)圈明顯小于影響長江口區(qū)域臺風(fēng)的最大風(fēng)圈。

臺風(fēng)后報中,通常能夠給出十級風(fēng)圈半徑,可以近似地認(rèn)為在該風(fēng)圈半徑下風(fēng)圈附近風(fēng)速可以達到十級風(fēng)速下限(24.5 ～28.4 m/s)。因風(fēng)圈半徑在計算中屬于不敏感參數(shù),選取十級風(fēng)圈的擬合值作為最大風(fēng)圈的計算取值。在通常情況下,最大風(fēng)速半徑是小于十級風(fēng)圈半徑的,故采用該種概化方式得到的最大風(fēng)速半徑計算得到的風(fēng)場會強于實際風(fēng)場,計算偏于保守。計算采用的“中心氣壓-風(fēng)圈半徑”擬合曲線見圖3。

圖2 長江口附近東側(cè)過境臺風(fēng)的移動風(fēng)速及其包絡(luò)線Fig.2 Moving wind velocities and related envelopes of typhoons passing through the eastern part of Yangtze Estuary

圖3 最大風(fēng)速半徑的取值Fig.3 Evaluation of the maximum typhoon radius

驟淤期間天氣過程牛皮礁實測波能/(kW·h)統(tǒng)計驟淤量/104m3201007圓規(guī)、201009瑪瑙聯(lián)合作用922010年10月寒潮882201105米雷484201109梅花372.2727201209蘇拉、201210達維、201211?？?lián)合作用405413201215布拉萬、201214天秤201216三巴、2012年10月寒潮聯(lián)合作用578.91042201323菲特、201324丹納斯聯(lián)合作用315.3201201408浣熊242.8223201412娜基莉314.7248201418巴蓬、201419黃蜂649.5582201509燦鴻385.3799

注：其中2012年布拉萬、天秤、三巴及寒潮合計波能為578.9，其中三巴臺風(fēng)的波能為166 kW·h,2012年10月寒潮的波能為71.4 kW·h；2014年巴蓬和黃蜂臺風(fēng)的合計波能為649.5 kW·h，其中巴蓬臺風(fēng)的波能為190.3 kW·h。

根據(jù)式(1),可得到在計算的氣壓范圍內(nèi)最大風(fēng)圈在51～55 km,該計算風(fēng)圈明顯小于影響長江口區(qū)域臺風(fēng)的最大風(fēng)圈。

臺風(fēng)后報中,通常能夠給出十級風(fēng)圈半徑,可以近似地認(rèn)為在該風(fēng)圈半徑下風(fēng)圈附近風(fēng)速可以達到十級風(fēng)速下限(24.5～28.4 m/s)。因最大風(fēng)速半徑屬于不敏感參數(shù),選取十級風(fēng)圈的擬合值作為最大風(fēng)速半徑的計算取值。在通常情況下,最大風(fēng)速半徑是小于十級風(fēng)圈半徑的,故采用該種概化方式得到的最大風(fēng)速半徑計算得到的風(fēng)場會強于實際風(fēng)場,計算偏于保守。計算采用的“中心氣壓-風(fēng)圈半徑”擬合曲線見圖3。

3.2引發(fā)驟淤的臨界波能取值

為得到影響驟淤臺風(fēng)的典型路徑及包絡(luò)線,首先需要確定驟淤期間的波能,并選取臨界波能指標(biāo)作為判斷指標(biāo)。根據(jù)實測統(tǒng)計,2010—2015年所有發(fā)生驟淤與波能的對應(yīng)情況見表4。

由表4可知歷次臺風(fēng)引起的驟淤,波能最小值為166 kW·h(三巴臺風(fēng)),計算保守取150 kW·h作為能夠引起驟淤的波能臨界值。

3.3包絡(luò)線范圍及討論

選取120 km的最大計算風(fēng)圈半徑以及式(1)給定的移動風(fēng)速,可以在不同中心氣壓、不同距離的工況下,通過如上文所示的方法構(gòu)建風(fēng)場,并采用SWAN模型計算得到牛皮礁站的波浪過程,然后采用計算得到相應(yīng)的波浪場。

圖4 正交分析計算包絡(luò)線Fig.4 The calculated envelope via orthogonal analysis

在確定的中心氣壓下,可以試算得到波能達到150 kW·h時刻的距離參數(shù)。二者繪圖可以得到包絡(luò)線范圍,見圖4。

根據(jù)圖4所示,歷史上發(fā)生的驟淤中,僅有瑪瑙臺風(fēng)和黃蜂臺風(fēng)沒有在包絡(luò)線范圍內(nèi)。鑒于驟淤統(tǒng)計是一個較為復(fù)雜的步驟,采用的驟淤統(tǒng)計方法、船方量源數(shù)據(jù)、統(tǒng)計時間區(qū)間乃至疏浚工作時間等均可能對航道的驟淤量有一定的影響。根據(jù)分析,2010年瑪瑙臺風(fēng)與圓規(guī)臺風(fēng)合計的驟淤量僅92萬m3,扣除圓規(guī)臺風(fēng)影響,其驟淤量可能在數(shù)據(jù)統(tǒng)計誤差范圍內(nèi)。2014年黃蜂臺風(fēng)同樣與巴蓬臺風(fēng)聯(lián)合影響長江口,其單獨對長江口的驟淤影響,也可能存在一定的統(tǒng)計誤差。

2015年2次東側(cè)過境臺風(fēng)哈羅拉及天鵝均未能進入計算得到的包絡(luò)線范圍,同樣也沒有在長江口引發(fā)驟淤。

該包絡(luò)線給出的是可能引發(fā)臺風(fēng)的典型臺風(fēng)路徑,即預(yù)報東側(cè)過境臺風(fēng)臨近長江口時,根據(jù)預(yù)報的距離和中心氣壓,可以在一定程度上預(yù)知驟淤發(fā)生的可能性,如“距離-中心氣壓”參數(shù)在包絡(luò)線范圍內(nèi),則有較大可能發(fā)生驟淤。

4 結(jié) 語

為了研究能導(dǎo)致長江口水深航道產(chǎn)生明顯驟淤臺風(fēng)的參數(shù)敏感性,采用正交試驗的方法構(gòu)造典型臺風(fēng)組次,選擇藤田-高橋圓形風(fēng)場公式和SWAN模型分別計算風(fēng)場和波浪場,最后根據(jù)牛皮礁站波能的極差分析和方差分析,得出了臺風(fēng)要素的敏感性次序。研究結(jié)果表明臺風(fēng)中心氣壓和距離為顯著影響因素,移動速度顯著影響次之,臺風(fēng)最大風(fēng)圈為不顯著影響因素。

選取距離與中心氣壓為代表參數(shù),概化移動風(fēng)速和最大風(fēng)速半徑,選取統(tǒng)計得到的150 kW·h作為能夠引起驟淤的臨界波能標(biāo)準(zhǔn),給出了較易引發(fā)驟淤的典型包絡(luò)線范圍,該包絡(luò)線可以依據(jù)臺風(fēng)預(yù)報過程中的氣壓和路線參數(shù)為驟淤預(yù)報及疏浚工作提供參考。

[ 1 ] 黃華聰,賈曉，路川藤.影響長江口深水航道驟淤的非常態(tài)天氣過程Ⅰ：臺風(fēng)的路徑特征及數(shù)值驗證[J].河海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2017，45(5)：432-438.(HUANG Huacong, JIA Xiao, LU Chuanteng .The extraordinary weather process inducing sudden siltation in deepwater navigation channel of Yangtze Estuary I：the typhoon path characteristics and numerical verification[J].Journal of Hohai University(Natural Sciences),2017，45(5)：432-438.(in Chinese))

[ 2 ] 趙德招,劉杰,吳華林.近十年來臺風(fēng)誘發(fā)長江口航道驟淤的初步分析[J].泥沙研究,2012(2):54-60.(ZHAO Dezhao, LIU Jie, WU Hualin. Preliminary analysis of typhoon-induced sudden sedimentation in navigation channel in Yangtze Estuary over last decade[J]. Journal of Sediment Research, 2012(2):54-60.(in Chinese))

[ 3 ] 徐仲安,王天保,李常英,等. 正交試驗設(shè)計法簡介[J]. 科技情報開發(fā)與經(jīng)濟, 2002, 12(5): 148-150.(XU Zhongan, WANG Tianbao, LI Changying, et al. Brief introduction to the orthogonal test design[J]. Sci/tech Information Development & Economy, 2002, 12(5):148-150. (in Chinese))

[ 4 ] 董如何, 肖必華, 方永水. 正交試驗設(shè)計的理論分析方法及應(yīng)用[J]. 安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2004, 12(6): 103-106. (DONG Ruhe, XIAO Bihua, FANG Yongshui. The theoretical analysis of orthogonal test designs[J]. Journal of Anhui Institute of Architecture & Industry(Natural Science),2004,12(6):103-106. (in Chinese))

[ 5 ] 姜同川. 正交試驗設(shè)計[M]. 濟南: 山東科學(xué)技術(shù)出版社, 1985.

[ 6 ] 苑玉鳳. 多指標(biāo)正交試驗分析[J]. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報,2005, 19(4): 53-56. (YUAN Yufeng. Analysis of multi-target orthogonal experiment[J]. Journal of Hubei Automotive Industries Institute, 2005, 19(4):53-56. (in Chinese))

[ 7 ] 鄧振偉,于萍,陳玲. SPSS 軟件在正交試驗設(shè)計、結(jié)果分析中的應(yīng)用[J].電腦學(xué)習(xí), 2009(5): 15-17. (DENG Zhenwei,YU Ping, CHEN Ling. Application of SPSS software in orthogonal design and result analysis[J]. Computer Study, 2009(5):15-17. (in Chinese))

[ 8 ] FUJITA T. Pressure distribution within typhoon[J]. Geophysical Magazine. 1952, 23(4): 437-451.

[ 9 ] 蔣小平,鐘中,張金善,等. 臺風(fēng)浪模擬預(yù)報中的風(fēng)場比較研究[J]. 海洋通報, 2007, 26(2): 11-19. (JIANG Xiaoping, ZHONG Zhong, ZHANG Jinshan, et al. Comparison study on the surface wind over ocean in typhoon waves simulation[J]. Marine Science Bulletin, 2007, 26(2):11-19. (in Chinese))

[10] BOOIJ N, HOLTHUIJSEN L H, RIS R C. The “SWAN” wave model for shallow water[J]. Coastal Engineering Proceedings,1996, 1(25): 668-676.

[11] OU S, LIAU J, HSU T, et al. Simulating typhoon waves by SWAN wave model in coastal waters of Taiwan[J]. Ocean Engineering, 2002, 29(8): 947-971.

[12] BOOIJ N, RIS R C, HOLTHUIJSEN L H. A third-generation wave model for coastal regions: 1. model description and validation[J]. Journal of Geophysical Research: Oceans, 1999, 104(C4): 7649-7666.

[13] ZIJLEMA M. Computation of wind-wave spectra in coastal waters with SWAN on unstructured grids[J]. Coastal Engineering, 2010, 57(3): 267-277.

[14] LAJOIE F, WALSH K. A technique to determine the radius of maximum wind of a tropical cyclone[J]. Weather and Forecasting, 2008, 23(5): 1007-1015.

[15] 徐福敏, 張長寬. 臺風(fēng)浪對長江口深水航道驟淤的影響研究[J].水動力學(xué)研究與進展, 2004, 19(2): 137-143.(XU Fumin, ZHANG Changkuan. Study of the effect of storm waves on the rapid deposition of the Yangtze River Estuary channel[J]. Journal of Hydrodynamics, 2004, 19(2):137-143. (in Chinese))

TheextraordinaryweatherprocessinducingsuddensiltationindeepwaternavigationchannelofYangtzeEstuaryII：sensitivityanalysisoftyphoonparametersanditstypicaltracks

JIAXiao1,2,LUChuanteng3,HUANGHuacong1

(1.ShanghaiEstuarineandCoastalScienceResearchCenter，Shanghai201201，China；2.MOEKeyLaboratoryofHydrodynamics,SchoolofNAOCE,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China; 3.RiverandHarborEngineeringDepartment,NanjingHydraulicResearchInstitute,Nanjing210029,China)

To further identify the effects of four typical typhoon parameters,namely, central atmospheric pressure, distance from typhoon center to Yangtze Estuary, maximum wind radius and moving wind velocity on the sudden siltation of navigation channel in Yangzi Estuary, the orthogonal experimental design (OED) method is used to design 64 groups of typical working conditions. The wind filed is established with the empirical formula of Fujita-Takahashi circular wind filed, and SWAN model is used to simulate the wave conditions under different typhoon working conditions, by which the wave energy at NPJ station is calculated. The sensitivity sequence of the four parameters is then deduced according to the RA (Range Analysis) and VA (variance analysis) of wave energy. The study shows that in the typhoon passing through Yangtze Estuary, the distance is the most sensitive parameter and maximum wind radius is less sensitive. In this case, the two major sensitive parameters(distance and central pressure) are taken as representative parameters, while moving wind speed and maximum wind radius are generalized. A typical envelope line is proposed based on a reasonable selection of the critical wave energy which is likely to cause sudden siltation, hence providing a novel reference to predict the sudden siltation.

sudden siltation; typhoon parameters; sensitivity analysis; orthogonal test; range analysis; variance analysis; typical typhoon track

10.3876/j.issn.1000-1980.2017.05.010

2016-08-03

國家自然科學(xué)基金青年基金(41206072);2016年港口航道泥沙交通行業(yè)重點實驗室開放基金(Yn216001)

賈曉(1984—),男,山東萊陽人,副研究員,博士研究生,主要從事港口航道、海岸與近海工程研究。E-mail:jiaxiao1984@126.com

TV148;P732

A

1000-1980(2017)05-0439-06