基于WAVEWATCHIII模型的可能最大臺風浪的推算

孔叢穎 ，孫運佳 ，侯堋

（1．中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2．中國交建海岸工程水動力重點實驗室，天津 300222；3．珠江水利科學研究院，廣東 廣州 510611）

0 引言

福島核電事故后，評估極端天氣工況下是否會影響核島區(qū)安全十分必要。近幾年，極端氣象事件發(fā)生較為頻繁，有越來越多的超強臺風在我國沿海登陸，威脅了沿海核電廠的防洪安全。2011年底，沿海大型工程海洋災害風險排查工作啟動[1]。

可能最大臺風浪是沿海核電工程設計和海洋災害風險排查中所需考慮的重要因素之一，但相關研究成果較少。本次研究的核電站建設較早，未有相關試驗成果可以參考，地形及構筑物設計圖紙更早，評估極端臺風工況是否會影響到核島區(qū)的安全十分必要，本次研究成果將最終為該核電廠防洪設計與措施提供最為經濟的改進建議。

1 工程區(qū)域簡介

核電站廠址位于大鵬半島東南側，西距深圳市區(qū)直線距離45 km，西南距香港市區(qū)直線距離約55 km，北距惠州市大亞灣經濟規(guī)劃區(qū)邊界約10 km，廠址東南瀕臨大亞灣，西北為丘陵山地，地理坐標為東經 114°33′，北緯 22°36′。

2 可能最大熱帶氣旋參數的選取

可能最大臺風浪就是指由可能最大熱帶氣旋引起而伴隨可能最大風暴潮所產生的臺風浪。可能最大熱帶氣旋（PMTC）參數[2]的取值見表1。

表1 可能最大熱帶氣旋的假想路徑及參數Table 1 The hypothetical path and parameters of PMTC

3 可能最大臺風浪的計算

3.1 WAVEWATCHIII海浪模型

WAVEWATCH的 3．14版本是在 WAM（the Wave Model）模式的基礎上發(fā)展起來的，該模式對控制方程、程序結構、數值和物理的處理方法進行了改進，更加合理地考慮了波-流相互作用和風浪物理機制等方面，WAVEWATCHIII模式極大地提高了波浪數值計算精度。

模式控制方程采用波作用量密度譜，即N（k，θ）≡F（k，θ）/σ，波浪傳播可描述為：

式中：N為波作用量密度譜；d/dt表示全導數；F為海浪譜；k為波數；θ為波向；σ為固有頻率；S為與海浪譜 F的源和匯的總和，S（Tolman，2009）[3]可表示為：

式中：源函數項包括風能量輸入項Sin、非線性波-波相互作用項Snl、白冠耗散項Sds和底摩擦項Sbot。WAVEWATCHIII（version3．14）新加入了線性輸入項Sln，在極淺水域還考慮了水深誘導破碎項Sdb和三波相互作用項Str同時還包括含有受地形影響的散射項Ssc以及用戶自定義的源項Sxx。

3.2 計算區(qū)域和數據來源

計算區(qū)域為 103°E～135°E，13°N～30°N（見圖 1），模式運行所需的地形數據來源于ETOPO1全球地形數據集[4]，該數據的分辨率為1′×1′，網格數為269×360；衛(wèi)星風場數據采用CFSR[5]風場（2011年以后稱為 cfsv2），分辨率為 0．2°×0．2°。

圖1 計算區(qū)域地形范圍示意圖Fig.1 The calculation range of the model

3.3 輸入風場

臺風浪的特征分布與臺風風場有直接關系，臺風風場的精確度很大程度上直接決定了模型的模擬精度，本次采用衛(wèi)星遙感海面CFSR風場數據為背景風場，嵌入風場模型進行修正，致使輸入風場更精確。

Holland經驗臺風模型公式[6]：

B是Holland擬合參數，計算時取Hubbert于1991年給出的經驗公式：B=1．5+（980-P0）/120

式中：ρa為空氣密度，取為1．2 kg/m3；P0為臺風中心氣壓，hPa；P∞為臺風外圍氣壓，一般取值為1 013．3 hPa；r是計算點到臺風中心的距離，m，其中xc、yc代表臺風中心位置；f為科氏參數；Rmax為最大風速半徑，計算時取美國Graham和Nunn提出的臺風最大風速半徑的經驗公式：Rmax=28．52th[0．087 3（φ-28）]+

式中：φ為臺風中心地理緯度；V為臺風中心移動速度。

輸入風場的構造公式為：

式中：Vtc為風場模型計算得到的臺風風場；VQ為衛(wèi)星風場，本文中為CFSR風場；C是一個考慮臺風影響范圍的系數，C=r/（nRmax）；n為系數，一般取9或10。這樣，所得到的權重系數e隨計算點到臺風中心距離的不同而不同，這樣既保證了在臺風附近使用臺風模式計算的風場，距臺風中心遠的點使用背景風場，保證了兩個風場的平滑過渡。

3.4 模型驗證

利用WAVEWATCHIII海浪模型對經過核電站附近海域的1104號臺風（Haima）、1409號臺風（NURI）和1604號臺風（Nida）3個典型臺風過程進行了模擬計算，且采用浮標F203、北海站及相關測波站的實測波高驗證了波浪模型計算結果。

實測與模擬海浪過程曲線見圖2。由波高（有效波高）過程曲線來看，實測波高和模擬波高吻合較好，該模型準確地反映了波浪大小的變化趨勢。

圖2 1604號臺風期間4個測波站處實測與計算波高對比圖Fig.2 The comparison of the measured and calculated significant wave height at 4 stations during typhoon 1604

3.5 可能最大臺風浪的推算結果

廠址外海-20 m等深線處可能最大臺風浪有效波高為13．7 m，圖3反應了可能最大臺風浪隨時間的變化過程。

圖3 外海-20 m等深線處可能最大臺風浪（有效波高）時間過程線Fig.3 The time process curve of the probably maximum typhoon wave(significant wave height)at offshore-20 m isobath

4 結語

WAVEWATCHIII模式較好地模擬了臺風過程波浪大小的變化，該模式對臺風浪的模擬較為準確。同時利用該方法計算的可能最大臺風浪已經應用于該核電廠區(qū)的防洪安全設計中，取得了良好的效果?？赡茏畲笈_風浪是核電站工程設計和海洋災害防御應當考慮的因素之一，本研究為該核電站及其周邊海域可能最大臺風浪的推算積累了經驗，為今后我國核電廠防洪設計提供了技術支持。