沙埕港超强台风 “桑美”灾害成因的数值模拟分析

栾曙光，李可，桑宝峰

(1.大连海洋大学海洋与土木工程学院，辽宁大连116023;2.南宁港开发投资有限公司，广西南宁530028)

位于福建省福鼎市的沙埕港是中国东南沿海少有的天然避风良港，港内水域岸线呈不规则弯曲型，长达5 000余米，水面平均宽度约1.8 km，水深大部分为5～15 m，深槽贴近对岸，水深为15～35 m。沙埕港外有南镇半岛及南关岛、北关岛作为天然屏障，港内两岸高山对峙，直插水中，主要山峰有22座，最高峰为台峰的岗头顶，海拔353 m，四周掩护完整，港阔水深，风平浪静，水流平顺，常年不淤，而且多为泥沙底质，是附近渔船习惯停泊和避风的主要场所。每年有众多的外地船舶来港停泊避风，有时多达3 000多艘，集中分布在1、2、3、4号锚泊区域内 (图1)。50年来，沙埕港成功地抵御了一次又一次正面和侧面登陆的热带气旋。2006年8月10日17:25:00超强台风“桑美”在浙江省温州市苍南县距沙埕港10 km的马站镇正面登陆，登陆时中心气压920 hPa，最大风速为60 m/s，成为50年来登陆中国大陆强度等级最高的热带气旋［1］。风眼经过了沙埕港，风眼过后风速超过60 m/s的“回南风” (SSE向风)肆虐沙埕港长达3.5 h，具有毁灭性威力的17级风风圈半径达45 km。港内停泊的952艘避风船只损毁沉没，其中110.3 kW以上的渔船有63艘，造成148人死亡，168人失踪的重大损失［2］。本研究中，作者以超强台风“桑美”正面登陆沙埕港的风场数据为依据，应用丹麦水力研究所研制开发的MIKE 21SW模块模拟台风浪在近岸区域的成长、衰减及变形分布情况，在此基础上应用MIKE 21BW模块推算港内1号锚泊区域波浪参数，并根据计算结果分析了沙埕港在“桑美”台风正面登陆时港内波浪分布的特征及灾害成因。

1 MIKE 21SW模块数值计算及结果分析

在笛卡尔坐标系下，MIKE 21SW的控制方程，即波作用守恒方程可以表达为

其中:N(σ，θ)表示波作用密度谱，用来描述海浪，σ为相对波频率，θ为波向;t为时间 (s);v指波群速度，v=(Cx，CyCσ，Cθ)，Cx、Cy分别表示波作用在地理空间 (x，y)中传播时的变化，Cσ表示由于水深和水流变化造成的相对频率的变化，Cθ表示由水深和水流引起的折射;S为能量平衡方程中以谱密度表示的源函数。

空间区域划分采用非结构化网格，将空间区域分解为互不重叠的三角形连续单元格 (图2)。本模型分别在北向、东向、南向划分3个开边界，即N、E、S边界，在开边界处需要指定能量谱参数，并设为对称边界。水深数据由海图矢量化获得，计算水位采用设计高水位;风场数据采用温州台风网实测的气象资料 (每2 h测一次)，包括台风中心的经纬度坐标、气压、最大风速等。最大风速半径计算公式［3］为

图1 沙埕渔港锚泊区域分布图Fig.1 The chart of mooring areas in Shacheng fishing port

计算网格见图2。在沙埕港口门外10～12 m等深线附近设置6个控制点，从SW模块计算结果中提取其有效波高、最大波高、谱峰周期、波向等波浪要素，为下一步利用BW模块进行港内波浪的推算提供计算依据。计算结果显示，深海区域波浪方向与风向基本一致，呈逆时针螺旋形。在台风风眼附近的浪向与风圈半径成90°夹角;随着与台风中心距离的增大，浪向与风圈半径夹角不断减小，6级风圈附近处浪向与风圈半径的夹角约为45°。对6个控制点波浪数据的观测结果表明，19:00—2 3:00时“回南风”肆虐，最大波高值接近或超过8 m，波向由 S向 (174°)逐渐转至 SSE向(158°)，在21:00波浪参数达到极值，有效波高为5.29 m，最大波高为8.64 m，相应的周期为7.89 s，波向为 SSE(160.4°)。计算结果验证了渔民对现场台风的描述，即沙埕港经历了30 min的风平浪静之后，极具破坏力的“回南风”又对该港肆虐了近3.5 h，使该渔港遭受重创［4］。

图2 计算区域网格设置示意图Fig.2 The Schematic diagram of calculation regional grid

2 MIKE 21BW模块数值计算及结果分析

本研究中采用MIKE 21软件系统中的BW模块进行港内波况数值的模拟计算，该模型通过求解沿垂向积分的Boussinesq方程获得沿水深平均的流速、水位变化以及波高等物理量。MIKE 21BW不同于一般的波浪数学模型，它是在指定时段和指定区域内模拟波浪运动的物理过程，根据记录下来的水面波动过程，统计波浪等特征值。从这个意义上讲，用MIKE 21BW进行数学模型试验与通常采用的物理模型试验方法及步骤完全相同，所以它对现场波况的描述更加真实可靠［5］。

2.1 BW模块的基本原理

BW模型基本控制方程的连续方程为

X方向动量方程为

Y方向动量方程为

式中:x、y为水平坐标 (m);t为时间 (s);ξ为高出平均水位的水面高度 (m);p、q分别为x、y方向的流量密度;h为水深 (m);d为平均水深(m);c为谢才阻力系数，c=M·h1/6;M为曼宁系数，缺省值为32 m1/3/s;E为紊动“涡黏”系数;g 为重力加速度［5］。

2.2 边界条件

沿港区岸线设置闭合边界，用来模拟波浪的反射、折射以及衍射。由于沙埕港内岸线形式基本为直立式，可视为全反射，港内岸线边界反射系数取为1.0。沿口门设置吸收边界，即消波层，与闭合边界组成封闭模型。在模型内部，紧靠消波层设置波浪生长线，用来模拟波浪的生成。与目标传播方向不一致的波浪，会被消波层吸收掉，消波层的宽度设置为1～2倍波长。

2.3 时空步长

计算最小周期波在较浅水域传播时，易引起数值不稳定的现象，依据MIKE 21软件说明，网格大小需满足，而最小波长Lmin由最小周期Tmin和最小水深dmin确定。时间步长的选取由所选择的方程形式和模型决定，对于不含深水项的Boussinesq方程计算时间步长需满足最短波周期的条件。为了避免数值的衰减及不稳定性的因素，时间步长取值应该更小。本研究中根据计算机的实际模拟情况，取Δx=10 m，Δt=0.1 s。

2.4 计算结果分析

文献 ［6］针对热带气旋登陆情况下渔船安全避风问题，进行了物理模型和数学模型试验，将有效波高Hs≤1.0 m作为判定渔船安全锚泊的临界有效波高;《浙江省沿海标准渔港布局与建设规划》(2007-2020)中明确提出渔船避风的安全指标为Hs≤1.0 m;《福建省渔港建设标准》中规定，在设计高水位时，港内避风水域安全锚泊标准为50年一遇的有效波高Hs≤0.5 m。鉴于上述研究成果，并考虑到超强台风“桑美”登陆时，在沙埕港1号锚泊区避风的渔船均为大型渔船，本研究中将临界有效波高定为1.0 m，是比较科学合理的。

采用MIKE 21BW的计算结果见图3。沙埕港由于有南镇半岛及南关岛、北关岛作为天然屏障，对SSE方向的入射波浪有一定的阻隔作用。计算结果显示，位于口门附近的1号锚泊区域有三分之一水域面积有效波高超过1.0 m。当地渔民凭借多年的避风经验，小型渔船在第一时间回到港内，选择2、3、4号避风条件比较好的锚泊区域避风。4号锚泊区域又称为八尺门锚泊区，水深较浅，一些渔船搁浅锚泊，周围有山体作为避风屏障，超强台风“桑美”正面登陆过后几乎没有人员伤亡及财产损失。而大型渔船回港时间比较晚，停泊在口门附近1号锚泊区域，在17级“回南风”和传入港内波浪的共同作用下，1号锚泊区域停泊的船只先后走锚、断缆，并相互碰撞，导致停泊在1号锚泊区域的952艘大型避风渔船损毁沉没，造成148人死亡，168人失踪的重大损失。究其原因，一是沙埕港曾经为数以万计的船舶提供安全庇护，渔民有麻痹和侥幸心理，认为在沙埕港避风可以100%的安全，甚至远离沙埕港的渔船都争先恐后的涌向沙埕港避风，致使沙埕港港内渔船拥挤不堪，满负荷运转;二是“桑美”为超强台风，风力等级达到了17级，又是正面登陆， “回南风”的持续时间较长，波向和风向与1号锚泊区域两岸山体所形成的狭长水域走向基本一致，在港内1号锚泊区域有三分之一水域面积产生的有效波高超过临界有效波高;三是驾驶大型渔船的渔民认为，渔船大且避风能力较强，停泊在口门附近也不会出现问题，过高的估计了这座天然避风良港的避风能力和大型渔船的抗风能力，最终在狂风和波浪的共同作用下使得港内船舶走锚，导致相互碰撞与沉没。

图3 台风“桑美”期间在SSE波向下沙埕港内有效波高的分布图Fig.3 The significant wave height distribution during Typhoon Saomai by SSE direction in Shacheng port

3 结论

1)沙埕港损失惨重的原因之一是超强台风“桑美”沿SSE方向正面登陆，“回南风”持续时间长，波向和风向与港区狭长的水域平行，1号锚泊区域有效波高超过临界有效波高，导致港内船舶走锚、相互碰撞、损毁沉没。

2)当强台风或超强台风正面登陆沙埕港时，且其风向在SSE至EES范围内时，沙埕港1号锚泊区域不具备抵御超强台风正面登陆的能力。渔船应选择2、3、4号锚泊区域避风，或选择远离台风中心的渔港去避风。

［1］苏增，张海强.8号台风“桑美”防御工作与反思［J］.中国防汛抗旱，2006(4):14-17.

［2］赵生才.登陆台风的科学问题及防灾减灾对策［J］.科学新闻，2006(13):41-42.

［3］NOAA.Meteorological criteria for standard project hurricane and probable maximum hurricane windfields，Gulf and East Coast of the United States［R］Washington:Technical Report NWS-23，1979.

［4］马玉芬.台风“桑美”登陆期间的资料同化对比研究［D］.南京:南京信息工程大学，2008:31-33.

［5］张娜，郭科.应用MIKE21 BW模型进行日照港波浪数值模拟研究［J］.中国港湾建设，2007(1):32-34.

［6］毛丹红.透空式防波堤整体防浪掩护效果综合研究——以福建省三沙中心渔港为例［D］.南京:河海大学，2008:53-55.

［7］陈雪峰，王桂萱.MIKE 21计算软件及其在长兴岛海域改造工程上的应用［J］.大连大学学报，2007，28(6):93-98.