海南省清澜渔港近岸台风浪数值模拟及波高重现值的推算

王南图,王晓亮,栾曙光

(大连海洋大学海洋与土木工程学院,辽宁大连116023)

海南省清澜渔港近岸台风浪数值模拟及波高重现值的推算

王南图,王晓亮,栾曙光

(大连海洋大学海洋与土木工程学院,辽宁大连116023)

选取1980—2010年在海南省东海岸登陆的、每年强度等级最高的31个台风数据,应用MIKE21 SpectralWave计算模型,模拟清澜渔港台风浪的全过程,并对其中3个台风浪进行模型率定,计算结果与海南省清澜渔港近岸30 m水深处波浪实测数据相吻合。应用皮尔逊Ⅲ型频率曲线软件进行分析,清澜渔港近岸30 m水深处最大有效波高出现在N至NE方向,百年一遇的有效波高为5.78 m,50年一遇的有效波高为5.3 m,20年一遇的有效波高为4.6 m。本研究结果可对渔港的规划设计、防灾减灾提供有效参考,特别对缺少波浪实测资料的近岸工程具有实际应用价值。

海南省清澜渔港;台风浪;模型率定;有效波高

在海洋工程设计中,波浪要素的确定是重要因素之一。然而,就一般海区而言,有长期实测波浪资料的地区很少,为满足工程上的需要,必须进行一系列的推算。目前,国内外主要依靠长期的风资料来推算较长重现期的波浪。

潘玉萍等[1]利用第三代近岸海浪数值模式(SWAN),模拟了湛江港海域一次台风浪过程,结果表明,台风风场直接决定了海浪的分布特征,在台风场的驱动下,风向与浪向基本上一致,并且波高、波长与周期的发展和传播方向与风向也一致;风速的大小决定了波高、波长与周期的大小;海浪的分布特征受台风中心的位置和移动路径影响较大,这可为湛江港海域台风浪的预报提供借鉴。陈希等[2]利用SWAN模式对影响南海湛江港海域的两次台风浪过程进行了模拟研究,结果表明,由藤田台风风场模型同化相应时刻的台风要素、NCAR/NCEP网格点资料、单站观测资料后,提供模式所需风场;利用自嵌套的方式,提供模式波谱边界条件;两次模拟结果与实际海浪观测资料符合较好,这可为该海域台风浪的模拟预报提供较为重要的参考。栾曙光等[3]根据超强台风 “桑内” 风场数据,分析了沙埕港在 “台风”正面登陆时港口波浪分布特征和灾害成因,可为渔港的规划设计、防灾减灾提供指导。于红等[4]建立了中国东南沿海避风型渔港规划问题的数学模型,并用此模型对中国东南沿海实际的渔港和渔船数据进行了计算,计算结果准确性较好。本研究中,作者选取了海南省东海岸1980—2010年的台风资料,应用MIKE21 SpectralWaves(SW)模块推算近岸台风浪,从近岸30 m水深处的台风浪中提取波浪参数,在其中3个台风参数与实测值想吻合的基础上,再应用皮尔逊Ⅲ (P-Ⅲ)型频率曲线软件进行分析,获取不同重现期的有效波高值。

1 MIKE21 Spectral Waves 数值计算

1.1 计算原理[5]

MIKE21 SW模块是新一代基于无结构网格的风成浪波浪谱模型,可模拟风成浪的成长、衰退和传播变形。SW模型包含以下现象:因风而成长的波浪,非线性波与波的相互作用,底摩阻和白帽耗散,因水深变化而产生的波浪折射和浅水效应,波与流的相互作用,以及水深随时间的变化。SW模型是一种基于波作用守恒方程、采用波作用密度谱N(σ,θ)来描述波浪的模型,波作用密度与波能

谱密度E(σ,θ)的关系式为

其中:σ为相对频率;θ为波向。

在笛卡尔坐标系下,MIKE21 SW的控制方程,即波作用守恒方程可以表示为

其中:v为波群速度,v= (cx,cy,cσ,cθ),cx、cy分别为波作用在地理空间 (x,y)中传播时的变化,cσ为由于水深和水流变化造成的相对频率的变化,cθ为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:

式中:Sin为风输入能量;Snl为波与波之间的非线性作用引起的能量耗散;Sds为由白帽引起的能量耗散;Sbot为由底摩阻引起的能量耗散;Ssurf为由水深变化引起的波浪破碎而产生的能量耗散。

1.2 参数的确定

1.2.1 地形的选取和网格划分 MIKE21 SW模型对空间的离散采用有限体积法,所采用的网格为三角网格。因此,先要用网格生成器生成网格,然后将地形数据差值到各个网格点。计算区域如图1所示,计算范围为950 km×750 km,在海南省沿海岸线使用局部加密的方法来细化网格,以增加后续计算的精确度。

图1 计算区域网格设置Fig.1 Setting girds of com putational domain

1.2.2 边界条件和参数的确定 在地理空间的陆地边界上采用全吸收边界,入射量 (以传播速度垂直于小单元正向为正)设置为零,透射边界不需要边界条件;在开边界处需要指定能量谱。在频率空间,所有的边界都为全吸收边界;在方向空间,不需要边界条件。本模型分别在东向、南向划分两个开边界,即E、S边界。该模块计算需要的数据有地形数据、风场数据、水流与水位数据、海床特性 (底摩阻系数)和校验数据 (校验点的实测波浪参数,如特征波高、谱峰周期、平均波向等)。

1.2.3 率定模型 根据文献 [6]中得到的海南地区对应的相关参数,其中底摩阻系数f取为0.01。本研究中通过与龙湾观测站在东经110°40＇17.70″、北纬19°17＇21.59″处的波浪观测资料对比来率定模型,对1993年6月27日16:00、7月10日23:00和8月28日17:00 3个时刻该观测点最大波高和最大周期的计算值和实测值进行比较,结果见图2。从图2可见,最大波高的计算值比实测值略大,而最大周期的计算值比实测值略小,除1993年6月27日16:00的波高外,其他时刻的最大波高相差不超过38%,最大周期相差均不超过20%,因此,该模型可以用于推算台风浪。

图2 3个时刻最大波高与最大周期的计算值与实测值比较Fig.2 The comparison ofmeasured and calculated data of the largest wave height and the largest period

2 计算结果与分析

2.1 风场资料

本研究中选取2005年0518号台风 “达维”作为分析实例。台风 “达维”为西北行路径,等级为超强台风,其路径距离清澜渔港最近处仅为35 km,且对清澜渔港造成较大影响,因此具有代表性。超强台风 “达维”的路径图如图3所示,台风输入数据如表1所示。

2.2 计算结果点波浪要素分析

本研究中,从清澜渔港近岸-30 m等深线上选取3个观测站点,提取波浪参数进行分析 (图4)。在超强台风 “达维”过境过程中,从2005年9月25日5:00至9月26日5:00,3个选取点各波浪要素随时间的变化曲线如图5所示。由于清澜渔港外3个计算点位于超强台风 “达维”路径的上方,距离 “达维”台风路径 (垂直距离)最近时仅为35 km左右,小于最大风力半径,计算点经过台风眼。从图5可见:有效波高和最大波高均经历了升高、降低、再升高、再降低的变化过程;平均波向随时间呈顺时针变化。

台风对清澜渔港近岸海域的影响主要是台风引起的向岸波浪,所以,本研究中仅统计了向岸波浪的有效波高。根据清澜渔港的地理位置特征,将向岸波向分为SW～NE 9个方向 (图6中阴影部分),海港水文规范JTJ 213-98[7]规定,当需确定某一主波向不同重现期的设计波浪时,年最大波高及其相应周期的数据可在该方向左右各22.5°范围内选取。本研究中根据规范将SW～NE 9个方向划分为3个大的波向,即A波向为NE、NNE和N方向, B波形为NNW、NW和WNW方向,C波向为W、WSW和SW方向。

现将台风 “达维”过境时,清澜渔港近岸30 m水深点的向岸波浪有效波高按波向统计如表2所示。根据水文统计的特点,取3个计算点最大有效波高的最大值作为统计值,即取方向A上3点的最大有效波高4.871 90 m作为2005年A波向的最大有效波高统计值。其他30年影响最大的台风采用与2005年影响最大的超强台风 “达维”同样的统计过程,本研究中不再一一列出。根据统计结果可知,A波向为常波向。本研究中只研究A波向,即N、NNE、NE方向的最大有效波高,统计结果如表3所示。

表1 超强台风“达维”输入数据表Tab.1 The input data on super typhoon Dam re

图3 0518号超强台风 “达维”路径图Fig.3 The path diagram of No.0518 super typhoon Dam re

图4 3个观测点的地理位置俯视图Fig.4 The top view of three data collection stations' geographic position

图5 有效波高、最大波高、平均波向随时间的变化Fig.5 The curves of the significant wave height,largest wave height,and average wave direction

2.3 用P-Ⅲ型频率曲线推算波高重现值

图6 波向示意图Fig.6 The diagram of wave direction

表2 “达维”台风3个计算点向岸波向的最大有效波高Tab.2 The largest significant landward wave heights of Dam re calculated in the three stations m

目前,国内外海岸及海洋工程设计波高的获取,大多采用概率统计分析方法,即假设年极值波高符合某种理论分布,如Gumbe 1分布、P-Ⅲ型分布、Log-norma 1分布或Weibul 1分布等,再推算出某一重现期的波高设计值。本研究中采用P-Ⅲ型分布来推算清澜渔港百年一遇的波高设计值。

2.3.1 P-Ⅲ型分布[8]P-Ⅲ型分布是Pearson分布曲线族中的一种,P-Ⅲ型曲线在中国海港设计的波浪计算中应用很广,其密度函数为

其中:υ是最大有效波高;Γ(α)是α的伽马函数,α为形状参数;β为尺度参数;υ0为最大有效波高的位置参数,且

2.3.2 P-Ⅲ曲线的绘制 清澜渔港最大有效波高的P-Ⅲ型频率曲线如图7所示。从图7可见:清澜渔港港外30 m水深处31年的最大有效波高期望值为2.35 m,百年一遇的有效波高为5.78 m,50年一遇的有效波高为5.3 m,20年一遇的有效波高为4.6 m。

表3 1980—2010年N、NNE、NE方向最大有效波高的统计Tab.3 The data on the largest significant wave heights in the direction of N,NNE,NE from 1980 to 2010

3 结论

1)用MIKE21 Spectral Wave模型计算的台风浪参数与实测数据拟合较好,说明在缺少实测资料的海域可以依据台风风场资料应用MIKE21 Spectral Wave模型推算波浪参数。

2)清澜渔港向岸波浪主要集中在N、NNE、NE方向,且该方向上有效波高为0.33～5.21 m。

3)清澜渔港近岸30 m水深处最大有效波高发生在N至NE方向,最大有效波高期望值为2.35m,百年一遇的有效波高为5.78 m,50年一遇的有效波高为5.3 m,20年一遇的有效波高为4.6 m。

随着海浪数值模拟技术的不断发展,对海-气介面的动量交换、波浪破碎、海底摩擦、浪-流相互作用等动力学过程认识的不断加强,将会进一步改进海浪数值模式并提高计算精度,从而不断完善数值模拟计算方法。若数值模拟结果与实测资料吻合,则可为港口选址及规划设计提供重要的参数依据,保证港口的防灾减灾能力。

图7 清澜渔港最大有效波高 (N、NNE、NE方向)的P-Ⅲ型频率曲线Fig.7 The P-Ⅲcurve of the largest wave height(N,NNE,NE direction)in Qinglan fishing port

[1] 潘玉萍,陈希,沙文钰,等.湛江港海域台风浪分布特征模拟[J].解放军理工大学学报:自然科学版,2003(4):82-88.

[2] 陈希,沙文钰,闵锦忠,等.湛江港邻近海域台风浪的模拟研究[J].南京气象学院学报,2002,25(6):779-786.

[3] 栾曙光,李可,桑宝峰.沙埕港超强台风“桑美”灾害成因的数值模拟分析[J].大连海洋大学学报,2012,27(1):69-72.

[4] 于红,冯艳红,李放,等.避风型渔港规划研究的启发式算法研究[J].大连海洋大学学报,2012,27(4):373-376.

[5] 刘学勇.MIKE21谱模型在台风浪数值模拟中的应用[J].水运工程,2010,445(9):7-10.

[6] 南京水利科学研究院.三亚市港门中心渔港波浪数学模型试验报告(中间成果)[R].南京:南京水利科学研究院,2008.

[7] 中华人民共和国交通部.海港水文规范JTJ 213-1998[S]. 1999.

[8] 庞文保,白光弼,滕跃,等.P-Ⅲ型和极值Ⅰ型分布曲线在最大风速计算中的应用[J].气象科技,2009,37(2):221-223.

The numerical simulation of typhoon wave and recurrence wave height calculation in Qinglan fishing port of Hainan

WANG Nan-tu,WANG Xiao-liang,LUAN Shu-guang
(College of Marine and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China)

The MIKE21 Spectral Wavemodel is used to simulate typhoon wave fields with data on 31 typhoons of the highest category landing in the east coast of Hainan Province from 1980-2010.And model calibration is done with three typhoon wave fields.The calibration results coincide with the data collected actually in waters of 30 meters depth of Qinglan fishing port of Hainan.The paper analyses the typhoon wave field in waters of 30-meters depth of Qinglan fishing port with the P-Ⅲ frequency curve software.The result shows that the highest significant wave height occurs in the direction of N to NE,that the significant wave height once in 100 years is 5.78 m,that it is 5.3 m once in 50 years,and that it is 4.6 m once in 20 years.This conclusion ismeaningful to fishing port designing,disaster prevention and reduction,and especially to the coastal constructions without measured data on wave.

Qinglan fishing port of Hainan;typhoon wave;model calibration;significant wave

U651

A

2095-1388(2013)05-0506-05

2013-03-20

农业部重点科研项目

王南图 (1989-),男,硕士研究生。E-mail:wangnantu@hotmail.com

栾曙光 (1954-),女,教授。E-mail:shugluan@qq.com