“纳沙”台风对乌石渔港引起的台风浪的数值研究

侯文昊，张瑞瑾，席彦彬，张 鹏，马全强

(大连海洋大学海洋科技与环境学院，辽宁大连 116023)

我国拥有漫长的海岸线，每年在近海地区都会遭受不同程度的台风侵袭[1]。在台风过境期间，巨大台风浪严重制约近海渔业捕捞作业和观光旅游[2-3]；同时，台风浪引起的海底泥沙沖淤也直接影响近岸港口、航道运输通行[4-5]，据统计，台风每年对我国近岸捕捞和海水养殖业造成的损失就超过260亿元[6-7]。随着卫星监测系统的使用和海洋台风预报水平的提高，也极大地降低了台风浪等强风暴过程造成的损失[8-9]，保障了沿岸港口居民的生命财产安全。近年来，国内外学者利用数值模拟的方法多次有效模拟了台风过境期间的近岸波浪变化，为海洋预报和防灾减灾提供了参考，孔令双等[10]采用MIKE21 SW波浪模型对长江口海域在凤凰台风期间的波浪场进行了模拟计算，分析了该海域的波浪特征，为泥沙数学模型提供了波浪动力条件。谭凤等[11]基于WRF和SWAN数学模型，较好地模拟“韦帕”台风过程中海浪的演化和传播过程，模型验证良好，为大风天三维泥沙数学模型提供准确的波浪动力条件。Sirisha等[12]利用MIKE21 SW模型，准确地评估了印度洋热带气旋条件下波浪预报系统的性能。Hall[13]利用三维海洋数值模型FVCOM与气象模型一起运行，模拟了爱尔兰海利物浦湾地区的风暴潮引起海面变化情况，计算结果较为准确地反映了风暴潮期间利物浦湾附近的波浪状况。刘秋兴等[14]利用浪潮耦合模型(ADCIRC+SWAN)，在洞头中心渔港附近建立了高分辨率的天文潮、风暴潮和近岸浪耦合数值预报系统，较好地模拟天文潮的演进，准确地反映台风过境期间风暴潮、海浪的传播过程。

台风“纳沙”为2017年第9号台风，于2017年7月29日19：40在台湾宜兰县东部沿海正面登陆，台风中心经过宜兰县乌石渔港。乌石渔港是台湾宜兰县重要渔港，港域面积约64万m2，由于常年遭受台风袭扰，港口建立了二级防波堤用以避风防灾。因此阐明台风过境期间渔港周边波浪特征，对渔港避风防灾有重要的指导意义。笔者利用MIKE21 SW波浪模型，对“纳沙”台风过境期间乌石渔港附近台风浪情况进行数值模拟，阐述了渔港周围波浪特征，并简要分析了该渔港避风效果，以期为我国近海台风数值预报及渔港防灾减灾提供参考和数据支持。

1 资料与方法

1.1波浪模型及参数设置

1.1.1SW波浪控制方程。波浪要素采用丹麦水力研究所(DHI Water & Environment)研制的计算软件Mike21 SW(spectral waves)模型进行推算。该软件可以用来进行大范围的波浪场推算，也可以满足大尺度波浪推算的要求。它的优势在于能考虑波浪的折射、底部损耗、波浪破碎、波流联合作用及风等因素对波浪传播的影响。

SW模型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。模型的自变量为相对波频率σ和波向θ。波作用密度与波能谱密度E(σ，θ)的关系：

N(σ，θ)=E(σ，θ)/σ

(1)

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：

∂N/∂t+

(2)

S=Sin+Snl+Sds+Sbot+Ssurf

(3)

式中，Sin为风输入的能量，Snl为波与波之间的非线性作用引起的能量耗散，Sds为有白帽引起的能量耗散，Sbot为由底摩阻引起的能量耗散，Ssurf为由于水深变化引起的波浪破碎产生的能量耗散。式中传播速度均采用线性波理论计算。

1.1.2计算网格及参数设置。该研究采用美国国家地球物理数据中心NOAA(national geophysical data center)提供的岸线及水深数据，使用Mike21 SW模型，利用有限体积法进行空间离散。使用网格生成器生成三角形网格，插值后得到地形文件。计算区域如图1所示，计算范围1 100 km×1 200 km，网格尺度10 km，网格数60 587，研究对象位于计算域内台湾宜兰县乌石渔港。为了研究乌石渔港附近的波浪情况，在台湾省宜兰县附近海域使用局部加密的方法来细化网格，在港内最小网格尺度达8 m，以提高重点研究区域的模拟精度。

图1 计算海区网格分布Fig.1 Distribution of calculating mesh

1.2风场文件计算设置在利用MIKE21 SW模型进行台风浪数值计算时，需要输入背景风场，该文件需要风场参数和地形文件合成得到。选取台风“纳沙”作为背景风场，“纳沙”为2017年第9号台风，于2017年7月21日在帕劳附近(127.9°E，15.7°N)海面上生成并向北移动，25日升格为热带低压，26日升格为热带风暴，27日升格为强热带风暴，中心气压990 hPa，开始向西北方向行进；28日升格为台风，最强达到台风级(40 m/s，13级)，29日19：40在台湾宜兰东部沿海登陆，台风中心经过宜兰县乌石渔港，在该港附近较大台风浪；30日06：00在福建福清沿海再次登陆(33 m/s，12级)，14：00减弱为热带低压，20：00中央气象台对其停止编号。

选取“纳沙”台风影响台湾时间段2017年7月28日17：00—30日14：00的台风参数，风场参数包括经纬度、最大风速、最大风速半径、中心移动速度、台风中心气压，正常气压。其中最大风速半径利用Graham和Nunn提出的台风经验公式(4)得到[15]。

R=28.52th[0.087 3(φ-28°)]+12.22exp[(P0-1 013.2)/33.86]+0.2VF+37.22

(4)

式中，VF为台风中心移动的速度(km/h)，φ为地理纬度，P0为台风中心气压(hPa)。

2 结果与分析

通过建立MIKE21 SW模型，输入地形文件和风场文件，设置模拟时间为台风生成后54～99 h，时间步长为60 s，结果输出间隔为1 h，最终计算得到台风作用下波浪结果。

2.1Mike21SW模型验证收集“纳沙”台风期间ODINWESTPAC发布的波浪要素数据，利用北礵(BSG)站(120.3°E，26.7°N)数据对Mike21 SW台风波浪模型结果进行验证，图2为有效波高对比图，模型计算得到的有效波高与实测值的最大误差小于0.5 m；图3为有效波周期对比图，模型计算得到的有效波周期与实测值最大误差小于1 s。结果表明模型计算得到的有效波高和波周期与北礵(BSG)站实测数据总体吻合较好，可见该台风浪模型可以用来模拟“纳沙”台风过境期间台湾乌石渔港海域的波浪分布情况和演变过程。

图2 2017年7月29—30日有效波高对比Fig.2 Comparison of significant wave height from July 29 to 30，2017

图3 2017年7月29—30日有效波周期对比Fig.3 Comparison of effective wave period from July 29 to 30，2017

2.2台湾周边海域波浪特征分析图4为台湾附近海域有效波高包络图，“纳沙”台风过境期间，在台湾东部海域形成了怒涛，最大有效波高超过16 m；在台湾西部海域，由于台风受到大陆阻挡消散，有效波高相对较低，最大有效波高不足12 m，且从东北到西南有效波高等值线较密集，说明波能消散较快。图5为宜兰县乌石渔港附近海域有效波高包络图，结果显示，在乌石渔港附近海域形成巨浪，最大有效波高达5.5 m。计算结果显示，乌石渔港附近海域巨浪持续时间较长，有效波高超过4 m的时间超过12 h。在乌石渔港南部和东北部，有效波高等值线较密集，最大有效波高从5.5 m迅速降至1.5 m，这与港口周围地形有关。台风过境期间，在近岸海域，随着水深变浅，有效波高由海向陆变化梯度明显，离风圈越远有效波高越低，破波带以内水域波浪衰减速度加快，这与该海域属于淤泥质海岸类型相吻合。

图4 “纳沙”过境期间台湾附近海域有效波高包络图Fig.4 Enveloping graph of significant wave height around Taiwan Island during the transit period of “NESAT”

图5 “纳沙”过境期间乌石渔港附近海域有效波高包络图Fig.5 Enveloping graph of significant wave height around Wushi fishing port during the transit period of “NESAT”

2.3台风影响下乌石渔港波浪特征分析为研究港内不同区域的波浪特征，在乌石渔港离岸防波堤外部，乌石渔港离岸防波堤内部，乌石渔港港口处和乌石渔港最内侧分别取A、B、C、D 4点(图6)。

图6 乌石渔港内外取点位置Fig.6 Location of the study sites around Wushi fishing port

图7为“纳沙”台风影响下乌石渔港附近有效波高变化图，以乌石渔港离岸防波堤外部(A点)海域波浪情况为例，第1阶段从开始模拟到7月29日05：00，“纳沙”距离乌石渔港较远，渔港附近离岸防波堤外为轻浪，有效波高普遍在1.25 m以下。第2阶段，7月29日05：00—19：00，“纳沙”逐渐开始影响乌石渔港，波高逐渐上升；在29日21：00，台风中心风眼前壁抵达乌石渔港处，在渔港附近形成巨浪，有效波高达到最大值5.5 m。第3阶段(7月29日19：00—23：00)，由于台风中心经过乌石渔港，有效波高先降低至4.08 m，从7月29日21：00左右又开始升高，到29日23：00有效波高达到新高峰5.29 m，说明此时台风中心风眼后壁抵达乌石渔港处。第4阶段(7月29日23：00—30日14：00)，“纳沙”穿过台湾，继续往西北方向移动，30日06：00登陆福建，随后逐渐削弱直至消失；此阶段乌石渔港附近海域受台风控制逐渐减弱，有效波高也随之降低，浪级由巨浪逐渐降至轻浪。

图7 2017年7月28—30日“纳沙”过境期间离岸防波堤内外波高对比Fig.7 Comparison of wave height inside and outside the offshore breakwater during the transit period of “NESAT”

图7表明，在“纳沙”台风过境期间，乌石渔港外侧的离岸防波堤有效地阻挡了台风引起台风浪对港岸的冲击破坏。“纳沙”台风正面登陆台湾时，经过乌石渔港处，在离岸防波堤外侧A点处有效波高达5.50 m，波浪经过离岸防波堤阻挡耗散后，在离岸防波堤背风侧B点处有效波高降为0.57 m，在离岸防波堤背风侧可有效避风。然而，由于在港口南部和东北部没有防波堤的阻挡掩蔽，部分波能由此传入使得C点处在出现中浪，有效波高约2.06 m。由于二级防波堤的掩护作用，波能到达D点时，波能大大减弱，有效波高仅0.39 m。港内有效波高0.5 m等值线以内的区域可有效避风，面积约为15.5万m2，占港域面积的24.2%。

3 结论

(1)该研究利用Mike21 SW(spectral waves)模型计算的台风浪参数与实测数据拟合较好，可以依据台风风场资料应用Mike21 SW模型推算波浪参数。

(2)“纳沙”过境期间，由于台风眼经过乌石渔港，该渔港附近波高经历了升高、降低、再升高、再降低4个阶段，在渔港近岸海域形成了最大有效波高超过5.5 m的巨浪，持续时间长达12 h。

(3)“纳沙”过境期间，乌石渔港处两级防波堤对渔港起到了一定掩蔽效果，最大有效波高从外到里逐渐降低，波浪经过离岸防波堤时，有效波高由5.50 m降为0.57 m；在二级防波堤的掩护下，在乌石渔港最内部的有效波高等值线0.5 m区域内可有效避风，港口24.2%的区域可有效避风。