舟山海域台风浪数值模拟

梁连松，李瑞杰，2，丰青，孔从颖，宋晓波

（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098；2.河海大学环境海洋实验室，南京210098；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300000）

舟山海域台风浪数值模拟

梁连松1，李瑞杰1，2，丰青1，孔从颖3，宋晓波1

（1.河海大学海岸灾害及防护教育部重点实验室，南京210098；2.河海大学环境海洋实验室，南京210098；3.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津300000）

为提高台风浪模拟的精度，将Holland台风风场模型与CCMP背景风场相叠加，构造合成风场来驱动SWAN模型。运用Jason⁃2卫星数据进行验证，比较了不同的最大风速半径计算公式和Holland B参数组合构造出的合成风场对模拟结果影响。选取最优组合，运用自嵌套，模拟了台风“米雷”通过舟山海域的波浪场。结果表明舟山群岛对台风浪的阻挡效果明显，台风期间舟山东部海域波高大、周期长且涌浪影响明显，西部海域波高较小且以风浪影响为主。

台风浪；SWAN；Holland；Jason⁃2；舟山

在台风浪的数值模拟中，波浪场的模拟精度很大程度上依赖于海面风场的计算精度。通过在经验台风风场中加入再分析风场资料，能有效提高海面风场的精度。常见的台风风场模型有藤田模型、Myers模型、Jelenianski模型、Fujita模型等，其中Holland台风风场模型能有效提高台风过境期间大风、大浪的模拟精度［1］。

舟山群岛港湾众多，台风过境期间，台风浪往往对其海岸工程、海洋交通造成较大威胁［1-2］。本文以台风“米雷”为例，利用SWAN模型，通过与Jason⁃2卫星波高数据的比较，比较不同Holland风场模型中最大风速半径和Holland B参数计算组合对台风浪模拟精度的影响，并分析了台风“米雷”在舟山海域的台风浪分布特征。

1 风场和波浪模型

1.1 波浪模型

SWAN模型在笛卡尔坐标系下控制方程为

式中：N为作用量密度；σ为频率；θ为传播方向；Stot为源汇项；Cx、Cy、Cσ、Cθ分别为在x、y、σ、θ空间上的群速度。SWAN是Delft大学提出的考虑地形变化影响下的波浪浅化、破碎、波-波非线性相互作用、风能输入和波浪耗散等效应的波浪模型，能用于近岸海域等浅水区域的波浪计算［1］，模型采用全隐格式，具有无条件稳定的特点。

1.2Holland台风风场模型

台风风场通常利用梯度风原理，由台风气压场计算得到。1980年，Holland在Schloemer指数型气压分布模型的基础上，引入Holland B参数，用梯度风方程得到Holland台风风场模型［3］

表1 最大风速半径Rmax和Holland B参数计算公式Tab.1Summary of Rmax and Holland B estimation methods

由式（2）可知，当台风中心气压确定后，Holland B参数和最大风速半径即可确定Holland台风风场模型。最大风速半径能够反映出台风气压分布的陡度，Holland B参数则确定台风气压剖面和风速剖面的形状。表1列举了国内外学者提出的最大风速半径和B参数的计算公式。表1中，φ是台风中心纬度，V为台风中心移动速度，为飞行层最大风速，此处飞行层气压为700 hPa，高度约3 km，其值为［4］

台风风场往往具有不对称性。然而Holland理想台风模型是圆对称风场，造成了台风模型应用的局限性。为此，在台风外围采用背景风场，台风中心附近仍用台风模型风场，构造出合成的台风风场［10］

式中：Vi为合成风场；Vh为Holland风场；Vc是背景风场；e为权重系数系数n通常取9或10。背景风场采用NASA研发的CCMP风场，其空间分辨率为0.25°×0.25°；时间分辨率为6 h。

2 数值模拟

2.1 模型设置

文中用SWAN模型模拟“米雷”经过舟山海域时的台风浪过程。“米雷”于2011年6月22日生成，24日下午加强为强热带风暴，26日晚在山东登陆，27日上午减弱后于朝鲜再次登陆。台风期间在东海海面形成4～8 m高的台风浪，国家海洋局QF207浮标实测最大有效波高达6.7 m［11］。

大范围模型采用非结构三角网格，网格数72 096，网格点数36 877（图1）。初始化方法为基于初始输入有限风场的JONSWAP谱，方向分为36段，分辨率为10°。计算时间从6月21日～6月29日，时间步长取600 s。模型考虑海底摩擦、波浪破碎、三波和四波相互作用。自嵌套的小范围模拟区域覆盖舟山海域，网格数85 928，网格点43 931。由于舟山海域岛屿众多，小范围模型还考虑了绕射项，其余设置与大范围模型一致。模型所使用的地形资料来自于ETOPO1全球地形数据集。台风路径以及中心气压来源于中国气象局热带气旋资料中心的CMA最佳路径数据集。

图11105 台风“米雷”移动路径、Jason-2卫星轨道及SWAN模型大、小范围计算区域Fig.1Computational area and 1105 typhoon moving path and Jason⁃2 track

2.2 风场方案

为比较不同的Holland B参数和最大风速半径Rmax计算公式构造出的台风风场对台风浪模拟精度的影响，文中设置了6组实验方案。方案设置如表2所示，其中T2、T3、T4的B参数均选用Hubbert的经验公式，但三者选取的最大风速半径不同；T4、T5、T6选用Willoughby的最大风速半径公式，B参数选取不同。

表2 实验方案设置Tab.2Numbers and content of the experiments

Jason⁃2卫星于2008年发射，其海面测高精度可达3.4 cm。文中选用Jason⁃2卫星高度计Ku波段的波浪资料作为验证。台风期间，卫星正处于cycle109，有3条轨道经过模拟区域，分别为P214、P229和P240（图1）。

图2为模拟波高和卫星波高的对比图。总体上，散点较为均匀地分布在直线x=y的两侧，表明模拟结果较好，且当卫星波高大于4 m时，合成风场的散点分布更为接近直线x=y。为定量分析各实验方案模拟效果，采用平均相对误差EMAE、均方根误差Rmse和相关系数r对台风浪模拟结果和卫星波高资料进行比较分析。

式中：yi为模拟值；xi为卫星数据；xˉ、yˉ分别为卫星数据和模拟值的平均值；N为样本总数，此处共371个数据点。

由表3模拟波高和卫星数据对比的统计结果可知，各方案中相关系数r均大于0.9，表明模拟结果与卫星波高数据相关性较高。合成风场的平均相对误差均不超过0.15，除T2中均方根误差要稍大于T1外，合成风场的计算结果较T1均有一定程度的改善，可见合成风场能够提高CCMP风场模拟有效波高的精度。对比T2、T3、T4，发现不同最大风速半径计算公式的选取对台风浪的模拟结果影响较大，且T4的模拟结果要优于T2、T3，表明Willoughby提出的最大风速半径的计算公式模拟效果较好。比较T4，T5，T6，三者的平均相对误差相差不大，这可能是卫星数据所处的轨道离台风中心有一定距离及风场分辨率的限制导致的。总体上T6组合的模拟结果最优，T4次之。用T6组合构造的合成风场作为SWAN模型的输入风场。图3为T6组合的合成风场下输出大范围风场矢量和有效波高分布图。

表3 实验模拟有效波高与卫星数据的对比Tab.3Comparisons of significant wave height with satellite data

图2 实验方案的卫星数据和模式模拟波高对比的散点图（图中实线表示x=y）Fig.2Comparison between model results and satellite data

图3 大范围风场矢量和有效波高分布图Fig.3Distribution of significant wind speed，wave height at large computation area

2.3 结果分析

图4给出了从24日21时～26日11时台风“米雷”经过舟山海域时波高分布图。当台风逼近时，舟山东南部海域的波高最先增加，随着台风中心的北移，最大波高位置也随之北移，同时，波浪也沿着群岛之间的水道向舟山西部海域传播。从总体上看，群岛大致为南北走向，越靠近群岛波高等值线分布越密，东部海面波高明显要高于群岛西部海域，可见舟山群岛对台风浪起到了阻挡作用。

图4 舟山海域波高分布图Fig.4Distribution of wave height in Zhoushan

为更好地分析台风“米雷”对舟山海域的影响，依据舟山海域的地形特征选取了3个特征站位，东面海域为A、B站位，水深大约为40 m，分别代表舟山东南部外海和东北部外海，C站位则处于群岛西部海域（图5）。

观测点在台风期间的波高变化如图5～图6所示。初始时，A、B、C的波高均处在0.6～1.1 m，是当地的风场并非“米雷”台风系统的风场所造成。24日6时，A站位涌浪波高开始增大，B站位增幅较小，此时台风中心距离A站位900 km左右。随后，A、B两站位海域的混合浪波高迅速增加，当台风中心距A站位120 km时，A站位于25日13时到达混合浪波高最大值5.36 m，Tm01达到10 s，涌浪波高在短短30 h内就增加到了3.9 m，表明A站位在台风逼近的过程中受涌浪影响较大。25日13时后，A站位波高下降明显，B站位则于17时波高升到峰值，达到4.2 m，Tm01达到了10 s。C站位于19时波高达到最大。25日19时后，台风中心开始远离，3处海域波高均下降。

相比较而言，位于舟山西部海域的C站位的混合浪波高则一直处于1.5 m以下，涌浪波高最大时仅0.18 m，Tm01维持在1.8～4 s。由于舟山群岛的阻挡作用，仅部分涌浪得以从岛屿之间的水道传入，当台风中心开始远离舟山海域时，C站位海域波高下降较A、B站位明显，表明在此过程中舟山西部海域的波浪以风浪为主。

图5 小区域计算范围及观测点布置Fig.5Computed area by SWAN at small grid and distribution of characteristic stations

图6 特征站点的波高过程线Fig.6 Variation of mixed wave height and swell with time in A，B，C

3 结语

文中采用Holland台风模型与CCMP背景风场叠加后的合成风场模拟台风风场，通过SWAN模型计算台风浪，利用Jason⁃2卫星波浪资料作为验证，探讨了不同的最大风速半径计算公式和B参数组合构造出的风场对台风浪模拟精度的影响。表明T6组合即Willoughby的最大风速半径计算公式和Vickery的Holland B参数经验公式组合计算效果最优。通过自嵌套，模拟了台风经过舟山海域附近时的台风浪。模型中未考虑岛屿反射现象，可能对岛屿附近波高有一定影响。

结果表明舟山群岛对台风浪的阻挡效果明显。群岛大致为南北走向，台风期间，越靠近群岛波高等值线分布越密，群岛东部海面波高明显要高于西部海域的波高；台风接近舟山海域500～900 km时，涌浪开始出现在舟山海域，东南部外海上升最快且最大，由于群岛的阻挡作用，舟山西部海域最晚；舟山东部海域在台风期间涌浪作用明显，波高大，波浪周期较长。西部海域则以风浪作用为主，波浪周期小。

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长兴岛恒力石化码头工程使用港口岸线获批复

本刊从交通运输部获悉，长兴岛恒力石化精对苯二甲酸项目配套液体化工码头工程、配套散杂货码头工程和2万t级散货码头工程使用港口岸线近日已获得交通运输部批复。3个码头工程位于大连港长兴岛港区北岸作业区，其中，恒力石化精对苯二甲酸项目配套液体化工码头工程将建设2个10万t级液体化工泊位，设计年通过能力638万t。交通运输部同意工程可行性研究报告推荐的总平面布置方案，按640 m泊位长度使用所对应的港口岸线。恒力石化项目配套散杂货码头和2万t级散货码头工程将建设3个5万t级散杂货泊位，设计年通过能力404万t，泊位长度816 m；建设一个2万t级散货泊位(水工结构按照靠泊5万t级船舶设计和建设)，设计年通过能力128万t，泊位长度242 m。交通运输部同意工程可行性研究报告推荐的总平面布置方案，按1 058 m泊位长度使用所对应的港口岸线。（殷缶，梅深）

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本刊从交通运输部获悉，瓯江航道整治工程丽水段（船寮镇黄言村—温溪镇驮滩上游）工程可行性研究报告已于2014年11月3日获浙江省发改委批复。工程起自船寮镇黄言村，终于温溪镇驮滩上游丽水、温州交界处，全场约30 km。其中船寮镇黄言村至青田温溪大桥段约27.5 km，按内河四级天然河道和渠化河流航道标准整治；青田温溪大桥至温溪镇驮滩上游段约2.5 km，按可乘潮通航1 000 t级海轮的内河三级天然河流航道标准整治；三溪口和青田枢纽船闸按四级标准建设。本项目航道疏浚约125万m3，新建三溪口和青田枢纽船闸2座，新建护岸约1.2 km，新建桥梁防撞设施14座，锚地、服务区、船闸远方调度站各1座，配套建设导助航设施和信息化配套设施。项目总投资估算为67 851万元，建设资金除国家和省级内河建设资金补助外，其余由丽水市政府财政负责落实。（殷缶，梅深）

Numerical simulation of typhoon wave in Zhoushan

LIANG Lian⁃song1,LI Rui⁃jie1,2,FENG Qing1,KONG Cong⁃ying3,SONG Xiao⁃bo1
（1.Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence,Ministry of Education,Hohai University,Nanjing 210098, China；2.Laboratory of Ocean Environment,Hohai University,Nanjing 210098,China;3.Tianjin Port Engineering Institute Ltd.of CCCC，Tianjin 300000,China）

To improve the accuracy of near⁃shore typhoon wave simulation,numerical simulations were made for typhoon during the period of typhoon Meari,based on SWAN,with combination of the Holland model wind field and CCMP wind field.The Jason⁃2 satellite data were used to verify the simulation results.The merged wind fields constructed by different maximum wind speed radius formula and parameter B were compared.Then,the typhoon Meari was simulated by adopted nested grid in SWAN.The results demonstrate that the retarding effect of Zhoushan Archipelago for typhoon wave is significant.During typhoon period,the significant wave height in the offshore areas of eastern Zhoushan Archipelago is higher than the one of the west.The offshore areas of eastern Zhoushan Archipel⁃ago are greatly affected by surge while the western Zhoushan Archipelago areas are dominated by wind wave.

typhoon wave；SWAN；Holland；Jason⁃2；Zhoushan Archipelago

TV 143；O 242.1

A

1005-8443（2014）06-0582-07

2014-06-09；

2014-08-04

国家自然科学基金项目（41276017）；国家海洋局海洋公益性行业科研专项项目（201205005）

梁连松（1990-），男，浙江省苍南人，硕士研究生，主要从事港口海岸及近海工程方向研究。

Biography：LIANG Lian⁃song(1990-)，male，master student.