缅甸土瓦海域的海浪模拟与分析

徐亚男，高峰

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

缅甸土瓦海域的海浪模拟与分析

徐亚男，高峰

（交通运输部天津水运工程科学研究所港口水工建筑技术国家工程实验室工程泥沙交通行业重点实验室，天津300456）

文章以欧洲中长期天气预报中心（ECMWF）的气象资料为基础，采用SWAN建立数值模型，模拟了缅甸土瓦海域波浪传播至近岸的过程。模型采用卫星高度计资料和现场实测资料同时进行验证，验证结果表明模拟结果与两种资料结果趋势均符合较好。该海域波浪传播至近岸海域受地形折射与岛屿链影响明显，外海WSW向浪入射时，受岛屿掩护近岸海域波高迅速减小，岸线北部区域波浪折向W向，而外海SSW向浪入射时，波高受岛链掩护不明显，波高相对减小缓慢，岸线南部波浪折向SW向。

SWAN；ECMWF；Myanmar；卫星高度计

缅甸土瓦海域位于缅甸南部延伸部的西岸，面朝安达曼海，西邻孟加拉湾，该海域近岸水深变化较大，距海岸约4 km即达到-20 m等深线，海岸西侧与Hngetthaik群岛隔海相望。

安达曼海受东南亚季风的影响和控制，夏季盛行西南向季风，而冬季盛行东北向季风。同时该海域毗邻孟加拉湾，受少量飓风的影响［1］。根据欧洲中长期预报中心海浪与气象的再分析数据，西南季风期间：5月份，虽然W～S向风出现频率与N～E向风出现频率相差不大，但风力已明显加强；6～8月份，WSW向风最盛，最大风力达到8级，最大风速为17.8 m/s；9月份，虽然N～E向风出现频率在逐渐增大，但风力仍以SW向为主。东北季风期间：11月～翌年1月，N～E向风出现频率逐渐增大，风力也在增强，其中在1月份，ENE向风出现频率达到21.6%，强风向ENE向最大风力为6级，最大风速为12.3 m/s。2～3月，东北季风逐渐减弱。该海域处于安达曼海的东侧，受到飓风的影响较小。

根据2012～2013年波浪观测结果，该海域5月～9月为大浪期，10月～次年4月波高较小，波高的季节性变化极其明显。其年平均有效波高达到0.5 m；月平均最大有效波高达到0.5 m以上的月份是5月～9月，其中月平均最大有效波高为1.0 m（6月）；年最大有效波高为2 m，出现在6月和9月。

1 研究方法

SWAN风浪模型目前已被广泛应用于河口、港口工程等海浪模拟［2-3］。该模型采用动谱平衡方程描述风浪生成及其在近岸区的演化过程，模型以动谱密度为未知变量，并考虑由地形及水流引起的浅水破碎和折射效应，风成浪，白浪、底部摩擦及波浪破碎引起的能量衰减，波-波相互作用，并且考虑了岛屿的绕射效应，适用于深水、过渡水深和浅水情形［4-6］。其控制方程如下式（1）所示。

式中：σ为波浪的相对频率（在随水流运动的坐标系中观测到的频率）；θ为波向（各谱分量中垂直于波峰线的方向）；Cx、Cy为x、y方向的波浪传播速度；Cσ、Cθ为σ、θ空间的波浪传播速度。

式（1）左端第1项表示动谱密度随时间的变化率，第2项和第3项分别表示动谱密度在地理坐标空间中传播时的变化，第4项表示由于水深变化和潮流引起的动谱密度在相对频率σ空间的变化，第5项表示动谱密度在谱分布方向θ空间的传播（即由水深变化和潮流引起的折射）。式（1）右端S(σ，θ)是以动谱密度表示的源项，包括风能输入、波与波之间各项可以线性叠加。

式（1）中的传播速度均采用线性波理论计算

2 风场计算结果

进行风场计算时，风场计算范围是6°N～19°N，87.75°E～101°E。利用ECMWF过去20 a（1993～2012）的全球气象和海浪再分析场资料（分辨率0.75°×0.75°，6 h一次），提取了计算风场范围内的气象数据。统计每年20场较大的大风天气与飓风天气为样本进行加密计算。风场计算区域与结果如图1所示。最终计算得到1993～2012年不同计算方向（SSW、SW、WSW及W向）在工程外海域的风速年极值，年极值20 m/s以上风速主要集中在WSW向，其次是SW向。利用P⁃Ⅲ适线法［7］得到不同重现期的设计风速值见表1。

图1风场计算结果图Fig.1Wind field results

3 波浪要素计算结果

3.1 网格划分

整个计算域包括了安达曼海和部分孟加拉湾海域，如图2所示。整个计算模型由73 554个结点、14 1313个三角形单元组成，最大单元尺寸达41 km为模型边界网格，最小的三角形单元尺寸为14 m为研究站点处水域。

3.2 模型验证

卫星高度计资料在海浪模式的验证和同化中比较常用，而且观测的可靠性较高。本次研究使用的卫星数据主要是Jason-2（J2）①，该卫星重复轨道周期约为10 d，图3给出了卫星经过缅甸近海时的卫星轨道示意图。当卫星经过缅甸土瓦海域时，读取卫星轨道上的观测海浪波高，然后与轨道上的SWAN模式模拟结果进行比较。图4和图5分别给出了2012年7月和2010年6月J两次经过缅甸土瓦海域外部时的波浪比较图。

表1不同方向的重现期风速Tab.1Wind speed in different return period m/s

此外，利用2012年3月～2013年3月观测的波浪资料进行验证时，实测验证点位于13°53.980′N，98° 03.833′E，测量水深约为17.5 m。选取2012年6月、7月及9月测到较大的几次波浪过程，将SWAN模拟的结果值与实测值进行对比验证。2012年6月，测到最大有效波高是1.8 m，SWAN模拟最大的有效波高为1.7 m；2012年7月测得最大有效波高是1.7 m，SWAN模拟最大有效波高为1.9 m；模拟结果如图6～图7所示。

通过以上验证结果，表明SWAN模式模拟的海浪结果与实测结果总体趋势符合良好，且两者最大有效波高值相差较小，模拟结果是可信的。

3.3 深水波要素计算结果

根据2012-03～2013-03年测波资料，得到该年度平均有效波高为0.5 m，平均有效周期为6.8 s。另外，当波高较小（＜0.5 m）时，对应的周期范围较大，而波高较大时对应的周期范围相对较小，且比较接近风浪周期，说明该海域受外海长周期波浪的影响，但波高相对较小，而研究区域出现的较大波浪多为附近风成浪影响。

对于重现期50 a波高，其对应的有效周期的期望值和置信概率为0.95的置信区间见表2。利用P-Ⅲ适线法求得不同重现期各向外海波要素见表3。

图8与图9给出了极端高水位重现期50 a时不同方向波浪传播至近岸区域的有效波高分布，可以看出各向波浪等值线的平面分布，波浪在传播过程中随水下地形的改变是十分明显的，逐渐趋向于海岸线趋势。

当WSW向浪入射时，岛屿链对波浪具有遮挡作用，在岛屿后方形成波浪掩护的阴影区，另一方面部分波浪会绕过岛屿或透过岛屿的夹缝继续向海岸线方向传播。外海WSW向浪传播至近岸后，受波浪绕射与折射的叠加影响，浪向发生改变，南面B岛屿后浪向基本没有变化，北面A岛屿后波浪逐渐折向W向。

图2计算域网格划分图Fig.2Research field and mesh

图3路经缅甸海域时的卫星轨迹点分布图Fig.3Tracks of satellite altimeter around Myanmar Tavoy Sea

图42012-07卫星观测与模拟有效波高比较Fig.4Comparison between satellite values and computed values in July，2012

图52010-06卫星观测与模拟有效波高比较Fig.5Comparison between satellite values and computed values in June，2010

图62012-06现场观测与模拟有效波高比较Fig.6Comparison between field values and computed values in June，2012

图72012-07现场观测与模拟有效波高比较Fig.7Comparison between field values and computed values in July，2012

表2重现期50 a波高对应有效周期计算结果Tab.2Results of 50 a significant wave period

表3不同重现期工程外海波浪条件Tab.3 Wave conditions in different return period

图8WSW向极端水位重现期50 a H13%分布Fig.8WSW significant wave height distribution in extreme high water level

图9SSW向极端水位重现期50 a H13%分布Fig.9SSW significant wave height distribution in extreme high water level

当SSW向浪入射时，浪向与岛屿存在斜向角度，岛屿掩护的阴影区明显变小，部分波浪直接作用于岛屿后的海岸区域，使得近岸海域波高较大，受地形的折射作用，该浪向传入近岸区域时逐渐折为SW向浪。

4 结论

缅甸南部海域属于典型的亚热带季风区域，夏季盛行西南向季风，而冬季盛行东北向季风。同时该海域毗邻孟加拉湾，受飓风的影响较小。研究海域的主要浪向集中在为WSW、SSW向。

利用SWAN海浪模型，针对研究海域建立适当的数值模型模拟海区波浪传播规律。同时采用卫星高度计测量资料和近岸的观测资料进行模型验证分析。验证表明，SWAN模式模拟的海浪结果与卫星高度计测量资料和实测结果总体趋势符合良好，且模拟波高最大值与实测值接近。

当外海波浪传播至近岸区域时，受波浪绕射与折射的叠加影响，外海WSW向浪传播至近岸后，岸线北部浪向折向W向，受岛屿链的掩护，近岸波高迅速减小。外海SSW向浪传播至近岸时，岸线南部浪向折向SW向，而此方向入射波浪岛屿掩护的阴影区明显变小，部分波浪直接作用于岛屿后的海岸区域，使得近岸海域波高较大。

［1］苏月蕾.SWAN模型在缅甸海岸区域的应用［D］.南京：河海大学，2006：1-10.

［2］徐亚男，冯建国.斯里兰卡科伦坡临近海域波浪数值模拟［J］.水道港口，2014，35（4）：312-316. XU Y N，FENG J G.Wave Conditions Simulation for Sea Area of Colombo Port in Sri Lanka［J］.Journal of Waterway and Harbor，2014，35（4）：312-316.

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Wave field simulation for Myanmar Tavoy Sea

XU Ya⁃nan,GAO Feng
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In this paper,SWAN model was adopted to simulate the waves transmitted from offshore to near⁃shore Myanmar based on the meteorological data from ECMWF.The simulated result was compared with satellite data and field measured data.It shows that the trend between the curves is unified,and the extreme value of simulat⁃ed result is close to the measured value.The simulation presents wave distribution around Myanmar southern sea,it shows the wave height and wave directions are affected by terrain refraction and island trains shielding.When the wave is from WSW direction,the wave height is decreased rapidly caused by island shielding,and the direction turns to W direction at northern coastline.When the wave is from SSW direction,island shielding is weak,the wave is decreased slowly,and the direction turns to SW direction at southern coastline.

SWAN;ECMWF;Myanmar;satellite altimeter

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2015）06-0523-05

松滋港大手笔开局“十三五”

2015-08-11；

2015-11-04

徐亚男（1985-），女，山东临清人，副研究员，主要从事水动力及深水波浪传播规律的研究。

Biography：XU Ya⁃nan（1985-），female，associate professor.

1Jason-2：轨道高度为1 336 km，轨道倾角66.039°，重访周期约为10 d，其海面测高精度可达2.5～3.4 cm。

本刊从湖北省交通运输厅获悉，湖北省交通建设投资公司于2015年年底与松滋市政府签署战略框架协议，双方约定2016年投入30亿元，建设松滋车阳河综合码头二期工程4个泊位和长江物流产业园。在未来五年投资150亿元，合作建设大港口、大交通、大物流、大产业、大园区、新城区、新平台，高标准打造松滋临港新区，这标志着，松滋港将大手笔开局“十三五”。（殷缶，梅深）