基于WAVEWATCHIII模型的可能最大台风浪的推算

孔丛颖 ，孙运佳 ，侯堋

（1．中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2．中国交建海岸工程水动力重点实验室，天津 300222；3．珠江水利科学研究院，广东 广州 510611）

0 引言

福岛核电事故后，评估极端天气工况下是否会影响核岛区安全十分必要。近几年，极端气象事件发生较为频繁，有越来越多的超强台风在我国沿海登陆，威胁了沿海核电厂的防洪安全。2011年底，沿海大型工程海洋灾害风险排查工作启动[1]。

可能最大台风浪是沿海核电工程设计和海洋灾害风险排查中所需考虑的重要因素之一，但相关研究成果较少。本次研究的核电站建设较早，未有相关试验成果可以参考，地形及构筑物设计图纸更早，评估极端台风工况是否会影响到核岛区的安全十分必要，本次研究成果将最终为该核电厂防洪设计与措施提供最为经济的改进建议。

1 工程区域简介

核电站厂址位于大鹏半岛东南侧，西距深圳市区直线距离45 km，西南距香港市区直线距离约55 km，北距惠州市大亚湾经济规划区边界约10 km，厂址东南濒临大亚湾，西北为丘陵山地，地理坐标为东经 114°33′，北纬 22°36′。

2 可能最大热带气旋参数的选取

可能最大台风浪就是指由可能最大热带气旋引起而伴随可能最大风暴潮所产生的台风浪。可能最大热带气旋（PMTC）参数[2]的取值见表1。

表1 可能最大热带气旋的假想路径及参数Table 1 The hypothetical path and parameters of PMTC

3 可能最大台风浪的计算

3.1 WAVEWATCHIII海浪模型

WAVEWATCH的 3．14版本是在 WAM（the Wave Model）模式的基础上发展起来的，该模式对控制方程、程序结构、数值和物理的处理方法进行了改进，更加合理地考虑了波-流相互作用和风浪物理机制等方面，WAVEWATCHIII模式极大地提高了波浪数值计算精度。

模式控制方程采用波作用量密度谱，即N（k，θ）≡F（k，θ）/σ，波浪传播可描述为：

式中：N为波作用量密度谱；d/dt表示全导数；F为海浪谱；k为波数；θ为波向；σ为固有频率；S为与海浪谱 F的源和汇的总和，S（Tolman，2009）[3]可表示为：

式中：源函数项包括风能量输入项Sin、非线性波-波相互作用项Snl、白冠耗散项Sds和底摩擦项Sbot。WAVEWATCHIII（version3．14）新加入了线性输入项Sln，在极浅水域还考虑了水深诱导破碎项Sdb和三波相互作用项Str同时还包括含有受地形影响的散射项Ssc以及用户自定义的源项Sxx。

3.2 计算区域和数据来源

计算区域为 103°E～135°E，13°N～30°N（见图 1），模式运行所需的地形数据来源于ETOPO1全球地形数据集[4]，该数据的分辨率为1′×1′，网格数为269×360；卫星风场数据采用CFSR[5]风场（2011年以后称为 cfsv2），分辨率为 0．2°×0．2°。

图1 计算区域地形范围示意图Fig.1 The calculation range of the model

3.3 输入风场

台风浪的特征分布与台风风场有直接关系，台风风场的精确度很大程度上直接决定了模型的模拟精度，本次采用卫星遥感海面CFSR风场数据为背景风场，嵌入风场模型进行修正，致使输入风场更精确。

Holland经验台风模型公式[6]：

B是Holland拟合参数，计算时取Hubbert于1991年给出的经验公式：B=1．5+（980-P0）/120

式中：ρa为空气密度，取为1．2 kg/m3；P0为台风中心气压，hPa；P∞为台风外围气压，一般取值为1 013．3 hPa；r是计算点到台风中心的距离，m，其中xc、yc代表台风中心位置；f为科氏参数；Rmax为最大风速半径，计算时取美国Graham和Nunn提出的台风最大风速半径的经验公式：Rmax=28．52th[0．087 3（φ-28）]+

式中：φ为台风中心地理纬度；V为台风中心移动速度。

输入风场的构造公式为：

式中：Vtc为风场模型计算得到的台风风场；VQ为卫星风场，本文中为CFSR风场；C是一个考虑台风影响范围的系数，C=r/（nRmax）；n为系数，一般取9或10。这样，所得到的权重系数e随计算点到台风中心距离的不同而不同，这样既保证了在台风附近使用台风模式计算的风场，距台风中心远的点使用背景风场，保证了两个风场的平滑过渡。

3.4 模型验证

利用WAVEWATCHIII海浪模型对经过核电站附近海域的1104号台风（Haima）、1409号台风（NURI）和1604号台风（Nida）3个典型台风过程进行了模拟计算，且采用浮标F203、北海站及相关测波站的实测波高验证了波浪模型计算结果。

实测与模拟海浪过程曲线见图2。由波高（有效波高）过程曲线来看，实测波高和模拟波高吻合较好，该模型准确地反映了波浪大小的变化趋势。

图2 1604号台风期间4个测波站处实测与计算波高对比图Fig.2 The comparison of the measured and calculated significant wave height at 4 stations during typhoon 1604

3.5 可能最大台风浪的推算结果

厂址外海-20 m等深线处可能最大台风浪有效波高为13．7 m，图3反应了可能最大台风浪随时间的变化过程。

图3 外海-20 m等深线处可能最大台风浪（有效波高）时间过程线Fig.3 The time process curve of the probably maximum typhoon wave(significant wave height)at offshore-20 m isobath

4 结语

WAVEWATCHIII模式较好地模拟了台风过程波浪大小的变化，该模式对台风浪的模拟较为准确。同时利用该方法计算的可能最大台风浪已经应用于该核电厂区的防洪安全设计中，取得了良好的效果。可能最大台风浪是核电站工程设计和海洋灾害防御应当考虑的因素之一，本研究为该核电站及其周边海域可能最大台风浪的推算积累了经验，为今后我国核电厂防洪设计提供了技术支持。