台风对泰国某港引起的风浪数值模拟研究

2021-06-20周智鹏梁庆王科华张军

港工技术 2021年3期

周智鹏，梁庆，王科华，张军

（中交第四航务工程勘察设计院有限公司，广东广州 510230）

引言

波浪数据（平常浪和极值浪）作为重要的设计基础数据之一，能直接影响港口选址、平面布置、水工结构设计、施工方案选择、运营作业条件评估等。

本文结合泰国马达普港口项目，以1989 年11月1 号生成的台风“盖伊”为例，基于MIKE21-SW[1]风浪软件建立了泰国湾大范围波浪场模型，从JTWC（联合台风警报中心）全球后报台风数据库，提取台风在工程附近海域各路径上的台风参数，利用Young and Sobey[2]模型模拟泰国湾海域的台风风场，以此作为驱动风场，最终模拟得到海域的台风浪。

通过工程海域台风浪模拟结果与美国海岸防护手册(Shore Protection Manual）[3]推荐方法计算台风浪进行对比，其结果基本一致。本文提出的研究方法可以很好地模拟工程区台风极值波浪情况，以期为类似海域台风数值模拟提供参考。

1 工程简介

泰国马达普港口位于泰国罗永府，工程位置见图1。工程海域波浪受季风（平常情况）和台风（极端情况）共同影响，通过下载工程外海72 km 处NOAA（美国国家海洋和大气管理局）后报波浪数据（2010-2015 年），得到工程海域的平常波浪情况如图2。强浪向主要来自SW-WSW 向，最大有效波高仅约为2 m，绝大多数情况下，有效波高小于1 m；常浪向为SW-WSW 和SE-SSE，其出现频率分别为36.1 %和33.8 %。

图1 工程位置示意图及台风“盖伊”路径图

影响工程建筑物结构设计的极值波浪主要由台风引起，根据JTWC 台风数据库资料显示，1980～2015 年间可能影响工程区域的台风或热带气旋（300 km 半径范围）一共有12 场（见图2）。其中，1989 年经过泰国湾的台风GAY 为五级风暴，是至今唯一一个以台风级别风速（≥32.7 m/s）袭击泰国的台风，该台风造成1 060 人死亡。本文对此台风下工程区波浪情况进行研究计算。

图2 工程区域1980-2015 年台风路径（300 km 范围内）

2 台风浪模型

2.1 模型原理

MIKE21-SW 模型基于能量平衡方程，能够模拟波浪传播过程中的各种物理过程，如波浪的浅水变形和折射等，由于采用的是能量平衡方程，因而时空步长不受波长的影响，没有局限性，能够进行大尺度、长时间的波浪数值模拟。

MIKE21-SW 模型采用的能量平衡方程如下[4]：

式中：λ 表示经度坐标；φ 表示纬度坐标；S表示与波浪谱有关的源和汇的总和；N 指波作用量密度谱；t 指时间；Sin 是指风波相互作用；Sn1 是指非线性波波相互作用；Sds 是指白帽损失项；Sbot是指底部摩擦损失项；Ssurf 是指波浪破碎项。

2.2 模型建立

本文首先建立泰国湾大范围的波浪场模型（以下简称大模型，见图3），得到泰国湾内的台风浪特征；为了反映工程位置较准确的台风浪，同时嵌套建立了工程区域的波浪场模型（以下简称小模型，见图4），得到工程海域的波浪特征。

图3 工程区域台风场模型范围（大模型）

图4 泰国湾台风场模型范围（小模型）

大模型为小模型提供边界条件（包括波高、周期、波向）。其中大模型范围包含整个泰国湾海域；模型区域范围网格节点数为4 917 个，单元数为9 121 个，网格分辨率约为5 km；小模型外海边界水深约为-30 m，东西向长约48 km，南北向长度约为50 km；模型区域范围网格节点数为3 640 个，单元数为6 870 个，网格采用工程区域局部加密处理，加密网格分辨率约为200 m。

对于两个波浪模型，波浪谱选择全谱公式和非定常时间公式；频率谱的离散采用对数离散；方向谱的离散采用360°离散，分成16 个方向进行离散；地理空间和谱空间的离散算法采用低阶数值计算方法；波浪破碎指定的Gamma 值为0.8；底摩阻系数取0.04。两个模型均采用非结构化三角形网格，地形采用C-MAP 的电子海图数据。

2.3 驱动风场

台风“盖伊”的中心坐标、最大风速和中心气压可从JTWC 得到，从图1 可知台风“盖伊”在1989年11 月1 日00 时点在泰国湾生成，于1989 年11月4 日6 时登陆马来岛中部克拉地峡后又进入了印度洋，是为数不多的同时影响西太平洋和北印度洋两个海域的台风。其中台风离开泰国湾后对工程海域台风浪影响逐渐减小，因此本文关心并模拟的台风时段为1989 年11 月1 日00 时～1989 年11 月4日6 时。

本文经验风场采用Young 和Sobey 风场模型，公式如下：

式中：r 是计算点至台风中心的距离；Vg(r)为距台风中心r 距离处的风速；R 为最大风速半径；Vmax为最大风速。

式中：P(r)为距台风中心r 位置处的气压；是台风的中心气压；Pn是台风的外围气压，一般取为1 013.2 hpa。

本文的台风中心最大风速半径采用经验公式，Graham 和Nunn[5]研究了美国东海岸及墨西哥湾内的热带气旋情况，绘制了中心气压，地理纬度和移行速度对最大风速半径的影响曲线，并提出了最大风速半径的参数化公式（以下简称GN 法）：

式中：R 为最大风速半径，KM;为地理纬度；Pc 为台风中心气压；V 为台风移行速度。

为了对比不同经验公式得到的台风最大风速半径模拟台风浪的差异，本文同时选取了房伟[6]的最大台风风速半径参数化公式（见公式7，以下简称FW 法），并用GN 法和FW 法计算了最大风速半径。

图5 模拟的台风场（时刻：1989/11/3 18:00）

基于以上GN 法和FW 法得到的不同最大风速半径结果，模拟得到泰国湾内-30 m 近岸水深处（小模型边界）的有效波高（Hs），谱峰波周期（Tp）的变化过程线。通过比较发现：GN 法和FW 法以及最大风速半径取40 km 定值三种情况下，-30 m水深处的波浪要素变化趋势基本一致，这从侧面表明GN 法和FW 法在该海域有一定的适用性，且两种方法差异较小。基于此，以下台风浪模拟结果以GN 法为例。

图6 不同台风最大风速半径公式模拟的台风浪过程线

2.4 模拟最大台风浪要素对比

模拟海域无实测台风过境期间的波浪数据，本文基于SPM 推荐的台风过境期间产生的最大波要素（Hs 和Ts）计算经验公式，如下所示：

式中：R 为最大风速半径，km;为无穷远处大气压减掉中心气压，mmHg；UR为距离台风中心R 处的最大持续风速（UR=0.865Vmax+0.5VF）；为台风移行速度;为台风中心移动带来的风距修正系数，取α=1.0。

依据SPM 计算结果，对泰国湾海域模型的最大台风要素进行了对比。对比时段为1989 年11 月3 日6 时～1989 年11 月4 日6 时。对比结果如图7所示。

图7 SPM 经验公式与模拟结果的对比

对比SPM 手册推荐方法计算的台风“盖伊”过境泰国湾时最大有效波高和波周期与本文模拟的趋势和结果大致相同，本文采用的手段能够较好的模拟台风“盖伊”所产生的波浪特征。

3 台风浪模拟结果

3.1 泰国湾的台风浪结果

图8 为台风作用期间泰国湾的有效波高（Hs）和谱峰周期（Tp）的统计最大值分布图。

图8 泰国湾海域Hs 和Tp 最大值分布图

由图可知，在台风“盖伊”过境期间，有效波高主要介于2～12 m 之间，且沿着台风路径方向，右侧的波高大部分比左侧大，波高的场域不对称分布和许多因素有关。本文初步分析原因之一是由于泰国湾位于北半球，台风逆时针旋转，沿着台风运动的方向，右侧的风速大，左侧的风速小；因而沿着台风路径方向，在风区长度接近的条件下，右侧的波高大，左侧波高小。

在台风“盖伊”过境期间，谱峰周期主要介于2～13.5 s 之间，且在越开阔的海域，波周期越大，这主要是因为在开阔的海域，台风产生的波浪可以比较充分的成长，从而波周期相对较长。