上海深远海域极端台风浪数值模型研究

顾晨

（上海勘测设计研究院有限公司，上海 200335）

1.研究背景

近年来，随着海上风电的迅速发展，我国海上风电开发逐渐从近岸海域向深远海域发展。大型化、深远海化、规模化发展已经成为未来风电开发的重要方向。

我国深远海域是海洋气象灾害袭击的前沿地带，极端气象海洋灾害（海冰、台风、风暴潮、台风浪等）频发，其发生的频次和强度受全球气候变化的影响呈上升趋势。由此可见，我国深远海域的自然环境十分复杂。我们对深远海域海洋水文气象条件特性无法准确了解和掌握，海上风电开发过程中存在较大的技术和经济不确定性。

海洋水文气象条件是影响海上风电规划、设计和建设运维的重要因素。水文气象的相关参数是海上风电场基础设计的类型选择和结构计算的重要依据，影响海上风电工程的安全运行和投资效益。相较于潮间带和浅海海上风电场，深远海域的海上风电开发的技术更加复杂，且风险更大。因此，为了保障深远海的海上风电开发，对海洋水文气象条件的观测和研究提出了更高的要求。

2.台风风场生成

2.1 台风事件筛选

上海深远海域极端海况的模拟选取历史台风事件，对上海深远海场址半径350km范围内历史台风按最大持续风速的等级筛选出对上海深远海场址有影响的台风事件作为极端模拟海况，如图1所示为历史上影响上海深远海域场址的台风路径图。数据源来自Historical Hurricane Tracks（noaa.gov）。

因台风对海域极端海况的影响包括台风路径、最大风速、持续时间、最低气压等，台风风场筛选可按特定参数进行排序。因台风风速对波浪大小影响显著，本次筛选将台风按Saffir-Simpson飓风等级筛选，达到飓风一级以上的台风事件，如图1所示共57场，表1列出按时间排序最新的前20场台风时间，包含台风生成至结束时间、台风等级和中心最大风速值等信息。

表1 上海深远海域半径350km内历史台风事件信息

图1 上海深远海域半径350km内历史台风事件路径图

2.2 台风风场生成方法

确定了上述57个受影响的台风事件列表后，相应的台风事件路径数据可以通过JMA数据库得到。根据这些路径数据以及相应的计算，MIKE 21 Cyclone Wind Generation Tool（台风风场生成工具）所需要的输入参数均可获得。输入参数中的时间[hours]，台风中心点经纬度[deg]，中心气压Pc[hPa]，正常气压Pn[hPa] （常数，值为1005hPa）均可通过JMA数据库直接获得。而另外两个输入参数，描述台风形状的参数B和最大台风半径Rmw需要基于已有的数据通过经验公式来进行求解。

Holland模型中气压由以下公式给出：

其中，B是形状参数，用来描述不同的热带气旋压力剖面，一般用于描述随时间变化的低压过程，B的取值范围为1

根据 Holland B 参数可以由以下两公式计算：

其中ρA=1.293kg/m3为空气密度，e=2.718为常数，Vmax为最大风速。

最大风速半径可由下列两公式计算：

Rmw=0.485Pc-413

Rmw=0.1R30kts

需注意在以上公式中，Pc和Pn均以hPa为单位。

JMA随着空间和时间变化的台风最佳路径参数数据库，生成的台风风场范围覆盖整个中国海及西北太平洋，经过MIKE 21台风生成工具的插值，得到空间分辨率为0.1度时间步长为15min的台风模型。

在此基础上，可通过MIKE 21 Cyclone Wind Generation Tool批量得到57场台风事件的模拟结果。该结果只含有台风风圈数据而无背景风场数据。因此需要与CFSR背景风场进行叠加。叠加的原理是将台风中心向外一定范围内的风场数据加入CFSR风场的对应区域进行替换，在剪切处的边缘使用插值设立缓冲区使得叠加后的数据更加真实。

3.波浪模型的搭建

为建立上海深远海域长时间波浪要素数据库，本研究采用MIKE 21 SW波浪模型进行东中国海的波浪数值模拟计算。

MIKE 21 SW基于波作用守恒方程，采用波作用密度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）的关系为：

其中：σ为相对频率，θ为波向。

在笛卡尔坐标系下，MIKE 21 SW的控制方程，即波作用守恒方程可以表示为：

在球坐标系下，

其中：R为地球半径，ø为纬度，λ为经度。波作用守恒方程的形式为：

MIKE 21 SW模型中的源函数项描述了各种物理现象的源函数的叠加：

其中：Sin指风输入的能量，Snl指波与波之间的非线性作用引起的能量损耗，Sds指由白帽引起的能量损耗，Sbot指底摩阻引起的能量损耗，Ssurf指由于水深变化引起的波浪破碎产生的能量损耗。

本研究范围覆盖整个东中国海和西北太平洋，对中国沿海以及长江口区域进行逐层网格加密。波浪模型范围覆盖整个中国海域，北至渤海湾、南至泰国湾及新加坡海峡一带。东边界西北太平洋外海水深约8500m处。沿冲绳海沟、中国大陆架和重要风电场址进行三重加密。总网格数为57543，最大单元面积2248km2，最小单元面积0.2km2。最大三角形网格边长约45km，中国近岸海域三角形网格边长约10km，最小三角形网格边长约1km。为给出精细化的上海深远海域波浪模型数据，对上海深远海风电场址Ⅰ和Ⅱ进行局部加密。

基于MIKE 21 SW模式，对东中国海波浪模型进行调试，确保该海域波浪模拟结果能够与卫星遥感数据相吻合。对比波浪模型在上海深远海场址内后报结果，得到实测数据与模拟结果相关性对比分析，如图2所示，总体相关性较好，表明波浪模型能适用于上海深远海域风电场的模拟。

图2 上海深远海域波浪模型结果与卫星遥感数据的对比

4.极端台风浪事件模拟

本研究模拟了列举2000年以后历史台风中最强的57次台风生成参数化台风风场，因篇幅原因，现列举2019年两场最强的台风事件，并提取上海深远海域风电场Ⅰ和Ⅱ中心位置A、B两点（如图3所示）在台风事件过程中的风速和有效波高的时间序列曲线，其中时间为格林尼治时间。

图3 上海深远海域中心点A和B示意图

4.1 2019年台风“MITAG”

台风“MITAG”产生于2019年9月24日，结束于2019年10月5日，历时11d，风力最大时属于2级飓风，最高持续风速为46.3m/s，中心最低气压961百帕。研究区域内台风“MITAG”风力最大时为1级飓风，中心最低气压为977百帕；研究区域内测点最高持续风速为33.4m/s，发生于2019年10月1日14时，相应气压为977百帕。

Holland模式生成的“MITAG”台风风场于2019年10月1日22点，在上海深远海域风电场址内达到最大值，此刻A点（场址Ⅰ）风速为24.4m/s，气压值为1004百帕，B点（场址Ⅱ）风速为21.1m/s，气压值为994百帕。

2019年10月1日23：00台风浪对上海深远海域风电场址影响达到最大，此刻场址Ⅰ中心A点有效波高为6.4m，场址Ⅱ中心B点有效波高为7.8m（如图4所示）。

图4 台风“MITAG”期间A、B两点有效波高过程线

4.2 2019年台风“LINGLING”

台风“LINGLING”产生于2019年8月30日，结束于2019年9月12日，历时14天，风力最大时属于4级飓风，最高持续风速为61.7m/s，中心最低气压930百帕。研究区域内台风“LINGLING”风力最大时为3级飓风，中心最低气压为935百帕；研究区域内测点最高持续风速为52m/s，发生于2019年9月6日19时，相应气压为935百帕。

Holland模式生成的“LINGLING”台风风场于2019年9月6日12点，在上海深远海域风电场址内达到最大值，此刻A点（场址Ⅰ）风速为19.5m/s，气压值为1010百帕，B点（场址Ⅱ）风速为22.9m/s，气压值为1009百帕。

2019年9月6日11：30对上海深远海域风电场址波浪影响达到最大，此刻场址Ⅰ中心A点有效波高为5.2m，场址Ⅱ中心B点有效波高为7.6m（如图5所示）。

图5 台风“LINGLING” 期间A、B两点有效波高过程线

5.结语

本研究就如何对深远海域极端事件，尤其是台风事件下的海浪模拟的技术路线进行了阐述，给出了基于风场筛选，Holland参数化台风生成和历史台风模拟的系统性模型反演工作，可对特定海域特定事件进行再分析，为更加精细化的给出各区域极值条件的数据给出了可行的方法和路径。

对上海海域历史台风事件的反演，对场址影响最大的5场台风事件可见，其台风路径均表现为从菲律宾海域生成并北上，在东海靠近上海海域离岸最近，随后达到拐点，向东北方向继续传播，其台风中心穿过上海深远海域场址中心半径350km范围内，海上10m高风速可达25m/s以上，其有效波高在场址Ⅰ可达到5m～7m，在场址Ⅱ可达到6m～9m。