一种基于联合风场的海洋工程环境设计波要素方法

张 莉

(福建省环境科学研究院，福建 福州 350013)

1 概述

波浪是海洋中最主要的动力要素之一，准确进行设计波浪要素计算是涉海工程建设的前提条件。海洋工程中常见的设计波浪要素推算方法包括基于波浪经验公式的推算法[1]、基于实测风速波浪的相关分析法[2]和基于海浪数值模型的数学推算法。随着计算机数值计算技术的发展，数值模型法以其快速、直观和准确的优势成为了海浪计算的首选。波浪数值计算经历了三代发展过程，现今最常用的波浪计算模型分为以下三类：一是缓坡方程海浪计算模型，这类模型在海底地形变化剧烈、水深较浅时数值模拟精度欠佳；二是以SWAN为代表的基于能量平衡方程的海浪计算模型，这类模型应用最为广泛，模拟精度较好；三是以MIKE BW/SW为代表的基于Boussinesq方程的海浪计算模型，这类模型适用于复杂地形下的小尺度波浪计算。

刘国等[3]采用SWAN模型，以WRF模式风场联合CCMP风场为驱动模拟了如东风电场海域近20年的波浪过程并得到不同重现期风速和波浪要素。文先华等[4]采用SWAN和WAVEWATCH III相嵌套，以WRF模式风场为驱动，计算珠江口附近海域50年一遇和100年一遇波浪极值。齐庆辉等[5]采用MIKE SW模式，以WRF模式风场为驱动再现了0713号台风过境期间连云港海域的波浪变化过程。袁华等[6]采用MIKE21 SW模型,以长江口附近气象站风速设计风速为驱动计算得到该区域设计波浪要素。

本文以福建省连江县东洛岛附近一深海养殖平台工程为例，介绍一种基于SWAN海浪数值模型，以NCEP再分析风场和Jelesnianski台风模型风场为联合风场驱动计算的工程设计波要素推算方法。

2 研究区域概况

本文研究的深海养殖平台位于连江县苔菉镇东洛岛西南海域北茭海峡内，如图1所示，平台平面为规则矩形，其西南、东南、东北及西北角分别编号为1、2、3、4。北茭海峡位于黄岐半岛以北，连接着罗源湾可门口和三都澳。该养殖平台北侧为西洛岛和东洛岛，距离东洛岛仅500 m，南侧距离黄岐半岛大陆岸线约5 km，东侧距离大陆岸线约3.5 km。北茭海峡岛屿暗礁较多，水深变化复杂。

根据《东海区海洋站海洋水文气候志》[7]中北茭气象海洋站(图1)的统计，该区域全年东北风最多，其次为东北东向和西南南。风向季节变化明显，秋、冬季以东北风最多，春季以东北风和东北东风为多，夏季西南南风最多。根据1982—2001年北茭逐时风速统计，最大风速为37.0 m/s，出现在台风2001年“飞燕”台风期间。北茭站统计累年最大波高均不小于4.5 m，大多出现在7—10月间的台风影响季节。

图1 项目工程位置、北茭海洋站及黄岐浮标

3 模型及数据

3.1 SWAN海浪模型及计算域网格

SWAN是荷兰Delft大学研发的第三代近岸海浪模式，适用于浅海和近岸风浪、涌浪及混合浪计算。SWAN模型采用动谱平衡方程来描述风浪生成及其在近岸区的演化过程，对近海区域海浪模拟精度较好，应用最为广泛。

本研究的计算范围为24.8°～27.4°N，118.8°～123°E。采用三角形网格对计算域进行剖分，可以准确贴合复杂多变的岸线、岛屿。网格自海洋边界向岸线逐渐加密，在工程附近进一步加密，最小网格边长约30m，共包含18522个网格单元。采用etop2-1min、海图、遥感反演等多种数据融合得到的水深数据插值。

3.2 NCEP/NCAR再分析风场

NCEP/NCAR再分析数据集是美国气象环境预报中心(NCEP)和美国国家大气研究中心(NCAR)联合制作，采用全球资料同化系统对各种来源的观测资料进行质量控制和同化处理获得。NCEP/NCAR再分析风场资料覆盖全球，共有192×94格点。本文选用2000—2020年研究区域的每日四次NCEP/NCAR再分析风场资料。

3.3 Jelesnianski台风模型风场

台风期间，台风气旋风场结构变化剧烈，NECP风场的精度不足以描述其风场结构，因此采用Jelesnianski风场对2000—2020年间对本工程区域影响较大的47场台风风场进行重新描述。Jelesnianski风场以最大风速表示的风速剖面表达式如下：

(1)

式中，VR为距离台风中心r处的台风环流风速(m/s)，VRmax为环流最大风速(m/s)，Rmax为台风气旋环流最大风速距离台风中心的半径(m)。

4 结果与分析

4.1 模型适用性验证

选取2015年“苏迪罗”、“杜鹃”两场台风过程进行海浪计算验证。黄岐浮标，位于该工程项目东南约2 km位置(图1)。将两次台风浪模拟结果与黄岐浮标实测进行比较，判断模型在该海域的适用性，并率定模型波浪计算相关参数。

台风“苏迪罗”：2015年7月30日20时在西北太平洋洋面上生成，强度逐渐加强，8月3日加强为强台风，而后达到其巅峰强度17级以上。8日清晨以中心附近最大风力15级在台湾花莲市登陆，并于同日晚22时以中心附近最大风力13级在福建省莆田市登陆。

台风“杜鹃”：2015年9月23日，在西北太平洋洋面上生成，命名为“杜鹃”，25日升级为中度台风，26日再次卷入干空气，升级为强台风，27日升级为超强台风，28日登陆台湾地区，29日在福建省莆田市秀屿区登陆。

由图2可见，两次台风过程黄岐浮标位置波浪模拟结果与实测资料整体规律符合良好，尤其是有效波高峰值模拟准确。从浮标实测资料可见，在台风还很远时，黄岐浮标处就出现了约0.5m的台风浪，这应该是夏季盛行的西南季风造成。而台风风场模型中不包含季风等背景风场影响。总体来看，本文设计的模型对该海域的海浪数值计算是可行的。

图2 台风“苏迪罗”及“杜鹃”有效波高模拟验证

4.2 50年重现期风速推算

对2000—2020年NCEP/NCAR再分析风场资料及47场台风的Jelesnianski风场数据进行统计，得到该养殖平台位置出现频次最高的风向为NE向(40.0%)，其次是E向(16.1%)，再次是SW向(11.1%)。工程区域重现期为50年的各向风速通过耿贝尔分布推算得到，具体见表1。

表1 50年重现期的风速推算结果

4.3 工程设计波要素计算及分析

采用SWAN模型进行连续20年的海浪计算。结果显示，该养殖平台2000—2020年计算有效波高最大值为4.75m，波向为193°(东北偏东方向，ENE向)，出现在2008年9月14日7时，处于2018年“森拉克”台风期间。次大值为4.73m，波向为196°(东北偏东方向，ENE向)，出现在2009年8月9日9时，处于2019年“莫拉克”台风期间。

根据50年重现期风速推算结果，进行8个方位均一风场作用下的海浪计算，可输出该养殖平台4个位置点(图 1)的逐时有效波高、有效波周期、跨零周期、谱峰周期等波要素。最大波高可根据SWAN输出有效波高推算得到。福建近海浮标实测最大波高(Hmax)与有效波高(Hs)拟合公式为：

Hmax=1.4389×Hs+0.0508

(2)

由50年重现期的8个方位均一风场作用下的有效波高模拟结果可知，东洛岛右侧开阔外海的海浪有效波高可达8m以上，受东洛岛、址洛岛和西洛岛的阻挡，该工程区域波浪明显减小。工程区域NE、N、E、SE和NW向的风作用产生的波浪较大，而S、W、SW三个风向作用产生的波浪较小。S、W、SW向的风作用受黄岐半岛大陆限制从而风区较短，因此波浪发展幅度有限。NE、N、E、SE和S向风产生的海浪传播受东洛岛等三岛的遮挡，因此在该养殖平台处浪高明显降低。相对而言，养殖平台西南角是遭受风浪危险最高的位置。N、NE、E、SE、SW、W六个方向的风作用下，工程区域最大波高均出现在其东南角，而S向风作用下大波高出现在其东北角、NW向风作用下大波高出现在其西南角。工程区域重现期为50年的最大波高出现在其东南角，为7.14 m，受NE向风作用，见表2。

表2 重现期为50 年的NE向风作用波浪特征值

5 结论

本文介绍了一种基于SWAN海浪模式计算，用NCEP/NCAR再分析风场和Jelesnianski台风风场联合风场驱动的海洋工程环境设计波要素计算方法。该方法解决了一般海洋工程区域缺少风速和波浪实测的问题，提出根据再分析风场和耿贝尔分布法推算不同重现期的各向风速，然后采用SWAN模式进行各向风速的波浪场模拟，从而得到海洋工程建设所需的设计波要素。本文采用这一方法对福建东洛岛深海养殖平台的设计波要素进行计算，得到了该养殖平台50年一遇的最大波高为7.14m，并提出该平台最危险的位置是其西南角。