欒曙光，劉永孝，趙凱

（大連海洋大學(xué)，遼寧大連116023）

閩中近岸西北行路徑臺風(fēng)浪波向特征

欒曙光，劉永孝，趙凱

（大連海洋大學(xué)，遼寧大連116023）

臺風(fēng)浪的研究對于船舶航行、避風(fēng)以及港口、海洋和近岸建筑物的安全有著重要的現(xiàn)實意義。本文基于考慮波浪折射、底部損耗及波浪破碎等的波譜模型，在充分考慮風(fēng)能量輸入、白帽耗散、波浪破碎以及波-波間的非線性相互作用等物理過程后，對在福建省中部登陸的0513號“泰利”、0709號“圣帕”和0808號“鳳凰”臺風(fēng)引起的臺風(fēng)浪過程進行了數(shù)值模擬計算。計算結(jié)果與實測數(shù)據(jù)相吻合，并總結(jié)出閩中近岸西北行路徑臺風(fēng)浪的波向變化規(guī)律。為近岸海域船舶航行和港口工程防災(zāi)減災(zāi)提供了較為重要的參考依據(jù)。

波譜模型；波浪場；波向

1 引言

我國東臨的西北太平洋是一個全年各季均有熱帶氣旋發(fā)生的海區(qū)，熱帶氣旋生成數(shù)約占全球的三分之一，致使我國成為遭受臺風(fēng)影響最嚴重的國家之一。其中最易遭受臺風(fēng)及風(fēng)暴潮影響的當(dāng)屬福建省近岸沿海。每年的5—11月之間，福建省近岸沿海地區(qū)都會受其嚴重威脅。因此對臺風(fēng)浪場進行數(shù)值計算與分析對于防災(zāi)減災(zāi)、保障災(zāi)區(qū)人民的生命財產(chǎn)安全是十分必要的[1]。

2 數(shù)學(xué)模型簡介

2.1 模型控制方程

波浪要素采用丹麥水力研究所（DHI Water& Environment）研制的計算軟件MIKE21中的SW (Spectral Waves FM)模塊進行推算。SW是波譜模型，可以考慮波浪的折射、底部損耗、波浪破碎、波流聯(lián)合作用及風(fēng)等因素對波浪傳播的影響，可以用來進行大范圍的波浪場地推算，也可以滿足大尺度波浪推算的要求。

SW模型基于波作用守恒方程，采用波作用密度譜N(σ,θ)來描述波浪。模型的自變量為相對波頻率σ和波向θ。波作用密度與波能譜密度E(σ,θ)的關(guān)系為：

式中σ為相對頻率，θ為波向。

在笛卡爾坐標系下，MIKE21 SW的控制方程，可以表示為：

S指能量平衡方程中以譜密度表示數(shù)：

式中，Sin指風(fēng)輸入的能量，Snl指波與波之間的非線性作用引起的能量耗散，Sds指有白帽引起的能量耗散，Sbot指由底摩阻引起的能量耗散，Ssurf指由于水深變化引起的波浪破碎產(chǎn)生的能量耗散。

2.2 風(fēng)場數(shù)據(jù)及最大風(fēng)速半徑

應(yīng)用MIKE21 SW模型進行臺風(fēng)浪場數(shù)值模擬計算需要輸入的風(fēng)場數(shù)據(jù)有臺風(fēng)的中心經(jīng)緯度、最大風(fēng)速、中心氣壓和標準氣壓，均來自溫州臺風(fēng)網(wǎng)。最大風(fēng)速半徑R采用Graham和Nunn提出的臺風(fēng)經(jīng)驗式4[3]計算。式4除了考慮臺風(fēng)中心氣壓以外，還考慮了地理緯度和臺風(fēng)中心移動速度的影響。

式中：VF為臺風(fēng)中心移動的速度（km/h），φ為地理緯度，P0為臺風(fēng)中心氣壓（hPa）。

3 臺風(fēng)浪場數(shù)值模擬結(jié)果和實測結(jié)果的對比

國家海洋局東海分局在臺灣海峽北部200 km處，即在27.3°N，122.32°E處布設(shè)了大浮標，該浮標的海洋要素觀測數(shù)據(jù)記錄了0709號臺風(fēng)“圣帕”和0513號臺風(fēng)“泰利”移動過程中有效波高的變化，本文數(shù)值模擬計算得到的有效波高與浮標記錄的有效波高相吻合。圖1和圖2分別為0513號臺風(fēng)“泰利”和0709號臺風(fēng)“圣帕”產(chǎn)生的有效波高計算值與實測值的比較。

圖1 0513號臺風(fēng)“泰利”產(chǎn)生的有效波高計算值與實測值的比較

圖2 0709號臺風(fēng)“圣帕”有效波高計算值與實測值的比較

4 西北行路徑臺風(fēng)引起的近岸波向特征

4.1 閩中登陸的三個臺風(fēng)特征

0513“泰利”、0709“圣帕”、0808“鳳凰”均為西北太平洋生成的西北行路徑臺風(fēng)，登陸時間為7月末至9月初，其中“泰利”和“圣帕”在登陸臺灣島前均達到了超強臺風(fēng)等級，受臺灣島的阻隔在福建二次登陸時降低為臺風(fēng)等級，而“鳳凰”的兩次登陸均為臺風(fēng)等級，見圖3。

圖3 閩中登陸西北行臺風(fēng)的路徑圖

4.2 計算結(jié)果及波向特征分析

在福建省近岸沿海-30 m等深線上選取7個點，1號點為臺風(fēng)路徑上點，2號點為臺風(fēng)路徑左邊最大風(fēng)速半徑內(nèi)的點，3號點為臺風(fēng)路徑左邊最大風(fēng)速半徑外的點，4號點為臺風(fēng)路徑左邊十級風(fēng)圈上的點，5號點為臺風(fēng)路徑右邊最大風(fēng)速半徑內(nèi)的點，6號點為臺風(fēng)路徑右邊最大風(fēng)速半徑外的點、7號點為臺風(fēng)路徑右邊十級風(fēng)圈上的點。本文主要通過分析上述7個點的波向，總結(jié)福建省近岸沿海-30m等深線上臺風(fēng)浪引起的波向特征。其中臺風(fēng)路徑兩側(cè)最大風(fēng)速半徑內(nèi)的點（2號和5號）距離臺風(fēng)路徑大約30 km；最大風(fēng)速半徑外的點（3號和6號）距離臺風(fēng)路徑大約60 km；十級風(fēng)圈上點（4號和7號）距離臺風(fēng)路徑恰好等于十級風(fēng)圈的半徑。表1為選取點的參數(shù)。圖4為選取點位置示意圖。

表1 閩中登陸臺風(fēng)選取點參數(shù)

圖4 選取點位置示意圖

4.3 閩中登陸的3個臺風(fēng)波向特征分析

文獻[3][4]定義波向和風(fēng)向一樣，指來波方向，并用16個方位記錄。波向和角度的關(guān)系，見表2。

4.3.1 0513號臺風(fēng)“泰利”波向特征分析

受0513號臺風(fēng)“泰利”的影響，7個點的平均波向隨時間的變化曲線見圖5。

臺風(fēng)移動路徑左側(cè)2、3、4號點的波向隨時間的變化特征可分為2個階段。

第1階段從8月31日14時到9月1日8時，“泰利”沿著西北行路徑逐漸從外海向近岸選取點位置移動，2號點的波向從8月31日14時的5.84°北向（見表2），逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)，到9月1日8時2點的波向為47.11°東北向；3號點的波向從8月31日14時的5.28°北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到9月1日8時的42.97°東北向；4號點的波向從8月31日14時為4.4°北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到9月1日8時的34.56°東北向。

表2 波向與角度的關(guān)系

第2階段從9月1日8時直到臺風(fēng)登陸之后，2號點的波向從8時的東北向繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)到14時的245.78°西西南向。臺風(fēng)繼續(xù)移動，2點的波向繼續(xù)繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從14時的西西南向逐漸轉(zhuǎn)到16時的210.52°南西南向；3號點的波向從8時的東北向繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)到14時的266.83°西向。臺風(fēng)繼續(xù)移動，3號點的波向繼續(xù)繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從14時的西向逐漸轉(zhuǎn)到16時的227.92°西南向；4號點的波向從8時的東北向繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)到13時的309.3°西北向。臺風(fēng)繼續(xù)移動，4號點的波向繼續(xù)繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從13時的西北向逐漸轉(zhuǎn)到16時的282.36°西西北向。

由圖5同樣可得出，臺風(fēng)“泰利”于9月1日15時登陸前，移動路徑左側(cè)波向的角度與臺風(fēng)中心

的距離成反比，距離越近產(chǎn)生的角度越大；當(dāng)臺風(fēng)登陸后移動路徑左側(cè)波向角度與臺風(fēng)中心的距離成正比，距離越近產(chǎn)生的角度越小。

臺風(fēng)移動路徑上1號點、路徑右側(cè)5、6、7號點波向隨時間的變化曲線只經(jīng)歷一個階段。1號點波向從8月31日14時5.66°北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到9月1日16時的177.81°南向；5號點波向從8月31日14時的6.02°北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到9月1日16時的158.56°南東南向；6號點波向從8月31日14時的8.23°北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到9月1日16時的151°南東南方向；7號點波向從8月31日14時的17.51°北東北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到9月1日16時的119.03°東東南向。

由圖5同樣可得出，臺風(fēng)登陸前移動路徑右側(cè)波向角度與臺風(fēng)中心的距離卻成正比，距離越近產(chǎn)生的角度越小；當(dāng)臺風(fēng)登陸后移動路徑右側(cè)波向角度與臺風(fēng)中心的距離成反比，距離越近產(chǎn)生的角度越大。

圖5 0513號臺風(fēng)“泰利”選取點的波向圖

4.3.2 0709號臺風(fēng)“圣帕”的波向特征分析

受0709號臺風(fēng)“圣帕”的影響，7個點的平均波向隨時間的變化特征見圖6。

臺風(fēng)移動路徑左側(cè)2、3、4號點的波向隨時間的變化規(guī)律分為2個階段。

第1階段從8月17日19時到18日17時，“圣帕”沿著西北行路徑逐漸從外海深水向近岸選取點位置移動，2號點的波向從17日19時的9.85°北向（見表2），逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到18日17時，2號點的波向為62.34°東東北向；3號點的波向從17日19時的6.57°北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到18日17時的50.54°東北向；4號點的波向從17日19時的6.06°北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到18日17時的28.34°北東北向。

第2階段從18日17時直到臺風(fēng)登陸之后，2號點的波向從18日17時東東北向繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)到19日2時的248.67°西西南向。臺風(fēng)繼續(xù)移動，2號點的波向繼續(xù)繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從2時的西西南向逐漸轉(zhuǎn)到5時的222.54°西南向；3號點的波向從18日17時的東北向繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)到19日1時的323.53°西北向。臺風(fēng)繼續(xù)移動，3號點的波向繼續(xù)繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從1時的西北向逐漸轉(zhuǎn)到5時的242.96°西西南向；4號點的波向從18日17時的北東北向繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)到19日1時的325.86°西北向。臺風(fēng)繼續(xù)移動，4號點的波向繼續(xù)繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從23時的北西北向逐漸轉(zhuǎn)到18日5時的266.72°西向。

由圖6可得，“圣帕”于19日1時登陸前，2號點的波向角度大于3號點的波向角度；3號點的波向角度大于4號點的波向角度。當(dāng)臺風(fēng)登陸后，2、3、4號點的波向角度與臺風(fēng)登陸前恰恰是相反的。即2號點的波向角度小于3號點的波向角度；3號點的波向角度小于4號點的波向角度。說明臺風(fēng)登陸前移動路徑左側(cè)波向角度與臺風(fēng)中心的距離成反比，距離越近產(chǎn)生的角度越大；當(dāng)臺風(fēng)登陸后移動路徑左側(cè)波向角度與臺風(fēng)中心的距離成正比，距離越近產(chǎn)生的角度越小。

臺風(fēng)移動路徑上1號點、路徑右側(cè)5、6、7號點的波向隨時間的變化曲線只經(jīng)歷一個階段。1號點波向從8月17日19時的13.12°北東北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到19日5時的211.87°南西南向；5號點波向從17日19時的16.44°北東北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到19日5時的194.47°南西南向；6號點波向從17日19時的20.1°北東北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到19日5時的165.19°南東南方向；7號點波向從17日19時的26.39°北東北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到19日5時的155.82°南東南方向。

由圖6可得，臺風(fēng)登陸前，7號點波向角度大于6號點的波向角度；6號點的波向角度大于5號點的波向角度；5號點的波向角度大于1號點的波向角度。當(dāng)臺風(fēng)登陸后，1、5、6、7號點的波向角度與臺風(fēng)登陸前恰恰是相反的。即7號點波向角度小于6號點的波向角度；6號點波向角度小于5號點的波向角度；5號點的波向角度小于1號點的波向角度。說明臺風(fēng)登陸前移動路徑右側(cè)波向角度與臺風(fēng)中心的距離卻成正比，距離越近產(chǎn)生的角度越??；當(dāng)臺風(fēng)登陸后移動路徑右側(cè)波向角度與臺風(fēng)中心的距離成反比，距離越近產(chǎn)生的角度越大。

圖6 0709號臺風(fēng)“圣帕”選取點的波向圖

4.3.3 0808號臺風(fēng)“鳳凰”的波向特征分析

受0808號臺風(fēng)“鳳凰”的影響，7個點的平均波向隨時間的變化曲線見圖7。

臺風(fēng)移動路徑左側(cè)2、3、4號點的波向隨時間的變化曲線分為2個階段。

第1階段從7月27日20時—28日18時，臺風(fēng)“鳳凰”沿著西北行路徑逐漸從外海深水向近岸選取點位置移動，2號點的波向從7月27日20時的6.57°北向（見表2），逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到28日18時的55.73°東北向；3號點的波向從27日20時的3.29°，北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到28日18時的48.98°東北向；4號點的波向從27日20時的10.9°北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到28日18時的44.58°東北向。

第2階段從28日18時直到臺風(fēng)登陸之后，2號點的波向從28日18時的東北向繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)到23時的260.35°西向。臺風(fēng)繼續(xù)移動，2號點的波向繼續(xù)繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從23時的西向逐漸轉(zhuǎn)到29日1時的230.47°，西南向；3號點的波向從28日18時的東北向繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)到23時的276.73°西向。臺風(fēng)繼續(xù)移動，3號點的波向繼續(xù)繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從23時的西向逐漸轉(zhuǎn)到29日1時的240.97°西西南向；4號點的波向從28日20時的東北向繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)到22時的317°西北向。臺風(fēng)繼續(xù)移動，4號點的波向繼續(xù)繞逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從22時的西北向逐漸轉(zhuǎn)到29日1時的246.55°西西南向。

由圖7可得，“鳳凰”于28日22時登陸前，移動路徑左側(cè)波向的角度與臺風(fēng)中心的距離成反比，距離越近產(chǎn)生的角度越大；當(dāng)臺風(fēng)登陸后移動路徑左側(cè)波向角度與臺風(fēng)中心的距離成正比，距離越近產(chǎn)生的角度越小。

圖7 0808號臺風(fēng)“鳳凰”選取點的波向圖

臺風(fēng)移動路徑上1號點、路徑右側(cè)5、6、7號點的波向隨時間的變化曲線只經(jīng)歷一個階段。1號點波向從7月27日20時的10.28°北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到29日1時的211.18°南西南向；5號點波向從27日20時的14.29°北東北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到29日1時的193.9°南西南向；6號點波向從27日20時的18.23°北東北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到29日1時的169.37°南向；7號點波向從27日20時的23.13°北東北向，逐漸繞順時針方向旋轉(zhuǎn)到29日1時的121.28°東東南向。

由圖7可得，臺風(fēng)登陸前移動路徑右側(cè)點波向角度與臺風(fēng)中心的距離成正比，距離越近產(chǎn)生的角度越?。划?dāng)臺風(fēng)登陸后移動路徑右側(cè)點波向角度與臺風(fēng)中心的距離卻成反比，距離越近產(chǎn)生的角度越大。

5 結(jié)論

（1）臺風(fēng)“泰利”、“圣帕”、“鳳凰”的移動路徑均為西北行路徑，3個臺風(fēng)行進過程中，近岸沿海-30 m等深線上的波向隨時間的變化特征基本相同；

（2）臺風(fēng)移動路徑左側(cè)近岸沿海-30m等深線上的波向隨時間的變化特征一般經(jīng)歷兩個階段。第一個階段由北至北東北（N-NNE）向繞順時針方向轉(zhuǎn)到東北至東東北（NE-ENE）向；第二階段由東北至東東北（NE-ENE）向繞逆時針方向轉(zhuǎn)到西南至西西南（SW-WSW）向；

（3）臺風(fēng)移動路徑右側(cè)近岸沿海-30m等深線上的波向隨時間的變化特征一般只經(jīng)歷一個階段，由北向（N）或北東北向(NNE)繞順時針方向轉(zhuǎn)到南西南至南東南（SSW-SSE）向；

（4）臺風(fēng)登陸前移動路徑左側(cè)波向角度與臺風(fēng)中心的距離成反比，距離越近產(chǎn)生的角度越大；而移動路徑右側(cè)波向角度與臺風(fēng)中心的距離成正比，距離越近產(chǎn)生的角度越小。當(dāng)臺風(fēng)登陸后移動路徑左側(cè)波向角度與臺風(fēng)中心的距離成正比，距離越近產(chǎn)生的角度越??；而移動路徑右側(cè)波向角度與臺風(fēng)中心的距離成反比，距離越近產(chǎn)生的角度越大。

[1]陳希,閔錦忠,李研,等.臺灣島鄰近海域臺風(fēng)浪模擬分析[J].氣象科學(xué),2003,23(1);46-54．

[2]Vilsmeier R,Hanel D.Adaptive solutions for unsteady laminar flows on unstructured grids[J].International Journal for numerical methods in fluids,1995,22：85-101.

[3]邱大洪.工程水文學(xué)[M].第三版,北京：人民交通出版社,1999.

[4]GB/T 12763.2-2007.海洋調(diào)查規(guī)范第2部分：海洋水文觀測[S].北京：中國標準出版社,2008.

Characteristics of wave direction caused by the northwest typhoon in the offshore of Fujian province

LUAN Shu-guang，LIU Yong-xiao，ZHAO Kai

(Dalian Ocean University，Dalian Liaoning 116023 China)

Study on the typhoon wave has an important practical significance for ship navigation and shelter,as well as the safety of ports,marine and coastal buildings.In the paper,the spectral model,considering wave refraction,bottom friction and wave breaking,is used.After taking full account of the wind energy input,white capping dissipation,wave breaking,nonlinear interactions between waves and other physical processes,we have conducted numerical simulations for the processes of typhoon waves by No.0513“Talim”,No.0709“Sepat”and No.0808“Fung-Wong”which landed in the middle coast of Fujian Province.The calculated results are in a good agreement with the measured data provided by the Forecasting Center of East China Sea.Meanwhile,we summarized the pattern of the northwest typhoon wave direction characteristics in the offshore of Fujian Province, which can provide an important reference for ship navigation in the offshore area,disaster prevention and mitigation of port engineering.

wave spectrum model；wave field；wave direction

book=262,ebook=262

P731

：A

：1003-0239（2012）05-0065-08

2011-02-05

農(nóng)業(yè)部2010年漁政管理項目“漁港防災(zāi)減災(zāi)專題研究”

欒曙光（1954-），女，教授，主要從事港口工程防災(zāi)減災(zāi)方面的研究E-mail：shugluan@qq.com或shugluan@dlou.edu.cn