孔叢穎 ，孫運(yùn)佳 ，侯堋

（1．中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2．中國(guó)交建海岸工程水動(dòng)力重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300222；3．珠江水利科學(xué)研究院，廣東 廣州 510611）

0 引言

福島核電事故后，評(píng)估極端天氣工況下是否會(huì)影響核島區(qū)安全十分必要。近幾年，極端氣象事件發(fā)生較為頻繁，有越來(lái)越多的超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)在我國(guó)沿海登陸，威脅了沿海核電廠的防洪安全。2011年底，沿海大型工程海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)排查工作啟動(dòng)[1]。

可能最大臺(tái)風(fēng)浪是沿海核電工程設(shè)計(jì)和海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)排查中所需考慮的重要因素之一，但相關(guān)研究成果較少。本次研究的核電站建設(shè)較早，未有相關(guān)試驗(yàn)成果可以參考，地形及構(gòu)筑物設(shè)計(jì)圖紙更早，評(píng)估極端臺(tái)風(fēng)工況是否會(huì)影響到核島區(qū)的安全十分必要，本次研究成果將最終為該核電廠防洪設(shè)計(jì)與措施提供最為經(jīng)濟(jì)的改進(jìn)建議。

1 工程區(qū)域簡(jiǎn)介

核電站廠址位于大鵬半島東南側(cè)，西距深圳市區(qū)直線距離45 km，西南距香港市區(qū)直線距離約55 km，北距惠州市大亞灣經(jīng)濟(jì)規(guī)劃區(qū)邊界約10 km，廠址東南瀕臨大亞灣，西北為丘陵山地，地理坐標(biāo)為東經(jīng) 114°33′，北緯 22°36′。

2 可能最大熱帶氣旋參數(shù)的選取

可能最大臺(tái)風(fēng)浪就是指由可能最大熱帶氣旋引起而伴隨可能最大風(fēng)暴潮所產(chǎn)生的臺(tái)風(fēng)浪。可能最大熱帶氣旋（PMTC）參數(shù)[2]的取值見(jiàn)表1。

表1 可能最大熱帶氣旋的假想路徑及參數(shù)Table 1 The hypothetical path and parameters of PMTC

3 可能最大臺(tái)風(fēng)浪的計(jì)算

3.1 WAVEWATCHIII海浪模型

WAVEWATCH的 3．14版本是在 WAM（the Wave Model）模式的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，該模式對(duì)控制方程、程序結(jié)構(gòu)、數(shù)值和物理的處理方法進(jìn)行了改進(jìn)，更加合理地考慮了波-流相互作用和風(fēng)浪物理機(jī)制等方面，WAVEWATCHIII模式極大地提高了波浪數(shù)值計(jì)算精度。

模式控制方程采用波作用量密度譜，即N（k，θ）≡F（k，θ）/σ，波浪傳播可描述為：

式中：N為波作用量密度譜；d/dt表示全導(dǎo)數(shù)；F為海浪譜；k為波數(shù)；θ為波向；σ為固有頻率；S為與海浪譜 F的源和匯的總和，S（Tolman，2009）[3]可表示為：

式中：源函數(shù)項(xiàng)包括風(fēng)能量輸入項(xiàng)Sin、非線性波-波相互作用項(xiàng)Snl、白冠耗散項(xiàng)Sds和底摩擦項(xiàng)Sbot。WAVEWATCHIII（version3．14）新加入了線性輸入項(xiàng)Sln，在極淺水域還考慮了水深誘導(dǎo)破碎項(xiàng)Sdb和三波相互作用項(xiàng)Str同時(shí)還包括含有受地形影響的散射項(xiàng)Ssc以及用戶自定義的源項(xiàng)Sxx。

3.2 計(jì)算區(qū)域和數(shù)據(jù)來(lái)源

計(jì)算區(qū)域?yàn)?103°E～135°E，13°N～30°N（見(jiàn)圖 1），模式運(yùn)行所需的地形數(shù)據(jù)來(lái)源于ETOPO1全球地形數(shù)據(jù)集[4]，該數(shù)據(jù)的分辨率為1′×1′，網(wǎng)格數(shù)為269×360；衛(wèi)星風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)采用CFSR[5]風(fēng)場(chǎng)（2011年以后稱為 cfsv2），分辨率為 0．2°×0．2°。

圖1 計(jì)算區(qū)域地形范圍示意圖Fig.1 The calculation range of the model

3.3 輸入風(fēng)場(chǎng)

臺(tái)風(fēng)浪的特征分布與臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)有直接關(guān)系，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)的精確度很大程度上直接決定了模型的模擬精度，本次采用衛(wèi)星遙感海面CFSR風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為背景風(fēng)場(chǎng)，嵌入風(fēng)場(chǎng)模型進(jìn)行修正，致使輸入風(fēng)場(chǎng)更精確。

Holland經(jīng)驗(yàn)臺(tái)風(fēng)模型公式[6]：

B是Holland擬合參數(shù)，計(jì)算時(shí)取Hubbert于1991年給出的經(jīng)驗(yàn)公式：B=1．5+（980-P0）/120

式中：ρa(bǔ)為空氣密度，取為1．2 kg/m3；P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓，hPa；P∞為臺(tái)風(fēng)外圍氣壓，一般取值為1 013．3 hPa；r是計(jì)算點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心的距離，m，其中xc、yc代表臺(tái)風(fēng)中心位置；f為科氏參數(shù)；Rmax為最大風(fēng)速半徑，計(jì)算時(shí)取美國(guó)Graham和Nunn提出的臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速半徑的經(jīng)驗(yàn)公式：Rmax=28．52th[0．087 3（φ-28）]+

式中：φ為臺(tái)風(fēng)中心地理緯度；V為臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)速度。

輸入風(fēng)場(chǎng)的構(gòu)造公式為：

式中：Vtc為風(fēng)場(chǎng)模型計(jì)算得到的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)；VQ為衛(wèi)星風(fēng)場(chǎng)，本文中為CFSR風(fēng)場(chǎng)；C是一個(gè)考慮臺(tái)風(fēng)影響范圍的系數(shù)，C=r/（nRmax）；n為系數(shù)，一般取9或10。這樣，所得到的權(quán)重系數(shù)e隨計(jì)算點(diǎn)到臺(tái)風(fēng)中心距離的不同而不同，這樣既保證了在臺(tái)風(fēng)附近使用臺(tái)風(fēng)模式計(jì)算的風(fēng)場(chǎng)，距臺(tái)風(fēng)中心遠(yuǎn)的點(diǎn)使用背景風(fēng)場(chǎng)，保證了兩個(gè)風(fēng)場(chǎng)的平滑過(guò)渡。

3.4 模型驗(yàn)證

利用WAVEWATCHIII海浪模型對(duì)經(jīng)過(guò)核電站附近海域的1104號(hào)臺(tái)風(fēng)（Haima）、1409號(hào)臺(tái)風(fēng)（NURI）和1604號(hào)臺(tái)風(fēng)（Nida）3個(gè)典型臺(tái)風(fēng)過(guò)程進(jìn)行了模擬計(jì)算，且采用浮標(biāo)F203、北海站及相關(guān)測(cè)波站的實(shí)測(cè)波高驗(yàn)證了波浪模型計(jì)算結(jié)果。

實(shí)測(cè)與模擬海浪過(guò)程曲線見(jiàn)圖2。由波高（有效波高）過(guò)程曲線來(lái)看，實(shí)測(cè)波高和模擬波高吻合較好，該模型準(zhǔn)確地反映了波浪大小的變化趨勢(shì)。

圖2 1604號(hào)臺(tái)風(fēng)期間4個(gè)測(cè)波站處實(shí)測(cè)與計(jì)算波高對(duì)比圖Fig.2 The comparison of the measured and calculated significant wave height at 4 stations during typhoon 1604

3.5 可能最大臺(tái)風(fēng)浪的推算結(jié)果

廠址外海-20 m等深線處可能最大臺(tái)風(fēng)浪有效波高為13．7 m，圖3反應(yīng)了可能最大臺(tái)風(fēng)浪隨時(shí)間的變化過(guò)程。

圖3 外海-20 m等深線處可能最大臺(tái)風(fēng)浪（有效波高）時(shí)間過(guò)程線Fig.3 The time process curve of the probably maximum typhoon wave(significant wave height)at offshore-20 m isobath

4 結(jié)語(yǔ)

WAVEWATCHIII模式較好地模擬了臺(tái)風(fēng)過(guò)程波浪大小的變化，該模式對(duì)臺(tái)風(fēng)浪的模擬較為準(zhǔn)確。同時(shí)利用該方法計(jì)算的可能最大臺(tái)風(fēng)浪已經(jīng)應(yīng)用于該核電廠區(qū)的防洪安全設(shè)計(jì)中，取得了良好的效果?？赡茏畲笈_(tái)風(fēng)浪是核電站工程設(shè)計(jì)和海洋災(zāi)害防御應(yīng)當(dāng)考慮的因素之一，本研究為該核電站及其周邊海域可能最大臺(tái)風(fēng)浪的推算積累了經(jīng)驗(yàn)，為今后我國(guó)核電廠防洪設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支持。