潘冬冬，王 俊，周 川

(1.中國能源建設(shè)集團廣東省電力設(shè)計研究院有限公司，廣州 510663；2.廣東科諾勘測工程有限公司，廣州 510663)

臺風是一種強烈的災害性海洋天氣，破壞力巨大，強烈的臺風通常會引起巨大的臺風浪。臺風浪是我國沿海區(qū)域最主要的海洋災害之一，其破壞力會造成重大的海洋事故以及海洋工程建筑物的損毀，嚴重威脅沿海居民的人身和財產(chǎn)安全。

近年來，由于國內(nèi)海上風電場工程大規(guī)模建設(shè)，對于風機抗臺風的設(shè)計尤為重要，所以對臺風浪進行研究是風電場設(shè)計階段的重要工作內(nèi)容之一。目前近岸臺風浪的研究方法主要從兩個方面開展：一方面是對近岸實測的臺風浪數(shù)據(jù)進行分析和研究，如陳劍橋等[1]利用相對密集的海上浮標和岸基臺站觀測資料，分析1205號臺風“泰利”影響期間臺灣海峽及周邊海域的風浪特征。但是，完整的臺風浪實測數(shù)據(jù)很難獲取，不僅需要投入很大的人力物力，而且臺風浪破壞力巨大，使得波浪觀測設(shè)備的安全性很難得到保證。另一方面就是采用數(shù)值模擬的手段對臺風浪進行研究，伴隨各種硬件軟件技術(shù)的提升，其模擬精度也越來越高，可以滿足實際工程的相關(guān)要求。如趙紅軍等[2]采用QSCAT/NCEP背景風場和Myers經(jīng)驗風場模型進行疊加構(gòu)造臺風風場，對0601號強臺風“珍珠”進行臺風浪數(shù)值模擬，結(jié)果顯示臺風浪要素的數(shù)值模擬值與實測值吻合良好。唐建等[3]采用CCMP背景風場分別疊加四種臺風經(jīng)驗風場，采用SWAN模型對1105號臺風“米雷”進行模擬，對比驗證后發(fā)現(xiàn)Holland風場模型計算結(jié)果與浮標實測資料最接近。目前，工程上主要通過結(jié)合以上兩種方法開展設(shè)計波浪參數(shù)的計算，如采用實測波浪數(shù)據(jù)進行波高-周期聯(lián)合分布統(tǒng)計；根據(jù)數(shù)值模擬方法推算重現(xiàn)期波要素，所以對風浪數(shù)學模型的模擬精度提出了更高的要求。

采用ERA-5風場與Holland經(jīng)驗風場疊加構(gòu)成臺風輸入風場，利用MIKE21 SW波浪數(shù)學模型進行臺風浪數(shù)值模擬，結(jié)合1822號“山竹”臺風實測風浪數(shù)據(jù)，研究Holland B參數(shù)對臺風風場構(gòu)造的影響機理，對四種常用Holland B參數(shù)計算公式的各個模擬值進行驗證，并對其進行對比分析。

1 臺風風場模型

臺風風場采用經(jīng)驗風場和背景風場的疊加風場作為模型輸入風場。其中，背景風場數(shù)據(jù)來源于ECMWF(歐洲中尺度天氣預報中心)ERA-5項目(數(shù)據(jù)來源：www.ecmwf.int)，ERA-5項目是在原有ERA-40和ERA-interim基礎(chǔ)上，利用改進的大氣模型和四維變量同化方法生成[4]?？臻g分辨率為0.25°×0.25°，時間分辨率為1 h，高度為海面以上10 m。臺風經(jīng)驗風場模型采用Holland模型[5]，該模型在國內(nèi)外臺風研究中均有廣泛的應用[6-9]。

將Holland經(jīng)驗風場與ERA-5背景風場通過一個權(quán)重系數(shù)疊加構(gòu)造新的臺風風場，權(quán)重系數(shù)根據(jù)計算點與臺風中心距離的不同而不同，臺風中心區(qū)域使用Holland風壓模型的經(jīng)驗風場，臺風外圍區(qū)域采用ERA-5背景風場，保證兩個風場數(shù)據(jù)的平穩(wěn)過渡，更加接近實際臺風風場[10]。

Holland經(jīng)驗風場

(1)

式中：B為Holland氣壓剖面參數(shù)；ρα為空氣密度，取為1.2 kg/m3；RMW為最大風速半徑；P為臺風外圍氣壓，統(tǒng)一取為1 010 hPa；P0為臺風中心氣壓；r為計算點到臺風中心距離；f為科氏力參數(shù)。

臺風最大風速半徑存在多個經(jīng)驗公式[11-13]，但是臺風浪數(shù)值模擬多數(shù)采用Graham的經(jīng)驗公式[2-3]

(2)

式中：φ為臺風中心緯度；V為臺風中心移動速度。

風場構(gòu)造公式為

(3)

式中：VHolland為Holland模型經(jīng)驗風場；VERA-5為ERA-5背景風場；e為權(quán)重系數(shù)，e=C4/(1+C4)；C是考慮臺風影響范圍的一個系數(shù)，C=r/(n×RMW)，取n=9。

根據(jù)上述臺風風場構(gòu)造過程，對1822號臺風 “山竹”進行波浪數(shù)值模擬研究。臺風 “山竹”為2018年太平洋第22個被命名的熱帶氣旋，2018年9月7日20時起編，11日8時加強為超強臺風，15日5時仍為超強臺風級別，中心附近最大風力達17級以上(風速為65 m/s)，16日17時登陸廣東臺山海宴鎮(zhèn)時中心附近最大風力14級(風速為45 m/s)。臺風“山竹”的中心氣壓和移動路徑等數(shù)據(jù)來源于中國臺風網(wǎng)(www.typhoon.org.cn)。

2 波浪數(shù)學模型

采用MIKE21 SW模型進行臺風浪數(shù)值模擬研究，該模型是基于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的新一代波浪動譜能量模型，能夠進行大洋深水海域和近岸淺水海域風浪和涌浪的模擬，可以分別求解準定常和非定常波浪作用平衡方程的全譜公式和方向解耦參數(shù)公式[14]，在波浪數(shù)值模擬研究上有著廣泛應用。

2.1 控制方程

動譜能量方程形式如下

(4)

式中：N為動譜能量密度；σ為相對波浪頻率；θ為波向；Cx、Cy為波浪沿x、y方向傳播的速度；Cσ、Cθ為波浪在σ、θ坐標下的傳播速度；S為源匯項，如下式表示

S=Sin+Snl+Sds+Sbot+Ssurf

(5)

式中：Sin為風能輸入項；Snl為非線性波-波相互作用的能量傳輸；Sds為波浪白帽耗散造成的能量損失；Sbot為波浪底部摩阻所造成的能量損失；Ssurf為波浪破碎所導致的能量損失。

2.2 模型設(shè)置

波浪模型計算區(qū)域包括整個南海海域，空間范圍為：5.9°～28.5°N，103.8°～ 132.9°E，時間范圍為：2018年9月14日0時至2018年9月17日12時。采用非結(jié)構(gòu)性三角形網(wǎng)格對計算區(qū)域進行剖分，最大網(wǎng)格精度為1.5°×1.5°，最小網(wǎng)格精度為0.3′×0.3′，時間步長為180 s，模型初始條件為初始風場的JONSWAP譜。采用準定常的全譜公式進行計算，頻率上采用24個離散度，方向上采用36個離散度。模型計算水深數(shù)據(jù)采用DHI的C-Map地形數(shù)據(jù)庫水深插值而成，水深起算基面為平均海平面。圖1為波浪模型計算網(wǎng)格。

圖1 波浪模型計算網(wǎng)格Fig.1 Computational grid of wave model

3 Holland B參數(shù)對模擬結(jié)果的影響分析

Holland B參數(shù)主要是用來確定臺風風速和氣壓的剖面形狀，是臺風風場模型研究領(lǐng)域至關(guān)重要的一個參數(shù)，直接對臺風經(jīng)驗風場的構(gòu)造有重要影響[15]，進一步還會對波浪場的分布也產(chǎn)生影響，所以本節(jié)結(jié)合其他研究成果對其影響機制進行具體研究。

3.1 Holland B參數(shù)分析

當臺風中心氣壓P0和最大風速半徑RMW一定的情況下，不同Holland B參數(shù)對臺風風速剖面的影響見圖2。從圖中可以看出：Holland B參數(shù)越大，距離臺風中心位置的風速越小，即氣壓值越低，從而與臺風外圍的氣壓差越大，導致風速剖面的斜率越大。而臺風在移動過程中，各個臺風參數(shù)都是隨時間變化的，故Holland B參數(shù)也是一個不斷變化的參數(shù)。

圖2 不同Holland B參數(shù)情況下臺風風速剖面圖Fig.2 Wind speed profile of typhoon with different Holland B parameters

根據(jù)國內(nèi)外眾多學者對Holland B參數(shù)的研究成果，影響B(tài)參數(shù)的主要因素包括：臺風中心氣壓P0、臺風外圍氣壓P、最大風速半徑RMW、臺風中心緯度φ等。選取其中四個典型Holland B參數(shù)計算公式進行計算比較，B1～B4公式來源參見文獻[5,16-18]，具體公式見表1。

表1 不同Holland B參數(shù)計算公式Tab.1 Calculation formula of different Holland B parameters

3.2 模擬結(jié)果比較與分析

根據(jù)臺風“山竹”實測風浪數(shù)據(jù)，采用不同Holland B參數(shù)公式進行臺風浪數(shù)值模擬的研究與分析，為近岸海域臺風浪數(shù)值模擬選取一個合適的Holland B參數(shù)計算公式。

實測數(shù)據(jù)來源于廣東省電力設(shè)計研究院有限公司承擔的某海洋工程臨時觀測站，臨時觀測站離岸距離約25 km，水深約35 m。觀測站處于臺風路徑的右側(cè)，與臺風中心的最小距離約136 km，與臺風最大風速半徑距離較近，可以較好代表臺風外圍的風浪特征。風速風向資料為距離海面25 m高度實測的逐時數(shù)據(jù)，波浪資料為聲學頻率為600 kHz的AWAC“浪龍”儀器實測的逐時數(shù)據(jù)，所有實測數(shù)據(jù)質(zhì)量較高，可以反映臺風期間的真實海況。

在其他參數(shù)和設(shè)置相同的情況下，對不同Holland B參數(shù)計算公式進行驗證比較，風速和有效波高的驗證比較結(jié)果見圖3。由圖可知，四個Holland B參數(shù)計算公式的計算結(jié)果變化不大，變化趨勢和極值均有較好一致性。但是對于風速驗證，尤其在臺風影響前期，風速模擬值明顯大于實測值，其主要原因是臺風經(jīng)驗風場為理論風場，導致風圈外圍的風速偏大。而實際臺風風場為不規(guī)則風圈，而且具有特定的風圈結(jié)構(gòu)，最終引起各個風速模擬值均偏大于實測值。但是在臺風影響期間，各個風速和波高模擬極值均與實測值基本吻合。

圖3 不同B參數(shù)公式實測值與模擬值對比Fig.3 Comparison of values measured by different B parameter formula and calculated values

誤差統(tǒng)計分析見表2。由表可知，B1公式的平均絕對誤差、均方根誤差和極大值相對誤差均是四個公式中最小的，風速和有效波高的平均絕對誤差分別為4.257 m/s和0.567 m，均方根誤差分別為7.019 m/s和1.234 m，極大值相對誤差分別為0.11%和0.19%。其次是B2和B3，驗證效果最差的是B4公式。由此可知，采用B1公式進行臺風風場的構(gòu)造，可以使得臺風風速的生成和波浪有效波高的計算效果達到最佳，為進一步研究Holland模型臺風浪模擬精度提供了一種方法。

表2 風速和有效波高誤差統(tǒng)計分析Tab.2 Error analysis and statistics of wind speed and significant wave height

通過進一步研究，發(fā)現(xiàn)不同Holland B參數(shù)對風向和平均波向基本無影響，具體驗證結(jié)果見圖4。由圖可知，整體上風向和平均波向模擬值與實測值的變化趨勢基本一致，在局部時刻，尤其是臺風影響后期(2018年9月17日以后)平均波向的模擬精度較差，雖然模擬精度不及風速和有效波高，但是仍然可以反應實際風場和波浪場的變化趨勢。

圖4 風向與平均波向的實測值與模擬值比較Fig.4 Comparison of measured and simulated wind direction and average wave direction

4 臺風風場與波浪場空間對比分析

根據(jù)上述研究成果，采用Holland B1公式的臺風浪模擬成果，分別給出空間上臺風風場與波浪場的分布圖，進一步分析不同海域風速與波高的分布差異性。選取臺風期間的四個時刻對應的風場和有效波高波浪場分布圖，分別見圖5和圖6。由圖可以直觀看出臺風移動過程中整個風場與波浪場的變化情況，第一，臺風風場的最大風速出現(xiàn)在臺風眼外圍區(qū)域，并不在臺風眼中心；第二，臺風風速與有效波高的大值范圍基本一致，說明臺風浪極值主要受臺風外圍風速大小控制；第三，臺風路徑右側(cè)海域波高明顯高于左側(cè)，主要是右側(cè)風向與臺風移動方向一致導致風速疊加變大，而左側(cè)方向相反遭到削減變小。綜上，通過臺風期間風場與波浪場空間分布圖的分析，不僅得到二者的空間分布特征，而且還可以為沿海地區(qū)臺風影響期間防災減災提供參考建議。

5 結(jié)語

研究臺風風場結(jié)構(gòu)中Holland B參數(shù)對臺風浪模擬結(jié)果的影響研究，采用ERA-5背景風場與Holland經(jīng)驗風場疊加構(gòu)成的臺風輸入風場，利用MIKE21 SW波浪數(shù)學模型進行南海大范圍臺風浪數(shù)值模擬；結(jié)合“山竹”臺風期間的實測風浪數(shù)據(jù)，研究Holland B參數(shù)對臺風風場構(gòu)造的影響機理，對四種常用Holland B參數(shù)計算公式的模擬值進行驗證，并進行對比分析，結(jié)論如下。

(1)Holland B參數(shù)主要對臺風風速和氣壓剖面產(chǎn)生影響，進而影響到臺風浪的波浪場分布；

(2)四個Holland B參數(shù)公式計算得到的風速和有效波高模擬值均與實測值有較好一致性。B1參數(shù)公式的計算結(jié)果與實測值吻合最好，其中風速和有效波高的平均絕對誤差、均方根誤差和極大值相對誤差均是最??；

(3)不同Holland B參數(shù)對風向和平均波向基本不產(chǎn)生影響，其模型模擬值與實測值吻合度較高，可以較好反演整個臺風影響期間的臺風浪特征；

(4)通過臺風場與波浪場的空間分布對比分析，為沿海地區(qū)臺風期間防災減災提供參考建議。