劉國，齊曉海，董軍，柏延強，楊光耀，張慶河

（1.中廣核研究院有限公司，廣東 深圳 518034；2.天津大學水利仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072）

0 引言

近年來，可再生能源在我國越來越受到重視，海上風電行業(yè)發(fā)展迅速。但相當多的海上風電場建設海域缺乏長期風、浪觀測資料，如何獲得精度較高的不同重現(xiàn)期風速和波浪要素以合理設計風電支撐結構，成為風電場建設的重要環(huán)節(jié)。我國如東海域目前正在進行較大規(guī)模風電場建設，合理確定風電場位置處設計風速和設計波浪是十分重要的前期研究工作。

就風場而言，隨著全球大氣模擬和衛(wèi)星測量技術的不斷進步，目前已經形成了較高精度的全球風場數(shù)據(jù)，可以用于工程設計風速的推求，如QuikSCAT/NCEP、ECMWF-ERA-Interim、JRA-55、CCMP等。CCMP全稱為Cross Calibrated Multi-Platform，以ERA再分析風場數(shù)據(jù)作為背景場，同化了來自交叉校準衛(wèi)星的風場產品，以及來自經過質量控制的定浮標觀測風矢量數(shù)據(jù)[1]。CCMP提供海平面以上10 m處風場，其空間分辨率為0.25毅伊0.25毅，時間間隔為6 h。眾多學者對不同的風場數(shù)據(jù)進行了對比[2-4]，發(fā)現(xiàn)CCMP風場可以較好地體現(xiàn)東中國海的風場特征。孔叢穎等[5]用CCMP風場驅動WAVEWATCHIII模擬了中國近海波浪場，獲得了較好的結果。綜上，本文選用CCMP的風場再分析數(shù)據(jù)作為波浪模擬的驅動風場是最為合適的。

對于一般風過程的波浪模擬，CCMP的時間和空間分辨率已經足夠，但對于時空變化都較快的熱帶風暴過程，CCMP時空分辨率仍有所偏低，影響波浪場模擬精度。因此，對于熱帶風暴過程采用WRF（The Weather Research and Forecasting Model）大氣模式進行模擬，將模擬結果和CCMP進行組合（下文簡稱WRF-CCMP），可以合理提高風場時空分辨率。眾多學者[6-9]均發(fā)現(xiàn)WRF模擬結果能較好地描述臺風周圍風場特征。因此，本文選取WRF模擬的熱帶風暴過程修正CCMP再分析資料以獲得精度更高的風場。

在波浪模擬方面，SWAN模式由于在波浪的淺水變形方面考慮比較充分，因此在近海波浪過程模擬及設計波浪要素推算中得到了廣泛應用。例如，Rogers等[10]、李紹武等[11]均發(fā)現(xiàn)SWAN模式能較好地模擬近海波浪運動。尹朝暉等[12]以WRF、SWAN模式計算的氣象、海浪預報為基礎選擇外海施工作業(yè)窗口。為此，本文將采用WRF-CCMP組合風場，采用SWAN模式進行波浪推算，期望獲得如東海域風電場不同重現(xiàn)期風速和設計波浪。

1 熱帶風暴的選取

JTS 145—2015《港口與航道水文規(guī)范》[13]規(guī)定，進行波高和周期的頻率分析時，應取近期的連續(xù)資料，年數(shù)不宜少于20 a。因此根據(jù)中國臺風網(wǎng)提供的中國歷年熱帶風暴數(shù)據(jù)統(tǒng)計，本文選取1999—2018年經過工程海域的共計18場熱帶風暴（表1）以修正CCMP1999—2018年連續(xù)20 a的風場數(shù)據(jù)。

表1 1999—2018年影響如東海域的熱帶風暴匯總Table 1 Summary of tropical storms affecting Rudong sea area from 1999 to 2018

2 風場模擬結果

如東近海某風電場位于如東縣東部近海海域內（32.37毅N，121.68毅E），海底高程-3.7耀-15.3 m（1985國家高程基準），離岸5~50 km。規(guī)劃范圍內海域開闊，海底地勢較為平坦，無大的起伏，海底地質條件良好，相對穩(wěn)定。工程海域位置如圖1所示。

圖1 WRF模型計算范圍Fig.1 Calculation scope of WRF

2.1 計算范圍的確定

WRF模型的水平方向為規(guī)則化網(wǎng)格，計算區(qū)域的大小和網(wǎng)格的精度是影響臺風模擬結果的兩個重要因素。本文采用兩層網(wǎng)格嵌套模式，具體選取范圍如圖1所示，大模型的范圍為19毅N—45毅N，107毅E—137毅E，網(wǎng)格精度為12 km伊12 km。嵌套模型范圍為28毅N—39毅N，117毅E—130毅E，網(wǎng)格精度為4 km伊4 km。

2.2 計算參數(shù)的選取

WRF大氣模式模擬不同的氣象過程需要不同的參數(shù)化方案。根據(jù)研究海域的位置、地形特征以及所模擬的氣象過程類型選取合適的參數(shù)化方案，是獲得良好模擬結果的重要前提。本文在譚鳳[6]研究的基礎上，進行了多組參數(shù)的嘗試，最終選定參數(shù)如表2所示。

表2 選用的WRF參數(shù)Table 2 Selected WRF parameters

2.3 模擬結果驗證

由于模擬的熱帶風暴場次較多，現(xiàn)以201818號熱帶風暴“溫比亞”為例進行結果驗證。“溫比亞”于8月16日12時進入本文研究區(qū)域，為強熱帶風暴?！皽乇葋啞弊畲箫L速驗證結果如圖2所示，因本文涉及的不同熱帶風暴算例采用的是相同的計算參數(shù)，所以可以認為WRF對如東海域熱帶風暴過程的模擬是合理的。

圖2 201818號臺風最大風速驗證（2018-08-16 T 00:00—08-17 T 06:00）Fig.2 Verification of the maximum wind speed of typhoon No.201818(2018-08-16T00:00—08-17T06:00)

2.4 設計風速計算

統(tǒng)計并綜合分析CCMP和WRF風場數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)對于部分年份（1999、2002、2011、2014、2015），WRF-CCMP的風速年極值高于直接使用CCMP獲得的風速年極值，而對于其他年份兩者相等（如圖3），這是因為部分年份本文研究區(qū)域未發(fā)生熱帶風暴，或熱帶風暴引起的最大風速小于寒潮大風，在年極值統(tǒng)計上無法體現(xiàn)，但對于熱帶風暴影響明顯的年份，直接運用再分析資料獲得的風速年極值偏小不利于工程安全。

圖3 CCMP/WRF-CCMP年N向年極值風速對比Fig.3 Comparison of annual extreme wind speed in the N direction of CCMP and WRF-CCMP

綜上所述，在進行風設計要素的推算時，采用WRF模擬熱帶風暴結果修正CCMP再分析數(shù)據(jù)更為合理。N向的設計風速推算結果曲線如圖4所示。

圖4 N向設計風速推算結果Fig.4 Prediction results of design wind speed in N direction

3 波浪場模擬結果

3.1 地形的劃分

SWAN模型采用的坐標形式為經緯坐標，采用局部加密的非結構化網(wǎng)格和曲線開邊界，大小范圍模型嵌套，小模型地形水深、范圍如圖5所示。模型網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為10 578，單元數(shù)為5 662，開邊界網(wǎng)格空間最大步長為0.2毅，近岸網(wǎng)格最小為0.006毅。

圖5 如東海域地形水深Fig.5 The water depth of Rudong sea area

3.2 模擬結果的驗證

從臺風過程的波浪場中提取測站（121.77毅E，32.36毅N）的有效波高的時間序列數(shù)據(jù)集進行驗證，驗證結果如圖6所示，可得SWAN對波浪場的模擬是合理的。

圖6 臺風過程有效波高驗證（2010-08-31 T14:00—2019-09-01 T23:00）Fig.6 Verification of the significant wave height in the typhoon process(2010-08-31 T 14:00—2019-09-01T23:00)

3.3 設計波浪計算

統(tǒng)計并分析CCMP和WRF驅動下的波浪場數(shù)據(jù)，以工程區(qū)域30 m等深線的東南方向波浪設計要素為例，CCMP/WRF-CCMP驅動SWAN獲得的有效波高年極值對比如圖7所示，發(fā)現(xiàn)對于1999年、2014年、2018年，WRF-CCMP驅動SWAN獲得的有效波高年極值高于直接使用CCMP驅動SWAN獲得的有效波高年極值，其余年份兩者相等，說明熱帶風暴影響工程區(qū)域的概率較低，但熱帶風暴一旦發(fā)生，其影響不可忽略。工程區(qū)域30 m等深線處東北方向的波浪設計要素推算結果如圖8所示。

圖7 CCMP/WRF-CCMP年SE向年極值有效波高對比Fig.7 Comparison of annual extreme significant wave height in the SE direction of CCMP and WRF-CCMP

圖8 NE向30 m等深線有效波高推算Fig.8 Prediction result of significant wave height of 30 m isobath in the NE direction

4 重現(xiàn)期風速與波浪結果

根據(jù)本文上述得到的風速和波浪極值分布曲線獲得工程區(qū)附近常風向、強風向的設計風速和常浪向、強浪向的設計波浪要素列于表3和表4。這些結果可作為風電場建設的設計依據(jù)。

表3 工程區(qū)域最大風速推算結果Table 3 Prediction results of maximum wind speed in the project area m/s

表4 工程區(qū)域波浪要素推算結果Table 4 Prediction results of wave elements in the project area

5 結語

本文采用WRF大氣模式模擬熱帶風暴的過程并聯(lián)合CCMP風場數(shù)據(jù)集作為驅動風場，利用SWAN模型對如東風電場海域近20 a的波浪過程進行了模擬，獲得了不同重現(xiàn)期風速和波浪要素。主要結論如下：

1）WRF模擬熱帶風暴結果和CCMP風場聯(lián)合可以獲得更為準確的風場，基本可以重現(xiàn)如東風電海域近20 a風場。

2）以本文獲得的風場為驅動場，采用SWAN海浪模式對如東工程海域的波浪場進行模擬，能夠較好地重現(xiàn)該海域的波浪場過程。

3）如東風電海域發(fā)生臺風數(shù)量較少，近20 a影響如東工程區(qū)域的熱帶風暴共計18場，然而，熱帶風暴引起的風速和波浪在設計要素推算中起著重要作用。