張素杰，路東婭，張鵬，韓鋒，鄭玉潔

（1.山東青東管道有限公司，山東 東營 257345；2.青島實(shí)華原油碼頭有限公司，山東 青島 266400；3.青島港油港國際有限公司，山東 青島 266400；4.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590）

無防波堤掩護(hù)的開敞式碼頭，主要用于大型船舶的駐泊及作業(yè)，其承受外海波浪特別是涌浪直接作用。涌浪波高一般較小，但波長較長，在水平方向上具有相當(dāng)大的能量。涌浪會(huì)導(dǎo)致系泊船舶產(chǎn)生大幅運(yùn)動(dòng)，當(dāng)波浪周期與船舶固有周期接近時(shí)，纜力遠(yuǎn)大于普通風(fēng)浪。國內(nèi)外一些港口因此多次發(fā)生斷纜事故，嚴(yán)重影響碼頭作業(yè)及安全。當(dāng)波浪周期由5s 增加至10s 時(shí)，纜力大幅增加至原來的4 倍左右，因此，涌浪發(fā)生時(shí)，船舶運(yùn)動(dòng)量和纜力均數(shù)倍于普通風(fēng)浪，應(yīng)引起格外的重視。不同周期下纜力變化見圖1，因此，獲知碼頭附近波浪數(shù)據(jù)對碼頭合理高效運(yùn)營具有重要意義，波浪數(shù)據(jù)獲取分后報(bào)及預(yù)報(bào)，波浪后報(bào)推算的重現(xiàn)期極值波高結(jié)果多用于工程設(shè)計(jì)，而波浪預(yù)報(bào)可以預(yù)測未來幾天內(nèi)海域的波高變化情況，預(yù)測的涌浪波高可以指導(dǎo)開敞式碼頭船舶的靠離泊及作業(yè)，減小涌浪對大型船舶的靠泊作業(yè)產(chǎn)生影響，提高碼頭的接卸效率。

圖1 大型船舶纜力隨波周期變化圖

1 方法與現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

1.1 方法

海浪數(shù)值預(yù)報(bào)始于上世紀(jì)50 年代，Gelci 等提出了海浪數(shù)值預(yù)報(bào)模式。發(fā)展至今，海浪數(shù)值模式經(jīng)歷了三代的演變，海浪譜能量平衡方程右端的源函數(shù)項(xiàng)也得到了不斷地改進(jìn)和完善，它們主要包括風(fēng)輸入源函數(shù)，由共振相互作用引起的非線性波-波相互作用源函數(shù)，由白冠破碎引起的耗散源函數(shù)，以及其它源函數(shù)，如波-流相互作用源函數(shù)，底摩擦耗散源函數(shù)等。

WAM、WAVEWATCH 和SWAN是今年來發(fā)展的第三代海浪預(yù)報(bào)模式。WAM 和WAVEWATCH 應(yīng)用于大尺度海浪場，SWAN 應(yīng)用于近海波浪場。目前WAVEWATCH-Ⅲ己被眾多研究機(jī)構(gòu)用作業(yè)務(wù)化的全球和區(qū)域海浪預(yù)報(bào)模式，但是模式中物理過程的參數(shù)化方案沒有指定海浪受水深限制的條件，因此模式通常應(yīng)用在大于1～10km 的空間尺度上。

1.2 國內(nèi)外技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

我國海浪理論及預(yù)報(bào)研究始于新中國成立，文圣常[1]教授將海浪譜和能量平衡方法結(jié)合起來，導(dǎo)出隨風(fēng)時(shí)和風(fēng)區(qū)成長的風(fēng)浪譜，簡稱“文氏風(fēng)浪譜”。二十世紀(jì)八、九十年代，文圣常等對海浪頻譜進(jìn)行了進(jìn)一步的研究，提出了兩種形式的海浪譜，并在此基礎(chǔ)上發(fā)展了一個(gè)新型、混合型海浪模式（WENM 模式），風(fēng)浪部分采用參量化方法、涌浪部分采用海浪譜離散化分量方法。在“十五”期間，分別利用WAM、SWAN、WENM 模式建立了西北太平洋和中國近海的海浪業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，在“十一五”期間，利用SWAN和WAVEWATCH Ⅲ模式建立了全球海浪業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

根據(jù)海浪數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)得出的海浪結(jié)果是風(fēng)浪和涌浪并存，二者的內(nèi)在作用機(jī)制和外部表現(xiàn)特征存在差異，要了解涌浪對港口系泊船舶影響需對涌浪進(jìn)行必要的分離。眾多學(xué)者對海浪進(jìn)行分離，郭佩芳[2]根據(jù)主特征參量對波浪的風(fēng)涌浪進(jìn)行劃分。

采用二維譜分割法對海浪進(jìn)行分離，Komen[3]風(fēng)浪能量傳遞關(guān)系可用如下公式表示：

式中U10是10m 風(fēng)速，Cp是波速，是波向，是風(fēng)向，β 為特征常數(shù)，可取1.3，在二維譜中，將滿足此公式的部分視作純風(fēng)浪，這樣即可算出譜中風(fēng)浪部分所占的能量。另有研究者指出，應(yīng)有，以保證風(fēng)向和風(fēng)浪方向一致。

采用波浪譜能量分離(WaveSEP)方法對二維海浪譜進(jìn)行分割，將海浪譜能量劃分為風(fēng)浪能量和涌浪能量兩部分，WaveSEP 方法是二維譜方法的一種延伸，其具體過程可用如下方程表示：

式中W 表示的是局地波動(dòng)相速c 小于Up部分的能量占總能量E的比例，Up為與波齡因子及風(fēng)速相關(guān)的量，是波向，是風(fēng)向，U10為10m 風(fēng)速，Cmult為波齡因子，通常情況下可取1.7。當(dāng)W=1 時(shí)，代表該時(shí)刻該區(qū)域的海浪為純風(fēng)浪，當(dāng)W=0 時(shí)代表該時(shí)刻該區(qū)域海浪為純涌浪，而代表混合浪。

2 模擬分析

本文針對某海域，基于第三代海浪數(shù)值模式WAVEWATCH-III，利用氣象模型WRF 計(jì)算結(jié)果提供氣象強(qiáng)迫場，驅(qū)動(dòng)海面生成波浪，將海浪進(jìn)行風(fēng)、涌浪分離[4]，為港口合理化運(yùn)營提供科學(xué)依據(jù)。

2.1 實(shí)測及模擬

某海域某點(diǎn)臺風(fēng)期海浪實(shí)測波浪能量譜如圖2 所示，由圖可知，該海域海浪譜高頻及低頻共存，顯示出風(fēng)浪及涌浪特性。

圖2 方向頻率譜

通過WaveSEP 方法對該海域風(fēng)、涌浪進(jìn)行分離，分離結(jié)果如圖3～5。

圖3 有效波高圖

圖4 風(fēng)浪有效波高圖

圖5 涌浪有效波高圖

2.2 模擬效果

表1 為應(yīng)用海浪數(shù)值模式的臺風(fēng)期風(fēng)、涌浪預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，實(shí)測和預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)吻合度較高。預(yù)報(bào)和實(shí)測數(shù)據(jù)顯示，此段時(shí)間船舶無法進(jìn)行靠離泊作業(yè)。

表1 波浪預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)

3 結(jié)論

（1）通過本文數(shù)值模擬結(jié)果與該海域波浪觀測站實(shí)測數(shù)據(jù)相對比，該海浪預(yù)報(bào)模式能夠較準(zhǔn)確地模擬海浪場有效波高、平均波周期，分離出的涌浪周期與實(shí)測的方向頻率譜也較為吻合。

（2）建立“網(wǎng)格化、多點(diǎn)式”的精細(xì)化海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)能夠?yàn)楦劭诤＠诉M(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，表明該數(shù)值模式能夠很好地指導(dǎo)港口船舶生產(chǎn)調(diào)度，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。