緬甸土瓦海域的海浪模擬與分析

徐亞男，高峰

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

緬甸土瓦海域的海浪模擬與分析

徐亞男，高峰

（交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所港口水工建筑技術(shù)國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室工程泥沙交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300456）

文章以歐洲中長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)中心（ECMWF）的氣象資料為基礎(chǔ)，采用SWAN建立數(shù)值模型，模擬了緬甸土瓦海域波浪傳播至近岸的過(guò)程。模型采用衛(wèi)星高度計(jì)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料同時(shí)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明模擬結(jié)果與兩種資料結(jié)果趨勢(shì)均符合較好。該海域波浪傳播至近岸海域受地形折射與島嶼鏈影響明顯，外海WSW向浪入射時(shí)，受島嶼掩護(hù)近岸海域波高迅速減小，岸線(xiàn)北部區(qū)域波浪折向W向，而外海SSW向浪入射時(shí)，波高受島鏈掩護(hù)不明顯，波高相對(duì)減小緩慢，岸線(xiàn)南部波浪折向SW向。

SWAN；ECMWF；Myanmar；衛(wèi)星高度計(jì)

緬甸土瓦海域位于緬甸南部延伸部的西岸，面朝安達(dá)曼海，西鄰孟加拉灣，該海域近岸水深變化較大，距海岸約4 km即達(dá)到-20 m等深線(xiàn)，海岸西側(cè)與Hngetthaik群島隔海相望。

安達(dá)曼海受東南亞季風(fēng)的影響和控制，夏季盛行西南向季風(fēng)，而冬季盛行東北向季風(fēng)。同時(shí)該海域毗鄰孟加拉灣，受少量颶風(fēng)的影響［1］。根據(jù)歐洲中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)中心海浪與氣象的再分析數(shù)據(jù)，西南季風(fēng)期間：5月份，雖然W～S向風(fēng)出現(xiàn)頻率與N～E向風(fēng)出現(xiàn)頻率相差不大，但風(fēng)力已明顯加強(qiáng)；6～8月份，WSW向風(fēng)最盛，最大風(fēng)力達(dá)到8級(jí)，最大風(fēng)速為17.8 m/s；9月份，雖然N～E向風(fēng)出現(xiàn)頻率在逐漸增大，但風(fēng)力仍以SW向?yàn)橹鳌|北季風(fēng)期間：11月～翌年1月，N～E向風(fēng)出現(xiàn)頻率逐漸增大，風(fēng)力也在增強(qiáng)，其中在1月份，ENE向風(fēng)出現(xiàn)頻率達(dá)到21.6%，強(qiáng)風(fēng)向ENE向最大風(fēng)力為6級(jí)，最大風(fēng)速為12.3 m/s。2～3月，東北季風(fēng)逐漸減弱。該海域處于安達(dá)曼海的東側(cè)，受到颶風(fēng)的影響較小。

根據(jù)2012～2013年波浪觀測(cè)結(jié)果，該海域5月～9月為大浪期，10月～次年4月波高較小，波高的季節(jié)性變化極其明顯。其年平均有效波高達(dá)到0.5 m；月平均最大有效波高達(dá)到0.5 m以上的月份是5月～9月，其中月平均最大有效波高為1.0 m（6月）；年最大有效波高為2 m，出現(xiàn)在6月和9月。

1 研究方法

SWAN風(fēng)浪模型目前已被廣泛應(yīng)用于河口、港口工程等海浪模擬［2-3］。該模型采用動(dòng)譜平衡方程描述風(fēng)浪生成及其在近岸區(qū)的演化過(guò)程，模型以動(dòng)譜密度為未知變量，并考慮由地形及水流引起的淺水破碎和折射效應(yīng)，風(fēng)成浪，白浪、底部摩擦及波浪破碎引起的能量衰減，波-波相互作用，并且考慮了島嶼的繞射效應(yīng)，適用于深水、過(guò)渡水深和淺水情形［4-6］。其控制方程如下式（1）所示。

式中：σ為波浪的相對(duì)頻率（在隨水流運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中觀測(cè)到的頻率）；θ為波向（各譜分量中垂直于波峰線(xiàn)的方向）；Cx、Cy為x、y方向的波浪傳播速度；Cσ、Cθ為σ、θ空間的波浪傳播速度。

式（1）左端第1項(xiàng)表示動(dòng)譜密度隨時(shí)間的變化率，第2項(xiàng)和第3項(xiàng)分別表示動(dòng)譜密度在地理坐標(biāo)空間中傳播時(shí)的變化，第4項(xiàng)表示由于水深變化和潮流引起的動(dòng)譜密度在相對(duì)頻率σ空間的變化，第5項(xiàng)表示動(dòng)譜密度在譜分布方向θ空間的傳播（即由水深變化和潮流引起的折射）。式（1）右端S(σ，θ)是以動(dòng)譜密度表示的源項(xiàng)，包括風(fēng)能輸入、波與波之間各項(xiàng)可以線(xiàn)性疊加。

式（1）中的傳播速度均采用線(xiàn)性波理論計(jì)算

2 風(fēng)場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

進(jìn)行風(fēng)場(chǎng)計(jì)算時(shí)，風(fēng)場(chǎng)計(jì)算范圍是6°N～19°N，87.75°E～101°E。利用ECMWF過(guò)去20 a（1993～2012）的全球氣象和海浪再分析場(chǎng)資料（分辨率0.75°×0.75°，6 h一次），提取了計(jì)算風(fēng)場(chǎng)范圍內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)每年20場(chǎng)較大的大風(fēng)天氣與颶風(fēng)天氣為樣本進(jìn)行加密計(jì)算。風(fēng)場(chǎng)計(jì)算區(qū)域與結(jié)果如圖1所示。最終計(jì)算得到1993～2012年不同計(jì)算方向（SSW、SW、WSW及W向）在工程外海域的風(fēng)速年極值，年極值20 m/s以上風(fēng)速主要集中在WSW向，其次是SW向。利用P?Ⅲ適線(xiàn)法［7］得到不同重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)風(fēng)速值見(jiàn)表1。

圖1風(fēng)場(chǎng)計(jì)算結(jié)果圖Fig.1Wind field results

3 波浪要素計(jì)算結(jié)果

3.1 網(wǎng)格劃分

整個(gè)計(jì)算域包括了安達(dá)曼海和部分孟加拉灣海域，如圖2所示。整個(gè)計(jì)算模型由73 554個(gè)結(jié)點(diǎn)、14 1313個(gè)三角形單元組成，最大單元尺寸達(dá)41 km為模型邊界網(wǎng)格，最小的三角形單元尺寸為14 m為研究站點(diǎn)處水域。

3.2 模型驗(yàn)證

衛(wèi)星高度計(jì)資料在海浪模式的驗(yàn)證和同化中比較常用，而且觀測(cè)的可靠性較高。本次研究使用的衛(wèi)星數(shù)據(jù)主要是Jason-2（J2）①，該衛(wèi)星重復(fù)軌道周期約為10 d，圖3給出了衛(wèi)星經(jīng)過(guò)緬甸近海時(shí)的衛(wèi)星軌道示意圖。當(dāng)衛(wèi)星經(jīng)過(guò)緬甸土瓦海域時(shí)，讀取衛(wèi)星軌道上的觀測(cè)海浪波高，然后與軌道上的SWAN模式模擬結(jié)果進(jìn)行比較。圖4和圖5分別給出了2012年7月和2010年6月J兩次經(jīng)過(guò)緬甸土瓦海域外部時(shí)的波浪比較圖。

表1不同方向的重現(xiàn)期風(fēng)速Tab.1Wind speed in different return period m/s

此外，利用2012年3月～2013年3月觀測(cè)的波浪資料進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，實(shí)測(cè)驗(yàn)證點(diǎn)位于13°53.980′N(xiāo)，98° 03.833′E，測(cè)量水深約為17.5 m。選取2012年6月、7月及9月測(cè)到較大的幾次波浪過(guò)程，將SWAN模擬的結(jié)果值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。2012年6月，測(cè)到最大有效波高是1.8 m，SWAN模擬最大的有效波高為1.7 m；2012年7月測(cè)得最大有效波高是1.7 m，SWAN模擬最大有效波高為1.9 m；模擬結(jié)果如圖6～圖7所示。

通過(guò)以上驗(yàn)證結(jié)果，表明SWAN模式模擬的海浪結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果總體趨勢(shì)符合良好，且兩者最大有效波高值相差較小，模擬結(jié)果是可信的。

3.3 深水波要素計(jì)算結(jié)果

根據(jù)2012-03～2013-03年測(cè)波資料，得到該年度平均有效波高為0.5 m，平均有效周期為6.8 s。另外，當(dāng)波高較小（＜0.5 m）時(shí)，對(duì)應(yīng)的周期范圍較大，而波高較大時(shí)對(duì)應(yīng)的周期范圍相對(duì)較小，且比較接近風(fēng)浪周期，說(shuō)明該海域受外海長(zhǎng)周期波浪的影響，但波高相對(duì)較小，而研究區(qū)域出現(xiàn)的較大波浪多為附近風(fēng)成浪影響。

對(duì)于重現(xiàn)期50 a波高，其對(duì)應(yīng)的有效周期的期望值和置信概率為0.95的置信區(qū)間見(jiàn)表2。利用P-Ⅲ適線(xiàn)法求得不同重現(xiàn)期各向外海波要素見(jiàn)表3。

圖8與圖9給出了極端高水位重現(xiàn)期50 a時(shí)不同方向波浪傳播至近岸區(qū)域的有效波高分布，可以看出各向波浪等值線(xiàn)的平面分布，波浪在傳播過(guò)程中隨水下地形的改變是十分明顯的，逐漸趨向于海岸線(xiàn)趨勢(shì)。

當(dāng)WSW向浪入射時(shí)，島嶼鏈對(duì)波浪具有遮擋作用，在島嶼后方形成波浪掩護(hù)的陰影區(qū)，另一方面部分波浪會(huì)繞過(guò)島嶼或透過(guò)島嶼的夾縫繼續(xù)向海岸線(xiàn)方向傳播。外海WSW向浪傳播至近岸后，受波浪繞射與折射的疊加影響，浪向發(fā)生改變，南面B島嶼后浪向基本沒(méi)有變化，北面A島嶼后波浪逐漸折向W向。

圖2計(jì)算域網(wǎng)格劃分圖Fig.2Research field and mesh

圖3路經(jīng)緬甸海域時(shí)的衛(wèi)星軌跡點(diǎn)分布圖Fig.3Tracks of satellite altimeter around Myanmar Tavoy Sea

圖42012-07衛(wèi)星觀測(cè)與模擬有效波高比較Fig.4Comparison between satellite values and computed values in July，2012

圖52010-06衛(wèi)星觀測(cè)與模擬有效波高比較Fig.5Comparison between satellite values and computed values in June，2010

圖62012-06現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與模擬有效波高比較Fig.6Comparison between field values and computed values in June，2012

圖72012-07現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)與模擬有效波高比較Fig.7Comparison between field values and computed values in July，2012

表2重現(xiàn)期50 a波高對(duì)應(yīng)有效周期計(jì)算結(jié)果Tab.2Results of 50 a significant wave period

表3不同重現(xiàn)期工程外海波浪條件Tab.3 Wave conditions in different return period

圖8WSW向極端水位重現(xiàn)期50 a H13%分布Fig.8WSW significant wave height distribution in extreme high water level

圖9SSW向極端水位重現(xiàn)期50 a H13%分布Fig.9SSW significant wave height distribution in extreme high water level

當(dāng)SSW向浪入射時(shí)，浪向與島嶼存在斜向角度，島嶼掩護(hù)的陰影區(qū)明顯變小，部分波浪直接作用于島嶼后的海岸區(qū)域，使得近岸海域波高較大，受地形的折射作用，該浪向傳入近岸區(qū)域時(shí)逐漸折為SW向浪。

4 結(jié)論

緬甸南部海域?qū)儆诘湫偷膩啛釒Ъ撅L(fēng)區(qū)域，夏季盛行西南向季風(fēng)，而冬季盛行東北向季風(fēng)。同時(shí)該海域毗鄰孟加拉灣，受颶風(fēng)的影響較小。研究海域的主要浪向集中在為WSW、SSW向。

利用SWAN海浪模型，針對(duì)研究海域建立適當(dāng)?shù)臄?shù)值模型模擬海區(qū)波浪傳播規(guī)律。同時(shí)采用衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量資料和近岸的觀測(cè)資料進(jìn)行模型驗(yàn)證分析。驗(yàn)證表明，SWAN模式模擬的海浪結(jié)果與衛(wèi)星高度計(jì)測(cè)量資料和實(shí)測(cè)結(jié)果總體趨勢(shì)符合良好，且模擬波高最大值與實(shí)測(cè)值接近。

當(dāng)外海波浪傳播至近岸區(qū)域時(shí)，受波浪繞射與折射的疊加影響，外海WSW向浪傳播至近岸后，岸線(xiàn)北部浪向折向W向，受島嶼鏈的掩護(hù)，近岸波高迅速減小。外海SSW向浪傳播至近岸時(shí)，岸線(xiàn)南部浪向折向SW向，而此方向入射波浪島嶼掩護(hù)的陰影區(qū)明顯變小，部分波浪直接作用于島嶼后的海岸區(qū)域，使得近岸海域波高較大。

［1］蘇月蕾.SWAN模型在緬甸海岸區(qū)域的應(yīng)用［D］.南京：河海大學(xué)，2006：1-10.

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Wave field simulation for Myanmar Tavoy Sea

XU Ya?nan,GAO Feng
（Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering，National Engineering Laboratory for Port Hydraulic Construction Technology,Key Laboratory of Engineering Sediment,Ministry of Transport,Tianjin 300456,China）

In this paper,SWAN model was adopted to simulate the waves transmitted from offshore to near?shore Myanmar based on the meteorological data from ECMWF.The simulated result was compared with satellite data and field measured data.It shows that the trend between the curves is unified,and the extreme value of simulat?ed result is close to the measured value.The simulation presents wave distribution around Myanmar southern sea,it shows the wave height and wave directions are affected by terrain refraction and island trains shielding.When the wave is from WSW direction,the wave height is decreased rapidly caused by island shielding,and the direction turns to W direction at northern coastline.When the wave is from SSW direction,island shielding is weak,the wave is decreased slowly,and the direction turns to SW direction at southern coastline.

SWAN;ECMWF;Myanmar;satellite altimeter

TV 139.2；O 242.1

A

1005-8443（2015）06-0523-05

松滋港大手筆開(kāi)局“十三五”

2015-08-11；

2015-11-04

徐亞男（1985-），女，山東臨清人，副研究員，主要從事水動(dòng)力及深水波浪傳播規(guī)律的研究。

Biography：XU Ya?nan（1985-），female，associate professor.

1Jason-2：軌道高度為1 336 km，軌道傾角66.039°，重訪(fǎng)周期約為10 d，其海面測(cè)高精度可達(dá)2.5～3.4 cm。

本刊從湖北省交通運(yùn)輸廳獲悉，湖北省交通建設(shè)投資公司于2015年年底與松滋市政府簽署戰(zhàn)略框架協(xié)議，雙方約定2016年投入30億元，建設(shè)松滋車(chē)陽(yáng)河綜合碼頭二期工程4個(gè)泊位和長(zhǎng)江物流產(chǎn)業(yè)園。在未來(lái)五年投資150億元，合作建設(shè)大港口、大交通、大物流、大產(chǎn)業(yè)、大園區(qū)、新城區(qū)、新平臺(tái)，高標(biāo)準(zhǔn)打造松滋臨港新區(qū)，這標(biāo)志著，松滋港將大手筆開(kāi)局“十三五”。（殷缶，梅深）