“納沙”臺(tái)風(fēng)對(duì)烏石漁港引起的臺(tái)風(fēng)浪的數(shù)值研究

侯文昊，張瑞瑾，席彥彬，張 鵬，馬全強(qiáng)

(大連海洋大學(xué)海洋科技與環(huán)境學(xué)院，遼寧大連 116023)

我國(guó)擁有漫長(zhǎng)的海岸線，每年在近海地區(qū)都會(huì)遭受不同程度的臺(tái)風(fēng)侵襲[1]。在臺(tái)風(fēng)過境期間，巨大臺(tái)風(fēng)浪嚴(yán)重制約近海漁業(yè)捕撈作業(yè)和觀光旅游[2-3]；同時(shí)，臺(tái)風(fēng)浪引起的海底泥沙沖淤也直接影響近岸港口、航道運(yùn)輸通行[4-5]，據(jù)統(tǒng)計(jì)，臺(tái)風(fēng)每年對(duì)我國(guó)近岸捕撈和海水養(yǎng)殖業(yè)造成的損失就超過260億元[6-7]。隨著衛(wèi)星監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的使用和海洋臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)水平的提高，也極大地降低了臺(tái)風(fēng)浪等強(qiáng)風(fēng)暴過程造成的損失[8-9]，保障了沿岸港口居民的生命財(cái)產(chǎn)安全。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者利用數(shù)值模擬的方法多次有效模擬了臺(tái)風(fēng)過境期間的近岸波浪變化，為海洋預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)提供了參考，孔令雙等[10]采用MIKE21 SW波浪模型對(duì)長(zhǎng)江口海域在鳳凰臺(tái)風(fēng)期間的波浪場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算，分析了該海域的波浪特征，為泥沙數(shù)學(xué)模型提供了波浪動(dòng)力條件。譚鳳等[11]基于WRF和SWAN數(shù)學(xué)模型，較好地模擬“韋帕”臺(tái)風(fēng)過程中海浪的演化和傳播過程，模型驗(yàn)證良好，為大風(fēng)天三維泥沙數(shù)學(xué)模型提供準(zhǔn)確的波浪動(dòng)力條件。Sirisha等[12]利用MIKE21 SW模型，準(zhǔn)確地評(píng)估了印度洋熱帶氣旋條件下波浪預(yù)報(bào)系統(tǒng)的性能。Hall[13]利用三維海洋數(shù)值模型FVCOM與氣象模型一起運(yùn)行，模擬了愛爾蘭海利物浦灣地區(qū)的風(fēng)暴潮引起海面變化情況，計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確地反映了風(fēng)暴潮期間利物浦灣附近的波浪狀況。劉秋興等[14]利用浪潮耦合模型(ADCIRC+SWAN)，在洞頭中心漁港附近建立了高分辨率的天文潮、風(fēng)暴潮和近岸浪耦合數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，較好地模擬天文潮的演進(jìn)，準(zhǔn)確地反映臺(tái)風(fēng)過境期間風(fēng)暴潮、海浪的傳播過程。

臺(tái)風(fēng)“納沙”為2017年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)，于2017年7月29日19：40在臺(tái)灣宜蘭縣東部沿海正面登陸，臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過宜蘭縣烏石漁港。烏石漁港是臺(tái)灣宜蘭縣重要漁港，港域面積約64萬(wàn)m2，由于常年遭受臺(tái)風(fēng)襲擾，港口建立了二級(jí)防波堤用以避風(fēng)防災(zāi)。因此闡明臺(tái)風(fēng)過境期間漁港周邊波浪特征，對(duì)漁港避風(fēng)防災(zāi)有重要的指導(dǎo)意義。筆者利用MIKE21 SW波浪模型，對(duì)“納沙”臺(tái)風(fēng)過境期間烏石漁港附近臺(tái)風(fēng)浪情況進(jìn)行數(shù)值模擬，闡述了漁港周圍波浪特征，并簡(jiǎn)要分析了該漁港避風(fēng)效果，以期為我國(guó)近海臺(tái)風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)及漁港防災(zāi)減災(zāi)提供參考和數(shù)據(jù)支持。

1 資料與方法

1.1波浪模型及參數(shù)設(shè)置

1.1.1SW波浪控制方程。波浪要素采用丹麥水力研究所(DHI Water & Environment)研制的計(jì)算軟件Mike21 SW(spectral waves)模型進(jìn)行推算。該軟件可以用來(lái)進(jìn)行大范圍的波浪場(chǎng)推算，也可以滿足大尺度波浪推算的要求。它的優(yōu)勢(shì)在于能考慮波浪的折射、底部損耗、波浪破碎、波流聯(lián)合作用及風(fēng)等因素對(duì)波浪傳播的影響。

SW模型基于波作用守恒方程，采用波作用密度譜N(σ，θ)來(lái)描述波浪。模型的自變量為相對(duì)波頻率σ和波向θ。波作用密度與波能譜密度E(σ，θ)的關(guān)系：

N(σ，θ)=E(σ，θ)/σ

(1)

在笛卡爾坐標(biāo)系下，Mike21 SW的控制方程即波作用守恒方程可以表示：

?N/?t+

(2)

S=Sin+Snl+Sds+Sbot+Ssurf

(3)

式中，Sin為風(fēng)輸入的能量，Snl為波與波之間的非線性作用引起的能量耗散，Sds為有白帽引起的能量耗散，Sbot為由底摩阻引起的能量耗散，Ssurf為由于水深變化引起的波浪破碎產(chǎn)生的能量耗散。式中傳播速度均采用線性波理論計(jì)算。

1.1.2計(jì)算網(wǎng)格及參數(shù)設(shè)置。該研究采用美國(guó)國(guó)家地球物理數(shù)據(jù)中心NOAA(national geophysical data center)提供的岸線及水深數(shù)據(jù)，使用Mike21 SW模型，利用有限體積法進(jìn)行空間離散。使用網(wǎng)格生成器生成三角形網(wǎng)格，插值后得到地形文件。計(jì)算區(qū)域如圖1所示，計(jì)算范圍1 100 km×1 200 km，網(wǎng)格尺度10 km，網(wǎng)格數(shù)60 587，研究對(duì)象位于計(jì)算域內(nèi)臺(tái)灣宜蘭縣烏石漁港。為了研究烏石漁港附近的波浪情況，在臺(tái)灣省宜蘭縣附近海域使用局部加密的方法來(lái)細(xì)化網(wǎng)格，在港內(nèi)最小網(wǎng)格尺度達(dá)8 m，以提高重點(diǎn)研究區(qū)域的模擬精度。

圖1 計(jì)算海區(qū)網(wǎng)格分布Fig.1 Distribution of calculating mesh

1.2風(fēng)場(chǎng)文件計(jì)算設(shè)置在利用MIKE21 SW模型進(jìn)行臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值計(jì)算時(shí)，需要輸入背景風(fēng)場(chǎng)，該文件需要風(fēng)場(chǎng)參數(shù)和地形文件合成得到。選取臺(tái)風(fēng)“納沙”作為背景風(fēng)場(chǎng)，“納沙”為2017年第9號(hào)臺(tái)風(fēng)，于2017年7月21日在帕勞附近(127.9°E，15.7°N)海面上生成并向北移動(dòng)，25日升格為熱帶低壓，26日升格為熱帶風(fēng)暴，27日升格為強(qiáng)熱帶風(fēng)暴，中心氣壓990 hPa，開始向西北方向行進(jìn)；28日升格為臺(tái)風(fēng)，最強(qiáng)達(dá)到臺(tái)風(fēng)級(jí)(40 m/s，13級(jí))，29日19：40在臺(tái)灣宜蘭東部沿海登陸，臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過宜蘭縣烏石漁港，在該港附近較大臺(tái)風(fēng)浪；30日06：00在福建福清沿海再次登陸(33 m/s，12級(jí))，14：00減弱為熱帶低壓，20：00中央氣象臺(tái)對(duì)其停止編號(hào)。

選取“納沙”臺(tái)風(fēng)影響臺(tái)灣時(shí)間段2017年7月28日17：00—30日14：00的臺(tái)風(fēng)參數(shù)，風(fēng)場(chǎng)參數(shù)包括經(jīng)緯度、最大風(fēng)速、最大風(fēng)速半徑、中心移動(dòng)速度、臺(tái)風(fēng)中心氣壓，正常氣壓。其中最大風(fēng)速半徑利用Graham和Nunn提出的臺(tái)風(fēng)經(jīng)驗(yàn)公式(4)得到[15]。

R=28.52th[0.087 3(φ-28°)]+12.22exp[(P0-1 013.2)/33.86]+0.2VF+37.22

(4)

式中，VF為臺(tái)風(fēng)中心移動(dòng)的速度(km/h)，φ為地理緯度，P0為臺(tái)風(fēng)中心氣壓(hPa)。

2 結(jié)果與分析

通過建立MIKE21 SW模型，輸入地形文件和風(fēng)場(chǎng)文件，設(shè)置模擬時(shí)間為臺(tái)風(fēng)生成后54～99 h，時(shí)間步長(zhǎng)為60 s，結(jié)果輸出間隔為1 h，最終計(jì)算得到臺(tái)風(fēng)作用下波浪結(jié)果。

2.1Mike21SW模型驗(yàn)證收集“納沙”臺(tái)風(fēng)期間ODINWESTPAC發(fā)布的波浪要素?cái)?shù)據(jù)，利用北礵(BSG)站(120.3°E，26.7°N)數(shù)據(jù)對(duì)Mike21 SW臺(tái)風(fēng)波浪模型結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，圖2為有效波高對(duì)比圖，模型計(jì)算得到的有效波高與實(shí)測(cè)值的最大誤差小于0.5 m；圖3為有效波周期對(duì)比圖，模型計(jì)算得到的有效波周期與實(shí)測(cè)值最大誤差小于1 s。結(jié)果表明模型計(jì)算得到的有效波高和波周期與北礵(BSG)站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)總體吻合較好，可見該臺(tái)風(fēng)浪模型可以用來(lái)模擬“納沙”臺(tái)風(fēng)過境期間臺(tái)灣烏石漁港海域的波浪分布情況和演變過程。

圖2 2017年7月29—30日有效波高對(duì)比Fig.2 Comparison of significant wave height from July 29 to 30，2017

圖3 2017年7月29—30日有效波周期對(duì)比Fig.3 Comparison of effective wave period from July 29 to 30，2017

2.2臺(tái)灣周邊海域波浪特征分析圖4為臺(tái)灣附近海域有效波高包絡(luò)圖，“納沙”臺(tái)風(fēng)過境期間，在臺(tái)灣東部海域形成了怒濤，最大有效波高超過16 m；在臺(tái)灣西部海域，由于臺(tái)風(fēng)受到大陸阻擋消散，有效波高相對(duì)較低，最大有效波高不足12 m，且從東北到西南有效波高等值線較密集，說(shuō)明波能消散較快。圖5為宜蘭縣烏石漁港附近海域有效波高包絡(luò)圖，結(jié)果顯示，在烏石漁港附近海域形成巨浪，最大有效波高達(dá)5.5 m。計(jì)算結(jié)果顯示，烏石漁港附近海域巨浪持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，有效波高超過4 m的時(shí)間超過12 h。在烏石漁港南部和東北部，有效波高等值線較密集，最大有效波高從5.5 m迅速降至1.5 m，這與港口周圍地形有關(guān)。臺(tái)風(fēng)過境期間，在近岸海域，隨著水深變淺，有效波高由海向陸變化梯度明顯，離風(fēng)圈越遠(yuǎn)有效波高越低，破波帶以內(nèi)水域波浪衰減速度加快，這與該海域?qū)儆谟倌噘|(zhì)海岸類型相吻合。

圖4 “納沙”過境期間臺(tái)灣附近海域有效波高包絡(luò)圖Fig.4 Enveloping graph of significant wave height around Taiwan Island during the transit period of “NESAT”

圖5 “納沙”過境期間烏石漁港附近海域有效波高包絡(luò)圖Fig.5 Enveloping graph of significant wave height around Wushi fishing port during the transit period of “NESAT”

2.3臺(tái)風(fēng)影響下烏石漁港波浪特征分析為研究港內(nèi)不同區(qū)域的波浪特征，在烏石漁港離岸防波堤外部，烏石漁港離岸防波堤內(nèi)部，烏石漁港港口處和烏石漁港最內(nèi)側(cè)分別取A、B、C、D 4點(diǎn)(圖6)。

圖6 烏石漁港內(nèi)外取點(diǎn)位置Fig.6 Location of the study sites around Wushi fishing port

圖7為“納沙”臺(tái)風(fēng)影響下烏石漁港附近有效波高變化圖，以烏石漁港離岸防波堤外部(A點(diǎn))海域波浪情況為例，第1階段從開始模擬到7月29日05：00，“納沙”距離烏石漁港較遠(yuǎn)，漁港附近離岸防波堤外為輕浪，有效波高普遍在1.25 m以下。第2階段，7月29日05：00—19：00，“納沙”逐漸開始影響烏石漁港，波高逐漸上升；在29日21：00，臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)眼前壁抵達(dá)烏石漁港處，在漁港附近形成巨浪，有效波高達(dá)到最大值5.5 m。第3階段(7月29日19：00—23：00)，由于臺(tái)風(fēng)中心經(jīng)過烏石漁港，有效波高先降低至4.08 m，從7月29日21：00左右又開始升高，到29日23：00有效波高達(dá)到新高峰5.29 m，說(shuō)明此時(shí)臺(tái)風(fēng)中心風(fēng)眼后壁抵達(dá)烏石漁港處。第4階段(7月29日23：00—30日14：00)，“納沙”穿過臺(tái)灣，繼續(xù)往西北方向移動(dòng)，30日06：00登陸福建，隨后逐漸削弱直至消失；此階段烏石漁港附近海域受臺(tái)風(fēng)控制逐漸減弱，有效波高也隨之降低，浪級(jí)由巨浪逐漸降至輕浪。

圖7 2017年7月28—30日“納沙”過境期間離岸防波堤內(nèi)外波高對(duì)比Fig.7 Comparison of wave height inside and outside the offshore breakwater during the transit period of “NESAT”

圖7表明，在“納沙”臺(tái)風(fēng)過境期間，烏石漁港外側(cè)的離岸防波堤有效地阻擋了臺(tái)風(fēng)引起臺(tái)風(fēng)浪對(duì)港岸的沖擊破壞。“納沙”臺(tái)風(fēng)正面登陸臺(tái)灣時(shí)，經(jīng)過烏石漁港處，在離岸防波堤外側(cè)A點(diǎn)處有效波高達(dá)5.50 m，波浪經(jīng)過離岸防波堤阻擋耗散后，在離岸防波堤背風(fēng)側(cè)B點(diǎn)處有效波高降為0.57 m，在離岸防波堤背風(fēng)側(cè)可有效避風(fēng)。然而，由于在港口南部和東北部沒有防波堤的阻擋掩蔽，部分波能由此傳入使得C點(diǎn)處在出現(xiàn)中浪，有效波高約2.06 m。由于二級(jí)防波堤的掩護(hù)作用，波能到達(dá)D點(diǎn)時(shí)，波能大大減弱，有效波高僅0.39 m。港內(nèi)有效波高0.5 m等值線以內(nèi)的區(qū)域可有效避風(fēng)，面積約為15.5萬(wàn)m2，占港域面積的24.2%。

3 結(jié)論

(1)該研究利用Mike21 SW(spectral waves)模型計(jì)算的臺(tái)風(fēng)浪參數(shù)與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)擬合較好，可以依據(jù)臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)資料應(yīng)用Mike21 SW模型推算波浪參數(shù)。

(2)“納沙”過境期間，由于臺(tái)風(fēng)眼經(jīng)過烏石漁港，該漁港附近波高經(jīng)歷了升高、降低、再升高、再降低4個(gè)階段，在漁港近岸海域形成了最大有效波高超過5.5 m的巨浪，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)12 h。

(3)“納沙”過境期間，烏石漁港處兩級(jí)防波堤對(duì)漁港起到了一定掩蔽效果，最大有效波高從外到里逐漸降低，波浪經(jīng)過離岸防波堤時(shí)，有效波高由5.50 m降為0.57 m；在二級(jí)防波堤的掩護(hù)下，在烏石漁港最內(nèi)部的有效波高等值線0.5 m區(qū)域內(nèi)可有效避風(fēng)，港口24.2%的區(qū)域可有效避風(fēng)。