臺風對泰國某港引起的風浪數值模擬研究

周智鵬，梁慶，王科華，張軍

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東廣州 510230）

引言

波浪數據（平常浪和極值浪）作為重要的設計基礎數據之一，能直接影響港口選址、平面布置、水工結構設計、施工方案選擇、運營作業條件評估等。

本文結合泰國馬達普港口項目，以1989 年11月1 號生成的臺風“蓋伊”為例，基于MIKE21-SW[1]風浪軟件建立了泰國灣大范圍波浪場模型，從JTWC（聯合臺風警報中心）全球后報臺風數據庫，提取臺風在工程附近海域各路徑上的臺風參數，利用Young and Sobey[2]模型模擬泰國灣海域的臺風風場，以此作為驅動風場，最終模擬得到海域的臺風浪。

通過工程海域臺風浪模擬結果與美國海岸防護手冊(Shore Protection Manual）[3]推薦方法計算臺風浪進行對比，其結果基本一致。本文提出的研究方法可以很好地模擬工程區臺風極值波浪情況，以期為類似海域臺風數值模擬提供參考。

1 工程簡介

泰國馬達普港口位于泰國羅永府，工程位置見圖1。工程海域波浪受季風（平常情況）和臺風（極端情況）共同影響，通過下載工程外海72 km 處NOAA（美國國家海洋和大氣管理局）后報波浪數據（2010-2015 年），得到工程海域的平常波浪情況如圖2。強浪向主要來自SW-WSW 向，最大有效波高僅約為2 m，絕大多數情況下，有效波高小于1 m；常浪向為SW-WSW 和SE-SSE，其出現頻率分別為36.1 %和33.8 %。

圖1 工程位置示意圖及臺風“蓋伊”路徑圖

影響工程建筑物結構設計的極值波浪主要由臺風引起，根據JTWC 臺風數據庫資料顯示，1980～2015 年間可能影響工程區域的臺風或熱帶氣旋（300 km 半徑范圍）一共有12 場（見圖2）。其中，1989 年經過泰國灣的臺風GAY 為五級風暴，是至今唯一一個以臺風級別風速（≥32.7 m/s）襲擊泰國的臺風，該臺風造成1 060 人死亡。本文對此臺風下工程區波浪情況進行研究計算。

圖2 工程區域1980-2015 年臺風路徑（300 km 范圍內）

2 臺風浪模型

2.1 模型原理

MIKE21-SW 模型基于能量平衡方程，能夠模擬波浪傳播過程中的各種物理過程，如波浪的淺水變形和折射等，由于采用的是能量平衡方程，因而時空步長不受波長的影響，沒有局限性，能夠進行大尺度、長時間的波浪數值模擬。

MIKE21-SW 模型采用的能量平衡方程如下[4]：

式中：λ 表示經度坐標；φ 表示緯度坐標；S表示與波浪譜有關的源和匯的總和；N 指波作用量密度譜；t 指時間；Sin 是指風波相互作用；Sn1 是指非線性波波相互作用；Sds 是指白帽損失項；Sbot是指底部摩擦損失項；Ssurf 是指波浪破碎項。

2.2 模型建立

本文首先建立泰國灣大范圍的波浪場模型（以下簡稱大模型，見圖3），得到泰國灣內的臺風浪特征；為了反映工程位置較準確的臺風浪，同時嵌套建立了工程區域的波浪場模型（以下簡稱小模型，見圖4），得到工程海域的波浪特征。

圖3 工程區域臺風場模型范圍（大模型）

圖4 泰國灣臺風場模型范圍（小模型）

大模型為小模型提供邊界條件（包括波高、周期、波向）。其中大模型范圍包含整個泰國灣海域；模型區域范圍網格節點數為4 917 個，單元數為9 121 個，網格分辨率約為5 km；小模型外海邊界水深約為-30 m，東西向長約48 km，南北向長度約為50 km；模型區域范圍網格節點數為3 640 個，單元數為6 870 個，網格采用工程區域局部加密處理，加密網格分辨率約為200 m。

對于兩個波浪模型，波浪譜選擇全譜公式和非定常時間公式；頻率譜的離散采用對數離散；方向譜的離散采用360°離散，分成16 個方向進行離散；地理空間和譜空間的離散算法采用低階數值計算方法；波浪破碎指定的Gamma 值為0.8；底摩阻系數取0.04。兩個模型均采用非結構化三角形網格，地形采用C-MAP 的電子海圖數據。

2.3 驅動風場

臺風“蓋伊”的中心坐標、最大風速和中心氣壓可從JTWC 得到，從圖1 可知臺風“蓋伊”在1989年11 月1 日00 時點在泰國灣生成，于1989 年11月4 日6 時登陸馬來島中部克拉地峽后又進入了印度洋，是為數不多的同時影響西太平洋和北印度洋兩個海域的臺風。其中臺風離開泰國灣后對工程海域臺風浪影響逐漸減小，因此本文關心并模擬的臺風時段為1989 年11 月1 日00 時～1989 年11 月4日6 時。

本文經驗風場采用Young 和Sobey 風場模型，公式如下：

式中：r 是計算點至臺風中心的距離；Vg(r)為距臺風中心r 距離處的風速；R 為最大風速半徑；Vmax為最大風速。

式中：P(r)為距臺風中心r 位置處的氣壓；是臺風的中心氣壓；Pn是臺風的外圍氣壓，一般取為1 013.2 hpa。

本文的臺風中心最大風速半徑采用經驗公式，Graham 和Nunn[5]研究了美國東海岸及墨西哥灣內的熱帶氣旋情況，繪制了中心氣壓，地理緯度和移行速度對最大風速半徑的影響曲線，并提出了最大風速半徑的參數化公式（以下簡稱GN 法）：

式中：R 為最大風速半徑，KM;為地理緯度；Pc 為臺風中心氣壓；V 為臺風移行速度。

為了對比不同經驗公式得到的臺風最大風速半徑模擬臺風浪的差異，本文同時選取了房偉[6]的最大臺風風速半徑參數化公式（見公式7，以下簡稱FW 法），并用GN 法和FW 法計算了最大風速半徑。

圖5 模擬的臺風場（時刻：1989/11/3 18:00）

基于以上GN 法和FW 法得到的不同最大風速半徑結果，模擬得到泰國灣內-30 m 近岸水深處（小模型邊界）的有效波高（Hs），譜峰波周期（Tp）的變化過程線。通過比較發現：GN 法和FW 法以及最大風速半徑取40 km 定值三種情況下，-30 m水深處的波浪要素變化趨勢基本一致，這從側面表明GN 法和FW 法在該海域有一定的適用性，且兩種方法差異較小。基于此，以下臺風浪模擬結果以GN 法為例。

圖6 不同臺風最大風速半徑公式模擬的臺風浪過程線

2.4 模擬最大臺風浪要素對比

模擬海域無實測臺風過境期間的波浪數據，本文基于SPM 推薦的臺風過境期間產生的最大波要素（Hs 和Ts）計算經驗公式，如下所示：

式中：R 為最大風速半徑，km;為無窮遠處大氣壓減掉中心氣壓，mmHg；UR為距離臺風中心R 處的最大持續風速（UR=0.865Vmax+0.5VF）；為臺風移行速度;為臺風中心移動帶來的風距修正系數，取α=1.0。

依據SPM 計算結果，對泰國灣海域模型的最大臺風要素進行了對比。對比時段為1989 年11 月3 日6 時～1989 年11 月4 日6 時。對比結果如圖7所示。

圖7 SPM 經驗公式與模擬結果的對比

對比SPM 手冊推薦方法計算的臺風“蓋伊”過境泰國灣時最大有效波高和波周期與本文模擬的趨勢和結果大致相同，本文采用的手段能夠較好的模擬臺風“蓋伊”所產生的波浪特征。

3 臺風浪模擬結果

3.1 泰國灣的臺風浪結果

圖8 為臺風作用期間泰國灣的有效波高（Hs）和譜峰周期（Tp）的統計最大值分布圖。

圖8 泰國灣海域Hs 和Tp 最大值分布圖

由圖可知，在臺風“蓋伊”過境期間，有效波高主要介于2～12 m 之間，且沿著臺風路徑方向，右側的波高大部分比左側大，波高的場域不對稱分布和許多因素有關。本文初步分析原因之一是由于泰國灣位于北半球，臺風逆時針旋轉，沿著臺風運動的方向，右側的風速大，左側的風速小；因而沿著臺風路徑方向，在風區長度接近的條件下，右側的波高大，左側波高小。

在臺風“蓋伊”過境期間，譜峰周期主要介于2～13.5 s 之間，且在越開闊的海域，波周期越大，這主要是因為在開闊的海域，臺風產生的波浪可以比較充分的成長，從而波周期相對較長。

3.2 工程區域臺風浪結果

選取泰國灣模型近岸30 m 水深處的臺風浪要素（Hs：5.6 m，Tp：11.8 s，平均波向：140°）作為邊界波浪，并輸入該時段的平均臺風場要素（風速：20 m/s；風向：140°），模擬得到工程區域的穩定波浪場。

為研究本次臺風對工程海域波浪的影響，選取了工程位置2 個點（分別包含防波堤外側和港內泊位）。得到工程位置防波堤外側有效波高4.4 m，Tp 為11.5 s，對應平均波向為156°（出現于1989年11 月3 號 18:00 左右）；港內泊位在多級防波堤掩護下，有效波高衰減為2.2 m。

4 結語

本文采用MIKE21-SW 模型驅動臺風場模擬了臺風“蓋伊”過境期間泰國灣海域和泰國馬達普港口海域的臺風浪，主要結論如下：

1）本文采用了三種臺風最大風速半徑方法（GN 法，FW 法和40 km 定值），模擬得到-30 m水深處的臺風浪要素（Hs 和Tp）結果基本一致。據此，本文選取的臺風最大風速半徑公式基本合理；

2）本文利用MIKE 21-SW 模型計算的臺風浪結果與SPM 手冊推薦的參數化公式計算的結果吻合較好，在缺乏實測資料驗證的情況下，該對比手段可取；

3）在臺風“蓋伊”過境期間，泰國灣的最大有效波高介于2～12 m 之間，且沿著臺風路徑方向，右側的波高大部分比左側的波高大；最大譜峰周期主要介于2～13.5 s 之間，且在越開闊的海域，波周期越大；

4）在臺風“蓋伊”過境期間，泰國馬達普港口防波堤外側最大有效波高為4.4 m，港內泊位在多級防波堤掩護下，有效波高衰減為2.2 m；

5）本文模擬技術可供“一帶一路”其他沿線工程海域在缺乏氣象水文資料前提下的臺風極值波要素的研究參考。