上海深遠(yuǎn)海域極端臺(tái)風(fēng)浪數(shù)值模型研究

顧晨

（上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335）

1.研究背景

近年來，隨著海上風(fēng)電的迅速發(fā)展，我國海上風(fēng)電開發(fā)逐漸從近岸海域向深遠(yuǎn)海域發(fā)展。大型化、深遠(yuǎn)海化、規(guī)模化發(fā)展已經(jīng)成為未來風(fēng)電開發(fā)的重要方向。

我國深遠(yuǎn)海域是海洋氣象災(zāi)害襲擊的前沿地帶，極端氣象海洋災(zāi)害（海冰、臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、臺(tái)風(fēng)浪等）頻發(fā)，其發(fā)生的頻次和強(qiáng)度受全球氣候變化的影響呈上升趨勢(shì)。由此可見，我國深遠(yuǎn)海域的自然環(huán)境十分復(fù)雜。我們對(duì)深遠(yuǎn)海域海洋水文氣象條件特性無法準(zhǔn)確了解和掌握，海上風(fēng)電開發(fā)過程中存在較大的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)不確定性。

海洋水文氣象條件是影響海上風(fēng)電規(guī)劃、設(shè)計(jì)和建設(shè)運(yùn)維的重要因素。水文氣象的相關(guān)參數(shù)是海上風(fēng)電場(chǎng)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的類型選擇和結(jié)構(gòu)計(jì)算的重要依據(jù)，影響海上風(fēng)電工程的安全運(yùn)行和投資效益。相較于潮間帶和淺海海上風(fēng)電場(chǎng)，深遠(yuǎn)海域的海上風(fēng)電開發(fā)的技術(shù)更加復(fù)雜，且風(fēng)險(xiǎn)更大。因此，為了保障深遠(yuǎn)海的海上風(fēng)電開發(fā)，對(duì)海洋水文氣象條件的觀測(cè)和研究提出了更高的要求。

2.臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)生成

2.1 臺(tái)風(fēng)事件篩選

上海深遠(yuǎn)海域極端海況的模擬選取歷史臺(tái)風(fēng)事件，對(duì)上海深遠(yuǎn)海場(chǎng)址半徑350km范圍內(nèi)歷史臺(tái)風(fēng)按最大持續(xù)風(fēng)速的等級(jí)篩選出對(duì)上海深遠(yuǎn)海場(chǎng)址有影響的臺(tái)風(fēng)事件作為極端模擬海況，如圖1所示為歷史上影響上海深遠(yuǎn)海域場(chǎng)址的臺(tái)風(fēng)路徑圖。數(shù)據(jù)源來自Historical Hurricane Tracks（noaa.gov）。

因臺(tái)風(fēng)對(duì)海域極端海況的影響包括臺(tái)風(fēng)路徑、最大風(fēng)速、持續(xù)時(shí)間、最低氣壓等，臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)篩選可按特定參數(shù)進(jìn)行排序。因臺(tái)風(fēng)風(fēng)速對(duì)波浪大小影響顯著，本次篩選將臺(tái)風(fēng)按Saffir-Simpson颶風(fēng)等級(jí)篩選，達(dá)到颶風(fēng)一級(jí)以上的臺(tái)風(fēng)事件，如圖1所示共57場(chǎng)，表1列出按時(shí)間排序最新的前20場(chǎng)臺(tái)風(fēng)時(shí)間，包含臺(tái)風(fēng)生成至結(jié)束時(shí)間、臺(tái)風(fēng)等級(jí)和中心最大風(fēng)速值等信息。

表1 上海深遠(yuǎn)海域半徑350km內(nèi)歷史臺(tái)風(fēng)事件信息

圖1 上海深遠(yuǎn)海域半徑350km內(nèi)歷史臺(tái)風(fēng)事件路徑圖

2.2 臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)生成方法

確定了上述57個(gè)受影響的臺(tái)風(fēng)事件列表后，相應(yīng)的臺(tái)風(fēng)事件路徑數(shù)據(jù)可以通過JMA數(shù)據(jù)庫得到。根據(jù)這些路徑數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的計(jì)算，MIKE 21 Cyclone Wind Generation Tool（臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)生成工具）所需要的輸入?yún)?shù)均可獲得。輸入?yún)?shù)中的時(shí)間[hours]，臺(tái)風(fēng)中心點(diǎn)經(jīng)緯度[deg]，中心氣壓Pc[hPa]，正常氣壓Pn[hPa] （常數(shù)，值為1005hPa）均可通過JMA數(shù)據(jù)庫直接獲得。而另外兩個(gè)輸入?yún)?shù)，描述臺(tái)風(fēng)形狀的參數(shù)B和最大臺(tái)風(fēng)半徑Rmw需要基于已有的數(shù)據(jù)通過經(jīng)驗(yàn)公式來進(jìn)行求解。

Holland模型中氣壓由以下公式給出：

其中，B是形狀參數(shù)，用來描述不同的熱帶氣旋壓力剖面，一般用于描述隨時(shí)間變化的低壓過程，B的取值范圍為1

根據(jù) Holland B 參數(shù)可以由以下兩公式計(jì)算：

其中ρA=1.293kg/m3為空氣密度，e=2.718為常數(shù)，Vmax為最大風(fēng)速。

最大風(fēng)速半徑可由下列兩公式計(jì)算：

Rmw=0.485Pc-413

Rmw=0.1R30kts

需注意在以上公式中，Pc和Pn均以hPa為單位。

JMA隨著空間和時(shí)間變化的臺(tái)風(fēng)最佳路徑參數(shù)數(shù)據(jù)庫，生成的臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)范圍覆蓋整個(gè)中國海及西北太平洋，經(jīng)過MIKE 21臺(tái)風(fēng)生成工具的插值，得到空間分辨率為0.1度時(shí)間步長為15min的臺(tái)風(fēng)模型。

在此基礎(chǔ)上，可通過MIKE 21 Cyclone Wind Generation Tool批量得到57場(chǎng)臺(tái)風(fēng)事件的模擬結(jié)果。該結(jié)果只含有臺(tái)風(fēng)風(fēng)圈數(shù)據(jù)而無背景風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。因此需要與CFSR背景風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行疊加。疊加的原理是將臺(tái)風(fēng)中心向外一定范圍內(nèi)的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)加入CFSR風(fēng)場(chǎng)的對(duì)應(yīng)區(qū)域進(jìn)行替換，在剪切處的邊緣使用插值設(shè)立緩沖區(qū)使得疊加后的數(shù)據(jù)更加真實(shí)。

3.波浪模型的搭建

為建立上海深遠(yuǎn)海域長時(shí)間波浪要素?cái)?shù)據(jù)庫，本研究采用MIKE 21 SW波浪模型進(jìn)行東中國海的波浪數(shù)值模擬計(jì)算。

MIKE 21 SW基于波作用守恒方程，采用波作用密度N（σ，θ）來描述波浪。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)系為：

其中：σ為相對(duì)頻率，θ為波向。

在笛卡爾坐標(biāo)系下，MIKE 21 SW的控制方程，即波作用守恒方程可以表示為：

在球坐標(biāo)系下，

其中：R為地球半徑，?為緯度，λ為經(jīng)度。波作用守恒方程的形式為：

MIKE 21 SW模型中的源函數(shù)項(xiàng)描述了各種物理現(xiàn)象的源函數(shù)的疊加：

其中：Sin指風(fēng)輸入的能量，Snl指波與波之間的非線性作用引起的能量損耗，Sds指由白帽引起的能量損耗，Sbot指底摩阻引起的能量損耗，Ssurf指由于水深變化引起的波浪破碎產(chǎn)生的能量損耗。

本研究范圍覆蓋整個(gè)東中國海和西北太平洋，對(duì)中國沿海以及長江口區(qū)域進(jìn)行逐層網(wǎng)格加密。波浪模型范圍覆蓋整個(gè)中國海域，北至渤海灣、南至泰國灣及新加坡海峽一帶。東邊界西北太平洋外海水深約8500m處。沿沖繩海溝、中國大陸架和重要風(fēng)電場(chǎng)址進(jìn)行三重加密。總網(wǎng)格數(shù)為57543，最大單元面積2248km2，最小單元面積0.2km2。最大三角形網(wǎng)格邊長約45km，中國近岸海域三角形網(wǎng)格邊長約10km，最小三角形網(wǎng)格邊長約1km。為給出精細(xì)化的上海深遠(yuǎn)海域波浪模型數(shù)據(jù)，對(duì)上海深遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)址Ⅰ和Ⅱ進(jìn)行局部加密。

基于MIKE 21 SW模式，對(duì)東中國海波浪模型進(jìn)行調(diào)試，確保該海域波浪模擬結(jié)果能夠與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)相吻合。對(duì)比波浪模型在上海深遠(yuǎn)海場(chǎng)址內(nèi)后報(bào)結(jié)果，得到實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果相關(guān)性對(duì)比分析，如圖2所示，總體相關(guān)性較好，表明波浪模型能適用于上海深遠(yuǎn)海域風(fēng)電場(chǎng)的模擬。

圖2 上海深遠(yuǎn)海域波浪模型結(jié)果與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的對(duì)比

4.極端臺(tái)風(fēng)浪事件模擬

本研究模擬了列舉2000年以后歷史臺(tái)風(fēng)中最強(qiáng)的57次臺(tái)風(fēng)生成參數(shù)化臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)，因篇幅原因，現(xiàn)列舉2019年兩場(chǎng)最強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)事件，并提取上海深遠(yuǎn)海域風(fēng)電場(chǎng)Ⅰ和Ⅱ中心位置A、B兩點(diǎn)（如圖3所示）在臺(tái)風(fēng)事件過程中的風(fēng)速和有效波高的時(shí)間序列曲線，其中時(shí)間為格林尼治時(shí)間。

圖3 上海深遠(yuǎn)海域中心點(diǎn)A和B示意圖

4.1 2019年臺(tái)風(fēng)“MITAG”

臺(tái)風(fēng)“MITAG”產(chǎn)生于2019年9月24日，結(jié)束于2019年10月5日，歷時(shí)11d，風(fēng)力最大時(shí)屬于2級(jí)颶風(fēng)，最高持續(xù)風(fēng)速為46.3m/s，中心最低氣壓961百帕。研究區(qū)域內(nèi)臺(tái)風(fēng)“MITAG”風(fēng)力最大時(shí)為1級(jí)颶風(fēng)，中心最低氣壓為977百帕；研究區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)最高持續(xù)風(fēng)速為33.4m/s，發(fā)生于2019年10月1日14時(shí)，相應(yīng)氣壓為977百帕。

Holland模式生成的“MITAG”臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)于2019年10月1日22點(diǎn)，在上海深遠(yuǎn)海域風(fēng)電場(chǎng)址內(nèi)達(dá)到最大值，此刻A點(diǎn)（場(chǎng)址Ⅰ）風(fēng)速為24.4m/s，氣壓值為1004百帕，B點(diǎn)（場(chǎng)址Ⅱ）風(fēng)速為21.1m/s，氣壓值為994百帕。

2019年10月1日23：00臺(tái)風(fēng)浪對(duì)上海深遠(yuǎn)海域風(fēng)電場(chǎng)址影響達(dá)到最大，此刻場(chǎng)址Ⅰ中心A點(diǎn)有效波高為6.4m，場(chǎng)址Ⅱ中心B點(diǎn)有效波高為7.8m（如圖4所示）。

圖4 臺(tái)風(fēng)“MITAG”期間A、B兩點(diǎn)有效波高過程線

4.2 2019年臺(tái)風(fēng)“LINGLING”

臺(tái)風(fēng)“LINGLING”產(chǎn)生于2019年8月30日，結(jié)束于2019年9月12日，歷時(shí)14天，風(fēng)力最大時(shí)屬于4級(jí)颶風(fēng)，最高持續(xù)風(fēng)速為61.7m/s，中心最低氣壓930百帕。研究區(qū)域內(nèi)臺(tái)風(fēng)“LINGLING”風(fēng)力最大時(shí)為3級(jí)颶風(fēng)，中心最低氣壓為935百帕；研究區(qū)域內(nèi)測(cè)點(diǎn)最高持續(xù)風(fēng)速為52m/s，發(fā)生于2019年9月6日19時(shí)，相應(yīng)氣壓為935百帕。

Holland模式生成的“LINGLING”臺(tái)風(fēng)風(fēng)場(chǎng)于2019年9月6日12點(diǎn)，在上海深遠(yuǎn)海域風(fēng)電場(chǎng)址內(nèi)達(dá)到最大值，此刻A點(diǎn)（場(chǎng)址Ⅰ）風(fēng)速為19.5m/s，氣壓值為1010百帕，B點(diǎn)（場(chǎng)址Ⅱ）風(fēng)速為22.9m/s，氣壓值為1009百帕。

2019年9月6日11：30對(duì)上海深遠(yuǎn)海域風(fēng)電場(chǎng)址波浪影響達(dá)到最大，此刻場(chǎng)址Ⅰ中心A點(diǎn)有效波高為5.2m，場(chǎng)址Ⅱ中心B點(diǎn)有效波高為7.6m（如圖5所示）。

圖5 臺(tái)風(fēng)“LINGLING” 期間A、B兩點(diǎn)有效波高過程線

5.結(jié)語

本研究就如何對(duì)深遠(yuǎn)海域極端事件，尤其是臺(tái)風(fēng)事件下的海浪模擬的技術(shù)路線進(jìn)行了闡述，給出了基于風(fēng)場(chǎng)篩選，Holland參數(shù)化臺(tái)風(fēng)生成和歷史臺(tái)風(fēng)模擬的系統(tǒng)性模型反演工作，可對(duì)特定海域特定事件進(jìn)行再分析，為更加精細(xì)化的給出各區(qū)域極值條件的數(shù)據(jù)給出了可行的方法和路徑。

對(duì)上海海域歷史臺(tái)風(fēng)事件的反演，對(duì)場(chǎng)址影響最大的5場(chǎng)臺(tái)風(fēng)事件可見，其臺(tái)風(fēng)路徑均表現(xiàn)為從菲律賓海域生成并北上，在東海靠近上海海域離岸最近，隨后達(dá)到拐點(diǎn)，向東北方向繼續(xù)傳播，其臺(tái)風(fēng)中心穿過上海深遠(yuǎn)海域場(chǎng)址中心半徑350km范圍內(nèi)，海上10m高風(fēng)速可達(dá)25m/s以上，其有效波高在場(chǎng)址Ⅰ可達(dá)到5m～7m，在場(chǎng)址Ⅱ可達(dá)到6m～9m。