廣東某海上風電場利用臺風氣象數據推算波浪要素的研究

荊亞濤，劉東海

1.廣東交通職業技術學院土木學院，廣東廣州，510650；2.廣東省能源集團有限公司，廣東廣州，510620

0 引言

海上風電是可再生能源發展的新領域，也是風電發展的重要方向，具備發展空間大、離負荷中心近等優勢，有序推進海上風電發展意義重大。根據彭博新能源最新發布的2021年全球海上風電報告顯示，2021年全球新增海上風電裝機容量約13.4GW，最大的貢獻來自中國，占比四分之三，約10.8GW。根據“十四五”可再生能源發展規劃初步成果，預計到2025年底，我國海上風電累計裝機30GW~40GW。海上風電大力發展的同時，也逐步顯現出各個層面的風險和問題。我國風電企業現今也在不斷提高企業管理的信息化水平，建立數據管理系統，從而對風電管理和運營的風險、安全、決策提供重要的依據。從風險管理角度來講，臺風是廣東海域的海上風電所面臨的最大自然災害。不但影響運維管理，甚至影響結構本身安全[1-3]。

現階段，《熱帶氣旋年鑒》中的數據為氣壓、運動軌跡、最大風速、降雨量等氣象數據。臺風所引起的波浪要素只能通過測算，波浪觀測站所記錄數據僅能用于局部區域參考和后期驗證作用。快速對臺風波浪要素的推算，更適用工程使用，對臺風下海上風電場運營風險及安全管理具有重要意義。

1 海洋波浪要素分析方法

海上風電場波浪主要有風浪、涌浪和臺風浪三種。對于風浪和涌浪的波浪參數，可通過兩個方法獲得。第一種方法是，如果工程建設海域周邊有海洋水文觀測站，并已積累多年的波浪觀測資料，則可通過頻率統計分析方法進行統計，推斷今后多年內可能出現的特征波浪。第二種方法是，如果工程建設海域周邊沒有海洋水文觀測站，則可利用當地或鄰近氣象站風況資料來推算波浪。為便于工程使用，推算方法大都屬于經驗和半經驗方法。

對于臺風浪，由于臺風本身是移動的，上述適用于常規風浪的推算方法已不適用。臺風在移動過程中，風速、風向會不斷變化，臺風本身移動速度、移動路徑具有不規則特點。臺風現場險惡，實測資料難以獲取，因此，臺風浪的計算十分困難。現階段，國內外常用的臺風浪估算的半經驗方法有：Bretschneider颶風浪法、宇野木早苗法和井島武士法[4-5]。

近些年，隨著計算技術的發展，數值計算方法在波浪要素推算中也多推薦使用，常見的模型有SWAN模型、ADCIRC模型等。模型在常規浪和臺風浪分析中都有應用。現階段，因波浪數值計算的各種模式還處于發展階段，極端海洋環境參數評估方法期待解決，尚無公認的數值計算方法。另外，數值計算方法對工程廣泛使用，尚難以進行普遍推廣。因此，本文所采用的方法仍為目前各國較多使用的半經驗公式[6-8]。

2 臺風氣象參數分析

2.1 臺風特征及臺風參數

廣東沿海地區，大部分海上風電場位于北緯21~23°之間。根據多年的《熱帶氣旋年鑒》統計，進入廣東周邊區域的臺風，起源于太平洋的居多，多出現于7-10月，臺風中心氣壓多在950~1000之間，臺風移動速度10~50km/h，臺風眼直徑約為10~40km。臺風計算中，有兩個重要參數，分別為最大風速和最大風速半徑[4-5]。其中：

最大風速半徑R采用美國的格雷厄姆和紐恩提出的經驗公式：

2.2 臺風參數分析

珠海金灣海上風電場工程場址位于珠海市三灶島南側海域，維度范圍：21°52′22.80″~21°56′31.20″，經度范圍：113°22′58.80″~113°29′27.60″。規劃場址海域面積約52km2，海底水深標高介于-11.9m~-21.9m（1985），屬于近海風電場[9]。

根據CMA-STI 熱帶氣旋路徑數據集及中央氣象臺臺風路徑資料，1949~2017年間共有90個熱帶氣旋中心經過研究區域。根據歷年的《熱帶氣旋年鑒》路徑資料，均可利用公式2計算臺風最大風速半徑R。根據計算結果，臺風移動過程中，會隨著緯度、氣壓、移動速度的不同而變化。臺風最大風速半徑R會隨著中心氣壓和臺風移動速度增大而增大。對任意速度，氣壓變化引起的最大風速半徑變化幅度基本完全相同。

3 臺風波浪推算

3.1 海上風電場波浪參數

海上風電場包含升壓站和風機兩個構筑物，根據DNV及我國海上風電場的系列規范、水文規范、海洋建設的相關規范和規定，海上升壓站對環境荷載設計重現期為100年，海上風機為50年。波浪高度和相應周期是波浪計算的基本參數。廣東沿海海域屬亞熱帶海洋性氣候，從沿海各站波浪統計資料來看，年極值波浪多為臺風浪，西南季風和東北季風造成的最大波高通常低于臺風造成的臺風浪。

3.2 臺風氣象參數推導波浪方法

通過氣象參數推算臺風浪的方法主要有三種：Bretschneider颶風浪法、宇野木早苗法、井島武士法。三種方法所依據的實測資料有所不同，Bretschneider颶風浪法采用的是緯度較低、且海域開敞的實測資料，宇野木早苗法采用緯度較高、且臺風已多轉向、強度有所降低的實測資料，井島武士法采用的是半封閉的日本海資料。因此，相對于我國廣東沿海海域，前兩種方法條件相似性更為接近。因此，本文僅對前兩種方法進行驗證，即Bretschneider颶風浪法和宇野木早苗法。

（1）Bretschneider颶風浪法（B氏法）

深水有效波高和有效波周期為：

（2）宇野木早苗法（宇野法）

3.3 數據分析

從公式（3）和公式（4）中可以看出，臺風浪有效波高及周期與臺風的移動速度、中心氣壓值等有比較密切的關系。圖1給出采用兩種方法分析時，臺風移動速度和中心氣壓對臺風浪有效波高和周期的影響關系。從整體上看，氣壓對臺風浪有效波高的影響呈線性降低的趨勢，B氏法比宇野法降低斜率偏小。臺風移動速度較小時，氣壓越低，宇野法結果大于B氏法。移動速度較大時，氣壓越高，B氏法所算結果大于宇野法。兩種方法計算結果相近的范圍有兩處：（1）臺風移動速度30km/h時，氣壓變化955~975kPa；（2）臺風移動速度20km/h時， 氣壓變化970~985kPa。

圖2和圖3給出采用兩種方法估算5個臺風在途經珠海金灣海上風場附近海域時，臺風浪波高（H1%）和相應周期的對比圖。本工程設計施工中，所采用100年重現期波浪波高（H1%）為：13.67m~18m，周期為14.5~16.4s。從圖中可以看出，兩種半經驗方法所計算的數據，均有所對應。宇野法計算結果與工程項目中所采用的數值更為接近。

4 結語

通過Bretschneider颶風浪法和宇野木早苗法對實際工程中臺風浪要素的分析，及與實際工程數據對比，說明在廣東周邊海域，采用文中的兩種半經驗方法進行臺風浪要素的估算均具有一定的可行性。結合兩種方法的邊界條件和計算結果數據，宇野木早苗方法計算結果與實際工程中的數值更為接近，其適用性更好。相比海洋站數據統計分析和數值模擬分析，半經驗法更能快速地給工程提供較為可靠的參考數據。