涌浪預報在港口生產調度中的應用

張素杰，路東婭，張鵬，韓鋒，鄭玉潔

（1.山東青東管道有限公司，山東 東營 257345；2.青島實華原油碼頭有限公司，山東 青島 266400；3.青島港油港國際有限公司，山東 青島 266400；4.山東科技大學，山東 青島 266590）

無防波堤掩護的開敞式碼頭，主要用于大型船舶的駐泊及作業，其承受外海波浪特別是涌浪直接作用。涌浪波高一般較小，但波長較長，在水平方向上具有相當大的能量。涌浪會導致系泊船舶產生大幅運動，當波浪周期與船舶固有周期接近時，纜力遠大于普通風浪。國內外一些港口因此多次發生斷纜事故，嚴重影響碼頭作業及安全。當波浪周期由5s 增加至10s 時，纜力大幅增加至原來的4 倍左右，因此，涌浪發生時，船舶運動量和纜力均數倍于普通風浪，應引起格外的重視。不同周期下纜力變化見圖1，因此，獲知碼頭附近波浪數據對碼頭合理高效運營具有重要意義，波浪數據獲取分后報及預報，波浪后報推算的重現期極值波高結果多用于工程設計，而波浪預報可以預測未來幾天內海域的波高變化情況，預測的涌浪波高可以指導開敞式碼頭船舶的靠離泊及作業，減小涌浪對大型船舶的靠泊作業產生影響，提高碼頭的接卸效率。

圖1 大型船舶纜力隨波周期變化圖

1 方法與現狀及發展趨勢

1.1 方法

海浪數值預報始于上世紀50 年代，Gelci 等提出了海浪數值預報模式。發展至今，海浪數值模式經歷了三代的演變，海浪譜能量平衡方程右端的源函數項也得到了不斷地改進和完善，它們主要包括風輸入源函數，由共振相互作用引起的非線性波-波相互作用源函數，由白冠破碎引起的耗散源函數，以及其它源函數，如波-流相互作用源函數，底摩擦耗散源函數等。

WAM、WAVEWATCH 和SWAN是今年來發展的第三代海浪預報模式。WAM 和WAVEWATCH 應用于大尺度海浪場，SWAN 應用于近海波浪場。目前WAVEWATCH-Ⅲ己被眾多研究機構用作業務化的全球和區域海浪預報模式，但是模式中物理過程的參數化方案沒有指定海浪受水深限制的條件，因此模式通常應用在大于1～10km 的空間尺度上。

1.2 國內外技術現狀及發展趨勢

我國海浪理論及預報研究始于新中國成立，文圣常[1]教授將海浪譜和能量平衡方法結合起來，導出隨風時和風區成長的風浪譜，簡稱“文氏風浪譜”。二十世紀八、九十年代，文圣常等對海浪頻譜進行了進一步的研究，提出了兩種形式的海浪譜，并在此基礎上發展了一個新型、混合型海浪模式（WENM 模式），風浪部分采用參量化方法、涌浪部分采用海浪譜離散化分量方法。在“十五”期間，分別利用WAM、SWAN、WENM 模式建立了西北太平洋和中國近海的海浪業務預報系統，在“十一五”期間，利用SWAN和WAVEWATCH Ⅲ模式建立了全球海浪業務預報系統。

根據海浪數值預報系統得出的海浪結果是風浪和涌浪并存，二者的內在作用機制和外部表現特征存在差異，要了解涌浪對港口系泊船舶影響需對涌浪進行必要的分離。眾多學者對海浪進行分離，郭佩芳[2]根據主特征參量對波浪的風涌浪進行劃分。

采用二維譜分割法對海浪進行分離，Komen[3]風浪能量傳遞關系可用如下公式表示：

式中U10是10m 風速，Cp是波速，是波向，是風向，β 為特征常數，可取1.3，在二維譜中，將滿足此公式的部分視作純風浪，這樣即可算出譜中風浪部分所占的能量。另有研究者指出，應有，以保證風向和風浪方向一致。

采用波浪譜能量分離(WaveSEP)方法對二維海浪譜進行分割，將海浪譜能量劃分為風浪能量和涌浪能量兩部分，WaveSEP 方法是二維譜方法的一種延伸，其具體過程可用如下方程表示：

式中W 表示的是局地波動相速c 小于Up部分的能量占總能量E的比例，Up為與波齡因子及風速相關的量，是波向，是風向，U10為10m 風速，Cmult為波齡因子，通常情況下可取1.7。當W=1 時，代表該時刻該區域的海浪為純風浪，當W=0 時代表該時刻該區域海浪為純涌浪，而代表混合浪。

2 模擬分析

本文針對某海域，基于第三代海浪數值模式WAVEWATCH-III，利用氣象模型WRF 計算結果提供氣象強迫場，驅動海面生成波浪，將海浪進行風、涌浪分離[4]，為港口合理化運營提供科學依據。

2.1 實測及模擬

某海域某點臺風期海浪實測波浪能量譜如圖2 所示，由圖可知，該海域海浪譜高頻及低頻共存，顯示出風浪及涌浪特性。

圖2 方向頻率譜

通過WaveSEP 方法對該海域風、涌浪進行分離，分離結果如圖3～5。

圖3 有效波高圖

圖4 風浪有效波高圖

圖5 涌浪有效波高圖

2.2 模擬效果

表1 為應用海浪數值模式的臺風期風、涌浪預報數據，實測和預報數據吻合度較高。預報和實測數據顯示，此段時間船舶無法進行靠離泊作業。

表1 波浪預報數據

3 結論

（1）通過本文數值模擬結果與該海域波浪觀測站實測數據相對比，該海浪預報模式能夠較準確地模擬海浪場有效波高、平均波周期，分離出的涌浪周期與實測的方向頻率譜也較為吻合。

（2）建立“網格化、多點式”的精細化海浪預報系統能夠為港口海浪進行預報預警，表明該數值模式能夠很好地指導港口船舶生產調度，具有較好的應用價值。