沙埕港超强台风“桑美”灾害成因的数值模拟分析

(1.大连海洋大学海洋与土木工程学院,辽宁大连116023;2.南宁港开发投资有限公司,广西南宁530028)

摘要：以超强台风“桑美”风场数据为依据,应用考虑波浪折射、底部损耗及波浪破碎等的波谱模型推算近岸海域台风浪场;再应用考虑波浪的浅水变形、绕射、折射、反射、海底摩擦以及波浪之间的非线性相互作用的Boussinesq方程推算港内波浪参数。在此基础上,分析了沙埕港在“桑美”台风正面登陆时港内波浪分布的特征及灾害成因。

位于福建省福鼎市的沙埕港是中国东南沿海少有的天然避风良港,港内水域岸线呈不规则弯曲型,长达5 000余米,水面平均宽度约1.8 km,水深大部分为5～15 m,深槽贴近对岸,水深为15～35 m。沙埕港外有南镇半岛及南关岛、北关岛作为天然屏障,港内两岸高山对峙,直插水中,主要山峰有22座,最高峰为台峰的岗头顶,海拔353 m,四周掩护完整,港阔水深,风平浪静,水流平顺,常年不淤,而且多为泥沙底质,是附近渔船习惯停泊和避风的主要场所。每年有众多的外地船舶来港停泊避风,有时多达3 000多艘,集中分布在1、2、3、4号锚泊区域内(图1)。50年来,沙埕港成功地抵御了一次又一次正面和侧面登陆的热带气旋。2006年8月10日17:25:00超强台风“桑美”在浙江省温州市苍南县距沙埕港10 km的马站镇正面登陆,登陆时中心气压920 hPa,最大风速为60 m/s,成为50年来登陆中国大陆强度等级最高的热带气旋[1]。风眼经过了沙埕港,风眼过后风速超过60 m/s的“回南风”(SSE向风)肆虐沙埕港长达3.5 h,具有毁灭性威力的17级风风圈半径达45 km。港内停泊的952艘避风船只损毁沉没,其中110.3 kW以上的渔船有63艘,造成148人死亡,168人失踪的重大损失[2]。本研究中,作者以超强台风“桑美”正面登陆沙埕港的风场数据为依据,应用丹麦水力研究所研制开发的MIKE 21SW模块模拟台风浪在近岸区域的成长、衰减及变形分布情况,在此基础上应用MIKE 21BW模块推算港内1号锚泊区域波浪参数,并根据计算结果分析了沙埕港在“桑美”台风正面登陆时港内波浪分布的特征及灾害成因。

1 MIKE 21SW模块数值计算及结果分析

在笛卡尔坐标系下,MIKE 21SW的控制方程,即波作用守恒方程可以表达为

其中:N(σ,θ)表示波作用密度谱,用来描述海浪,σ为相对波频率,θ为波向;t为时间(s);v指波群速度,v=(Cx,CyCσ,Cθ),Cx、Cy分别表示波作用在地理空间(x,y)中传播时的变化,Cσ表示由于水深和水流变化造成的相对频率的变化, Cθ表示由水深和水流引起的折射;S为能量平衡方程中以谱密度表示的源函数。

空间区域划分采用非结构化网格,将空间区域分解为互不重叠的三角形连续单元格(图2)。本模型分别在北向、东向、南向划分3个开边界,即N、E、S边界,在开边界处需要指定能量谱参数,并设为对称边界。水深数据由海图矢量化获得,计算水位采用设计高水位;风场数据采用温州台风网实测的气象资料(每2 h测一次),包括台风中心的经纬度坐标、气压、最大风速等。最大风速半径计算公式[3]为

图1 沙埕渔港锚泊区域分布图
Fig.1 The chart of mooring areas in Shacheng fishing port

计算网格见图2。在沙埕港口门外10～12 m等深线附近设置6个控制点,从SW模块计算结果中提取其有效波高、最大波高、谱峰周期、波向等波浪要素,为下一步利用BW模块进行港内波浪的推算提供计算依据。计算结果显示,深海区域波浪方向与风向基本一致,呈逆时针螺旋形。在台风风眼附近的浪向与风圈半径成90°夹角;随着与台风中心距离的增大,浪向与风圈半径夹角不断减小, 6级风圈附近处浪向与风圈半径的夹角约为45°。对6个控制点波浪数据的观测结果表明,19:00—23:00时“回南风”肆虐,最大波高值接近或超过8 m,波向由S向(174°)逐渐转至SSE向(158°),在21:00波浪参数达到极值,有效波高为5.29 m,最大波高为8.64 m,相应的周期为7.89 s,波向为SSE(160.4°)。计算结果验证了渔民对现场台风的描述,即沙埕港经历了30 min的风平浪静之后,极具破坏力的“回南风”又对该港肆虐了近3.5 h,使该渔港遭受重创[4]。

图2 计算区域网格设置示意图
Fig.2 The Schematic diagram of calculation regional grid

2 MIKE 21BW模块数值计算及结果分析

进行港内波况数值的模拟计算,该模型通过求解沿垂向积分的Boussinesq方程获得沿水深平均的流速、水位变化以及波高等物理量。MIKE 21BW不同于一般的波浪数学模型,它是在指定时段和指定区域内模拟波浪运动的物理过程,根据记录下来的水面波动过程,统计波浪等特征值。从这个意义上讲,用MIKE 21BW进行数学模型试验与通常采用的物理模型试验方法及步骤完全相同,所以它对现场波况的描述更加真实可靠[5]。

式中:x、y为水平坐标(m);t为时间(s);ξ为高出平均水位的水面高度(m);p、q分别为x、y方向的流量密度;h为水深(m);d为平均水深(m);c为谢才阻力系数,c=M·h1/6;M为曼宁系数,缺省值为32 m1/3/s;E为紊动“涡黏”系数; g为重力加速度[5]。

沿港区岸线设置闭合边界,用来模拟波浪的反射、折射以及衍射。由于沙埕港内岸线形式基本为直立式,可视为全反射,港内岸线边界反射系数取为1.0。沿口门设置吸收边界,即消波层,与闭合边界组成封闭模型。在模型内部,紧靠消波层设置波浪生长线,用来模拟波浪的生成。与目标传播方向不一致的波浪,会被消波层吸收掉,消波层的宽度设置为1～2倍波长。

计算最小周期波在较浅水域传播时,易引起数值不稳定的现象,依据MIKE 21软件说明,网格大小需满足

而最小波长Lmin由最小周期Tmin和最小水深dmin确定。时间步长的选取由所选择的方程形式和模型决定,对于不含深水项的Boussinesq方程计算时间步长需满足最短波周期的条件。为了避免数值的衰减及不稳定性的因素,时间步长取值应该更小。本研究中根据计算机的实际模拟情况,取Δx=10 m,Δt=0.1 s。

文献[6]针对热带气旋登陆情况下渔船安全避风问题,进行了物理模型和数学模型试验,将有效波高Hs≤1.0 m作为判定渔船安全锚泊的临界有效波高;《浙江省沿海标准渔港布局与建设规划》(2007-2020)中明确提出渔船避风的安全指标为Hs≤1.0 m;《福建省渔港建设标准》中规定,在设计高水位时,港内避风水域安全锚泊标准为50年一遇的有效波高Hs≤0.5 m。鉴于上述研究成果,并考虑到超强台风“桑美”登陆时,在沙埕港1号锚泊区避风的渔船均为大型渔船,本研究中将临界有效波高定为1.0 m,是比较科学合理的。

采用MIKE 21BW的计算结果见图3。沙埕港由于有南镇半岛及南关岛、北关岛作为天然屏障,对SSE方向的入射波浪有一定的阻隔作用。计算结果显示,位于口门附近的1号锚泊区域有三分之一水域面积有效波高超过1.0 m。当地渔民凭借多年的避风经验,小型渔船在第一时间回到港内,选择2、3、4号避风条件比较好的锚泊区域避风。4号锚泊区域又称为八尺门锚泊区,水深较浅,一些渔船搁浅锚泊,周围有山体作为避风屏障,超强台风“桑美”正面登陆过后几乎没有人员伤亡及财产损失。而大型渔船回港时间比较晚,停泊在口门附近1号锚泊区域,在17级“回南风”和传入港内波浪的共同作用下,1号锚泊区域停泊的船只先后走锚、断缆,并相互碰撞,导致停泊在1号锚泊区域的952艘大型避风渔船损毁沉没,造成148人死亡,168人失踪的重大损失。究其原因,一是沙埕港曾经为数以万计的船舶提供安全庇护,渔民有麻痹和侥幸心理,认为在沙埕港避风可以100%的安全,甚至远离沙埕港的渔船都争先恐后的涌向沙埕港避风,致使沙埕港港内渔船拥挤不堪,满负荷运转;二是“桑美”为超强台风,风力等级达到了

17级,又是正面登陆,“回南风”的持续时间较长,波向和风向与1号锚泊区域两岸山体所形成的狭长水域走向基本一致,在港内1号锚泊区域有三分之一水域面积产生的有效波高超过临界有效波高;三是驾驶大型渔船的渔民认为,渔船大且避风能力较强,停泊在口门附近也不会出现问题,过高的估计了这座天然避风良港的避风能力和大型渔船的抗风能力,最终在狂风和波浪的共同作用下使得港内船舶走锚,导致相互碰撞与沉没。

图3 台风“桑美”期间在SSE波向下沙埕港内有效波高的分布图
Fig.3 The significant wave height distribution during Typhoon Saomai by SSE direction in Shacheng port

3 结论

1)沙埕港损失惨重的原因之一是超强台风“桑美”沿SSE方向正面登陆,“回南风”持续时间长,波向和风向与港区狭长的水域平行,1号锚泊区域有效波高超过临界有效波高,导致港内船舶走锚、相互碰撞、损毁沉没。

2)当强台风或超强台风正面登陆沙埕港时,且其风向在SSE至EES范围内时,沙埕港1号锚泊区域不具备抵御超强台风正面登陆的能力。渔船应选择2、3、4号锚泊区域避风,或选择远离台风中心的渔港去避风。

[1] 苏增,张海强.8号台风“桑美”防御工作与反思[J].中国防汛抗旱,2006(4):14-17.

[2] 赵生才.登陆台风的科学问题及防灾减灾对策[J].科学新闻, 2006(13):41-42.

[3] NOAA.Meteorological criteria for standard project hurricane and probable maximum hurricane windfields,Gulf and East Coast of the United States[R]Washington:Technical Report NWS-23, 1979.

[4] 马玉芬.台风“桑美”登陆期间的资料同化对比研究[D].南京:南京信息工程大学,2008:31-33.

[5] 张娜,郭科.应用MIKE21 BW模型进行日照港波浪数值模拟研究[J].中国港湾建设,2007(1):32-34.

[6] 毛丹红.透空式防波堤整体防浪掩护效果综合研究——以福建省三沙中心渔港为例[D].南京:河海大学,2008:53-55.

[7] 陈雪峰,王桂萱.MIKE 21计算软件及其在长兴岛海域改造工程上的应用[J].大连大学学报,2007,28(6):93-98.

LUAN Shu-guang1,LI Ke2,SANG Bao-feng1
(1.College of Marine and Civil Engineering,Dalian Ocean University,Dalian 116023,China;2.Nanning Port Development&Investment Co.,Ltd.,Nanning 530028,China)

Abstract：The paper applies the wind-field data on Super Typhoon Saomai and spectral model to simulate the wave field of typhoon in offshore water.The wave refraction,bottom loss and wave breaking are taken into account in the model.The parameters of waves inside the Shacheng harbour are computed by the use of Boussinesq equation,in which the shallow-water deformation,diffraction,refraction,reflection,seabed friction of waves and nonlinear interaction between waves are taken into account.The distribution characteristics of waves in the Shacheng harbour and the causes of disaster are analyzed,when the Super Typhoon Saomai makes landfall in the harbor directly.