徐福敏 , 俞茂玲 , 苗 琪

印尼沿岸災(zāi)害性海浪模擬研究

徐福敏1, 2, 俞茂玲2, 苗 琪2

(1. 河海大學(xué) 海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點實驗室, 江蘇 南京 210098; 2. 河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院, 江蘇 南京 210098)

印尼沿岸易受氣旋生浪和咆哮西風(fēng)帶產(chǎn)生的涌浪的侵蝕, 但其海浪發(fā)展及傳播機(jī)理尚不明確, 給海岸工程建設(shè)和防護(hù)帶來極大困擾。本文基于第三代海浪模式WAVEWATCH Ⅲ, 采用CCMP交叉校正多平臺海洋表面V2.0風(fēng)場(Cross-Calibrated Multi-Platform Ocean Surface Wind Velocity)作為驅(qū)動風(fēng)場, 建立自整個印度洋至印尼沿岸的三級嵌套海浪模型, 模擬咆哮西風(fēng)帶及熱帶氣旋作用下印尼沿岸災(zāi)害性海浪, 并研究其海浪分布及傳播特性。結(jié)果表明: (1)咆哮西風(fēng)帶單獨作用下, 印尼沿岸盛行南向海浪, 有效波高等值線沿東北方向平行遞減, 海浪譜為多峰, 西南向涌浪占主導(dǎo)地位, 能量集中分布于60°—90°范圍, 呈現(xiàn)北傳特性; (2)咆哮西風(fēng)帶和熱帶氣旋聯(lián)合作用下, 氣旋路徑左側(cè)出現(xiàn)涌浪低值區(qū), 東南向風(fēng)浪主導(dǎo), 風(fēng)浪能量集中分布于110°—130°范圍, 路徑右側(cè)西北向風(fēng)浪和南向涌浪并存, 60°—90°附近涌浪波動能量占主導(dǎo), 風(fēng)浪能量集中在210°附近; 近岸淺水海域涌浪能量主導(dǎo), 開敞海域涌浪能量集中在60°—90°范圍, 有掩護(hù)海域涌浪能量峰值位于0°附近。

WAVEWATCH Ⅲ; 咆哮西風(fēng)帶; 熱帶氣旋; 涌浪; 海浪譜

印度尼西亞(以下簡稱印尼)位于亞洲東南部, 地跨赤道, 70%以上區(qū)域位于南半球, 是全球最大的群島國家, 自然資源十分豐富。印尼沿岸海域開敞, 西臨印度洋, 水深大且受南印度洋涌浪影響較大, 沿岸工程常受海浪侵蝕, 其中涌浪為主要因素[1]?，F(xiàn)階段, 國內(nèi)外針對印尼沿岸海浪特性的研究較為少見, 一些學(xué)者針對印尼某島嶼海岸工程需求開展小區(qū)域(如印尼爪哇島海域[1-2], Adipala海域[3-5])海浪特性研究, 但其海浪發(fā)展、傳播機(jī)理尚不明確, 給海岸工程建設(shè)和防護(hù)帶來極大困擾。該海域海浪數(shù)值模擬技術(shù)的系統(tǒng)性研究比較缺乏, 由于該海域海浪條件惡劣, 浮標(biāo)數(shù)據(jù)收集困難, 缺乏長期觀測資料, 災(zāi)害性海浪預(yù)報作業(yè)難以開展。此外, 印尼沿岸海域偶有熱帶氣旋產(chǎn)生, 往往掀起巨浪, 嚴(yán)重威脅印尼沿岸居民的生命財產(chǎn)安全, Habibie等[6]利用WAVEWATCHⅢ模式(下簡稱WWⅢ模式) 模擬分析颶風(fēng)作用下印尼海域海浪特性。利用數(shù)值模型進(jìn)行咆哮西風(fēng)帶和熱帶氣旋影響下印尼沿岸災(zāi)害性海浪模擬和機(jī)理研究, 對印尼沿岸地區(qū)安全、海浪預(yù)報作業(yè)開展和海岸工程及防災(zāi)減災(zāi)工程建設(shè)具有重要意義。

南印度洋咆哮西風(fēng)帶呈東西帶狀分布[7], 大風(fēng)頻率顯著高于印度洋其他海域[8-9], 常年盛行5~7級西風(fēng)[10-11], 產(chǎn)生4~5 m高的涌浪[12-14], 且南印度洋涌浪呈明顯的北傳現(xiàn)象[15-16], 影響北印度洋海浪分布與傳播[17]。南印度洋熱帶氣旋頻發(fā)且強(qiáng)度較大[18], 顯著影響南印度洋涌浪的傳播[19]。南印度洋海洋環(huán)境惡劣, 缺乏長期實測資料, 根據(jù)實測數(shù)據(jù)研究南印度洋至印尼沿岸海域災(zāi)害性海浪特性及傳播機(jī)理難以實現(xiàn)?，F(xiàn)階段, 采用海浪數(shù)值模型進(jìn)行海浪預(yù)報是一種行之有效的方法, 而目前針對南印度洋至印尼沿岸海浪數(shù)值模擬研究比較罕見。研究南印度洋至印尼沿岸海域海浪模擬技術(shù), 可有效彌補(bǔ)該海域海浪資料的空缺, 為海洋災(zāi)害預(yù)報提供參考依據(jù)。

考慮到第三代海浪模式中WWⅢ模型在控制方程、模型結(jié)構(gòu)、數(shù)值和物理參數(shù)處理方法及適用范圍等的優(yōu)越性, 本文建立WWⅢ多重嵌套模型, 研究模擬咆哮西風(fēng)帶和熱帶氣旋作用下南印度洋至印尼沿岸災(zāi)害性海浪的技術(shù), 并分析該海域海浪特性。

1 海浪模式

國際上公認(rèn)的第三代海浪模式為SWAN、WWⅢ和WAM, 其中WWⅢ模式常被用于大尺度海浪模擬, 因其綜合考慮了地形、風(fēng)場、海流、海洋-大氣溫差、波浪淺水變形等多種要素, 在風(fēng)浪預(yù)報和后報[20-21]及大浪的生成傳播[22]等領(lǐng)域獲得廣泛認(rèn)可。本文采用的WWⅢ海浪模式(V5.16)基于能量方程建立, 控制方程采用波數(shù)方向譜的隨機(jī)相位動譜密度平衡方程, 在應(yīng)用于大范圍海浪模擬時, 控制方程常采用球面坐標(biāo):

式中:為波作用密度譜;為時間;為緯度;為經(jīng)度;為波數(shù);為波向;為輸入的總源匯項;為相對圓頻率;g為波群速度; R為地球半徑;為流速在緯度方向分量;為流速在經(jīng)度方向分量。

2 模型設(shè)置及驗證

2.1 熱帶氣旋“Caleb”

根據(jù)聯(lián)合臺風(fēng)警報中心(JTWC)最佳路徑數(shù)據(jù)集發(fā)布的熱帶氣旋數(shù)據(jù)(http: //www.metoc.navy.mil/ jtwc.html)及澳大利亞極端天氣預(yù)報中心(http: // australiasevereweather.com/cyclones/2017/tropical_cyclone_ caleb.htm)提供的氣旋信息, 熱帶氣旋“Caleb”于2017年3月23日在Cocos島和Christmas島之間的開闊水域形成, 逐漸發(fā)展為一級熱帶氣旋, 沿東南偏南方向遠(yuǎn)離兩個島嶼, 風(fēng)速逐漸增大, 到24日18時風(fēng)速達(dá)到最大并以該風(fēng)速持續(xù)運(yùn)動24小時, 最大持續(xù)風(fēng)速為45 km/h, 中心氣壓為989 hPa。25日, “Caleb”轉(zhuǎn)為西向運(yùn)動。28日, 氣旋“Caleb”降級為熱帶低壓, 并于兩日后消散, 氣旋路徑圖見圖1。

圖1 熱帶氣旋“Caleb”路徑圖

2.2 模型設(shè)置

2.2.1 研究區(qū)域

為綜合考慮印度洋咆哮西風(fēng)帶、熱帶氣旋及季風(fēng)對印尼沿岸海浪分布特性的影響, 研究范圍需將整個咆嘯西風(fēng)帶至印尼沿岸均包含在內(nèi), 為提高計算效率, 自此建立自整個印度洋至南印度洋嵌套至印尼沿岸的WWⅢ三級嵌套模型。三個嵌套區(qū)域范圍分別為: 最外層D1(30°E—140°E, 60°S—30°N), 第二層D2(60°E—130°E, 30°S—10°N), 第三層D3(94°E—114°E, 15°S—5°N)空間分辨率逐層遞進(jìn), 分別為20′×20′、5′×5′和1′×1′。印度洋水深地形及三層嵌套范圍示意圖見圖2。

圖2 印度洋嵌套水深地形示意圖

注: a: 最外層(D1); b: 第二層(D2); c: 第三層(D3)。三角標(biāo)為浮標(biāo)

2.2.2 驅(qū)動風(fēng)場及水深

模型采用CCMP風(fēng)場作為驅(qū)動風(fēng)場(http: // data.remss.com/ccmp/v02.0/Y2017/)。該風(fēng)場空間覆蓋范圍為78.375°S—78.375°N和0.125°E—359.875°E, 時間分辨率和空間分辨率分別為0.25°×0.25°和6小時, 本文采用2017年3月1日至4月30日的CCMP風(fēng)場驅(qū)動WWⅢ模型進(jìn)行海浪模擬。水深采用ETOPO1地形數(shù)據(jù)(https: //maps.ngdc.noaa.gov/ viewers/wcs-client/)。

2.2.3 模型參數(shù)設(shè)置

模型在頻率和方向二維譜空間, 頻率分布為0.041 18~0.790 42 Hz, 頻率增量因子為1.1, 共32個頻段, 方向分辨率為10°。模型D1層采用開邊界, 忽略由外部進(jìn)入計算域的波浪, D2和D3層的邊界條件分別由上一層進(jìn)行輸出。計算時間為2017年3月1日至4月30日, 共61天。模型中: 非線性波波相互作用源項采用DIA方法, 底摩擦采用JONSWAP參數(shù)方案, 底摩擦及波浪破碎系數(shù)等參數(shù)取缺省值, 風(fēng)能輸入和耗散源項采用Ardhuin[23]方案(ST4方案), 該方案在耗散部分對摩阻風(fēng)速進(jìn)行修正, 同時降低了高風(fēng)速時的拖曳系數(shù)。

2.3 模型驗證

鑒于南印度洋至印尼沿岸, 尤其是印尼近岸處浮標(biāo)驗證資料較為匱乏, 故采用浮標(biāo)與衛(wèi)星結(jié)合的方式對模擬結(jié)果進(jìn)行驗證。

2.3.1 浮標(biāo)驗證

采用印度國家海洋信息服務(wù)中心(Earth System Science Organization-Indian National Centre for Ocean Information Service, ESSO-INCOIS)提供的浮標(biāo)數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行驗證, 浮標(biāo)信息見表1。

表1 印度洋浮標(biāo)信息表

自2017年3月20日0時起, 對比浮標(biāo)觀測有效波高與WWⅢ模擬有效波高值(圖3), 結(jié)合誤差表(表2)可以發(fā)現(xiàn): (1)WWⅢ模擬有效波高值與浮標(biāo)觀測有效波高值吻合較好, 相關(guān)系數(shù)均達(dá)到0.95以上, 且對氣旋過程中波高最大值描述較好。(2)BD11和BD14浮標(biāo)位于印度半島東部, 南向傳遞過來的海浪相對損耗較大, 整體模擬有效波高偏小, 偏差值為負(fù)數(shù), 且由于BD11浮標(biāo)南部有小島掩護(hù), 海浪傳播受阻, BD11浮標(biāo)處波高變化相對較小, 模擬得到的該處有效波高的均方根誤差和偏差絕對值均大于BD14浮標(biāo)處; (3)Seychelles浮標(biāo)位于馬達(dá)加斯加島北部淺水海域, 海浪模擬值擬合度較高, 相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.9771, 均方根誤差僅為0.120 6 m, 表明模型可以合理模擬近岸海浪。

圖3 浮標(biāo)觀測與WWⅢ模擬有效波高對比圖

注: a: BD11; b: BD14; c: Seychelles

2.3.2 衛(wèi)星驗證

由于南印度洋至印尼沿岸, 尤其是印尼近岸處實測海浪數(shù)據(jù)較少, 采用高精度高覆蓋率的Jason-3衛(wèi)星數(shù)據(jù)對WWⅢ模型模擬結(jié)果進(jìn)行補(bǔ)充驗證, 衛(wèi)星軌跡分布如圖4所示, 驗證結(jié)果如圖5所示, 表3為WWⅢ模擬有效波高與衛(wèi)星觀測有效波高誤差表。

表2 WWⅢ模擬有效波高與浮標(biāo)觀測有效波高誤差表

觀察圖5和表3可知: (1)WWⅢ模擬海浪有效波高值與Jason-3衛(wèi)星觀測值整體變化趨勢一致, 數(shù)據(jù)吻合度高, 能很好地模擬出大浪峰值, 166軌道模擬效果最佳, 均方根誤差為0.342 9 m, 相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.976 5; (2)WWⅢ模擬有效波高值普遍低于衛(wèi)星觀測有效波高值; (3)由于衛(wèi)星自身原因及靠近陸地區(qū)域時, 衛(wèi)星觀測波高存在異常值, 衛(wèi)星高度計測量出現(xiàn)較大偏差。

圖4 Jason-3衛(wèi)星軌跡分布圖

圖5 Jason-3衛(wèi)星觀測有效波高值與WWⅢ模擬有效波高觀測值對比圖

注: a: 001軌道; b: 014軌道; c: 051軌道; d: 090軌道; e: 153軌道; f: 166軌道

表 3 WWⅢ模擬有效波高與Jason-3測量有效波高誤差表

可以發(fā)現(xiàn), 浮標(biāo)及衛(wèi)星驗證結(jié)果均顯示: WWⅢ模型設(shè)置合理, 模擬結(jié)果與實測值驗證良好, 可以被用于模擬印度洋海域的海浪場, 并進(jìn)一步對海浪特性開展研究。

3 咆哮西風(fēng)帶影響下印尼沿岸海浪特性

本節(jié)中, 將采用WWⅢ模型的譜分割技術(shù)(WaveSEP)實現(xiàn)風(fēng)浪和涌浪成分的分離, 并據(jù)此繪制混合浪、風(fēng)浪和涌浪分布圖, 以研究印尼沿岸的海浪分布特征。此外, 還將選取不同控制點進(jìn)行二維海浪譜的輸出, 以研究咆哮西風(fēng)帶影響下印尼沿岸的海浪能量分布特性。

WWⅢ為實現(xiàn)以上劃分方法, 引入風(fēng)浪系數(shù), 進(jìn)行

3.1 海浪分布特性

為研究咆哮西風(fēng)帶單獨作用下的印尼沿岸海浪特性, 取印尼沿岸不受氣旋影響的代表時段2017年3月15日至21日(氣旋“Caleb”來臨前)進(jìn)行計算。無氣旋期間, 印度洋處于春季季風(fēng)轉(zhuǎn)換期, 海表定向風(fēng)速較小, 印尼沿岸(7°S以北)盛行西北風(fēng), 離岸(10°S以南)盛行東南風(fēng), 印尼沿岸海浪相對穩(wěn)定, 海浪分布相似, 波高等值線沿岸線向西南方向平行遞增, 分布較為均勻。圖6為無氣旋期間代表時刻印尼沿岸海表風(fēng)場、混合浪場、風(fēng)浪場、涌浪場, 圖中, 矢量箭頭分別表示風(fēng)速大小和海浪有效波高, 比例尺如圖所示,10表示海表10 m高度風(fēng)速, SWH表示海浪有效波高。

圖6 2017年3月19日0時印尼沿岸海表風(fēng)場、混合浪場、風(fēng)浪場及涌浪場

注: a: 風(fēng)場; b: 混合浪場; c: 風(fēng)浪場; d: 涌浪場

從圖6可看出印尼近岸海域盛行西南向海浪, 南向涌浪占主導(dǎo)地位, 7°S以北的沿岸海域存在較小的西北向風(fēng)浪, 10°S以南為涌浪波高大值區(qū), 出現(xiàn)大面積無風(fēng)浪區(qū)。

3.2 譜能量分布特性

對印尼沿岸海浪二維海浪譜能量分布特性開展研究有助于進(jìn)一步揭示咆哮西風(fēng)帶的影響。選取多個控制點(如圖7所示)繪制二維海浪能量密度譜, 各點的坐標(biāo)及水深見表4。

圖8至圖14分別為無氣旋期間各控制點處海浪能量密度譜, 圖中坐標(biāo)系采用笛卡爾坐標(biāo)系, 徑向表示頻率, 單位為Hz, 間隔0.1, 圓心箭頭指向表示風(fēng)向, 箭頭長短表示風(fēng)速大小, 色標(biāo)及等值線表示能量譜密度, 單位為m2/(°·Hz),s表示混合浪有效波高,10表示距海表10 m高度處風(fēng)速。

圖7 控制點位置示意圖

注: 圖中藍(lán)色線為氣旋“Caleb”的路徑, 紅色點為控制點

表4 控制點的位置及水深表

無氣旋期間, 各控制點能量分布變化較小, 涌浪能量及分布區(qū)域較為穩(wěn)定, 當(dāng)?shù)仫L(fēng)速較大時, 風(fēng)浪能量有所增強(qiáng)。圖8和圖9分別為近岸深水點P1和P2的二維海浪能量密度譜, P1和P2點海浪譜含有3—4個峰值, 能量波動主要來自于第一象限, 風(fēng)向多變, 最大能量峰值均處于80°附近, 60°—80°范圍內(nèi)包含多個涌浪成分, 涌浪能量占主導(dǎo)地位, 呈較為明顯的涌浪特性。P2點水深大于P1點, 同時刻下P2點海浪能量高于P1點, P2點風(fēng)速增強(qiáng)時風(fēng)浪能量有所增大。

圖8 P1點二維海浪能量密度譜

圖9 P2點二維海浪能量密度譜

圖10至圖11為無氣旋期間印尼沿岸淺水點P3、P4和P5點的二維海浪能量密度譜, 觀察這三點的海浪譜發(fā)現(xiàn)三點的海浪能量明顯低于深水點, 三點的能量分布也有一定的區(qū)別, 主要為: (1)P3、P4兩點海浪譜的能量分布較為類似, 能量波動主要來自于第一、二和四象限, 海浪譜包含3—7個峰值, 60°—110°范圍內(nèi)包含多個涌浪成分, 10°附近均存在一個較小的能量峰值, P4點相對明顯, 最大能量峰值位于80°—90°之間, 風(fēng)向與浪向夾角較大, 呈較為明顯的涌浪特性。(2)P5點位于有掩護(hù)淺水域, 同時期海浪譜能量低于P3和P4點, 能量譜為雙峰, 峰值方向一致, 能量密度等值線從坐標(biāo)系原點沿東(0°)呈輻射狀散開, 能量波動主要來自于第一、四象限, 該點風(fēng)速較小, 涌浪能量占主導(dǎo)地位, 涌浪能量集中區(qū)位于0°附近。

圖10 3月18日0時P3、P4、P5三點的二維海浪能量密度譜

圖11 3月19日0時P3、P4、P5三點的二維海浪能量密度譜

圖12和圖13為無氣旋期間A2和A3點二維海浪能量密度譜, A2和A3點分別位于氣旋路徑左右兩側(cè)max處, 觀察圖12和13, A2和A3點能量譜的能量分布十分相似, 包含1—2個峰值, 能量波動主要來自于坐標(biāo)系上半部分, 涌浪能量占主導(dǎo)地位, 涌浪能量集中分布在60°—90°范圍, 涌浪有效波高最大值為3.49m。

綜上所述, 咆哮西風(fēng)帶單獨作用下, 印尼沿岸盛行南向和西南向浪, 有效波高等值線向東北方向遞減, 南向涌浪表現(xiàn)突出, 風(fēng)浪較小, 其海浪譜分布特性按水深可分為兩種情況: (1)深水海域: 海浪能量譜為多峰, 且水深越大能量越高, 能量波動發(fā)生于坐標(biāo)系上半部分, 呈現(xiàn)向北傳遞的特性, 涌浪成分較為復(fù)雜, 60°—90°范圍內(nèi)涌浪能量占主導(dǎo)地位。(2)沿岸淺水海域: 由于受近岸地形及淺水因素的影響, 海浪成分較深水更為復(fù)雜, 能量譜包含多個峰值, 開敞海域在90°附近的涌浪能量占主導(dǎo)地位, 有掩護(hù)海域在0°附近涌浪能量占主導(dǎo)地位。

4 咆哮西風(fēng)帶和熱帶氣旋聯(lián)合作用下印尼沿岸海浪特性

4.1 海浪分布特性

為研究熱帶氣旋對印尼沿岸致災(zāi)海浪的影響, 選取典型氣旋“Caleb”作用期間(3月22日至28日)為研究時段, 研究咆哮西風(fēng)帶和熱帶氣旋聯(lián)合作用下印尼沿岸海浪特性?！癈aleb”作用期間, 印尼沿岸(10°S以北)盛行西北向風(fēng), 10°S以南盛行東南向風(fēng), 氣旋沿東南方向移動, 達(dá)到最大風(fēng)速后向西移動, 圖14為3月23日12時南印度洋海表風(fēng)場和混合浪場, 氣旋附近風(fēng)場順時針偏轉(zhuǎn), 路徑左側(cè)海浪方向不變, 仍為東南向浪, 右側(cè)海浪由東南方向順時針偏轉(zhuǎn)。

圖12 3月19日0時A2和A3點密度譜

圖13 3月20日0時A2和A3點密度譜

圖14 3月23日12時南印度洋海表風(fēng)場、混合浪場

注: a: 風(fēng)場; b: 混合浪場, 圖中比例尺分別為風(fēng)速和有效波高

圖15至圖17為氣旋“Caleb”作用期間印尼沿岸海表風(fēng)場、混合浪場、風(fēng)浪場及涌浪場圖, 觀察可知, 氣旋作用過程中, 氣旋附近局部海域海浪分布受到影響, 出現(xiàn)風(fēng)浪大值區(qū)和無涌浪區(qū), 遠(yuǎn)離氣旋中心的近岸海域仍盛行南向和西南向海浪, 南向涌浪突出, 具體表現(xiàn)為:

圖15 3月22日0時印尼沿岸海表風(fēng)場、混合浪場、風(fēng)浪場及涌浪場

注: a: 風(fēng)場; b: 混合浪場; c: 風(fēng)浪場; d: 涌浪場

圖16 3月23日0時印尼沿岸海表風(fēng)場、混合浪場、風(fēng)浪場及涌浪場

注: a: 風(fēng)場; b: 混合浪場; c: 風(fēng)浪場; d: 涌浪場

圖17 3月24日0時印尼沿岸海表風(fēng)場、混合浪場、風(fēng)浪場及涌浪場

注: a: 風(fēng)場; b: 混合浪場; c: 風(fēng)浪場; d: 涌浪場

22日, 氣旋“Caleb”處于熱帶低氣壓狀態(tài), 風(fēng)作用強(qiáng)度相對較小, 混合浪最大波高為3.23 m, 氣旋中心左側(cè)風(fēng)浪明顯高于右側(cè), 且左側(cè)為涌浪低值區(qū), 左側(cè)風(fēng)浪向北傳播, 形成涌浪大值區(qū), 南向涌浪均勻分布整個印尼沿海海域。

23日, 氣旋等級加強(qiáng), 向東南方向移動, 氣旋附近混合浪方向發(fā)生順時針偏轉(zhuǎn)。氣旋中心左側(cè)東南向混合浪波高有所增強(qiáng), 最大波高可達(dá)4.45 m, 盛行東南向風(fēng)浪, 最大風(fēng)浪波高約4.4 m, 出現(xiàn)較大范圍的涌浪低值區(qū), 涌浪低值區(qū)北部海域為涌浪高值區(qū), 最大涌浪波高為2.82 m; 氣旋中心右側(cè)盛行西北向風(fēng)浪和南向涌浪, 風(fēng)浪波高值較大, 受蘇門答臘島地形的影響, 南向涌浪傳播至近岸地區(qū)產(chǎn)生局部反向傳播的現(xiàn)象。

24日, 氣旋強(qiáng)度進(jìn)一步增大, 向東南方向移動, 最大持續(xù)風(fēng)速達(dá)23.15 m/s, 氣旋中心左側(cè)海域北部仍為涌浪高值區(qū), 氣旋中心右側(cè)盛行西北向風(fēng)浪, 且向南進(jìn)一步傳播產(chǎn)生西北向涌浪, 從而出現(xiàn)大范圍反向涌浪區(qū)域。

4.2 譜能量分布特性

圖18至圖21分別為氣旋“Caleb”作用期間氣旋路徑附近及印尼沿岸各控制點處的二維海浪能量密度譜, 圖中各參數(shù)同上文所述。

圖18為氣旋“Caleb”作用期間A1至A4點二維能量密度譜, A1和A4分別位于氣旋“Caleb”路徑左右兩側(cè)距氣旋中心5倍最大風(fēng)圈半徑處(5max), A2和A3分別位于氣旋“Caleb”路徑左右兩側(cè)距氣旋中心最大風(fēng)圈半徑處(max)。觀察四點的海浪譜發(fā)現(xiàn)氣旋作用期間四點海浪譜能量升高, 海浪譜為多峰, 涌浪成分較為復(fù)雜, 路徑左側(cè)風(fēng)速大, 風(fēng)浪能量占優(yōu), 路徑右側(cè)涌浪能量突出, 具體表現(xiàn)為:

(1) 氣旋靠近時(圖18a至d), A1和A2點能量譜為雙峰, 峰值頻率相近, 峰值方向相反, 能量波動主要來自于第二象限, 風(fēng)向與浪向相近, 波動能量幾乎全部由120°附近風(fēng)浪提供, 270°附近存在能量波動較小的涌浪成分。A3點海浪譜為雙峰, 峰值頻率相近, 方向相反, 能量相當(dāng), 270°附近涌浪能量最高, 145°附近風(fēng)浪能量次之。A4點海浪譜包含3個峰值, 100°和280°附近兩個峰值能量相近, 峰值頻率相近, 方向相反, 風(fēng)向與浪向夾角較大(>90°), 涌浪能量主導(dǎo)。

(2) 氣旋到達(dá)時(圖18e至h), A1和A2點海浪譜包含3個峰值, 風(fēng)向與浪向相近, 120°附近風(fēng)浪能量仍占主導(dǎo)地位, 270°附近涌浪能量削弱, 60°附近出現(xiàn)新的能量較小的涌浪成分, 譜峰頻率約為0.045 Hz。A3點海浪譜包含5個峰值, 風(fēng)向與浪向相近, 270°附近涌浪能量削弱, 120°附近風(fēng)浪能量占優(yōu), 60°附近及第三象限出現(xiàn)多個能量較小的涌浪成分。A4點風(fēng)向與浪向夾角較小, 海浪譜為雙峰, 100°附近風(fēng)浪與280°附近涌浪能量相當(dāng), 峰值頻率相近, 方向相反。

(3) 氣旋遠(yuǎn)離時(圖18i至l), A1和A2點風(fēng)浪能量峰值減小, 能量集中區(qū)順時針偏轉(zhuǎn), 第一象限海浪波動增強(qiáng), 60°附近涌浪能量升高, 涌浪能量占優(yōu)。A3和A4點風(fēng)向與浪向夾角較大(>90°), 涌浪能量主導(dǎo), 60°附近及100°附近能量較高, 第三象限存在多個能量較小的涌浪成分。

圖18 3月23至24日A1至A4點二維海浪能量密度譜

圖19至圖21為氣旋“Caleb”作用期間P3、P4和P5點的二維海浪能量密度譜, 觀察三點的能量譜, 并與無氣旋期間海浪譜(圖10和圖11)進(jìn)行對比, 得到各點能量譜分布特性。

由圖19可知, 氣旋靠近時, P3點海浪能量降低, 海浪譜包含2—4個峰值, 能量集中區(qū)順時針偏轉(zhuǎn), 0°—30°范圍風(fēng)浪能量顯著增強(qiáng), 100°附近涌浪能量仍占主導(dǎo)地位。氣旋遠(yuǎn)離時, 能量波動范圍由整個坐標(biāo)系逆時針縮減至坐標(biāo)系上半部分, 風(fēng)浪能量聚集區(qū)逆時針偏轉(zhuǎn), 且隨風(fēng)速減小逐漸降低, 60°—90°范圍涌浪波動成分增加, 各成分能量較無氣旋期間有所削減, 峰值方向相近, 峰值頻率相差較大。

圖19 P3點二維海浪能量密度譜

觀察圖20, 氣旋靠近時, P4點海浪譜為雙峰, 峰值方向相差約70°, 峰值頻率相近, 約0.08~0.13 Hz, 與無氣旋期相比, 能量集中區(qū)也發(fā)生順時針偏轉(zhuǎn), 0°附近海浪波動增強(qiáng), 風(fēng)浪能量高于涌浪成分, 最大風(fēng)浪有效波高達(dá)到1.63 m。氣旋遠(yuǎn)離時, P4點海浪譜峰值數(shù)量增加(含4個峰值), 小頻率海浪成分增加, 能量增大, 能量集中區(qū)逆時針偏轉(zhuǎn)(向60°—90°范圍偏轉(zhuǎn)), 0°附近波動能量逐步削減, 60°—90°涌浪能量占主導(dǎo)地位。

觀察圖21, 氣旋作用期間, P5點海浪譜能量分布變化很小, 海浪譜包含1—2個峰值, 風(fēng)速變化較小, 最大風(fēng)速為4.5 m/s, 海浪有效波高相對較小, 最大波高為0.87 m, 能量集中區(qū)仍為0°附近, 峰值頻率相近。氣旋靠近時, 第四象限能量波動增強(qiáng), 出現(xiàn)較小的風(fēng)浪波動能量, 氣旋離開時, 出現(xiàn)小頻率海浪成分, 風(fēng)浪能量占主導(dǎo)地位。

圖20 P4點二維海浪能量密度譜

圖21 P5點二維海浪能量密度譜

綜上所述, 咆哮西風(fēng)帶和熱帶氣旋聯(lián)合作用下, 按照與氣旋的相對位置有以下結(jié)論: (1)氣旋附近海域海浪顯著增強(qiáng), 浪向呈順時針旋渦狀, 路徑兩側(cè)形成兩個閉合有效波高等值線圈。氣旋靠近時, 路徑左側(cè)為涌浪低值區(qū), 東南向風(fēng)浪主導(dǎo), 風(fēng)浪能量集中分布于120°附近, 涌浪能量很低; 路徑右側(cè)西北向風(fēng)浪和南向涌浪并存,max處風(fēng)浪集中分布于120°附近, 290°附近存在較小的涌浪能量, 5max處風(fēng)浪能量集區(qū)偏轉(zhuǎn)至300°附近, 90°附近涌浪能量突出。氣旋遠(yuǎn)離時, 路徑左側(cè)風(fēng)浪逐漸削減, 涌浪主導(dǎo), 120°附近風(fēng)浪能量有所削減, 60°附近涌浪能量突出, 路徑右側(cè)西北向風(fēng)浪和南向涌浪并存, 隨風(fēng)速減小, 風(fēng)浪能量逐漸消散, 60°和100°附近涌浪能量突出。(2)遠(yuǎn)離氣旋的近岸淺水處仍盛行西南向浪, 有效波高有所增加, 有掩護(hù)海域0°附近涌浪能量始終占主導(dǎo)地位, 風(fēng)速較大時, 風(fēng)浪能量有所增強(qiáng); 氣旋靠近時, 開敞海域風(fēng)浪涌浪能量相當(dāng), 風(fēng)浪集中分布于0°附近, 涌浪能量分布于60°—90°附近, 氣旋遠(yuǎn)離時, 風(fēng)浪能量削弱, 60°—90°范圍內(nèi)涌浪成分增加, 能量增強(qiáng)。

5 結(jié)論

本文采用三級嵌套WWⅢ模型模擬熱帶氣旋和咆哮西風(fēng)帶作用下印尼沿岸災(zāi)害性海浪, 并分析其海浪組成及傳播特性, 主要結(jié)論如下:

(1) 無氣旋時, 印尼沿岸盛行南向和西南向海浪, 有效波高等值線沿東北方向平行遞減, 西南向涌浪占主導(dǎo)地位, 風(fēng)浪相對較小。對于印尼沿岸海域, 其深水區(qū)域海浪能量呈現(xiàn)向北傳遞的特性, 海浪能量譜為多峰, 能量波動發(fā)生于坐標(biāo)系上半部分, 60°—90°范圍內(nèi)涌浪能量突出。近岸淺水海域能量譜為多峰, 海浪成分較深水復(fù)雜, 能量波動范圍為整個坐標(biāo)系, 開敞海域在60°—90°范圍內(nèi)的涌浪能量占主導(dǎo)地位, 有掩護(hù)海域在0°附近涌浪能量占主導(dǎo)地位。

(2) 氣旋作用期間, 氣旋附近海浪呈順時針旋渦狀, 路徑兩側(cè)有效波高等值線呈閉合線圈外擴(kuò)減小, 路徑左側(cè)東南向風(fēng)浪顯著增強(qiáng), 為涌浪低值區(qū), 左側(cè)風(fēng)浪北傳形成涌浪高值區(qū), 路徑右側(cè)西北向風(fēng)浪和南向涌浪并存。對于氣旋附近深水海域: 路徑左側(cè)東南向風(fēng)浪能量先增強(qiáng)后減小, 峰值分布在110°—130°范圍, 60°附近涌浪能量先減小后增大并占主導(dǎo)地位, 路徑右側(cè)西北向風(fēng)浪和南向涌浪并存, 風(fēng)浪能量集中區(qū)順時針偏轉(zhuǎn)至300°附近并逐漸減小, 涌浪峰值逐漸向60°—90°轉(zhuǎn)移, 涌浪成分增加, 能量突出。對于近岸淺水海域: 海浪成分較為復(fù)雜, 能量較深水點低, 能量波動范圍較廣, 開敞海域在氣旋靠近時, 風(fēng)浪涌浪能量相當(dāng), 風(fēng)浪集中分布于0°附近, 涌浪能量分布于60°—90°附近, 氣旋遠(yuǎn)離時, 風(fēng)浪能量削弱, 60°—90°范圍內(nèi)涌浪成分增加, 能量增強(qiáng), 有掩護(hù)海域涌浪在0°附近始終保持較高的能量, 當(dāng)?shù)仫L(fēng)速較大時, 風(fēng)浪能量增強(qiáng)。

本文對印尼沿岸的風(fēng)涌浪傳播特性及海浪譜開展研究, 結(jié)果顯示現(xiàn)階段WWⅢ模型的譜分割技術(shù)應(yīng)用于氣旋強(qiáng)風(fēng)區(qū)內(nèi)時仍有一定的局限性, 今后對于風(fēng)浪和涌浪的分離機(jī)理仍需進(jìn)一步的深入研究。

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Simulation study of disastrous waves along Indonesia coasts

XU Fu-min1, 2, YU Mao-ling2, MIAO Qi2

(1. Key Laboratory of Coastal Disaster and Defense, Ministry of Education, Hohai University, Nanjing 210098, China; 2. College of Harbor, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China)

Indonesian coastal areas are vulnerable to cyclone disasters and the Roaring Forties swells. However, the insufficient understanding on the characteristics and propagation mechanisms of disastrous waves (especially swells), which endanger the construction and protection of coastal structures, remains a problem. Through the third-generation wave model WAVEWATCH Ⅲ, the present study established a multiple-nested wave model, using the Cross-Calibrated Multi-Platform Ocean Surface Wind Velocity (CCMP) wind as the forcing wind to simulate disastrous waves under the Roaring Forties and tropical cyclones along Indonesia coasts, where the distribution and propagation were studied. Results show the following: (1) When solely under the effect of the Roaring Forties, Indonesia coasts are prevailed by southern and southwestern waves and significant wave height decreases in parallel in the northeast direction. With wave spectrum being monomodal and southwestern swells dominating, spectrum energy accumulates within 60° to 90° and passes toward north. (2) While being simultaneously affected by the Roaring Forties and tropical cyclones, a low-value area of swells appears in the left side of the cyclone track, and the area is dominated by the southeastern wind sea, of which the energy accumulates around 110° and 130°. Northwestern wind sea and southern swells co-exist in the right side of the cyclone track with dominating swells. Wind sea energy accumulates around 210°, whereas swell energy accumulates within 60° and 90°. Waves in shallow water are mainly composed of swells with wave energy accumulating around 60° to 90°. In the sheltered area, the peak of the swell energy falls around 0°.

WAVEWATCH Ⅲ; the Roaring Forties; tropical cyclone; swell; wave spectrum

Jul. 5, 2019

[National Natural Science Foundation of China, No. 51920105013; Key Laboratory of Coastal Disaster and Defence of Ministry of Education, Hohai University, No.201910]

P731.33

A

1000-3096(2020)02-0022-14

10.11759/hykx20190705001

2019-07-05;

2019-09-03

國家自然科學(xué)基金項目(51920105013); 河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點實驗室開放基金項目(201910)

徐福敏(1967-), 女, 天津人, 教授, 博士, 主要從事海岸海洋水動力研究, E-mail：fmxu@hhu.edu.cn; 俞茂玲,通信作者, E-mail: ymlfighting@163.com

(本文編輯: 叢培秀)