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印尼沿岸灾害性海浪模拟研究.docx
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印尼沿岸灾害性海浪模拟研究.docx
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印度尼西亚(以下简称印尼)位于亚洲东南部, 地跨赤道, 70%以上区域位于南半球, 是全球最大的群
岛国家, 自然资源十分丰富。印尼沿岸海域开敞, 西临印度洋, 水深大且受南印度洋涌浪影响较大, 沿岸工
程常受海浪侵蚀, 其中涌浪为主要因素
[1]
。现阶段, 国内外针对印尼沿岸海浪特性的研究较为少见, 一些学
者针对印尼某岛屿海岸工程需求开展小区域(如印尼爪哇岛海域
[1-2]
, Adipala 海域
[3-5]
)海浪特性研究, 但其
海浪发展、传播机理尚不明确, 给海岸工程建设和防护带来极大困扰。该海域海浪数值模拟技术的系统性
研究比较缺乏, 由于该海域海浪条件恶劣, 浮标数据收集困难, 缺乏长期观测资料, 灾害性海浪预报作业难
以开展。此外, 印尼沿岸海域偶有热带气旋产生, 往往掀起巨浪, 严重威胁印尼沿岸居民的生命财产安全,
Habibie 等
[6]
利用 WAVEWATCHⅢ模式(下简称 WWⅢ模式)模拟分析飓风作用下印尼海域海浪特性。利用
数值模型进行咆哮西风带和热带气旋影响下印尼沿岸灾害性海浪模拟和机理研究, 对印尼沿岸地区安全、
海浪预报作业开展和海岸工程及防灾减灾工程建设具有重要意义。
南印度洋咆哮西风带呈东西带状分布
[7]
, 大风频率显著高于印度洋其他海域
[8-9]
, 常年盛行 5~7 级西
风
[10-11]
, 产生 4~5 m 高的涌浪
[12-14]
, 且南印度洋涌浪呈明显的北传现象
[15-16]
, 影响北印度洋海浪分布与传
播
[17]
。南印度洋热带气旋频发且强度较大
[18]
, 显著影响南印度洋涌浪的传播
[19]
。南印度洋海洋环境恶劣,
缺乏长期实测资料, 根据实测数据研究南印度洋至印尼沿岸海域灾害性海浪特性及传播机理难以实现。现
阶段, 采用海浪数值模型进行海浪预报是一种行之有效的方法, 而目前针对南印度洋至印尼沿岸海浪数值
模拟研究比较罕见。研究南印度洋至印尼沿岸海域海浪模拟技术, 可有效弥补该海域海浪资料的空缺, 为
海洋灾害预报提供参考依据。
考虑到第三代海浪模式中 WWⅢ模型在控制方程、模型结构、数值和物理参数处理方法及适用范围
等的优越性, 本文建立 WWⅢ多重嵌套模型, 研究模拟咆哮西风带和热带气旋作用下南印度洋至印尼沿岸
灾害性海浪的技术, 并分析该海域海浪特性。
1 海浪模式
国际上公认的第三代海浪模式为 SWAN、WWⅢ和 WAM, 其中 WWⅢ模式常被用于大尺度海浪模
拟, 因其综合考虑了地形、风场、海流、海洋-大气温差、波浪浅水变形等多种要素, 在风浪预报和后报
[20-
21]
及大浪的生成传播
[22]
等领域获得广泛认可。本文采用的 WWⅢ海浪模式(V5.16)基于能量方程建立, 控
制方程采用波数方向谱的随机相位动谱密度平衡方程, 在应用于大范围海浪模拟时, 控制方程常采用球面
坐标:
∂N∂t+1cosϕ∂∂ϕϕ˙Ncosθ+∂∂λλ˙N+∂∂kk˙N+∂∂θθ˙gN=Sσ,∂N∂t+1cosϕ∂∂ϕϕ˙Ncosθ+∂∂λλ˙N+∂∂kk˙N+∂∂θθ˙gN=Sσ,
(1)
ϕ˙=(cgcosθ+Uϕ)/R,ϕ˙=(cgcosθ+Uϕ)/R,
(2)
λ˙=(cgsinθ+Uλ)/Rcosϕ,λ˙=(cgsinθ+Uλ)/Rcosϕ,
(3)
θ˙g=θ˙−(cgtanϕcosθ)/R,θ˙g=θ˙−(cgtanϕcosθ)/R,
(4)
式中: N 为波作用密度谱; t 为时间; ϕ 为纬度; λ 为经度; k 为波数; θ 为波向; S 为输入的总源汇项; σ
为相对圆频率; c
g
为波群速度; R 为地球半径; U
ϕ
为流速在纬度方向分量; U
λ
为流速在经度方向分量。
2 模型设置及验证 2.1 热带气旋“Caleb”
根据联合台风警报中心(JTWC)最佳路径数据集发布的热带气旋数据
(http://www.metoc.navy.mil/jtwc.html)及澳大利亚极端天气预报中心
(http://australiasevereweather.com/cyclones/2017/tropical_cyclone_caleb.htm)提供的气旋信息, 热带气
旋“Caleb”于 2017 年 3 月 23 日在 Cocos 岛和 Christmas 岛之间的开阔水域形成, 逐渐发展为一级热带气
旋, 沿东南偏南方向远离两个岛屿, 风速逐渐增大, 到 24 日 18 时风速达到最大并以该风速持续运动 24
小时, 最大持续风速为 45 km/h, 中心气压为 989 hPa。25 日, “Caleb”转为西向运动。28 日, 气旋“Caleb”
降级为热带低压, 并于两日后消散, 气旋路径图见图 1。
图 1 热带气旋“Caleb”路径图 Fig. 1 Track map of tropical cyclone "Caleb"
图选项
2.2 模型设置 2.2.1 研究区域
为综合考虑印度洋咆哮西风带、热带气旋及季风对印尼沿岸海浪分布特性的影响, 研究范围需将整
个咆啸西风带至印尼沿岸均包含在内, 为提高计算效率, 自此建立自整个印度洋至南印度洋嵌套至印尼沿
岸的 WWⅢ三级嵌套模型。三个嵌套区域范围分别为:最外层 D1(30°E—140°E, 60°S—30°N), 第二层
D2(60°E—130°E, 30°S—10°N), 第三层 D3(94°E—114°E, 15°S—5°N)空间分辨率逐层递进, 分别为
20′×20′、5′×5′和 1′×1′。印度洋水深地形及三层嵌套范围示意图见图 2。
图 2 印度洋嵌套水深地形示意图 Fig. 2 Nested water depth schematic diagram in the Indian Ocean (triangle mark
as a buoy)注: a:最外层(D1); b:第二层(D2); c:第三层(D3)。三角标为浮标
图选项
2.2.2 驱动风场及水深
模型采用 CCMP 风场作为驱动风场(http://data.remss.com/ccmp/v02.0/Y2017/)。该风场空间覆盖
范围为 78.375°S—78.375°N 和 0.125°E—359.875°E, 时间分辨率和空间分辨率分别为 0.25°×0.25°和 6
小时, 本文采用 2017 年 3 月 1 日至 4 月 30 日的 CCMP 风场驱动 WWⅢ模型进行海浪模拟。水深采用
ETOPO1 地形数据(https://maps.ngdc.noaa.gov/viewers/wcs-client/)。
2.2.3 模型参数设置
模型在频率和方向二维谱空间, 频率分布为 0.041 18~0.790 42 Hz, 频率增量因子为 1.1, 共 32 个
频段, 方向分辨率为 10°。模型 D1 层采用开边界, 忽略由外部进入计算域的波浪, D2 和 D3 层的边界条件
分别由上一层进行输出。计算时间为 2017 年 3 月 1 日至 4 月 30 日, 共 61 天。模型中:非线性波波相互
作用源项采用 DIA 方法, 底摩擦采用 JONSWAP 参数方案, 底摩擦及波浪破碎系数等参数取缺省值, 风能
输入和耗散源项采用 Ardhuin
[23]
方案(ST4 方案), 该方案在耗散部分对摩阻风速进行修正, 同时降低了高风
速时的拖曳系数。
2.3 模型验证
鉴于南印度洋至印尼沿岸, 尤其是印尼近岸处浮标验证资料较为匮乏, 故采用浮标与卫星结合的方
式对模拟结果进行验证。
2.3.1 浮标验证
采用印度国家海洋信息服务中心(Earth System Science Organization-Indian National Centre for
Ocean Information Service, ESSO-INCOIS)提供的浮标数据对模型进行验证, 浮标信息见表 1。
表 1 印度洋浮标信息表 Tab. 1 Buoy information in the Indian Ocean
浮标名称
经度/°E
纬度/°N
水深/m
BD11
82.903
14.203
3 291.9
BD14
85.868
6.188
3 875.1
Seychelles
55.872
–4.645
43.1
表选项
自 2017 年 3 月 20 日 0 时起, 对比浮标观测有效波高与 WWⅢ模拟有效波高值(图 3), 结合误差表
(表 2)可以发现: (1)WWⅢ模拟有效波高值与浮标观测有效波高值吻合较好, 相关系数均达到 0.95 以上,
且对气旋过程中波高最大值描述较好。(2)BD11 和 BD14 浮标位于印度半岛东部, 南向传递过来的海浪相
对损耗较大, 整体模拟有效波高偏小, 偏差值为负数, 且由于 BD11 浮标南部有小岛掩护, 海浪传播受阻,
BD11 浮标处波高变化相对较小, 模拟得到的该处有效波高的均方根误差和偏差绝对值均大于 BD14 浮标
处; (3)Seychelles 浮标位于马达加斯加岛北部浅水海域, 海浪模拟值拟合度较高, 相关系数达到 0.9771,
均方根误差仅为 0.120 6 m, 表明模型可以合理模拟近岸海浪。
图 3 浮标观测与 WWⅢ模拟有效波高对比图 Fig. 3 Comparison of WWⅢ stimulated significant wave height with
buoy measurements 注: a: BD11; b: BD14; c: Seychelles
图选项
表 2 WWⅢ模拟有效波高与浮标观测有效波高误差表 Tab. 2 Error statistics for the WWⅢ stimulated
signi ficant wave height with buoy measurements
浮标名
BD11
BD14
Seychelles
均方根误差/m
0.199 9
0.159 1
0.120 6
相关系数
0.952 3
0.979 6
0.977 1
偏差/m
–0.043 8
–0.037 1
0.015 5
表选项
2.3.2 卫星验证
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