沙埕港超強(qiáng)臺風(fēng) “桑美”災(zāi)害成因的數(shù)值模擬分析

欒曙光，李可，桑寶峰

(1.大連海洋大學(xué)海洋與土木工程學(xué)院，遼寧大連116023;2.南寧港開發(fā)投資有限公司，廣西南寧530028)

位于福建省福鼎市的沙埕港是中國東南沿海少有的天然避風(fēng)良港，港內(nèi)水域岸線呈不規(guī)則彎曲型，長達(dá)5 000余米，水面平均寬度約1.8 km，水深大部分為5～15 m，深槽貼近對岸，水深為15～35 m。沙埕港外有南鎮(zhèn)半島及南關(guān)島、北關(guān)島作為天然屏障，港內(nèi)兩岸高山對峙，直插水中，主要山峰有22座，最高峰為臺峰的崗頭頂，海拔353 m，四周掩護(hù)完整，港闊水深，風(fēng)平浪靜，水流平順，常年不淤，而且多為泥沙底質(zhì)，是附近漁船習(xí)慣停泊和避風(fēng)的主要場所。每年有眾多的外地船舶來港停泊避風(fēng)，有時多達(dá)3 000多艘，集中分布在1、2、3、4號錨泊區(qū)域內(nèi) (圖1)。50年來，沙埕港成功地抵御了一次又一次正面和側(cè)面登陸的熱帶氣旋。2006年8月10日17:25:00超強(qiáng)臺風(fēng)“桑美”在浙江省溫州市蒼南縣距沙埕港10 km的馬站鎮(zhèn)正面登陸，登陸時中心氣壓920 hPa，最大風(fēng)速為60 m/s，成為50年來登陸中國大陸強(qiáng)度等級最高的熱帶氣旋［1］。風(fēng)眼經(jīng)過了沙埕港，風(fēng)眼過后風(fēng)速超過60 m/s的“回南風(fēng)” (SSE向風(fēng))肆虐沙埕港長達(dá)3.5 h，具有毀滅性威力的17級風(fēng)風(fēng)圈半徑達(dá)45 km。港內(nèi)停泊的952艘避風(fēng)船只損毀沉沒，其中110.3 kW以上的漁船有63艘，造成148人死亡，168人失蹤的重大損失［2］。本研究中，作者以超強(qiáng)臺風(fēng)“桑美”正面登陸沙埕港的風(fēng)場數(shù)據(jù)為依據(jù)，應(yīng)用丹麥水力研究所研制開發(fā)的MIKE 21SW模塊模擬臺風(fēng)浪在近岸區(qū)域的成長、衰減及變形分布情況，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用MIKE 21BW模塊推算港內(nèi)1號錨泊區(qū)域波浪參數(shù)，并根據(jù)計算結(jié)果分析了沙埕港在“桑美”臺風(fēng)正面登陸時港內(nèi)波浪分布的特征及災(zāi)害成因。

1 MIKE 21SW模塊數(shù)值計算及結(jié)果分析

在笛卡爾坐標(biāo)系下，MIKE 21SW的控制方程，即波作用守恒方程可以表達(dá)為

其中:N(σ，θ)表示波作用密度譜，用來描述海浪，σ為相對波頻率，θ為波向;t為時間 (s);v指波群速度，v=(Cx，CyCσ，Cθ)，Cx、Cy分別表示波作用在地理空間 (x，y)中傳播時的變化，Cσ表示由于水深和水流變化造成的相對頻率的變化，Cθ表示由水深和水流引起的折射;S為能量平衡方程中以譜密度表示的源函數(shù)。

空間區(qū)域劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，將空間區(qū)域分解為互不重疊的三角形連續(xù)單元格 (圖2)。本模型分別在北向、東向、南向劃分3個開邊界，即N、E、S邊界，在開邊界處需要指定能量譜參數(shù)，并設(shè)為對稱邊界。水深數(shù)據(jù)由海圖矢量化獲得，計算水位采用設(shè)計高水位;風(fēng)場數(shù)據(jù)采用溫州臺風(fēng)網(wǎng)實測的氣象資料 (每2 h測一次)，包括臺風(fēng)中心的經(jīng)緯度坐標(biāo)、氣壓、最大風(fēng)速等。最大風(fēng)速半徑計算公式［3］為

圖1 沙埕漁港錨泊區(qū)域分布圖Fig.1 The chart of mooring areas in Shacheng fishing port

計算網(wǎng)格見圖2。在沙埕港口門外10～12 m等深線附近設(shè)置6個控制點，從SW模塊計算結(jié)果中提取其有效波高、最大波高、譜峰周期、波向等波浪要素，為下一步利用BW模塊進(jìn)行港內(nèi)波浪的推算提供計算依據(jù)。計算結(jié)果顯示，深海區(qū)域波浪方向與風(fēng)向基本一致，呈逆時針螺旋形。在臺風(fēng)風(fēng)眼附近的浪向與風(fēng)圈半徑成90°夾角;隨著與臺風(fēng)中心距離的增大，浪向與風(fēng)圈半徑夾角不斷減小，6級風(fēng)圈附近處浪向與風(fēng)圈半徑的夾角約為45°。對6個控制點波浪數(shù)據(jù)的觀測結(jié)果表明，19:00—2 3:00時“回南風(fēng)”肆虐，最大波高值接近或超過8 m，波向由 S向 (174°)逐漸轉(zhuǎn)至 SSE向(158°)，在21:00波浪參數(shù)達(dá)到極值，有效波高為5.29 m，最大波高為8.64 m，相應(yīng)的周期為7.89 s，波向為 SSE(160.4°)。計算結(jié)果驗證了漁民對現(xiàn)場臺風(fēng)的描述，即沙埕港經(jīng)歷了30 min的風(fēng)平浪靜之后，極具破壞力的“回南風(fēng)”又對該港肆虐了近3.5 h，使該漁港遭受重創(chuàng)［4］。

圖2 計算區(qū)域網(wǎng)格設(shè)置示意圖Fig.2 The Schematic diagram of calculation regional grid

2 MIKE 21BW模塊數(shù)值計算及結(jié)果分析

本研究中采用MIKE 21軟件系統(tǒng)中的BW模塊進(jìn)行港內(nèi)波況數(shù)值的模擬計算，該模型通過求解沿垂向積分的Boussinesq方程獲得沿水深平均的流速、水位變化以及波高等物理量。MIKE 21BW不同于一般的波浪數(shù)學(xué)模型，它是在指定時段和指定區(qū)域內(nèi)模擬波浪運動的物理過程，根據(jù)記錄下來的水面波動過程，統(tǒng)計波浪等特征值。從這個意義上講，用MIKE 21BW進(jìn)行數(shù)學(xué)模型試驗與通常采用的物理模型試驗方法及步驟完全相同，所以它對現(xiàn)場波況的描述更加真實可靠［5］。

2.1 BW模塊的基本原理

BW模型基本控制方程的連續(xù)方程為

X方向動量方程為

Y方向動量方程為

式中:x、y為水平坐標(biāo) (m);t為時間 (s);ξ為高出平均水位的水面高度 (m);p、q分別為x、y方向的流量密度;h為水深 (m);d為平均水深(m);c為謝才阻力系數(shù)，c=M·h1/6;M為曼寧系數(shù)，缺省值為32 m1/3/s;E為紊動“渦黏”系數(shù);g 為重力加速度［5］。

2.2 邊界條件

沿港區(qū)岸線設(shè)置閉合邊界，用來模擬波浪的反射、折射以及衍射。由于沙埕港內(nèi)岸線形式基本為直立式，可視為全反射，港內(nèi)岸線邊界反射系數(shù)取為1.0。沿口門設(shè)置吸收邊界，即消波層，與閉合邊界組成封閉模型。在模型內(nèi)部，緊靠消波層設(shè)置波浪生長線，用來模擬波浪的生成。與目標(biāo)傳播方向不一致的波浪，會被消波層吸收掉，消波層的寬度設(shè)置為1～2倍波長。

2.3 時空步長

計算最小周期波在較淺水域傳播時，易引起數(shù)值不穩(wěn)定的現(xiàn)象，依據(jù)MIKE 21軟件說明，網(wǎng)格大小需滿足，而最小波長Lmin由最小周期Tmin和最小水深dmin確定。時間步長的選取由所選擇的方程形式和模型決定，對于不含深水項的Boussinesq方程計算時間步長需滿足最短波周期的條件。為了避免數(shù)值的衰減及不穩(wěn)定性的因素，時間步長取值應(yīng)該更小。本研究中根據(jù)計算機(jī)的實際模擬情況，取Δx=10 m，Δt=0.1 s。

2.4 計算結(jié)果分析

文獻(xiàn) ［6］針對熱帶氣旋登陸情況下漁船安全避風(fēng)問題，進(jìn)行了物理模型和數(shù)學(xué)模型試驗，將有效波高Hs≤1.0 m作為判定漁船安全錨泊的臨界有效波高;《浙江省沿海標(biāo)準(zhǔn)漁港布局與建設(shè)規(guī)劃》(2007-2020)中明確提出漁船避風(fēng)的安全指標(biāo)為Hs≤1.0 m;《福建省漁港建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，在設(shè)計高水位時，港內(nèi)避風(fēng)水域安全錨泊標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇的有效波高Hs≤0.5 m。鑒于上述研究成果，并考慮到超強(qiáng)臺風(fēng)“桑美”登陸時，在沙埕港1號錨泊區(qū)避風(fēng)的漁船均為大型漁船，本研究中將臨界有效波高定為1.0 m，是比較科學(xué)合理的。

采用MIKE 21BW的計算結(jié)果見圖3。沙埕港由于有南鎮(zhèn)半島及南關(guān)島、北關(guān)島作為天然屏障，對SSE方向的入射波浪有一定的阻隔作用。計算結(jié)果顯示，位于口門附近的1號錨泊區(qū)域有三分之一水域面積有效波高超過1.0 m。當(dāng)?shù)貪O民憑借多年的避風(fēng)經(jīng)驗，小型漁船在第一時間回到港內(nèi)，選擇2、3、4號避風(fēng)條件比較好的錨泊區(qū)域避風(fēng)。4號錨泊區(qū)域又稱為八尺門錨泊區(qū)，水深較淺，一些漁船擱淺錨泊，周圍有山體作為避風(fēng)屏障，超強(qiáng)臺風(fēng)“桑美”正面登陸過后幾乎沒有人員傷亡及財產(chǎn)損失。而大型漁船回港時間比較晚，停泊在口門附近1號錨泊區(qū)域，在17級“回南風(fēng)”和傳入港內(nèi)波浪的共同作用下，1號錨泊區(qū)域停泊的船只先后走錨、斷纜，并相互碰撞，導(dǎo)致停泊在1號錨泊區(qū)域的952艘大型避風(fēng)漁船損毀沉沒，造成148人死亡，168人失蹤的重大損失。究其原因，一是沙埕港曾經(jīng)為數(shù)以萬計的船舶提供安全庇護(hù)，漁民有麻痹和僥幸心理，認(rèn)為在沙埕港避風(fēng)可以100%的安全，甚至遠(yuǎn)離沙埕港的漁船都爭先恐后的涌向沙埕港避風(fēng)，致使沙埕港港內(nèi)漁船擁擠不堪，滿負(fù)荷運轉(zhuǎn);二是“桑美”為超強(qiáng)臺風(fēng)，風(fēng)力等級達(dá)到了17級，又是正面登陸， “回南風(fēng)”的持續(xù)時間較長，波向和風(fēng)向與1號錨泊區(qū)域兩岸山體所形成的狹長水域走向基本一致，在港內(nèi)1號錨泊區(qū)域有三分之一水域面積產(chǎn)生的有效波高超過臨界有效波高;三是駕駛大型漁船的漁民認(rèn)為，漁船大且避風(fēng)能力較強(qiáng)，停泊在口門附近也不會出現(xiàn)問題，過高的估計了這座天然避風(fēng)良港的避風(fēng)能力和大型漁船的抗風(fēng)能力，最終在狂風(fēng)和波浪的共同作用下使得港內(nèi)船舶走錨，導(dǎo)致相互碰撞與沉沒。

圖3 臺風(fēng)“桑美”期間在SSE波向下沙埕港內(nèi)有效波高的分布圖Fig.3 The significant wave height distribution during Typhoon Saomai by SSE direction in Shacheng port

3 結(jié)論

1)沙埕港損失慘重的原因之一是超強(qiáng)臺風(fēng)“桑美”沿SSE方向正面登陸，“回南風(fēng)”持續(xù)時間長，波向和風(fēng)向與港區(qū)狹長的水域平行，1號錨泊區(qū)域有效波高超過臨界有效波高，導(dǎo)致港內(nèi)船舶走錨、相互碰撞、損毀沉沒。

2)當(dāng)強(qiáng)臺風(fēng)或超強(qiáng)臺風(fēng)正面登陸沙埕港時，且其風(fēng)向在SSE至EES范圍內(nèi)時，沙埕港1號錨泊區(qū)域不具備抵御超強(qiáng)臺風(fēng)正面登陸的能力。漁船應(yīng)選擇2、3、4號錨泊區(qū)域避風(fēng)，或選擇遠(yuǎn)離臺風(fēng)中心的漁港去避風(fēng)。

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