如东海域某风电场设计风速和波浪研究

刘国，齐晓海，董军，柏延强，杨光耀，张庆河

（1.中广核研究院有限公司，广东 深圳 518034；2.天津大学水利仿真与安全国家重点实验室，天津 300072）

0 引言

近年来，可再生能源在我国越来越受到重视，海上风电行业发展迅速。但相当多的海上风电场建设海域缺乏长期风、浪观测资料，如何获得精度较高的不同重现期风速和波浪要素以合理设计风电支撑结构，成为风电场建设的重要环节。我国如东海域目前正在进行较大规模风电场建设，合理确定风电场位置处设计风速和设计波浪是十分重要的前期研究工作。

就风场而言，随着全球大气模拟和卫星测量技术的不断进步，目前已经形成了较高精度的全球风场数据，可以用于工程设计风速的推求，如QuikSCAT/NCEP、ECMWF-ERA-Interim、JRA-55、CCMP等。CCMP全称为Cross Calibrated Multi-Platform，以ERA再分析风场数据作为背景场，同化了来自交叉校准卫星的风场产品，以及来自经过质量控制的定浮标观测风矢量数据[1]。CCMP提供海平面以上10 m处风场，其空间分辨率为0.25毅伊0.25毅，时间间隔为6 h。众多学者对不同的风场数据进行了对比[2-4]，发现CCMP风场可以较好地体现东中国海的风场特征。孔丛颖等[5]用CCMP风场驱动WAVEWATCHIII模拟了中国近海波浪场，获得了较好的结果。综上，本文选用CCMP的风场再分析数据作为波浪模拟的驱动风场是最为合适的。

对于一般风过程的波浪模拟，CCMP的时间和空间分辨率已经足够，但对于时空变化都较快的热带风暴过程，CCMP时空分辨率仍有所偏低，影响波浪场模拟精度。因此，对于热带风暴过程采用WRF（The Weather Research and Forecasting Model）大气模式进行模拟，将模拟结果和CCMP进行组合（下文简称WRF-CCMP），可以合理提高风场时空分辨率。众多学者[6-9]均发现WRF模拟结果能较好地描述台风周围风场特征。因此，本文选取WRF模拟的热带风暴过程修正CCMP再分析资料以获得精度更高的风场。

在波浪模拟方面，SWAN模式由于在波浪的浅水变形方面考虑比较充分，因此在近海波浪过程模拟及设计波浪要素推算中得到了广泛应用。例如，Rogers等[10]、李绍武等[11]均发现SWAN模式能较好地模拟近海波浪运动。尹朝晖等[12]以WRF、SWAN模式计算的气象、海浪预报为基础选择外海施工作业窗口。为此，本文将采用WRF-CCMP组合风场，采用SWAN模式进行波浪推算，期望获得如东海域风电场不同重现期风速和设计波浪。

1 热带风暴的选取

JTS 145—2015《港口与航道水文规范》[13]规定，进行波高和周期的频率分析时，应取近期的连续资料，年数不宜少于20 a。因此根据中国台风网提供的中国历年热带风暴数据统计，本文选取1999—2018年经过工程海域的共计18场热带风暴（表1）以修正CCMP1999—2018年连续20 a的风场数据。

表1 1999—2018年影响如东海域的热带风暴汇总Table 1 Summary of tropical storms affecting Rudong sea area from 1999 to 2018

2 风场模拟结果

如东近海某风电场位于如东县东部近海海域内（32.37毅N，121.68毅E），海底高程-3.7耀-15.3 m（1985国家高程基准），离岸5~50 km。规划范围内海域开阔，海底地势较为平坦，无大的起伏，海底地质条件良好，相对稳定。工程海域位置如图1所示。

图1 WRF模型计算范围Fig.1 Calculation scope of WRF

2.1 计算范围的确定

WRF模型的水平方向为规则化网格，计算区域的大小和网格的精度是影响台风模拟结果的两个重要因素。本文采用两层网格嵌套模式，具体选取范围如图1所示，大模型的范围为19毅N—45毅N，107毅E—137毅E，网格精度为12 km伊12 km。嵌套模型范围为28毅N—39毅N，117毅E—130毅E，网格精度为4 km伊4 km。

2.2 计算参数的选取

WRF大气模式模拟不同的气象过程需要不同的参数化方案。根据研究海域的位置、地形特征以及所模拟的气象过程类型选取合适的参数化方案，是获得良好模拟结果的重要前提。本文在谭凤[6]研究的基础上，进行了多组参数的尝试，最终选定参数如表2所示。

表2 选用的WRF参数Table 2 Selected WRF parameters

2.3 模拟结果验证

由于模拟的热带风暴场次较多，现以201818号热带风暴“温比亚”为例进行结果验证。“温比亚”于8月16日12时进入本文研究区域，为强热带风暴。“温比亚”最大风速验证结果如图2所示，因本文涉及的不同热带风暴算例采用的是相同的计算参数，所以可以认为WRF对如东海域热带风暴过程的模拟是合理的。

图2 201818号台风最大风速验证（2018-08-16 T 00:00—08-17 T 06:00）Fig.2 Verification of the maximum wind speed of typhoon No.201818(2018-08-16T00:00—08-17T06:00)

2.4 设计风速计算

统计并综合分析CCMP和WRF风场数据，发现对于部分年份（1999、2002、2011、2014、2015），WRF-CCMP的风速年极值高于直接使用CCMP获得的风速年极值，而对于其他年份两者相等（如图3），这是因为部分年份本文研究区域未发生热带风暴，或热带风暴引起的最大风速小于寒潮大风，在年极值统计上无法体现，但对于热带风暴影响明显的年份，直接运用再分析资料获得的风速年极值偏小不利于工程安全。

图3 CCMP/WRF-CCMP年N向年极值风速对比Fig.3 Comparison of annual extreme wind speed in the N direction of CCMP and WRF-CCMP

综上所述，在进行风设计要素的推算时，采用WRF模拟热带风暴结果修正CCMP再分析数据更为合理。N向的设计风速推算结果曲线如图4所示。

图4 N向设计风速推算结果Fig.4 Prediction results of design wind speed in N direction

3 波浪场模拟结果

3.1 地形的划分

SWAN模型采用的坐标形式为经纬坐标，采用局部加密的非结构化网格和曲线开边界，大小范围模型嵌套，小模型地形水深、范围如图5所示。模型网格节点数为10 578，单元数为5 662，开边界网格空间最大步长为0.2毅，近岸网格最小为0.006毅。

图5 如东海域地形水深Fig.5 The water depth of Rudong sea area

3.2 模拟结果的验证

从台风过程的波浪场中提取测站（121.77毅E，32.36毅N）的有效波高的时间序列数据集进行验证，验证结果如图6所示，可得SWAN对波浪场的模拟是合理的。

图6 台风过程有效波高验证（2010-08-31 T14:00—2019-09-01 T23:00）Fig.6 Verification of the significant wave height in the typhoon process(2010-08-31 T 14:00—2019-09-01T23:00)

3.3 设计波浪计算

统计并分析CCMP和WRF驱动下的波浪场数据，以工程区域30 m等深线的东南方向波浪设计要素为例，CCMP/WRF-CCMP驱动SWAN获得的有效波高年极值对比如图7所示，发现对于1999年、2014年、2018年，WRF-CCMP驱动SWAN获得的有效波高年极值高于直接使用CCMP驱动SWAN获得的有效波高年极值，其余年份两者相等，说明热带风暴影响工程区域的概率较低，但热带风暴一旦发生，其影响不可忽略。工程区域30 m等深线处东北方向的波浪设计要素推算结果如图8所示。

图7 CCMP/WRF-CCMP年SE向年极值有效波高对比Fig.7 Comparison of annual extreme significant wave height in the SE direction of CCMP and WRF-CCMP

图8 NE向30 m等深线有效波高推算Fig.8 Prediction result of significant wave height of 30 m isobath in the NE direction

4 重现期风速与波浪结果

根据本文上述得到的风速和波浪极值分布曲线获得工程区附近常风向、强风向的设计风速和常浪向、强浪向的设计波浪要素列于表3和表4。这些结果可作为风电场建设的设计依据。

表3 工程区域最大风速推算结果Table 3 Prediction results of maximum wind speed in the project area m/s

表4 工程区域波浪要素推算结果Table 4 Prediction results of wave elements in the project area

5 结语

本文采用WRF大气模式模拟热带风暴的过程并联合CCMP风场数据集作为驱动风场，利用SWAN模型对如东风电场海域近20 a的波浪过程进行了模拟，获得了不同重现期风速和波浪要素。主要结论如下：

1）WRF模拟热带风暴结果和CCMP风场联合可以获得更为准确的风场，基本可以重现如东风电海域近20 a风场。

2）以本文获得的风场为驱动场，采用SWAN海浪模式对如东工程海域的波浪场进行模拟，能够较好地重现该海域的波浪场过程。

3）如东风电海域发生台风数量较少，近20 a影响如东工程区域的热带风暴共计18场，然而，热带风暴引起的风速和波浪在设计要素推算中起着重要作用。