广东某海上风电场利用台风气象数据推算波浪要素的研究

荆亚涛，刘东海

1.广东交通职业技术学院土木学院，广东广州，510650；2.广东省能源集团有限公司，广东广州，510620

0 引言

海上风电是可再生能源发展的新领域，也是风电发展的重要方向，具备发展空间大、离负荷中心近等优势，有序推进海上风电发展意义重大。根据彭博新能源最新发布的2021年全球海上风电报告显示，2021年全球新增海上风电装机容量约13.4GW，最大的贡献来自中国，占比四分之三，约10.8GW。根据“十四五”可再生能源发展规划初步成果，预计到2025年底，我国海上风电累计装机30GW~40GW。海上风电大力发展的同时，也逐步显现出各个层面的风险和问题。我国风电企业现今也在不断提高企业管理的信息化水平，建立数据管理系统，从而对风电管理和运营的风险、安全、决策提供重要的依据。从风险管理角度来讲，台风是广东海域的海上风电所面临的最大自然灾害。不但影响运维管理，甚至影响结构本身安全[1-3]。

现阶段，《热带气旋年鉴》中的数据为气压、运动轨迹、最大风速、降雨量等气象数据。台风所引起的波浪要素只能通过测算，波浪观测站所记录数据仅能用于局部区域参考和后期验证作用。快速对台风波浪要素的推算，更适用工程使用，对台风下海上风电场运营风险及安全管理具有重要意义。

1 海洋波浪要素分析方法

海上风电场波浪主要有风浪、涌浪和台风浪三种。对于风浪和涌浪的波浪参数，可通过两个方法获得。第一种方法是，如果工程建设海域周边有海洋水文观测站，并已积累多年的波浪观测资料，则可通过频率统计分析方法进行统计，推断今后多年内可能出现的特征波浪。第二种方法是，如果工程建设海域周边没有海洋水文观测站，则可利用当地或邻近气象站风况资料来推算波浪。为便于工程使用，推算方法大都属于经验和半经验方法。

对于台风浪，由于台风本身是移动的，上述适用于常规风浪的推算方法已不适用。台风在移动过程中，风速、风向会不断变化，台风本身移动速度、移动路径具有不规则特点。台风现场险恶，实测资料难以获取，因此，台风浪的计算十分困难。现阶段，国内外常用的台风浪估算的半经验方法有：Bretschneider飓风浪法、宇野木早苗法和井岛武士法[4-5]。

近些年，随着计算技术的发展，数值计算方法在波浪要素推算中也多推荐使用，常见的模型有SWAN模型、ADCIRC模型等。模型在常规浪和台风浪分析中都有应用。现阶段，因波浪数值计算的各种模式还处于发展阶段，极端海洋环境参数评估方法期待解决，尚无公认的数值计算方法。另外，数值计算方法对工程广泛使用，尚难以进行普遍推广。因此，本文所采用的方法仍为目前各国较多使用的半经验公式[6-8]。

2 台风气象参数分析

2.1 台风特征及台风参数

广东沿海地区，大部分海上风电场位于北纬21~23°之间。根据多年的《热带气旋年鉴》统计，进入广东周边区域的台风，起源于太平洋的居多，多出现于7-10月，台风中心气压多在950~1000之间，台风移动速度10~50km/h，台风眼直径约为10~40km。台风计算中，有两个重要参数，分别为最大风速和最大风速半径[4-5]。其中：

最大风速半径R采用美国的格雷厄姆和纽恩提出的经验公式：

2.2 台风参数分析

珠海金湾海上风电场工程场址位于珠海市三灶岛南侧海域，维度范围：21°52′22.80″~21°56′31.20″，经度范围：113°22′58.80″~113°29′27.60″。规划场址海域面积约52km2，海底水深标高介于-11.9m~-21.9m（1985），属于近海风电场[9]。

根据CMA-STI 热带气旋路径数据集及中央气象台台风路径资料，1949~2017年间共有90个热带气旋中心经过研究区域。根据历年的《热带气旋年鉴》路径资料，均可利用公式2计算台风最大风速半径R。根据计算结果，台风移动过程中，会随着纬度、气压、移动速度的不同而变化。台风最大风速半径R会随着中心气压和台风移动速度增大而增大。对任意速度，气压变化引起的最大风速半径变化幅度基本完全相同。

3 台风波浪推算

3.1 海上风电场波浪参数

海上风电场包含升压站和风机两个构筑物，根据DNV及我国海上风电场的系列规范、水文规范、海洋建设的相关规范和规定，海上升压站对环境荷载设计重现期为100年，海上风机为50年。波浪高度和相应周期是波浪计算的基本参数。广东沿海海域属亚热带海洋性气候，从沿海各站波浪统计资料来看，年极值波浪多为台风浪，西南季风和东北季风造成的最大波高通常低于台风造成的台风浪。

3.2 台风气象参数推导波浪方法

通过气象参数推算台风浪的方法主要有三种：Bretschneider飓风浪法、宇野木早苗法、井岛武士法。三种方法所依据的实测资料有所不同，Bretschneider飓风浪法采用的是纬度较低、且海域开敞的实测资料，宇野木早苗法采用纬度较高、且台风已多转向、强度有所降低的实测资料，井岛武士法采用的是半封闭的日本海资料。因此，相对于我国广东沿海海域，前两种方法条件相似性更为接近。因此，本文仅对前两种方法进行验证，即Bretschneider飓风浪法和宇野木早苗法。

（1）Bretschneider飓风浪法（B氏法）

深水有效波高和有效波周期为：

（2）宇野木早苗法（宇野法）

3.3 数据分析

从公式（3）和公式（4）中可以看出，台风浪有效波高及周期与台风的移动速度、中心气压值等有比较密切的关系。图1给出采用两种方法分析时，台风移动速度和中心气压对台风浪有效波高和周期的影响关系。从整体上看，气压对台风浪有效波高的影响呈线性降低的趋势，B氏法比宇野法降低斜率偏小。台风移动速度较小时，气压越低，宇野法结果大于B氏法。移动速度较大时，气压越高，B氏法所算结果大于宇野法。两种方法计算结果相近的范围有两处：（1）台风移动速度30km/h时，气压变化955~975kPa；（2）台风移动速度20km/h时， 气压变化970~985kPa。

图2和图3给出采用两种方法估算5个台风在途经珠海金湾海上风场附近海域时，台风浪波高（H1%）和相应周期的对比图。本工程设计施工中，所采用100年重现期波浪波高（H1%）为：13.67m~18m，周期为14.5~16.4s。从图中可以看出，两种半经验方法所计算的数据，均有所对应。宇野法计算结果与工程项目中所采用的数值更为接近。

4 结语

通过Bretschneider飓风浪法和宇野木早苗法对实际工程中台风浪要素的分析，及与实际工程数据对比，说明在广东周边海域，采用文中的两种半经验方法进行台风浪要素的估算均具有一定的可行性。结合两种方法的边界条件和计算结果数据，宇野木早苗方法计算结果与实际工程中的数值更为接近，其适用性更好。相比海洋站数据统计分析和数值模拟分析，半经验法更能快速地给工程提供较为可靠的参考数据。