书城科普读物碧海狂啸:可怕的海洋灾害
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第6章 海浪预

形式并不存在。第一代海浪模式还有其他一些基本的定量性的缺陷,例如过高地估计了风的能量输入,低估了非线性传输的强度,它们几乎都差了一个数量级。

在20世纪70年代,广泛的波浪成长试验以及风输入给波浪能量的直接观测,导致了第二代海浪模式的发展,它从根本上改变了作为第一代预报模式基础的谱能量平衡观点,但由于受计算机条件的限制,第二代海浪模式采用简化的参数化形式的非线性传输,其应用受到一定限制,在使用时需要给定高出峰值频率的那部分高频风浪谱的谱形。

虽然从理论上可证实对于一般天气尺度的风场将波谱调整为准通用谱形这一做法是可行的,但是第二代海浪模式不能很好地模拟快速变化风场中产生的风浪,例如:飓风、小尺度强气旋或锋面,这些模式在处理风浪与涌浪传输时也遇到了一些基本的难题。

海浪的数值模拟发展到20世纪末已达到比较成熟的阶段。西欧一些国家自1985年起着手开始了第三代波浪数值预报的研究计划,成立了一个WAM小组。他们的目的是更全面地考虑能量平衡方程中的各个项,以包括更多的物理过程,开发一个全球的波浪数值预报模式。

第三代海浪模式的另一优点是能够处理风速、风向的骤然变化,而较早的模式无此能力。现在WAM已被国际上广泛使用,许多国家将其作为业务化的运行模式发布区域或全球的海浪预报,但在近岸浅水区,由荷兰科学家开发的SWAN模式具有较好的海浪模拟精度。美国NOAA/NCEP(国家海洋大气管理的环境预报中心)环境模拟中心海洋模拟小组于1996年在Delft技术大学和美国航空航天局Goddard空间飞行中心分别开发的WAVEWATCH和WAVEWATCH Ⅱ的基础上,开发了一个全谱空间的第三代海浪数值模式WAVEWATCHⅢ,该模型主要用于大尺度空间波浪传播过程,在传播过程中考虑了地形和海流空间变化导致的波浪折射作用、浅水变形作用和线性的波浪传播运动等。2000年年初,WAVEWATCH Ⅲ正式成为NECP的全球业务化预报模式。

现今的海浪数值模拟是在严格的海浪理论基础上建立起来的,海浪的物理机制,如风浪生成机制、小尺度海气相互作用、波浪破碎、底摩擦、波——渡相互作用、波——

流相互作用等的研究成果比较成熟,人们基本了解海浪的成长与消衰过程,海浪的数值模拟完全达到了业务化的要求。

经过20多年的努力,我国已建立了由国家海洋环境预报中心,以及广州、上海、青岛三个分局海洋预报区台和海南(海口)、广西(北海)、福建(厦门)、辽宁(大连)四个省海洋预报台组成的我国海浪预报网。预报已由近海扩大到太平洋、印度洋、大西洋和南极大陆近海。

1982年9月27日,按照政府间海洋学委员会(IOC)和世界气象组织(WMO)的规定,由国家海洋环境预报中心每天通过无线传真,同时以3个频率向世界发布西北太平洋海浪实况图和西北太平洋海浪预报图。

并于1986年7月1日起,每天通过中央电视台和中央人民广播电台播放中国海和西北太平洋24小时海浪预报。同时还通过电传、电报、电话、有线传真向国内外用户提供上述海区和世界其他大洋的专项预报服务,服务领域包括海洋运输、海洋科学考察、海洋石油开发、海洋渔业、海上军事活动等进行的海上施工、重要拖航、海上救助、海上体育比赛、海上旅游等。近年来,每当灾害性海浪袭击我国大陆近海时,及时地向国家防汛指挥部、沿海省(区、市)政府及其防汛指挥部门、中国石油总公司、海军以及沿海渔业部门发布灾害性海浪警报,由此大大地减轻了海浪造成的危害。经过多年预报结果统计,目前灾害性海浪的24小时、48小时和72小时预报准确率分别为88.8%、86.5%和82.1%。

在2006年10月国家海洋局发布的《风暴潮、海浪、海啸和海冰灾害应急预案》中,把海浪预警级别分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四级警报,分别代表特别严重、严重、较重,一般。颜色依次为红色、橙色、黄海洋石油开发色和蓝色。

《预案》中规定了各级预警报发布的流程和授权范围等,例如,国家海洋环境预报中心根据国家海洋环境监测预报系统提供的预警信息,预计将达到海浪工(红色)警报时,由国家海洋环境预报中心主任或其授权人签发,在1小时之内以传真形式和其他通讯方式报送国务院值班室、国家防汛抗旱总指挥部、中国国际减灾委员会、国家海洋局、总参谋部等有关部门和受海浪影响的沿海省(自治区、直辖市)、计划单列市人民政府以及海区、沿海省(区、市)、计划单列市海洋预报(中心)台等。海浪Ⅰ级紧急警报(红色)

应通过中央电视台和中央人民广播电台播放,国家海洋环境预报中心应在2小时内送达中央电视台和中央人民广播电台,负责与其协商,在就近整点新闻或新闻联播中播放,跟踪播放情况,并将播放情况报告国家海洋局海洋环境保护司。海浪Ⅰ级紧急警报还应向国家海洋局海监总队,中国海事局、中国海上救助打捞局、农业部渔政局、海上石油生产部门、航海部门发布。

目前沿海省市各级政府,以及海洋运输、海洋石油、海洋渔业、沿海军事等部门一般都制定了防御灾害性海浪的应急预案,预案规定防范海浪灾害的组织指挥体系及相关单位的职责、应急响应、保障措施和善后工作等。目的是全面提升防御海浪灾害的能力,最大限度地减轻海浪灾害带来的损失,保障人民群众生命财产安全和社会经济的持续稳定发展。

港口卫士——防波。

海浪对海岸有巨大的冲击力,每平方米可达50多吨。这样大的力量,足以摧毁堤岸、码头和其他岸上建筑设施。人们在长期实践中,学会了在沿岸码头前,建造专门防止海浪冲击的防波堤,以减轻它的破坏力。

要抵挡住海浪,防波堤必须坚固。早期的防波堤,只是把大小不等的石块,在垂直于海浪的来向上,码放成一条松散的石堤。有的在石块之间,也没有很好的黏结,这种中国海事局巡视船防波堤只能挡住一些小的海浪,遇到一些大的海浪,就会顷刻瓦解。

后来,人们对这种松散石堤作了改造,在堤外又堆放了些形状不规则的异型块体,取得较明显的效果。

这些异型块体的形状不同,对消除海浪的作用也不一样。目前,研究这类异型块体的消波功能,已成为专门的学问。此外,人们还用水泥与石块把堤身砌成斜坡,以增强其抗浪的强度;但因工程量很大,又改用直墙堤。最初的直墙堤,用预先制好的水泥块,每块约有几吨重,用浮吊垒建起来。限于浮吊的起重能力,预制水泥块不能过大,又影响了筑堤的速度和质量。

众所周知,在海上施工很受限制。比如,要选择大潮期间的最低潮位时,以便尽量减少潮汐对施工的影响;同时,最好在风平浪静的日子,免得风浪捣乱,并且要求施工进度快,以避开坏的天气和海况。

由此,人们又发明了沉箱式防波堤。

沉箱是由钢板焊接的空壳,像一个个的火车车箱一样。预先在船坞内做好沉箱,在坞内放水浮起沉箱,再用拖船把它运往施工现场,按预定位置放好,向箱内灌水或放入石块,使箱体落到海底。这样,一节节沉箱就构成了一道直墙式的防波堤。目前,这种沉箱越做越大,大的沉箱每个重几千吨,长宽高都有几十米,好像一条空壳的船体一般。

这种防波堤两侧平直,建成后可以兼作码头,大大提高了利用率。随着新技术和新材料的出现,使防波正在作业的浮吊堤的结构与形式不断改进,在直墙式防波堤的基础上,又相继出现了多孔透空式防波堤、浮式防波堤、空气防波堤等。

在众多的防波堤中,最令人耳目一新的是空气防波堤。它的消浪原理很简单,主要是利用压缩空气,在海水中形成一道几米厚的“气泡墙”,这是由于在管道内通过压缩空气,使无数个大小气泡,与周围海水混合起来,在水中形成一条特殊的“水带”。这条水带好像是海水里的一条“深沟”,海浪一进入“沟内”,就被里面的气泡包围“吃掉”了,从而起到消浪作用。空气防波堤的构造也较简单,主要在海底或水中,设置一条或几条有孔管道。使用时,将压缩空气压入管内,空气从小孔中喷出后,立刻在水中形成气泡上浮,一连串的气泡就构成了一道围幕,并扰动附近水体一起上升,到达水面时即形成方向相反的两支水平射流,分向两边流去。

在海底,为了补充上升水流的空缺,也会形成两支相向的水平流。于是,在管道两侧形成了两个封闭的环流,周而复始地进行循环。当海浪传到这里,首先与迎面来的水平流相遇,一部分海浪被破碎,余下的海浪继续前行,进入垂直上升的气水混合流区,不断遭到破碎,直到全部被“消化吸收”,从而起到了防浪作用。

空气防波堤的兴建、维修和拆迁都较方便,投资也比较小,特别防波堤适合于在水深较大、地质条件复杂、施工难度大的港湾建设。目前,建造空气防波堤最大的难点,在于压缩机的动力问题。因空气防波堤的用电量很不稳定,电力用量是随风浪大小来决定的,而电厂供电或自行发电都会遇到高峰时电力不足,低峰时又浪费电力等问题。为此,设计师又产生了一个新的想法。即在离海岸不远的海面上,安装一列浮筒,空气压缩机放在浮筒内,它的活塞与浮筒锚链相接。当浮筒随浪头下降时,活塞就把空气吸进压缩机内;当浮筒随浪头上升时,活塞把空气压进水下管道。这种浮筒式空气压缩机,能随海浪大小自动地保证供给防波堤足够的空气,起到以浪制浪的作用。这种一举两得的构思是否可行,还有待于实践来验证。