專利名稱：海上溢油漂移路徑及擴散快速預報方法
技術領域：
本發(fā)明涉及海洋科學與海洋工程技術領域，具體涉及海上溢油漂移路徑及擴散快速預報方法。
背景技術：
我國自1993年由石油出口國轉(zhuǎn)變?yōu)槭瓦M口國以來，原油進口量不斷上升。2009 年我國已成為世界第二大原油進口國，對外依存度超過了 50%的警戒線，達到了 51.四％。 近幾年來隨著我國海洋石油工業(yè)和海上石油運輸業(yè)的迅猛發(fā)展，海上石油勘探、開發(fā)、海底管線鋪設的規(guī)模不斷擴大，而同時船舶以及各種海上溢油事故頻繁發(fā)生，海上溢油的風險也大大加劇。海上溢油事故一旦發(fā)生，將會嚴重破壞我國海洋與陸域的生態(tài)環(huán)境，同時也將給我國帶來不可估量的經(jīng)濟損失。因此，開展海上溢油應急關鍵技術研究，建立溢油應急反應系統(tǒng)，準確快速的預報海上溢油漂移路徑及擴散情況，為溢油事故應急反應、處置提供決策支持的技術平臺是非常必要的，不僅可以為保護我國近海海域的環(huán)境安全提供技術支持，同時也將促進我國航運業(yè)的安全發(fā)展。由于針對海上溢油路徑和擴散的快速預報技術涉及高效的整合物理海洋環(huán)境相關的動力學計算以及全自動的數(shù)據(jù)下載以及實時的圖形可視化系統(tǒng)，目前關于溢油預報的相關技術多基于經(jīng)驗和觀察追蹤，成本較高而預報效率較低，并且由于沒有耦合海洋動力學模型致使在物理海洋環(huán)境急劇變化的情況下無法準確的預報海洋溢油的漂移路徑以及擴散情況。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服已有技術的不足，提供一種海上溢油漂移路徑及擴散的快速預報方法。本發(fā)明方法有機的耦合海上觀測數(shù)據(jù)、大氣與海洋動力學模型、油品數(shù)據(jù)庫相關的溢油模型以及實時的可視化系統(tǒng)，使其達到快速預報海洋溢油漂移路徑及擴散情況的要求，其具體步驟如下(參見

圖1)第1、收集歷史數(shù)據(jù)并建立多年氣象場數(shù)據(jù)庫；第2、由大氣預報模型依據(jù)第1步所建立數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，計算預報漏油相關海區(qū)的風場；第3、實時獲取漏油相關海區(qū)的現(xiàn)場風觀測數(shù)據(jù)并對第1步所建立的數(shù)據(jù)庫進行更新；當有現(xiàn)場風觀測數(shù)據(jù)時，進行數(shù)據(jù)同化，進一步優(yōu)化由第2步大氣預報模型預報的風場結果；第4、基于第3步風場結果，通過海浪模型計算出相關海區(qū)波浪場；第5、基于NA099全球潮汐模型所提供的8個分潮M2、S2、N2、K2、Kl、01、Pl、Ql的調(diào)和常數(shù)給出潮汐與環(huán)流的開邊界條件；第6、以第2步大氣預報模型優(yōu)化后的風場結果、第4步大氣預報模型所耦合之波浪模型給出的波浪場、以及第5步潮汐與環(huán)流的開邊界條件作為強迫場，使用海洋動力學模型計算得出包含潮流和風海流的三維流場；第7、對溢油情況進行現(xiàn)場監(jiān)測，基于油品數(shù)據(jù)庫和所監(jiān)測到的溢油情況，通過耦合以上第6步所計算出的三維流場、第4步所計算出的波浪場與第3步所得風場，使用包括溢油擴展和漂移軌跡預測模型、風化模型在內(nèi)的溢油模型計算出溢油漂移路徑以及擴散結果；第8、通過可視化技術將海上溢油漂移路徑及擴散的預報結果直觀展示出來。其中，第3步所述的實時獲取漏油相關海區(qū)的現(xiàn)場風觀測數(shù)據(jù)的方法是，使用下載工具定時自動下載觀測站服務器提供的常規(guī)地面觀測數(shù)據(jù)、常規(guī)探空觀測數(shù)據(jù)、船舶觀測數(shù)據(jù)、 衛(wèi)星海面風觀測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星輻射觀測數(shù)據(jù)。第3步所述的數(shù)據(jù)同化方法以及風場的優(yōu)化方法是，數(shù)據(jù)下載之后，首先進行格式轉(zhuǎn)換與質(zhì)量控制，然后利用3DVAR方法進行數(shù)據(jù)同化，為預報所使用的海洋動力學模型提供初始場與時變邊界條件；采用并配置WRF-ARW大氣動力學模型為所關注海區(qū)提供風場以及相關氣象條件未來48小時的預報；該模型采用完全可壓縮非靜力歐拉方程組，水平網(wǎng)格采用Arakawa C 網(wǎng)格，垂直坐標采用目前國際上廣泛應用的基于質(zhì)量的地形追隨η坐標。第6步所述的三維流場的計算方法是采用海浪數(shù)值模型SWAN來計算漏油相關海區(qū)的海浪分布情況及變化，在運行權利要求3所述的大氣動力學模型的同時，每十五分鐘輸出一次風場并驅(qū)動該海浪數(shù)值模型，海浪譜在每一個格點上取36個頻率和12個方向，通過對源函數(shù)項和傳播項的積分，求得未來48小時內(nèi)每小時輸出一次的波浪場；基于以上第3步計算所得的風場、第4步計算所得的波浪場，以及來自于ΝΑ099全球潮汐模型所提供的8個分潮M2、S2、N2、K2、K1、01、P1、Q1的調(diào)和常數(shù)作為FVCOM海洋動力學模型的強迫條件與開邊界條件，在權利要求3所述WRF-ARW大氣動力學模型與以上所述SWAN模型運算完畢后，SHELL腳本自動運行FVCOM海洋動力學模型，并計算獲取該海區(qū)未來48小時的三維流場；其中所述的FVCOM海洋動力學模型是一個自由海表面、流體靜力學和Boussinesq近似的、原始方程組的海洋模型。第7步所述的計算出溢油漂移路徑以及擴散結果的方法是構筑包括溢油擴展和漂移軌跡預測模型、風化模型在內(nèi)的溢油模型，具體步驟包括第7. 1、溢油擴展和漂移軌跡預測模型本發(fā)明將溢油運動的過程分為自身擴展和紊動擴散兩個階段進行考慮；前一階段根據(jù)經(jīng)典的Fay理論修正溢油擴展和漂移軌跡預測模型計算，后一階段采用油粒子方法模擬，再通過“油膜粒子化”將兩階段進行銜接；第7. 1. 1、在第一階段即自身擴展階段，根據(jù)Fay理論，油膜的自身擴展階段即為溢油初期的重力-慣性力平衡階段；該階段內(nèi)重力-慣性力占主導，由于油水密度差引起油膜加速塌落，形成油的初始運動，油膜擴展直徑r為
權利要求
1.一種海上溢油漂移路徑及擴散的快速預報方法，其特征在于該方法的具體步驟如下第1、收集歷史數(shù)據(jù)并建立多年氣象場數(shù)據(jù)庫；第2、由大氣預報模型依據(jù)第1步所建立數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，計算預報漏油相關海區(qū)的風場；第3、實時獲取漏油相關海區(qū)的現(xiàn)場風觀測數(shù)據(jù)并對第1步所建立的數(shù)據(jù)庫進行更新； 當有現(xiàn)場風觀測數(shù)據(jù)時，進行數(shù)據(jù)同化，進一步優(yōu)化由第2步大氣預報模型預報的風場結果；第4、基于第3步風場結果，通過海浪模型計算出相關海區(qū)波浪場； 第5、基于NA099全球潮汐模型所提供的8個分潮112、52、擬、1(2、1(1、01、？1、01的調(diào)和常數(shù)給出潮汐與環(huán)流的開邊界條件；第6、以第2步大氣預報模型優(yōu)化后的風場結果、第4步大氣預報模型所耦合之波浪模型給出的波浪場、以及第5步潮汐與環(huán)流的開邊界條件作為強迫場，使用海洋動力學模型計算得出包含潮流和風海流的三維流場；第7、對溢油情況進行現(xiàn)場監(jiān)測，基于油品數(shù)據(jù)庫和所監(jiān)測到的溢油情況，通過耦合以上第6步所計算出的三維流場、第4步所計算出的波浪場與第3步所得風場，使用包括溢油擴展和漂移軌跡預測模型、風化模型在內(nèi)的溢油模型計算出溢油漂移路徑以及擴散結果； 第8、通過可視化技術將海上溢油漂移路徑及擴散的預報結果直觀展示出來。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于，第3步所述的實時獲取漏油相關海區(qū)的現(xiàn)場風觀測數(shù)據(jù)的方法是，使用下載工具定時自動下載觀測站服務器提供的常規(guī)地面觀測數(shù)據(jù)、常規(guī)探空觀測數(shù)據(jù)、船舶觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星海面風觀測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星輻射觀測數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權利要求2所述的方法，其特征在于，第3步所述的數(shù)據(jù)同化方法以及風場的優(yōu)化方法是，數(shù)據(jù)下載之后，首先進行格式轉(zhuǎn)換與質(zhì)量控制，然后利用3DVAR方法進行數(shù)據(jù)同化，為預報所使用的海洋動力學模型提供初始場與時變邊界條件；采用并配置WRF-ARW大氣動力學模型為所關注海區(qū)提供風場以及相關氣象條件未來 48小時的預報；該模型采用完全可壓縮非靜力歐拉方程組，水平網(wǎng)格采用Arakawa C網(wǎng)格， 垂直坐標采用目前國際上廣泛應用的基于質(zhì)量的地形追隨η坐標。
4.根據(jù)權利要求3所述的方法，其特征在于，第6步所述的三維流場的計算方法是 采用海浪數(shù)值模型SWAN來計算漏油相關海區(qū)的海浪分布情況及變化，在運行權利要求3所述的大氣動力學模型的同時，每十五分鐘輸出一次風場并驅(qū)動該海浪數(shù)值模型，海浪譜在每一個格點上取36個頻率和12個方向，通過對源函數(shù)項和傳播項的積分，求得未來 48小時內(nèi)每小時輸出一次的波浪場；基于以上第3步計算所得的風場、第4步計算所得的波浪場，以及來自于ΝΑ099全球潮汐模型所提供的8個分潮Μ2、S2、Ν2、Κ2、Κ1、01、PI、Ql的調(diào)和常數(shù)作為FVCOM海洋動力學模型的強迫條件與開邊界條件，在權利要求3所述WRF-ARW大氣動力學模型與以上所述 SWAN模型運算完畢后，SHELL腳本自動運行FVCOM海洋動力學模型，并計算獲取該海區(qū)未來 48小時的三維流場；其中所述的FVCOM海洋動力學模型是一個自由海表面、流體靜力學和 Boussinesq近似的、原始方程組的海洋模型。
5.根據(jù)權利要求4所述的方法，其特征在于，第7步所述的計算出溢油漂移路徑以及擴散結果的方法是構筑包括溢油擴展和漂移軌跡預測模型、風化模型在內(nèi)的溢油模型，具體步驟包括第7. 1、溢油擴展和漂移軌跡預測模型本發(fā)明將溢油運動的過程分為自身擴展和紊動擴散兩個階段進行考慮；前一階段根據(jù)經(jīng)典的Fay理論修正溢油擴展和漂移軌跡預測模型計算，后一階段采用油粒子方法模擬， 再通過“油膜粒子化”將兩階段進行銜接；第7. 1. 1、在第一階段即自身擴展階段，根據(jù)Fay理論，油膜的自身擴展階段即為溢油初期的重力-慣性力平衡階段；該階段內(nèi)重力-慣性力占主導，由于油水密度差引起油膜加速塌落，形成油的初始運動，油膜擴展直徑r為r {t) = cl{^gvt1y油膜自身擴展持續(xù)時間為tf = (C2Zo1)iNm (υ · Ag)-1/3式中，V為油膜體積，Ag為約化重力加速度，Ag= (1-P0/Pjg, P ω為海水密度，P ^為油膜密度，υ為運動黏性系數(shù)，C1, C2均為經(jīng)驗常數(shù)，t為時間；Fay理論是建立在靜水假定基礎上的，認為油膜成圓形擴展，而實際海況下油膜擴展過程具有明顯的各向異性特征，因此該種方法將Fay模型的擴展直徑加以訂正，訂正后的短軸仍按上述公式計算，長軸1改為i =r+cC0W ω為風速，c，δ, ε為與油的種類、性質(zhì)有關的經(jīng)驗常數(shù)；在油膜漂移過程中，油膜質(zhì)心的漂移軌跡采用歐拉-拉格朗日追蹤法，在風和潮流的作用下，油膜中心初始位置&，經(jīng)At時間后漂移到了新的位置S，其中 (^0+AtS = S0+ I VLdt,jtO這里\為拉格朗日速度；油膜中心的漂移速度和方向是表面海流和風所引起的流速之矢量和，即V0 = vw+aD · va其中Vtl為油膜中心漂移速度，νω為海面流速，va為海面10米處風速，a為風漂流系數(shù)， D為引入漂流偏角的一轉(zhuǎn)換矩陣；第7. 1. 2、在第二階段即紊動擴散階段采用油粒子方法模擬，將第一階段末的油膜轉(zhuǎn)化為一系列的粒子，即將油膜分割成N個小單元，其中每個小單元代表溢油體積的一部份；根據(jù)油膜質(zhì)心的位置(X(l，y。)，求出每個油粒子所在的位置(Xi，yi)，i = 1，L，N;根據(jù)計算機的容量和運行時間的長短來確定粒子總數(shù)N，而用附加體積參數(shù)的方法來實現(xiàn)對油粒子特性的模擬，即將某個油粒子的體積參數(shù)定義為\，其所占油膜總體積的百分比為fi，則每個油粒子的特征體積為Vi = & · Vtl，其中，V0為溢油的初始體積；這樣，油粒子模型中不同規(guī)模的溢油量就通過油粒子總數(shù)和特征體積的不同來體現(xiàn)；再根據(jù)確定的油粒子總數(shù)，采用油粒子方法對紊動擴散階段的溢油的運動進行模擬，便可獲得溢油的擴散面積和油膜厚度；在垂直方向上，油粒子的運動過程主要表現(xiàn)為油粒子在波浪的擾動下以微滴的形式進入水體內(nèi)部，處在水體內(nèi)部某一深度處的油滴在湍流作用下做垂直的隨機走動，入水油滴在浮力的作用下便可浮出水面；導致溢油入水的最直接最主要的因素為破碎波，波浪破碎和攪動使溢油自表面進入水體內(nèi)部，反復的波浪破碎使油滴擴散到水體的深層； 根據(jù)已有經(jīng)驗公式，溢油入水量與波要素之間的關系為= 1 _ eC2.iH! /LVo _這里C2 = -2.53x10-3 IV^m，Hs為有效波高，L為波長，Ve為入水體積，V0為溢油的初始體積，t為時間；根據(jù)上述公式和權利要求4中所述海浪數(shù)值模型SWAN提供的波浪場，溢油入水的過程便可以模擬出來； 第7. 2、溢油風化模型溢油在風化的過程中，溢油的量會不斷地減少；油粒子的風化包括蒸發(fā)、溶解和乳化過程，在這些過程中油粒子的組成發(fā)生改變，但油粒子水平位置沒有變化；由于油粒子組分是不斷變化的，一方面是由于溶解、蒸發(fā)過程對各組分具有選擇性，另一方面乳化過程中油膜中的含水率發(fā)生變化；采用多組分法模擬油粒子中各組分的變化過程；多組分法是將油粒子假設為多種碳氫化合物組成的混合物，因此需基于油品特性數(shù)據(jù)庫對各個單獨組分蒸發(fā)、溶解過程進行分別計算，最后求出總的油粒子組分隨時間變化過程，具體計算方法如下第7. 2.1、蒸發(fā)過程油膜蒸發(fā)受油分、氣溫和水溫、溢油面積、風速、太陽輻射和油膜厚度因素的影響，假定①在油膜內(nèi)部擴散不受限制；②油膜完全混合；③油組分在大氣中的分壓與蒸氣壓相比可忽略不計； 則蒸發(fā)率由下式表示其中N為蒸發(fā)率；ke為物質(zhì)輸移系數(shù)；Psat為蒸氣壓；R為氣體常數(shù)；T為溫度；M為分子量；P為油組分的密度；i為各種油組分，kei由下式估算其中k為蒸發(fā)系數(shù)；Sci為組分i的蒸氣khmidts數(shù)，A為油分子粒徑，U為動性系數(shù)。 第7. 2. 2、乳化過程 ①形成水包油乳化物過程油向水體中的運動機理包括溶解、擴散、沉淀；水流的紊動能量將油膜撕裂成油滴，形成水包油的乳化；在惡劣天氣狀況下最主要的擴散作用力是波浪破碎，而在平靜的天氣狀況下最主要的擴散作應力是油膜的伸展壓縮運動，從油膜擴散到水體中的油分損失量計算為D = Da · Db其中Da是進入到水體的分量，Db是進入到水體后沒有返回的分量其中μ &為油的粘度；hs為油的化學穩(wěn)定性系數(shù)；Υ。w為油-水界面張力； 油滴返回油膜的速率為②形成油包水乳化物過程油中含水率變化可由下式平衡方程表示R1和&分別為水的吸收速率和釋出速率，由下式給出其中JCx為最大含水率；yw為實際含水率-M為油中浙青的重量比含量；Wax為油中石蠟的重量比含量^pK2分別為吸收系數(shù)和釋出系數(shù)； 第7. 2. 3、溶解過程溶解率用下式表示其中為組分i的溶解度；為組分i的摩爾分數(shù)諷為組分i的摩爾重量；Ksi為溶解傳質(zhì)系數(shù)，由下式估算 Ksi = 2. 36 · IO^ei 其中第7. 2. 4、熱量遷移蒸氣壓與粘度受溫度影響，而且觀察發(fā)現(xiàn)通常油膜的溫度要高于周圍的大氣和水體， 其中①油膜與大氣之間的熱量遷移可表達為其中Ttjil為油膜溫度；為大氣溫度；P a為大氣密度；Cpa為大氣的熱容量；已為大氣 Prandtl數(shù)(普蘭德數(shù))當蒸發(fā)可忽略不計時，^可簡單用下式計算②太陽輻射油膜接受的太陽輻射取決于許多因素，其中最重要的為溢油位置、日期、時刻、云層厚度以及大氣中的水、塵埃、臭氧含量；一天中的太陽輻射變化可假定為正弦曲線其中tsimrise為日出時刻即午夜后秒數(shù)；tsimset為日落時刻即午夜后秒數(shù)；Td為日長，即,sunset _ , sunrise,Z — Z +1dTd由下式計算Td = a · cos (tan Φ · tan ζ )其中φ為緯度；ζ為太陽傾斜角度，即太陽在正午時與赤道平面的角度，其中Is。為太陽常數(shù)；η為一年中日數(shù)，ω S為日出的小時角度，正午時為0，每小時等于 15度，上午為正，下午為負；Kt為系數(shù)，晴天時Kt = 0. 75,隨著云層厚度增加而減少；很大一部分的太陽輻射到達地面時已被反射，因此凈熱量輸入為 (1-a) · H(t)其中a為漫射系數(shù)(albedo)；③蒸發(fā)熱損失蒸發(fā)將引起油膜熱量損失
全文摘要
海上溢油漂移路徑及擴散的快速預報方法。包括建立氣象場數(shù)據(jù)庫；由大氣預報模型計算預報漏油相關海區(qū)的風場；通過海浪模型計算出波浪場，基于NAO99全球潮汐模型所提供的8個分潮的調(diào)和常數(shù)給出潮汐與環(huán)流的開邊界條件，以此作為強迫場，使用海洋動力學模型計算得出包含潮流和風海流的三維流場；基于油品數(shù)據(jù)庫和所監(jiān)測到的溢油情況，使用包括溢油擴展和漂移軌跡預測模型、風化模型在內(nèi)的溢油模型計算出溢油漂移路徑以及擴散結果；通過可視化技術將預報結果直觀展示出來，為海上溢油事故緊急處理等相關決策提供科學依據(jù)。
文檔編號G06F19/00GK102156817SQ20111008949
公開日2011年8月17日 申請日期2011年4月11日 優(yōu)先權日2011年4月11日
發(fā)明者姜曉軼, 宋軍, 李歡, 李琰, 牟林, 鄒和平 申請人:國家海洋信息中心