中国近海海上溢油数值预测及决策支持系统简介

    海上溢油事故发生后，原油进入海洋受到海上风、浪、流的综合作用，在海上漂移、扩散，严重破坏海域的生态环境。调查显示，一次严重的海上溢油事故对自然生态环境的危害可持续数十年。而海上溢油事故多数是突发性事故，当溢油事故发生后，如何准确获得海面油膜的动态信息，并迅速而有效地做出应急反应，对控制污染、减小损失以及清除污染都起着关键性的作用。“中国近海海上溢油数值预测及决策支持系统” 将快速而准确地预测关注海域的海上油膜动态信息，为应急决策提供可靠的信息。

一、综述

海上溢油的行为和归宿受风、浪、流等动力环境因素、其它非动力环境因素和油品特性等多种因素的支配(见图1)，经历着漂移、扩散、蒸发、分散、乳化、溶解、光氧化及其相互作用的复杂过程。就溢油所导致的短期环境影响而言，溢油的漂移、扩展、蒸发、分散作用起着支配地位。

图1 海上影响油膜的因素

海上溢油的漂移与扩展，主要取决于海表面风场、流场以及波浪和湍流的综合作用。具体地说，是海表层的风海流、潮流、潮致余流、波浪余流、密度流以及随机的湍流扩散决定了溢油的水平运动。在近海，风海流和潮流是决定溢油漂移轨迹最重要的因素。波浪对溢油的影响主要体现在水面的搅动和波浪破碎而引起的溢油入水。风的作用与油品的不同特性，则决定了海面原油的挥发和乳化，进而影响溢油的密度和粘性变化。

二、系统结构及关键技术

“中国近海海上溢油数值预测及决策支持系统”主要由系统数据库、数值预报模式、资料同化模式、油品化学特性和系统界面五部分组成。图2给出技术流程。

图2 技术流程

在研制过程中将重点解决以下几个关键技术问题：

• 网格自动嵌套技术及油模式自动切换问题
• 漫滩问题
• 资料同化技术问题
• 油品化学特性定量技术问题
• 系统集成和界面显示问题

三、数值模式

3.1 海面风模式

海面风场依据资料来源和性质分为（ⅰ）历史风场，（ⅱ）实时风场和（ⅲ）预报风场。为了准确预报溢油事件，实时风场和预报的风场是必不可少的。本研究采用的模式允许用户输入预报区域内或附近任何地点（如石油平台、气象或海洋观测站）观测到的实时风场，模式将自动计算生成每个计算网格点和每个时间层上的风速风向值。如果所需的预报风场数据也已经具备，则计算机可自动继续运行，进行计算；否则计算机将采用自回归的方法根据实时观测数据进行未来风场的预报。如果不能获得实时风场的观测数据，系统会根据历史观测资料生成所需风场。

当然，最好是同时利用实时观测资料和预报风场以确保预报精度。但是这时用户必须要求气象部门提供预报的风场资料。当仅采用实时风场时，溢油预测的精度会有所降低；如果仅采用历史风场，则会显著降低溢油预测的精度和可靠性。

3.2 水动力模式

为了合理地预测海上溢油的漂移，必须要建立一个具有高精度、高效率且具有良好稳定性的三维风海流、潮流耦合模式。鉴于关注海域为整个中国近海，并存在四个重点关注海域，所以拟建立一个大区域模式和四个小区域模式，其分辨率分别为5ˊ和1ˊ，并将这五个模式结合在一起，这样既能实现全海域的预测，又保证了重点关注海域的计算分辨率。

数值模式采用我们自行发展的三维模式，其性能特别是计算速度方面优于国外同类（如目前通用的普林斯顿大学的POM）模式。本模式曾经过许多实测资料验证，具有很高准确性和计算效率，曾在多项海洋石油开发区环境条件研究中应用过，获得良好效果。本模式具有如下特点：

• 垂向采用Sigma坐标的。
• 模式是斜压的，可以模拟密度及密度层结对风海流和潮流垂直变化的影响。
• 对波动过程采用了五点差分隐格式，时间步长不受CFL条件限制，且克服了交替方向隐格式在大时间步长情况下所造成的计算流向失真问题。时间步长可比显式增大45倍，显著提高计算效率。
• 对平流过程采用了半拉格朗日算法，使平流向过程也不受CFL条件限制，进一步加大时间步长。
• 采用混合长度理论计算垂直涡动粘性系数，可以在不显著增加计算的情况下，较好地模拟垂直湍流交换过程。

本项目中将采用K1，O1，P1，Q1，M2，S2，N2，K2，Sa,Ssa这十个分潮来预报潮流和潮位。并考虑温度、盐度的作用（即三维斜压模式）。

同时模式将考虑漫滩问题。漫滩是潮汐较显著的海域比较普遍的现象，而此问题在油膜靠近岸界时明显影响模拟精度，所以本项目将采用移动边界解决此问题。干湿网格判别法是目前国内外使用最多的一种移动边界方法。该方法采用一定的规则判断模式计算区域内的网格干湿变化，使得模式在每个步长计算区域都在发生变化。干湿网格判别法逻辑清晰，可以处理复杂的边界。

为了提高预报精度，将采用最优插值法来进行资料同化。亦即采用实测资料（主要包括历史观测、多源卫星遥感、现场观测等）来修正模式结果，从而得到最优的预测结果。

3.3 溢油模式

本研究拟采用的溢油模型是根据国际上流行的“粒子跟踪法”（Particle tracking或Particle cell method）设计的三维模型,可以预报溢油的漂移路径和归宿。这一模型曾应用于中国海洋石油南海西部公司海上溢油监测决策系统、平湖油气田海上溢油预报系统、南海东北部海上溢油预报系统、渤海海域溢油漂移轨迹实时预报系统和北部湾及文昌海域溢油漂移专家预测系统的研制，同时还在许多海上油气田环境评估中应用过。

在溢油模型中，除了风和流的漂移作用外，还考虑了波浪的影响以及蒸发、风化、乳化等作用，同时还考虑了岛屿和海岸对油膜的绞扭作用。油膜的漂移和扩散将用粒子法模拟。

为了提高溢油漂移预测的准确度，特别是轨迹漂移预测的准确度，建立溢油预测模式的资料同化模式。当在进行溢油预测的时候，得到了溢油的实测信息（如轨迹、位置、面积等），同化模式可自动地根据这些实测信息对预测结果进行订正。

3.4 参数化海浪模式

波浪对海上溢油的作用主要表现在波浪净流携油入水等作用。对于溢油的运移轨迹没有显著的影响。本研究本着满足溢油预报的需要和系统时效性的考虑，将采用文圣常院士发展的参数化风浪模式。该模式经过多次的实际应用，得到了很好的验证。本课题组曾多次应用该模式于渤海、东海和南海，并取得良好的应用结果。

四、溢油的化学过程研究

运用合理的技术手段，定量建立特定油种在规定条件下，单位时间内由于化学过程引起的物质数量变化关系式，并以此为根据来评定在溢油漂移过程中溢油的自然减少程度和物质组成的变化规律(图3为溢油化学过程流程图)。本研究中我们将进行静态试验和动态试验。

静态试验，首先根据试验现象，运用相关的基础理论进行解释，以确定的定量实验方法进行试验，最后运用实验数据及模型参数拟和方法进行数据处理，建立静态条件下的定量关系式。

动态实验将在静态试验的基础上，根据各个不同海区的状况，模拟不同环境条件下溢油的行为状态变化。最后，经过校正，得出不同油种的量在不同环境条件下随时间变化关系式。

图3 溢油化学过程流程图

五、软件主要功能

系统开发采用Windows标准化设计，屏幕上窗口、菜单、显示以及操作方法等均与Windows相统一。因此，基本了解Windows操作环境的用户均可方便地使用本系统。系统的集成和界面研制有一下特点：

• 本系统主要包括数值模式和使用界面及动画显示、输入输出两大部分。数值模式将采用Windows界面下的Fortran 90编程。而界面及显示部分将采用Windows下的Visual C++结合MO2.2编程。Fortran 90和Visual C++之间将采用混合编程技术实现预报过程的实时动画显示。即边预报边显示。当然，系统将支持对以前的预报过程进行存档和回放的功能。
• 系统还将携带一套数据库及其管理工具。该数据库将包括海岸线数据、渔业资源及敏感区数据、沿岸城镇及海上结构物（包括平台）数据、油品特性数据（包括化学、物理等方面的特性，用于溢油预测）、月平均风场、水温、盐度和流场、应急决策信息数据等。所有这些数据库都可以方便地用系统提供的管理工具进行显示（包括数字和图形显示）、修改、添加、删除等操作，是一种完全开放的数据库。
• 系统界面采用人机对话方式输入数据，系统自动进行预报，实时地动画显示溢油漂移的情况，并显示溢油区中心位置、油膜面积、漂油残存量、溢油的抵岸地点、最终油量、影响岸线范围、扫海面积等信息。使预报过程可视化、直观化。实时显示的功能在本研究中显得尤为重要，因为本研究的分辨率很高，计算量大，计算速度将会相对较慢，因而实时显示可以最快地将预报结果显示出来，供决策使用。
• 系统支持将预报结果存入计算机，可随时方便地回放所有信息。
• 系统支持任意地打印，并能进行打印预览。用户可将感兴趣的任意信息（包括数字和图形信息）用灰度级或彩色图的形式以黑白或彩色打印机打印出来。
• 支持溢油预报的同化功能。用户可以在预测过程中将可能得到的溢油信息（如溢油运移位置、残存油量等）输入对预报模式进行同化，以校正系统的预报结果，使预报结果更真实可靠。
• 支持溢油回推模式。本功能可以用来实现这样的功能：在海上发现的溢油，回推其可能发生的地点及运移情况，便于发现不明溢油事件的源头。
• 随时暂停和中止的功能。
• 系统由于包含很多的地理信息，并提供按鼠标右键自动显示经纬度、油膜厚度、地理信息等功能，不但可以用来进行溢油预测，还可以当作一个小型的地理信息系统使用。
• 系统还具有英文输出功能，便于结果的交流。
• 系统还具有自动报表功能，能够根据用户的需要在每次模拟结束后自动输出用户所需信息。
• 系统具有人机对话功能，系统能够对漂移预测结果进行分析，给出可供决策用的相关信息。
• 系统具有保存图片功能，可以简单快捷地保存预报结果为.bmp文件。