李 峣, 何 蕾, 袁東亮, 王 錚

(1. 中國(guó)科學(xué)院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國(guó)科學(xué)院 海洋環(huán)流與波動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島266071; 3. 中國(guó)科學(xué)院 研究生院, 北京 100049)

2010年 7月中旬, 大連新港輸油管線爆炸引發(fā)部分原油泄漏入海, 對(duì)海洋環(huán)境造成威脅。針對(duì)這一情況, 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所立即啟動(dòng)應(yīng)急機(jī)制,以中國(guó)近海海洋觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)——黃海海洋觀測(cè)研究站為依托, 啟動(dòng)了大連溢油應(yīng)急災(zāi)害海洋環(huán)境調(diào)查項(xiàng)目。水文調(diào)查方面, 在獐子島以西、大連灣以東海區(qū)投放了一個(gè)表層漂流浮標(biāo), 布放了兩個(gè)海流計(jì)。由于條件所限, 觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量有限, 只能對(duì)該海區(qū)的流場(chǎng)進(jìn)行重點(diǎn)位置的觀測(cè), 在這種情況下, 數(shù)值模擬在溢油事件的應(yīng)急處理及危害評(píng)估方面有著重要的參考價(jià)值和指導(dǎo)意義。

對(duì)該海區(qū)環(huán)流的數(shù)值模擬人們已做過(guò)較多工作,張淑珍[1]、竇振興[2]、繆經(jīng)榜[3]、林霄沛[4]、黃大吉[5]和 Wei[6]等均針對(duì)渤海或者北黃海的環(huán)流進(jìn)行過(guò)數(shù)值模擬, Chao[7]、樂(lè)肯堂[8]、Yanagi[9]、王凱[10]、魏澤勛[11]和 Xia[12]等對(duì)較大范圍的海區(qū)(包括渤海和整個(gè)黃海)環(huán)流進(jìn)行過(guò)數(shù)值模擬, 在他們的工作中也清晰地刻畫(huà)了這一海域的環(huán)流結(jié)構(gòu), 但是以上工作關(guān)注的都是季節(jié)及年平均的環(huán)流現(xiàn)象, 用于驅(qū)動(dòng)模式的強(qiáng)迫場(chǎng)基本上為月平均或者季節(jié)平均風(fēng)場(chǎng)。而且由于該海區(qū)直接的海流觀測(cè)甚少, 模式結(jié)果缺乏實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

本文通過(guò)一個(gè)雙層單向嵌套的普林斯頓大學(xué)海洋模式(POM)模擬了溢油事件期間北黃海的環(huán)流場(chǎng),并用實(shí)測(cè)資料進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 觀測(cè)數(shù)據(jù)和數(shù)值模式配置介紹

1.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

本文使用的衛(wèi)星追蹤漂流浮標(biāo)由中國(guó)科學(xué)院海洋研究所自主研發(fā), 浮標(biāo)帶有一個(gè) GPS模塊, 定位信息通過(guò)通訊衛(wèi)星發(fā)回到陸基接收站, 定位信息的發(fā)送間隔可以自由設(shè)定, 本實(shí)驗(yàn)使用每小時(shí)間隔實(shí)時(shí)傳回定位信息, 目的是為了分辨該海域顯著的M2分潮。浮標(biāo)拖傘和浮球外形按照ARGOS漂流浮標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)有所縮小, 但是拖傘和浮球的表面積之比仍然大于20, 從而使得風(fēng)力影響偏差控制在較小的范圍內(nèi)。本次實(shí)驗(yàn)使用的衛(wèi)星追蹤漂流浮標(biāo)于7月25日15:00放在39°N, 122.33°E。漂流浮標(biāo)繩長(zhǎng)1 m, 下面的拖傘長(zhǎng)1.5 m, 在海上生存時(shí)間達(dá)到了8月底。

海流計(jì) Q1 布放于 122°08′E, 38°55′N, 于 2010年7月25日10:00下水, 該處水深44 m, 海流計(jì)位于離底35 m處, 采樣間隔0.5 h, 于2010年7月29日 13:00 回收。海流計(jì) Q2 布放于 122°30′E , 39°04′E,于2010年7月26日 13:20下水,該處水深37 m, 海流計(jì)位于離底30 m處, 采樣間隔0.5 h, 于2010年8月4日16:00回收。這兩套浮標(biāo)也是由中國(guó)科學(xué)院海洋研究所自主研發(fā), 其中海流計(jì)是在中國(guó)海洋大學(xué)生產(chǎn)的SLC9-2型直讀式海流計(jì)基礎(chǔ)上修改了數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通過(guò)一個(gè)手機(jī)CDMA通訊模塊每隔6 h實(shí)時(shí)發(fā)回陸基接收站。測(cè)量期間由于通信信號(hào)故障,有少量數(shù)據(jù)丟失, 對(duì)于丟失的部分采用三次樣條方法插值得出。漂流浮標(biāo)及海流計(jì)的布放位置如圖 1所示。

圖1 模式區(qū)域及地形Fig. 1 Model domain and topography

1.2 模式配置

構(gòu)建了一個(gè)基于POM的雙層單項(xiàng)嵌套模式。外層模式(大區(qū)域)水平分辨率為(1°/6)×(1°/6), 范圍為15°～45°N, 105°～135°E, 內(nèi)層模式(小區(qū)域)水平分辨率 為 (1°/24)× (1°/24), 覆 蓋 范 圍 37°～41°N,117°～127°E(如圖 2 所示)。內(nèi)外層模式垂直方向均分為 30層, 各層的 simga值從上至下分別為: (0.000,–0.017, –0.035, –0.071, –0.107, –0.142, –0.178, –0.214,–0.250, –0.285, –0.321, –0.357, –0.392, –0.428, –0.464,–0.500, –0.535, –0.571, –0.607, –0.642, –0.678, –0.714,–0.750, –0.785, –0.821, –0.857, –0.892, –0.928, –0.964,–1.000)。

內(nèi)層模式的水深數(shù)據(jù)來(lái)自成鈞館大學(xué)的電子地形數(shù)據(jù)庫(kù), 外層模式的水深數(shù)據(jù)由全球地形數(shù)據(jù)ETOPO5插值得來(lái)。內(nèi)外層的水深最小設(shè)定為4 m,最大設(shè)定為3 000 m, 為增加計(jì)算效率及減小陡峭地形造成的POM壓力梯度誤差, 水深進(jìn)行了平滑[13]。

模式由開(kāi)邊界條件和表層風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。模式的初始流場(chǎng)、海面高度及開(kāi)邊界條件均來(lái)自一個(gè)西北太平洋區(qū)域的模式[12]。初始溫、鹽場(chǎng)來(lái)自Levitus氣候態(tài)溫度和鹽度場(chǎng)[14]。模式啟動(dòng)階段的風(fēng)場(chǎng)來(lái)自COADS (Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)數(shù)據(jù)庫(kù)[15], 后報(bào)階段風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)使用的是 NCEP2.5°×2.5°每6 h再分析數(shù)據(jù)。內(nèi)外層模式之間采用單向嵌套技術(shù), 即外層模式為內(nèi)層模式提供開(kāi)邊界條件,嵌套方法采用 Guo[16]的做法。模式從初值開(kāi)始積分6 a, 然后第6年的5月底的結(jié)果作為模擬的初始場(chǎng),用NCEP再分析資料2010年6月1日至8月31日的6 h風(fēng)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)。模擬浮標(biāo)軌跡是根據(jù)模式模擬出的流場(chǎng)采用二階龍格庫(kù)塔法計(jì)算得出, 模擬浮標(biāo)釋放的位置和時(shí)間與漂流浮標(biāo)布放的時(shí)間地點(diǎn)一致。

圖2 海流計(jì)及漂流浮標(biāo)布放的位置Fig. 2 Current meter and ARGOS deployed locations

2 結(jié)果

2.1 觀測(cè)數(shù)據(jù)

為了觀察觀測(cè)點(diǎn)速度隨時(shí)間的變化情況, 將 Q1和 Q2點(diǎn)的未經(jīng)濾波的原始速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行了積分,結(jié)果如圖3所示。Q1位置, 整個(gè)觀測(cè)期間基本上以向西的海流為主, 南北方向分量較小, 在Q2點(diǎn)則以西南向的海流為主, 兩處的海流基本都沿著岸線的方向。

圖3 海流計(jì)的速度對(duì)時(shí)間的積分Fig. 3 The time integration of the velocity from current meter

漂流浮標(biāo)的移動(dòng)軌跡如圖 4所示。在剛剛布放的7月25, 26兩日, 移動(dòng)速度比較緩慢, 在獐子島西側(cè)原地徘徊。7月 27日之后移動(dòng)速度加快, 沿著遼東半島南側(cè)沿岸迅速向西南方向漂移, 于7月29日移動(dòng)至遼東半島的西南端南側(cè)海域, 黃渤海分界線附近轉(zhuǎn)向, 跨過(guò)老鐵山水道, 向南運(yùn)動(dòng)。之后浮標(biāo)移動(dòng)的方向基本保持東南方向, 并于8月7日抵達(dá)山東半島的成山角以東海域。

圖4 漂流浮標(biāo)2010年7月25日～8月7日的移動(dòng)軌跡Fig. 4 The trajectory of the ARGOS from 25, Jul., 2010 to 7, Aug., 2010

2.2 模式結(jié)果

在內(nèi)層模式模擬的2010年7月份上層(5 m)平均流場(chǎng)(圖 5)中, 北黃海存在一個(gè)海盆尺度的氣旋式環(huán)流, 在遼東半島南岸附近, 表層流速度較大, 流向以西南方向?yàn)橹? 基本沿著岸線方向。在渤海海峽北部,有海流從渤海進(jìn)入黃海, 而在南部, 靠近山東半島北岸, 則存在從黃海進(jìn)入渤海的海流。平均流場(chǎng)的主要結(jié)構(gòu)與 Wei[6]和魏澤勛[11]等模擬的渤海和北黃海的夏季結(jié)果基本一致。

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｊ降牡皖l環(huán)流, 我們對(duì)模式的輸出和觀測(cè)數(shù)據(jù)均進(jìn)行了低通濾波以除去潮波信號(hào), 使用的是 5階 Butterworth 低通濾波器, 截?cái)囝l率為40 h。模式結(jié)果和觀測(cè)流速的緯向分量(u, 向東為正)和經(jīng)向分量(v, 向北為正)時(shí)間序列的比較如圖 6和圖7所示。為了量化對(duì)比效果, 計(jì)算了觀測(cè)和模擬值之間的相關(guān)系數(shù)。在Q1點(diǎn),u分量、v分量觀測(cè)與模擬的相關(guān)系數(shù)分別是0.6548, 0.3659, 均達(dá)到了95%信度。在Q2點(diǎn),u分量、v分量觀測(cè)與模擬的相關(guān)系數(shù)分別是0.4836, 0.3961, 均明顯大于95%置信區(qū)間下相關(guān)系數(shù)的臨界值0.1946。

在Q1點(diǎn), 模擬的流速經(jīng)向分量很弱, 以緯向分量u為主, 且u均為負(fù)值, 持續(xù)向西, 與觀測(cè)一致。并且從模擬的u分量與觀測(cè)的相關(guān)性較好(0.6548)上可以看出模擬的u分量與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)基本一致, 模擬的結(jié)果基本反映了實(shí)測(cè)流速的變化, 但是從速率大小方面來(lái)看, 模擬的u分量整體上弱于觀測(cè)值。在Q2點(diǎn), 模擬結(jié)果的變化趨勢(shì)與觀測(cè)值符合良好, 波峰波谷的對(duì)應(yīng)較為匹配, 但是變化的幅度即模擬的速率的大小整體上小于觀測(cè)。通過(guò)對(duì)Q1、Q2點(diǎn)流速的比對(duì)發(fā)現(xiàn), 模式結(jié)果基本反映出了實(shí)測(cè)流場(chǎng)的變化趨勢(shì), 流動(dòng)方向, 但是模擬的流速數(shù)值整體偏小。

模式模擬的Q1點(diǎn)和Q2點(diǎn)的海流, 雖然與實(shí)測(cè)海流的相關(guān)性較好, 但是整體上來(lái)說(shuō)還是差強(qiáng)人意。主要原因可能有兩點(diǎn), 一是模式所用地形在沿岸及海島附近存在較大的誤差; 二是模式分辨率不夠。兩處海流計(jì)放置與沿岸及海島附近, 尤其是Q2點(diǎn)位于眾多島嶼當(dāng)中, 地形復(fù)雜, 附近小尺度的旋渦甚多,而內(nèi)層模式的分辨率雖然已經(jīng)達(dá)到(1°/24)×(1°/24),但是對(duì)于再現(xiàn)眾多小型島嶼附近的動(dòng)力過(guò)程, 此分 辨率仍顯得不夠。

圖5 2010年7月份北黃海模式5 m層月平均流場(chǎng)Fig. 5 The monthly averaged velocity of 5 m layer of the model in the North Yellow Sea in July, 2010

圖6 Q1位置的觀測(cè)結(jié)果與模式9 m層結(jié)果Fig. 6 Comparison between the observation and the simulation in the 9 m layer at mooring station Q1

圖7 Q2位置的觀測(cè)結(jié)果與模式7 m層結(jié)果Fig. 7 Comparison between the observation (solid line)and the simulation (dashed line)in the 7m layer at mooring station Q2

對(duì)表層(5 m 層)示蹤物移動(dòng)軌跡的模擬結(jié)果(圖8)顯示, 在整體上看, 模擬結(jié)果與觀測(cè)有著良好的匹配。與觀測(cè)結(jié)果一致, 模擬的示蹤物自7月25日開(kāi)始向西沿著遼東半島南岸移動(dòng), 于29日抵達(dá)遼東半島西南端, 并開(kāi)始轉(zhuǎn)向, 這一部分與實(shí)測(cè)吻合良好,但是模擬結(jié)果中示蹤物轉(zhuǎn)向的位置更加靠西。7月29日轉(zhuǎn)向之后, 與觀測(cè)一致, 模擬的示蹤物持續(xù)向東南方向移動(dòng), 并于8月8日抵達(dá)山東半島東北端。移動(dòng)的軌跡與觀測(cè)十分接近, 只是速度稍慢于觀測(cè)值。

圖8 模式結(jié)果中2010年7月25日～2010年8月8日表層示蹤物的移動(dòng)軌跡Fig. 8 Simulated trajectory of the ARGOS from 25, Jul.,2010 to 8, Aug.,2010

3 結(jié)論

本文的研究使用了一個(gè)基于POM的雙層單向嵌套模式來(lái)模擬大連溢油事件期間北黃海的環(huán)流結(jié)構(gòu)及示蹤物的移動(dòng)軌跡, 并用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了檢驗(yàn)。通過(guò)和Q1和Q2點(diǎn)海流計(jì)的數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn), 模式基本上能夠模擬出和觀測(cè)一致的流向和流速的變化趨勢(shì)。但是與實(shí)測(cè)相比, 模擬的流速偏小, 速度的變化振幅較弱。對(duì)示蹤物移動(dòng)軌跡的模擬結(jié)果也同樣反映出了這個(gè)特點(diǎn)。模擬的示蹤物移動(dòng)軌跡與觀測(cè)基本一致, 先是沿著遼東半島南岸向西南移動(dòng), 在遼東半島的西南端轉(zhuǎn)向, 向東南方向持續(xù)移動(dòng), 一直抵達(dá)山東半島東北端外海。但是模式中示蹤物的移動(dòng)速度較慢, 在抵達(dá)山東半島東北端的過(guò)程中比實(shí)測(cè)晚了2 d左右。

總體上, 本研究中的模式系統(tǒng)較好地模擬出了大連溢油事件期間北黃海的流場(chǎng)結(jié)構(gòu)和變化趨勢(shì),能夠較好地模擬出示蹤物的移動(dòng)趨勢(shì), 為該海區(qū)的環(huán)境預(yù)警、災(zāi)害評(píng)估等工作提供有益的參考。

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