黃 娟, 曹雅靜, 高 松, 徐江玲, 劉桂艷

(國家海洋局 北海預報中心, 山東 青島 266061)

近年來, 國內外海上溢油事件頻發(fā), 造成海洋生態(tài)環(huán)境受到污染損害。2006年2月份, 山東長島、龍口、蓬萊岸段及其附近海域發(fā)生大面積原油污染,當?shù)厮a養(yǎng)殖業(yè)和漁業(yè)損失慘重。2004年12月7日,巴拿馬籍集裝箱船和德國籍集裝箱船在珠江口發(fā)生碰撞, 約1 200 t燃油溢漏, 海上形成了長9海里、寬200 m的油帶, 造成我國近年來較大的一次海洋污染事故。2002年11月23日, 馬耳他籍油輪“塔斯曼海”與中國籍“順凱1號”輪相撞, 約200 t原油泄漏, 溢油污染影響渤海灣海域面積達359.6 km2。2010年4月 20日, 位于墨西哥灣的“深水地平線”鉆井平臺發(fā)生爆炸并引發(fā)大火, 大量漏油進入墨西哥灣, 5月原油漂浮帶長200 km, 寬100 km, 且還在進一步擴散,此次漏油事件演變成美國歷來最嚴重的油污大災難,造成了巨大的環(huán)境和經(jīng)濟損失。2010年 7月, 在中國大連新港發(fā)生石油儲備庫輸油管道發(fā)生爆炸事件,部分石油泄漏入海。這次溢油事故在我國歷史上溢油量較大, 影響范圍較廣。2011年6月, 渤海中部蓬萊 19-3平臺發(fā)生“井涌”事故, 對渤海海洋環(huán)境造成巨大影響, 此次溢油事件持續(xù)事件長, 影響面積大,是對渤海海域影響最大的一次溢油。

本文將業(yè)務化氣象數(shù)值模型(Weather Research and Forecast, WRF)、海流數(shù)值模型(Regional Ocean Model System, ROMS)的數(shù)值預報結果作為海洋環(huán)境驅動場, 采用“油粒子”的海上溢油形態(tài)數(shù)值模擬方法, 結合油粒子的隨機走動算法, 對海上溢油擴散范圍等要素進行模擬預測。本文以蓬萊19-3平臺溢油事件為例, 設計不同模型分辨率、不同風、流系數(shù)對溢油漂移擴散模型進行敏感試驗, 獲得適合于渤海的溢油數(shù)值模型參數(shù)。利用優(yōu)化的溢油漂移擴散模型對“南海一號”平臺溢油情況進行數(shù)值模擬預測, 并與飛機實測資料進行對比, 得到的預測結果與實際觀測結果基本一致。

1 渤海海域海洋環(huán)境要素預報模型

在北海預報中心業(yè)務化運行的北海區(qū)海洋、氣象環(huán)境動力預報模式的基礎上, 采用嵌套技術研發(fā)渤海精細化海洋、氣象環(huán)境動力預報模式。氣象預報采用WRF中尺度氣象模式, 同時利用3維變分同化技術, 進一步提高模式預報準確度。海流預報采用ROMS區(qū)域海洋模式, 進行海流(潮流和環(huán)流)、水位、溫度和鹽度等預測。

1.1 渤海海域氣象場預報模型

1.1.1 WRF氣象模型簡介

北海預報中心建立的WRF氣象模型是以美國大氣研究中心(NCAR)開發(fā)的 WRF-ARW(AdvancedResearch WRF)版本為基礎。WRF模式程序具有操作的可移植性、可維護性、擴展性、易讀性、運行結構性和互用性等特點。為提高大氣分析場的精度,NMFC-WRF采用三維變分同化方法, 將觀測資料與數(shù)值預報產品結合。

1.1.2 WRF氣象模型參數(shù)設置

模型采用美國國家環(huán)境預報中心(NCEP)提供的FNL(Final)資料為初始場和邊界條件, 資料空間分辨率為1°×1°, 時間間隔為6 h。模式結果每小時輸出1次。利用WRF的網(wǎng)格嵌套功能, 在溢油事發(fā)海域建立高分辨率的氣象強迫場, 更加準確地模擬溢油海區(qū)的風場情況。其中, 大區(qū)為北海區(qū)(圖1所示范圍),空間分辨率為15 km; 小區(qū)為渤海海域(圖1中黑色框范圍), 空間分辨率為5 km。圖2為利用WRF模型模擬渤海風場的預測圖。

圖1 WRF氣象場模擬范圍示意圖Fig.1 Simulation range of WRF model

1.1.3 風場模擬結果驗證

為檢驗模擬預報結果的準確度, 將風場模型預報結果與渤海中部浮標實測數(shù)據(jù)進行對比驗證, 浮標位置見圖3, 其中BQF103, BQF109, BQF110分別表示浮標編號, 19-3C為蓬萊19-3C油田位置。圖4和圖5分別是BQF109和BQF110兩個浮標2011年7月1~4日(72 h), 每小時1次的觀測數(shù)據(jù)與模擬結果的對比圖。可以看出, 模擬和實測的風速、風向的變化趨勢較為一致, 且大小也較為符合, 模擬結果較好地反映了渤海風場特征。

圖2 WRF模型模擬渤海風場預測圖Fig.2 The forecast of the Bohai Sea wind field with WRF model

圖3 渤海中部浮標的站位圖Fig.3 The bitmap of buoy stations in the Bohai Sea

1.2 渤海海域海流場預報模型

1.2.1 ROMS海流模型簡介

渤海海流業(yè)務化預報采用ROMS區(qū)域海洋海流模式。該模式是自由表面的、基于流體力學原始方程的靜力平衡模式, 在現(xiàn)在海洋學界應用廣泛[1-2]。Roms由S-coordinate Rutgers University Model (SCRUM)發(fā)展而來[3], 在數(shù)值方法[4]和模式架構上都有所改進, 以方便于更高效地完成從單線程到多線程的計算任務。它包括了一系列新的特性: 可選的高階平流格式, 更準確的壓強梯度算法, 更多的次網(wǎng)格尺度參數(shù)化方法, 大氣、海洋、深海邊界條件, 生態(tài)模塊和數(shù)據(jù)同化模塊。

圖4 數(shù)值模擬與浮標 BQF109觀測的 2011年 7月 1~4日(72 h)風速風向對比Fig.4 The comparison of wind speed and direction between simulation results and BQF109 data from July 1 to 4 in 2011

圖5 數(shù)值模擬與浮標 BQF110觀測的 2011年 7月 1~4日(72 h)風速風向對比Fig.5 The comparison of wind speed and direction between simulation results and BQF110 data from July 1 to 4 in 2011

1.2.2 ROMS海流模型參數(shù)設置

根據(jù)渤海所在位置和高精度、長時效的業(yè)務化需求, 建立2個區(qū)域模式: 大區(qū)域是整個東中國海海域 (117°34′~127°54′E, 31°54′~41°N), 水 平 分 辨 率(1/30)°×(1/30)°, 垂向 6 層; 小區(qū)域是渤海海域(117°30′~122°18′E, 37°~41°N), 水平分辨率(1/240)°×(1/240)°, 垂向 6層。大區(qū)主要采用環(huán)流場和溫鹽場驅動。利用美國 HYCOM(Hybrid Coordinate Ocean Model )業(yè)務化預報的水位、流速和溫鹽場作為大區(qū)的初值和邊界值。小區(qū)采用業(yè)務化預報北海區(qū)WRF風場和熱通量場驅動模式。另外, 模型考慮了渤海沿岸4個主要河流(黃河、遼河、海河和灤河)月平均徑流量, 小區(qū) ROMS模式外海開邊界條件水位采用M2、S2、K1、O1等8個分潮來驅動。

1.2.3 流場模擬結果驗證

為檢驗模擬預報結果的準確度, 將流場模型預報結果與渤海浮標實測數(shù)據(jù)(浮標位置見圖3)進行對比。圖6為ROMS模型模擬渤海海流場。圖7~圖9分別是3個浮標(BQF103、BQF109和BQF110)連續(xù)72 h(2011年7月1~4日)每個小時1次的觀測數(shù)據(jù)與模擬結果的對比圖。可以看出, 模擬的表層流速和實際觀測的數(shù)據(jù)較符合, 海流場模擬結果較好地反映了渤海海流特征。

2 溢油漂移擴散預測結果分析

2.1 溢油漂移擴散數(shù)值模型

石油進入海洋后, 不僅會隨著海洋環(huán)流和海表面的風進行空間位置的輸運, 還存在著極其復雜的物理、化學和生物過程。如石油在海面上的分散、運移、蒸發(fā)、溶解、光分解、生物降解、乳化、懸浮物的吸附和沉積過程等[5-6]。溢油在海表面的過程可以分為動力學過程和非動力學過程 2種, 其中溢油動力學過程的驅動場由海流和氣象模型提供, 非動力學過程則由蒸發(fā)、乳化、溶解等物理、化學變化組成。根據(jù)前人的研究成果, 溢油形態(tài)學的數(shù)值模擬方法是利用不同的數(shù)學模型進行計算, 其計算理論可分為油膜擴展模式、對流擴散模式和“油粒子”模式3類[7,8]。

溢油模塊采用國際上廣泛應用的“油粒子”模型[9-12], 該模型可以很好地模擬溢油進入水體后產生的復雜現(xiàn)象, 包括擴展、漂移、擴散等油膜組分保持恒定的輸移過程, 以及輸移和風化過程中黏度、表面張力等油膜屬性隨油膜組分和溫度變化而發(fā)生的變化?！坝土Ｗ印蹦Ｐ突诶窭嗜蛰斶\概念, 將溢油離散為大量的油粒子, 每個油粒子代表一定的油量,油膜就是由這些大量的油粒子所組成的“云團”, 模型首先計算每個油粒子的空間位置變化及化學過程變化, 然后統(tǒng)計各網(wǎng)格上的油粒子數(shù), 從而模擬出油膜濃度的時空分布和油量變化。

“油粒子”的物理過程是指由于平流流動和湍流波動引起的粒子運動。平流運動是指每個粒子在特定的流場條件下發(fā)生的平移, 適宜用拉格朗日法模擬, 湍流波動是指由于剪切流和湍流引起的擴散運動, 適宜用隨機游動法模擬。湍流可視為隨機流場,而每個模型粒子在湍流場中的運動則類似于分子的布朗運動。每個粒子的隨機運動導致了整個云團在水體中的擴散過程。這種方法實際上是確定性方法和隨機方法的結合, 即采用確定性方法模擬平流運動, 采用隨機性方法模擬擴散過程[11-12]。

圖6 渤海海流預報結果Fig.6 The current forecasting for the Bohai Sea

圖7 BQF103浮標表層實測流速和流向與模式預報結果的比較Fig.7 The comparison of surface current speed and direction between BQF103 buoy data and simulation results

圖8 BQF109浮標表層實測流速和流向與模式預報結果的比較Fig.8 The comparison of surface current speed and direction between BQF109 buoy data and simulation results

圖9 BQF110浮標表層實測流速和流向與模式預報結果的比較Fig.9 The comparison of surface current speed and direction between BQF109 buoy data and simulation results

另外, 模型還考慮了影響油膜變化的非動力過程: 蒸發(fā)是由于石油烴類從液態(tài)向氣態(tài)的相變而造成的油膜與空氣之間的物質交換, 蒸發(fā)導致溢油中的低沸點烴類迅速減少; 乳化是一個油包水的過程,乳化物具有較高的密度和黏性, 影響溢油的擴散過程。這些溢油的風化過程對海洋生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)帶來了重大的損害, 造成長期的影響[13-15]。

2.2 溢油數(shù)值模型敏感試驗

2.2.1 敏感試驗設計

近年來, 溢油被看成是由大量“油粒子”組成的,每個油粒子代表一定的油量, 在表層海流和風場的作用下漂移運動。溢油漂移過程常指油膜在水面流場、波浪、風力等外界因素的共同作用下, 所發(fā)生的遷移過程。多年來有關溢油漂移的研究普遍認為: 油膜在水體表面漂移的主要驅動力來自于水體表層流場與表面風場。因此, 海洋環(huán)境背景場的預測差異對溢油漂移過程的影響較大。為獲得渤海海域的溢油數(shù)值模型的參數(shù), 提高溢油漂移預測的模擬精度,本文設計了 2個敏感試驗, 即溢油數(shù)值模型分辨率和風流系數(shù)對油膜預測結果的影響, 以優(yōu)化溢油漂移擴散模型。驗證資料為蓬萊19-3平臺溢油事故中,2011年7月24日18: 33和8月26日5: 08的2幅SAR(Synthetic Aperture Radar)衛(wèi)星影像解譯的油膜監(jiān)測數(shù)據(jù)。

針對溢油數(shù)值模型分辨率敏感試驗, 設計了模型水平網(wǎng)格分辨率為400 m×400 m和20 m×20 m 2種情況, 優(yōu)化溢油漂移擴展范圍的預測。

根據(jù)本文 2.1部分和 2.2部分中對業(yè)務化 WRF風場和 ROMS流場的驗證結果, 設計不同風流系數(shù)對風場和流場進行修正, 優(yōu)化現(xiàn)有溢油漂移擴散模型的預測結果, 獲得適用于渤海的溢油參數(shù)。設計了風(流)系數(shù)為0.8(0.5)、0.3(0.5)、0.3(0.2) 3種情況。

2.2.2 敏感試驗結果分析

圖10是水平分辨率為400 m×400 m和20 m×20 m時, 溢油數(shù)值模型模擬的2011年7月24日和8月26日的結果對比圖。圖10中陰影部分表示衛(wèi)星遙感觀測溢油范圍, 紅線表示分辨率為400 m×400 m的模型模擬溢油范圍, 藍線表示分辨率為20 m×20 m的模型模擬溢油范圍。從圖中可以看出, 模型分辨率為400 m×400 m時, 對油膜影響范圍、形狀等的模擬效果較差, 很難反映油膜在海水中的整體狀態(tài), 特別是對少量溢油, 模擬誤差將大于實際溢油的擴散狀態(tài); 而模型分辨率為20 m×20 m時, 能夠較好地反映油膜在海水中的分布, 與實際監(jiān)測信息基本吻合。

圖11是風(流)系數(shù)分別為 0.8(0.5)、0.3(0.5)和0.3(0.2)時, 溢油數(shù)值模型模擬的2011年7月 24日和8月26日的結果對比圖, 網(wǎng)格分辨率選擇20 m×20 m。圖中陰影部分實線表示衛(wèi)星遙感觀測溢油范圍, 藍線表示風(流)系數(shù)為 0.3(0.5)的溢油模型模擬結果, 紅線表示風(流)系數(shù)為 0.8(0.5)的溢油模型模擬結果, 綠線表示風(流)系數(shù)為 0.3(0.2)的溢油模型模擬結果。從圖中可以看出, 在該海區(qū), 選擇風系數(shù)為0.3、流系數(shù)為0.5的溢油模型模擬結果能更好地反映溢油在海面上的狀態(tài), 與實際監(jiān)測資料吻合較好;另外2種系數(shù)下模擬的溢油范圍都有不同的偏差。

綜上所述, 根據(jù)模型分辨率的敏感性試驗結果,優(yōu)化現(xiàn)有模型, 采用區(qū)域嵌套的方法, 根據(jù)不同溢油位置, 選擇較小區(qū)域進行網(wǎng)格加密, 模型最小分辨率可達20 m。風(流)系數(shù)敏感性試驗的結果表明, 環(huán)境背景場的差異對溢油漂移方向、擴散范圍有很重要的作用。根據(jù)上述試驗, 我們選擇風系數(shù) 0.3, 流系數(shù) 0.5,修正和優(yōu)化現(xiàn)有模型, 提高溢油漂移擴散預報的精度。

2.3 溢油數(shù)值模型預測結果驗證

2.3.1 2010 年5月“南海一號”平臺溢油漂移預測驗證

2010年5月13 日, 中海油天津分公司報告“南海一號”鉆井平臺在作業(yè)時鉆透相鄰采油平臺的套管, 發(fā)生溢油事故。本文根據(jù)5月13日、5月14日海監(jiān)3807飛機監(jiān)測的海面溢油分布情況和5月15日5時29分過境的中國遙感衛(wèi)星雷達監(jiān)測的溢油情況, 利用上文得到的優(yōu)化的渤海溢油數(shù)值模型, 對平臺溢油的漂移方向、主要路徑和影響范圍進行模擬預測。

將5月13日海監(jiān)3807飛機監(jiān)測的海面溢油情況作為模型初始場, 結合當時海洋環(huán)境要素場, 進行 48h溢油漂移軌跡和擴散面積的模擬預測, 預測的結果與實測對比如圖12所示。圖中實線分別表示5月13日和5月14日海監(jiān)飛機監(jiān)測溢油范圍, 虛線表示模擬預測24 h和48 h溢油可能位置, 十字線表示模擬預測溢油中心位置的 48h的漂移軌跡, 陰影部分表示模擬溢油48 h內可能擴散的影響范圍。從圖12中可以看出, 預計13~14日海上油膜將向北偏西方向漂移, 中心位置向西北方向移動約9 km, 預測漂移方向和中心位置與14日海監(jiān)3807飛機現(xiàn)場監(jiān)測到的溢油情況完全吻合; 模擬預測溢油可能影響面積與海監(jiān)3807飛機14日現(xiàn)場監(jiān)測影響范圍基本吻合, 溢油影響面積大約為10 km2, 溢油基本向北偏西方向漂移。從圖12所示對比結果可以看出, 溢油模擬24 h預測油膜中心點誤差約為3 km, 漂移方向偏差小于10°。

圖12 “南海一號”溢油漂移軌跡和面積模擬預測結果與監(jiān)測情況比較Fig.12 The comparison between simulation results of oil spill drift and diffusion area and monitoring for the oil spill event of “No.1 of Nahai ” platform

2.3.2 2011 年“蓬萊19-3”平臺溢油油膜形態(tài)短期模擬驗證

2011年6 月渤海蓬萊19-3油田發(fā)生嚴重的溢油泄漏事件, 2011年6月4日蓬萊19-3B平臺油藏持續(xù)發(fā)生滲油事故, 6月17日蓬萊19-3C平臺發(fā)生井涌,大量溢油暴發(fā)入海。此次溢油事故發(fā)生地點在海底,大量原油從海底噴出, 造成水體中大量的油污, 而且持續(xù)時間較長, 直至10月份, 監(jiān)測仍然發(fā)現(xiàn)19-3平臺附近有油膜出現(xiàn)。

本文選取2011年7月24日18時33分SAR衛(wèi)星影像解譯的油膜監(jiān)測數(shù)據(jù)作為驗證資料。該 SAR衛(wèi)星影像特點是油膜由平臺連續(xù)溢油形成, 溢油在海流和海面風的共同作用下, 呈條帶狀分布, 油帶一端與平臺相連。直至衛(wèi)星成像時, 已經(jīng)持續(xù)溢油3~4 h。以平臺位置作為溢油模擬的起始位置, 結合當時海洋環(huán)境要素場, 模擬4 h內油膜在海表面的擴散情況。圖13為溢油模擬結果與衛(wèi)星監(jiān)測結果的比較圖, 其中實線表示衛(wèi)星遙感溢油范圍, 陰影部分表示模擬預測溢油擴散范圍。可以看出, 溢油模擬結果和衛(wèi)星解譯結果在油膜的走向和形態(tài)上都非常的一致, 模擬結果較好。但油膜影響面積的模擬結果比監(jiān)測結果稍大, 溢油擴展面積預報相對誤差小于20%。

圖13 溢油模擬結果與衛(wèi)星監(jiān)測結果比較圖Fig.13 The comparison chart of oil spill simulation result with the satellite monitoring

3 結論

本文將業(yè)務化氣象數(shù)值模型WRF、海流數(shù)值模型 ROMS的數(shù)值預報結果作為海洋環(huán)境驅動場, 以蓬萊 19-3平臺溢油事件為例, 設計不同溢油敏感試驗, 優(yōu)化和完善溢油漂移擴散預測模型, 對渤海海上溢油的漂移路徑、擴展面積和掃海區(qū)域等要素進行預測。提高了溢油漂移擴散預報的精度, 為海洋溢油應急處置和防災減災提供技術支持。得到的結論如下所述:

通過模型分辨率敏感性試驗, 優(yōu)化現(xiàn)有模型,采用區(qū)域嵌套的方法, 根據(jù)不同溢油位置, 選擇較小區(qū)域進行網(wǎng)格加密, 模型最小分辨率可達20 m。

風(流)系數(shù)敏感性試驗結果表明, 環(huán)境背景場的差異對溢油漂移方向、擴散范圍有很重要的作用。根據(jù)上述試驗, 我們選擇能較好反映溢油漂移擴散結果的風系數(shù)0.3, 流系數(shù)0.5。

利用優(yōu)化的溢油漂移擴散模型對“南海一號”平臺溢油情況進行模擬預測, 并與飛機實測資料進行對比驗證, 得到預測結果與實際觀測結果吻合。

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