張倩然，喬平玉

(山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266000)

FVCOM海洋模型模擬軌跡與漂流浮標(biāo)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的對(duì)比矯正

張倩然，喬平玉

(山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266000)

為了更好地對(duì)海洋進(jìn)行開發(fā)、保護(hù)和搜救工作，需要更多地了解海洋環(huán)境，并對(duì)海洋表面漂浮物的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。本文通過監(jiān)測獲取的漂流浮標(biāo)的實(shí)際運(yùn)行軌跡數(shù)據(jù)，將其與海洋模型FVCOM預(yù)測出的位置軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，并計(jì)算比較兩個(gè)位置軌跡之間的誤差距離及關(guān)鍵點(diǎn)的位置情況，以此了解FVCOM海洋模型在各海域的實(shí)際預(yù)測情況，并根據(jù)風(fēng)速情況對(duì)模型軌跡結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步矯正，從而使海洋模型能夠更好地進(jìn)行實(shí)際預(yù)測，進(jìn)行海洋開發(fā)研究。

海洋模型；漂流浮標(biāo)；運(yùn)動(dòng)軌跡

隨著我國海洋戰(zhàn)略的推進(jìn)，海上交通運(yùn)輸、資源獲取、海洋生物研究、海洋資源探測與開發(fā)、旅游觀光等海洋事務(wù)日益頻繁。但由于海洋環(huán)境極其復(fù)雜和多變，經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致各類問題的發(fā)生。為了避免海洋事故的發(fā)生，保障海上生命財(cái)產(chǎn)安全及海洋環(huán)境，需要對(duì)海上漂浮物的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行研究和準(zhǔn)確預(yù)測，以減少搜救和環(huán)境生態(tài)保護(hù)時(shí)的盲目行為。

Philip L. Richardson針對(duì)風(fēng)對(duì)漂浮物的影響進(jìn)行了研究[1]，證實(shí)了對(duì)于不同種類的漂浮物，風(fēng)的影響因子也不一樣。David針對(duì)海洋中漏斗型減速傘的漂流浮標(biāo)的軌跡影響進(jìn)行了研究[2]，得出對(duì)該類型漂流浮標(biāo)的主要影響因素。Katsuji根據(jù)波長相對(duì)于浮體尺寸的長短，將波浪分為長波和短波，并通過試驗(yàn)研究，證實(shí)漂浮物的漂移速度與波長、波高有關(guān)[3]。國內(nèi)對(duì)漂移軌跡預(yù)測通常采用矢量合成方法，漂移矢量由總流壓差和風(fēng)壓差矢量疊加得到。在前人研究基礎(chǔ)上，本文主要考慮選用FVCOM海洋模型來分析研究漂流浮標(biāo)與海洋模型預(yù)測誤差影響因素，并利用風(fēng)值進(jìn)行校正，以期得到更準(zhǔn)確的預(yù)測數(shù)據(jù)，方便今后的模擬和應(yīng)用。

一、漂流浮標(biāo)種類

漂流浮標(biāo)的發(fā)展主要體現(xiàn)在材質(zhì)及樣式的各種不同的變化。樣式種類包括漏斗傘狀、單葉片及4個(gè)葉片等各種不同的形態(tài)，材質(zhì)包括木制、金屬質(zhì)地及竹子質(zhì)地等。本次試驗(yàn)使用的是金屬質(zhì)地的漂流浮標(biāo)，擁有4個(gè)葉片，每一個(gè)葉片長寬均為48和91 cm。置于水中后大部分裝置在水下，水面上只包含一部分和一個(gè)傳感器，此漂流浮標(biāo)主要隨洋流的流動(dòng)而移動(dòng)，如圖1所示。

圖1 漂流浮標(biāo)樣式

二、FVCOM模型

非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格有限體積法海洋數(shù)值模式(the unstructured grid finite volume community ocean model，F(xiàn)VCOM)，是一種預(yù)測性的、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、有限體積、使用三維原始方程的沿海海洋環(huán)流模型。該模型應(yīng)用的是有動(dòng)力、連續(xù)性、溫度、鹽度、密度等參數(shù)因子的方程，在物理學(xué)上和數(shù)學(xué)上都通過紊流閉合模型的子模型來關(guān)閉，水平網(wǎng)格由無固定結(jié)構(gòu)的三角格網(wǎng)組成，而不規(guī)則的海洋底部則是使用廣義地形跟隨坐標(biāo)呈現(xiàn)。所有的預(yù)測數(shù)據(jù)和三角網(wǎng)格點(diǎn)的信息都存儲(chǔ)在三角網(wǎng)格中，包括海水深度，經(jīng)緯度、溫度及速度等。

FVCOM模型有很多不同種類，有全球和區(qū)域性的，有氣候和海洋的。本文中使用的FVCOM中的GOM 模型，是應(yīng)用在包括緬因區(qū)域的墨西哥灣、喬治銀行海域(Georges Bank)和新英格蘭大陸范圍內(nèi)的海洋模型。該模型預(yù)測系統(tǒng)主要組成部分包括天氣研究與預(yù)報(bào)模型(WRF)、海水表面波浪模型(FVCOM-SWAVE)，以及斯基尤特、波士頓港、漢普頓河和薩克灣的4大地區(qū)的沿海洪水模型。

三、軌跡對(duì)比試驗(yàn)

本次試驗(yàn)一共參考了美國海洋大氣管理局(NOAA)過去5年內(nèi)在美國東北海域投放的數(shù)百個(gè)漂流浮標(biāo)，從中選擇在模型范圍內(nèi)的海洋漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)，但由于漂流浮標(biāo)軌跡眾多，不同的漂流浮標(biāo)每次發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔也不一樣，甚至有些漂流浮標(biāo)軌跡數(shù)據(jù)因?yàn)闊o法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸而產(chǎn)生斷層。FVCOM模型在每個(gè)整點(diǎn)均提供了一個(gè)新的位置數(shù)據(jù)，為了比配這一情況，本次試驗(yàn)對(duì)所有區(qū)域范圍內(nèi)的漂流浮標(biāo)軌跡均進(jìn)行了進(jìn)一步的篩選，采用了那些總漂流時(shí)間大于30 d，數(shù)據(jù)中間沒有斷層，每次傳輸時(shí)間小于1 h，且接近整點(diǎn)，誤差不大于5 min的漂流浮標(biāo)軌跡數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬(表1為本次試驗(yàn)采用的部分漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù))。

表1 漂流浮標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

由于漂流浮標(biāo)采集的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間間隔可能是30或15 min，本試驗(yàn)只采用漂流浮標(biāo)距離整點(diǎn)時(shí)間最近的兩個(gè)數(shù)據(jù)，先算出整點(diǎn)時(shí)間的位置，然后與相同時(shí)間模型的數(shù)據(jù)一一對(duì)應(yīng)，方便數(shù)據(jù)比較。由于得到的都是模型或漂流浮標(biāo)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，需要將經(jīng)緯度的差異轉(zhuǎn)換為距離差，本次試驗(yàn)使用的公式如下

a=sin((lat2-lat1)/2)2+cos(lat1)×cos(lat2)× sin((lon2-lon1)/2)2

(1)

c=2×atan(sqrt(a)/sqrt(1-a))

(2)

Dis=c*6371

(3)

式中，lon1、lat1為第一個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)；lon2、lat2為第二個(gè)點(diǎn)的經(jīng)緯度坐標(biāo)；6371 km是地球的半徑，使用該公式得到的距離單位是千米。

圖2顯示的是漂流浮標(biāo)實(shí)際移動(dòng)軌跡(上)和FVCOM模型預(yù)測的模擬運(yùn)行線路(下)。

圖2 漂流浮標(biāo)和模型軌跡

四、影響因素矯正

從圖2中可以看出，漂流浮標(biāo)的實(shí)際運(yùn)行軌跡和模型預(yù)測軌跡存在不小的誤差，產(chǎn)生的原因有很多，其中有一部分誤差是由海洋表面的風(fēng)造成的。漂流浮標(biāo)有部分裝置是在水面上，而這一部分裝置必然會(huì)受到風(fēng)的影響。本次風(fēng)速糾正試驗(yàn)中使用的是FVCOM模型的風(fēng)速數(shù)值，對(duì)10個(gè)漂流浮標(biāo)的20 d的數(shù)據(jù)進(jìn)行不同權(quán)重的風(fēng)速糾正后得出結(jié)論進(jìn)行對(duì)比，得知風(fēng)速權(quán)重為千分之三時(shí)，誤差值最小。

得到矯正后軌跡之后，可以對(duì)比這3種軌跡。圖3中上是漂流浮標(biāo)軌跡，下是模型預(yù)測軌跡，中是矯正后的軌跡。從圖中可以看出漂流浮標(biāo)的實(shí)際軌跡和模型模擬軌跡之間還是有一定誤差并且隨著漂流浮標(biāo)的不斷運(yùn)動(dòng)，誤差也是逐步增加的，在幾個(gè)關(guān)鍵時(shí)間點(diǎn)的轉(zhuǎn)折上，兩者也存在一定的不同步情況。但是校正后的軌跡移動(dòng)曲線與實(shí)際運(yùn)動(dòng)曲線明顯更貼合，運(yùn)動(dòng)軌跡和軌跡轉(zhuǎn)折點(diǎn)也更加吻合。

圖3 漂流浮標(biāo)、模型及校正后軌跡

五、結(jié) 論

從漂流浮標(biāo)實(shí)際軌跡和模型預(yù)測的軌跡對(duì)比及之后的矯正對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論：

1) 通過大量的風(fēng)速矯正試驗(yàn)表明，對(duì)于本試驗(yàn)中采用的漂流浮標(biāo)，通常情況下風(fēng)帶來的影響權(quán)重大約是3‰。但是不同種類的漂流浮標(biāo)風(fēng)的影響權(quán)重也不一樣，為了以后能更好地進(jìn)行試驗(yàn)和研究，需要制作不同的漂流浮標(biāo)，并將各種漂流浮標(biāo)進(jìn)行比對(duì)， 方便根據(jù)不同的情況選擇不同的漂流浮標(biāo)。

2) 試驗(yàn)過程中的誤差，包括模型預(yù)測時(shí)使用的是與實(shí)際最相近的點(diǎn)的數(shù)據(jù)所造成的誤差、預(yù)測整點(diǎn)時(shí)間的漂流浮標(biāo)位置時(shí)模擬漂流浮標(biāo)軌跡存在的誤差，以及每個(gè)漂流浮標(biāo)在制作過程中不完全對(duì)稱的情況或某時(shí)間段漂流浮標(biāo)不對(duì)稱及海洋中出現(xiàn)的各種隨機(jī)情況造成的誤差。

3) 為了更好地模擬預(yù)測漂流浮標(biāo)的運(yùn)行軌跡，不僅需要深入研究本次試驗(yàn)中提到的各種誤差，還需要對(duì)FVCOM海洋模型進(jìn)行進(jìn)一步的改善。本次試驗(yàn)所用的漂流浮標(biāo)受外界的影響因素比較多，需要參考更多的影響因素，如潮汐情況對(duì)于海水運(yùn)動(dòng)的影響，以及海洋生物等其他的影響因素，然后進(jìn)行校正。

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Model Correction Study of FVCOM Ocean Model Based on the Real Drifter Moving Track

ZHANG Qianran,QIAO Pingyu

2016-07-22

張倩然(1992—)，女，碩士生，從事海洋方面研究。E-mail：zqr0229@163.com

張倩然，喬平玉.FVCOM海洋模型模擬軌跡與漂流浮標(biāo)實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌跡的對(duì)比矯正[J].測繪通報(bào)，2016(12)：124-126.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0417.

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B

0494-0911(2016)12-0124-03