王火平，郭延良，回貞立，于 龍，胡筱敏，熊學(xué)軍

(1.中海石油(中國(guó))有限公司深圳分公司 深水工程建設(shè)中心，廣東 深圳 518000；2.自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.海洋試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266237；4.自然資源部海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266061)

南海的石油、天然氣、可燃冰等自然資源十分豐富，具有極高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[1-2]。隨著我國(guó)深海油氣資源開采技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)深海油氣勘探開發(fā)技術(shù)能力和經(jīng)濟(jì)實(shí)力大幅度提升。與此相比，人們對(duì)南海水動(dòng)力過程的認(rèn)識(shí)還遠(yuǎn)不能滿足資源開發(fā)的實(shí)際需求。特別是在南海北部，水動(dòng)力條件復(fù)雜，潮流、內(nèi)波流和中尺度渦流等多尺度海洋動(dòng)力過程并存，對(duì)海上工程設(shè)施、海上作業(yè)過程及船舶航行安全等均會(huì)產(chǎn)生影響[1-2]。其中，中尺度渦攜帶80%以上的海洋動(dòng)能，比大部分海域平均環(huán)流能量大一個(gè)量級(jí)[3-4]，不僅直接影響海洋的溫鹽流結(jié)構(gòu)和生態(tài)系統(tǒng)[5-8]，而且對(duì)海洋動(dòng)能、熱量輸運(yùn)等也有重要的影響作用[9-12]。

在呂宋海峽、臺(tái)灣海峽復(fù)雜的出入流以及陡峭的海底地形、顯著的季風(fēng)等因素作用下，南海及其周邊海區(qū)，特別是南海北部成為中尺度渦的高度活躍海區(qū)[13-14]。近年來隨著海洋調(diào)查技術(shù)和數(shù)值模式的快速發(fā)展，溫鹽深測(cè)量?jī)x(CTD)、聲學(xué)多普勒海流剖面儀(ADCP)、拉格朗日漂流浮標(biāo)、水下滑翔機(jī)、衛(wèi)星高度計(jì)等觀測(cè)手段及數(shù)值模擬等技術(shù)被越來越多地應(yīng)用到南海中尺度渦的調(diào)查研究當(dāng)中，對(duì)中尺度渦的分布、大小、周期、傳播特性、水體輸運(yùn)等特征以及發(fā)生機(jī)制等已進(jìn)行了大量研究，并取得了豐富的成果[15-21]。對(duì)南海中尺度渦的時(shí)空分布特征、三維結(jié)構(gòu)與發(fā)生機(jī)制等已有了較清楚的認(rèn)識(shí)[9, 13, 22-28]，并提出了一些中尺度渦可預(yù)報(bào)性方法和模型[14, 29-31]。但中尺度渦旋是海洋中高度非線性的物理現(xiàn)象[11, 32]，而且反氣旋的非線性要明顯強(qiáng)于氣旋，特別是在南海陸坡東部、東沙島附近海域，渦旋的非線性特征尤其顯著[2]。此外，中尺度渦旋在運(yùn)動(dòng)過程中受地形、背景流和其他渦旋的影響也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)非線性作用，從而導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)以及運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)生改變[1, 4]。當(dāng)中尺度渦與背景流發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)因其對(duì)背景流的強(qiáng)擾動(dòng)而導(dǎo)致流場(chǎng)的巨大變化，導(dǎo)致“怪流”現(xiàn)象的發(fā)生，對(duì)海上工程安全造成威脅。目前，中尺度渦與背景流、地形等海洋環(huán)境要素的相互作用過程和機(jī)制仍不夠清楚[1-2, 9]，其預(yù)測(cè)仍是物理海洋學(xué)的研究重點(diǎn)和挑戰(zhàn)。

流花16-2油田群位于南海北部海域，2021年5月8日，海上施工船“FPSO-119”在此海域作業(yè)時(shí)出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)大幅失位現(xiàn)象，所幸各限位船與“FPSO-119”施工船及時(shí)溝通、快速應(yīng)對(duì)，避免了對(duì)施工的影響。由于施工船并無動(dòng)力，發(fā)生失位情況時(shí)無法主動(dòng)應(yīng)對(duì)，且施工船與限位船距離較近，施工船在水下與油田還有石油管道相連，還有工作人員在水下作業(yè)，如果未能及時(shí)應(yīng)對(duì)施工船的瞬時(shí)大幅度失位，船舶、設(shè)施和人員安全等都會(huì)受到極大威脅，甚至?xí)劤芍卮笫鹿省；诖?，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料和公用資料分析的基礎(chǔ)上，推測(cè)此次施工船短時(shí)間大幅失位原因是由中尺度渦流與背景流正向疊加產(chǎn)生的“怪流”所導(dǎo)致。為規(guī)避施工中可能遇到的這種現(xiàn)象，利用海表面高度異常(SLA)資料、TPXO全球海潮模型數(shù)據(jù)以及HYCOM模式數(shù)據(jù)，基于FVCOM模式提出了一種渦流預(yù)報(bào)方法，有效實(shí)現(xiàn)了作業(yè)海域后續(xù)2天的渦流預(yù)報(bào)，使相關(guān)海上作業(yè)設(shè)施和船只能夠從容應(yīng)對(duì)這種“怪流”、避免事故發(fā)生。本研究工作可為該海域海洋開發(fā)與建設(shè)安全保障提供可靠的支撐。

1 研究數(shù)據(jù)

1.1 現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)

2021年5月2日至7月17日，針對(duì)流花16-2油田群開發(fā)項(xiàng)目中“FPSO-119”施工船錨腿回接、帶纜、限位、潛水作業(yè)等海上施工，在施工船只東南向120°、距離約10 km處采用ADCP進(jìn)行了海流全剖面觀測(cè)(圖1)。觀測(cè)點(diǎn)水深約400 m，海流觀測(cè)ADCP觀測(cè)層厚設(shè)置為8 m，第一層有效觀測(cè)水深為18 m，觀測(cè)時(shí)間間隔為1 min。海流觀測(cè)數(shù)據(jù)采用PD18模式通過傳輸纜實(shí)時(shí)傳輸至電腦終端?？紤]到監(jiān)測(cè)船的漂移會(huì)影響到海流觀測(cè)，在船舶駕駛室頂部安裝了一臺(tái)高精度差分GPS，用于校正ADCP觀測(cè)到的海流。下文利用5月2日—5月10日以及5月13日—5月18日兩個(gè)時(shí)段獲得的海流數(shù)據(jù)用于潮流提取、現(xiàn)象分析和預(yù)報(bào)結(jié)果對(duì)比分析。

圖1 施工船與監(jiān)測(cè)船位置示意

1.2 海表面高度異常(SLA)數(shù)據(jù)

SLA資料是衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)的主要產(chǎn)品，它是研究大洋環(huán)流、中尺度渦旋和海氣相互作用以及海洋數(shù)值業(yè)務(wù)預(yù)報(bào)等必不可少的資料。采用由AVISO(archiving validation and interpretion of satellite oceanography，法國(guó)國(guó)家空間研究中心衛(wèi)星海洋學(xué)存檔數(shù)據(jù)中心)發(fā)布的SLA資料(數(shù)據(jù)下載網(wǎng)址：ftp.aviso.altimetry.fr)，該資料主要由TOPEX/POSEIDON、Jason-1和ERS/Envisat等多顆高度計(jì)衛(wèi)星資料融合而成，空間覆蓋范圍為全球海域，空間分辨率為1/4°，時(shí)間分辨率為1 d。選用自施工船失位當(dāng)天2021年5月8日至2021年5月18日的資料用于計(jì)算與分析。

1.3 HYCOM海洋預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)

HYCOM(hybrid coordinate ocean model)是近些年來主流的全球海洋環(huán)流模式，數(shù)據(jù)包括海表面高度(SSH)、溫鹽(T、S)及海流(U、V)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)水平分辨率為1/12°，網(wǎng)格點(diǎn)范圍為(78°38′24″S—66°00′00″N，180°W—180°E)，垂向從海表面5 m到底層5 000 m，共分40層；時(shí)間分辨率為1 d；預(yù)報(bào)時(shí)效為7 d，預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)水平分辨率是1/12°(數(shù)據(jù)下載地址為https://tds.hycom.org/thredds/catalog/GLBy0.08/expt_93.0/FMRC/runs/catalog.html)。選用自施工船失位當(dāng)天2021年5月8日至2021年5月18日的HYCOM海流預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行中尺度渦流預(yù)報(bào)，并與實(shí)測(cè)海流數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠性對(duì)比分析。

1.4 TPXO7.2海洋潮流模型數(shù)據(jù)

TPXO(Topex/Poseidon Crossover Solution)是同化T/P交叉點(diǎn)數(shù)據(jù)建立的系列全球海潮反演模型，TPXO7.2同化了T/P、Jason-1、ERS-2以及諸多驗(yàn)潮站數(shù)據(jù)，可以獲取包括M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MF、MM、M4、MS4及MN4共13個(gè)分潮的潮流和潮汐預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。使用MATLAB版本的TMD(tidal model driver)潮汐模型驅(qū)動(dòng)程序?qū)こ厅c(diǎn)進(jìn)行潮流預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)結(jié)果(驅(qū)動(dòng)程序下載地址為http://g.hyyb.org/archive/Tide/TPXO/TPXO_WEB/global.html)。

2 “怪流”現(xiàn)象分析

2021年5月8日20時(shí)左右，“FPSO-119”施工船在限位作業(yè)時(shí)短時(shí)間內(nèi)大幅失位，船艏向由130°偏轉(zhuǎn)至8°。當(dāng)日監(jiān)測(cè)船24 h的實(shí)測(cè)海流觀測(cè)結(jié)果如圖2所示。

圖2 2021年5月8日逐時(shí)實(shí)測(cè)海流

可以看出，20時(shí)左右開始海流流速和流向與前5小時(shí)相比變化較大：18時(shí)海流流速僅17.3 cm/s，流向?yàn)?08°；19時(shí)開始出現(xiàn)“怪流”，流速陡然增大至41.5 cm/s，流向?yàn)?27°，其后20時(shí)更是觀測(cè)到高達(dá)57.8 cm/s的流速，流向?yàn)?71°。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)氣象與海洋監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)日無異常氣象現(xiàn)象發(fā)生，無異常波浪和海洋內(nèi)波等其他可能的海洋現(xiàn)象影響，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)、船舶系纜等均正常，也無異常外力作用。

由于施工海域位于南海中尺度渦的高發(fā)區(qū)，故考慮中尺度渦的影響。繪制當(dāng)日的SLA分布圖如圖3所示，可以看出，施工船正好位于兩個(gè)較強(qiáng)的反氣旋渦的交界處，兩個(gè)渦旋相互作用、相互影響，在交界處很容易出現(xiàn)流速流向劇烈的變化，因此初步推測(cè)“怪流”現(xiàn)象是由于中尺度渦與潮流相互作用所致。

圖3 2021年5月8日南海北部SLA分布

為進(jìn)一步分析渦旋與潮流的關(guān)系，采用HYCOM預(yù)報(bào)的海流數(shù)據(jù)，分析了監(jiān)測(cè)船觀測(cè)點(diǎn)處的海流分布，這一區(qū)域位于中尺度渦與海流相互作用的海區(qū)，其海流對(duì)應(yīng)著渦流相互作用中的渦流，即中尺度渦與背景流(如潮流)的合成流；另外，為了盡可能保證潮流的準(zhǔn)確性，利用5月2日至5月10日現(xiàn)場(chǎng)ADCP海流觀測(cè)資料進(jìn)行準(zhǔn)調(diào)和分析，提取出5月8日當(dāng)天的潮流信息。從圖4監(jiān)測(cè)船觀測(cè)點(diǎn)中尺度渦流與潮流的分布可以看出，潮流流向由13時(shí)與中尺度渦流反向，到20時(shí)逐漸轉(zhuǎn)向至與中尺度渦流基本同向，兩者合成流由反向相消變?yōu)檎虔B加，引起流速的快速增加，正是中尺度渦流與潮流的這種正向疊加造成了“怪流”現(xiàn)象的發(fā)生。

圖4 2021年5月8日觀測(cè)站位中尺度渦流與潮流逐時(shí)分布

3 中尺度渦流預(yù)報(bào)方法

基于“怪流”現(xiàn)象的分析結(jié)果，擬建立一種中尺度渦流預(yù)報(bào)方法，制定針對(duì)工程海區(qū)的中尺度渦流預(yù)報(bào)方案，向施工船提供中尺度渦流預(yù)警，以規(guī)避可能發(fā)生的船只失位帶來的事故風(fēng)險(xiǎn)。該預(yù)報(bào)方法的基本思路為：首先根據(jù)SLA資料捕捉可能影響工程海區(qū)的中尺度渦；然后通過HYCOM數(shù)值模型和TPXO7.2海洋潮流模型分別獲取中尺度渦流預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)和潮流預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)并進(jìn)行矢量合成疊加；最后采用FVCOM數(shù)值模型，開展施工海域未來五天時(shí)間內(nèi)的中尺度渦流預(yù)報(bào)，對(duì)施工海域的中尺度渦流進(jìn)行預(yù)報(bào)。

3.1 模型簡(jiǎn)介

目前FVCOM已成功開發(fā)并應(yīng)用于南海，可準(zhǔn)確模擬主要潮汐波及風(fēng)海流[33-34]。為了實(shí)現(xiàn)南海北部中尺度渦的精準(zhǔn)模擬與預(yù)報(bào)，采用多尺度分辨的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模式計(jì)算方案，構(gòu)建高分辨率數(shù)值模型。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格模式的優(yōu)勢(shì)之一在于可以靈活地實(shí)現(xiàn)對(duì)岸線的詳細(xì)刻畫，從而改善模型在近岸河口受河流徑流影響區(qū)域的預(yù)報(bào)精度。

模型計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格點(diǎn)分布如圖5所示。工程海區(qū)地處南海北部，受周圍海域流系、渦旋等現(xiàn)象影響顯著，因此，確定模型計(jì)算范圍時(shí)充分考慮了周邊海域可能的影響，將模型計(jì)算區(qū)域擴(kuò)大至包括了臺(tái)灣海峽—廣東沿海—廣西北部灣的整個(gè)南海北部，以及部分西太平洋和東海海域。其中，模型南邊界延伸至西沙群島以南出于考慮北部灣與南海北部陸架之間的水交換和南海暖流的影響；模型東邊界位于呂宋海峽的東側(cè)出于考慮黑潮入侵的影響；模型北邊界則位于臺(tái)灣海峽以北的福建—浙江交界附近出于考慮臺(tái)灣海峽貫穿流及沿岸流系的影響(圖5)。模型水平網(wǎng)格分辨率約5 km，南海北部區(qū)域局部加密至1 km，以實(shí)現(xiàn)南海環(huán)流體系和中尺度渦的模式分辨。模型垂向采用σ坐標(biāo)，分100層，表、底層基于tanh函數(shù)采用加密的非均勻分層，這樣既保證在大地形梯度區(qū)域海洋動(dòng)力過程能夠連續(xù)分辨，如南海陸坡處，同時(shí)在陸架區(qū)海表海氣交換過程也具有較高的垂向分辨率。

圖5 FVCOM模型計(jì)算區(qū)域和網(wǎng)格

模型的開邊界包括環(huán)流和潮汐條件，其中潮汐部分水位和流速通過TPXO全球潮汐產(chǎn)品中的8個(gè)主要潮汐分量(M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1)預(yù)報(bào)得到，非潮汐水位和三維環(huán)流則通過HYCOM逐日預(yù)報(bào)結(jié)果得到，將兩者線性疊加得到開邊界處的水位和流速邊界條件。由于動(dòng)量、溫度和鹽度的水平和垂直擴(kuò)散的不確定導(dǎo)致FVCOM基礎(chǔ)方程在數(shù)學(xué)上的不封閉，選取Mellor和Yamada 2.5級(jí)(MY-2.5)湍流閉合方案[8]。模型采用800 m分辨率的GEBCO地形數(shù)據(jù)。海面驅(qū)動(dòng)條件包括風(fēng)速、氣壓、凈短波輻射量、海表凈熱通量和蒸發(fā)和降水，其中風(fēng)速、氣壓、凈短波輻射量和降水由NCEP再分析產(chǎn)品(Version 2)插值獲得，海表凈熱通量和蒸發(fā)量則根據(jù)模式內(nèi)部的COARE算法估算得到。河流流量采用多年平均的月均值。

為驗(yàn)證模式的可靠性，將工程點(diǎn)處FVCOM模型海流模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)海流進(jìn)行了對(duì)比，以2021年5月8日18 m水深海流為例(圖6)。

圖6 2021年5月8日實(shí)測(cè)海流與FVCOM模式海流結(jié)果對(duì)比

由圖6可以看出，00:00—11:00預(yù)報(bào)海流以北向流為主，12:00—23:00以南向流為主，流向與實(shí)測(cè)海流的方向除在06:00—08:00、11:00、13:00差別在45°以上(56°～89°)，其他時(shí)刻與實(shí)測(cè)海流流向基本相符(3°～42°)；模擬的海流流速與實(shí)測(cè)流相比整體偏小，05:00、10:00及19:00—20:00時(shí)刻流速差在15 cm/s以上，其他時(shí)刻流速差大部分在10 cm/s以下，但流速大小整體分布趨勢(shì)與實(shí)測(cè)流基本一致；兩者可能最大海流出現(xiàn)的時(shí)段大致相同(19:00—22:00)。因此，F(xiàn)VCOM模式結(jié)果基本可以反映出施工船附近海域的海流狀況。

3.2 中尺度渦流預(yù)報(bào)方法

南海北部海域是中尺度渦的聚集、傳播區(qū)，分為氣旋型和反氣旋型，大多都是從東北向西南方向移動(dòng)；中尺度渦區(qū)域海流流速整體呈中部小、邊緣的渦帶區(qū)大的分布形式，最大流速往往出現(xiàn)在渦帶區(qū)；中尺度渦總體旋轉(zhuǎn)與移動(dòng)速度不大，但若與漲落急時(shí)刻的潮流正向疊加，則會(huì)產(chǎn)生較明顯的“怪流”。

針對(duì)這一海區(qū)開展過內(nèi)波流的預(yù)警，根據(jù)形成機(jī)制和觀測(cè)統(tǒng)計(jì)分析，該海區(qū)內(nèi)波流具有較穩(wěn)定的方向性，可以通過工程上游海區(qū)單點(diǎn)監(jiān)測(cè)實(shí)現(xiàn)預(yù)警[35-36]。與一過性的內(nèi)波流不同，中尺度渦經(jīng)過工程區(qū)需要一定時(shí)段，因此不能采取類似這種上游海區(qū)單點(diǎn)監(jiān)測(cè)預(yù)警的方式，需重點(diǎn)關(guān)注與限位船艏向垂直的橫向流，特別是最大渦流與最大潮流的正向疊加。基于此，下面提出的中尺度渦流預(yù)報(bào)方法主要步驟：

1)根據(jù)SLA資料外推預(yù)報(bào)

根據(jù)SLA歷史大數(shù)據(jù)資料和現(xiàn)勢(shì)資料，捕捉未來5 d可能影響到工程海區(qū)的中尺度渦，分別對(duì)其鎖定跟蹤，結(jié)合該區(qū)位歷史渦旋活動(dòng)規(guī)律、潮運(yùn)動(dòng)、背景流、天氣過程等因素，定性分時(shí)預(yù)報(bào)。

2)通過HYCOM數(shù)值模型獲取中尺度渦流預(yù)報(bào)

采用HYCOM數(shù)值模型，獲取施工海域未來5 d時(shí)間內(nèi)的中尺度渦流預(yù)報(bào)，對(duì)施工海域的中尺度渦流進(jìn)行過程分析。

3)TPXO潮流預(yù)報(bào)

采用TPXO7.2的潮流模型，獲取施工海域未來5 d時(shí)間內(nèi)的潮流數(shù)據(jù)，對(duì)施工海域的潮流進(jìn)行預(yù)報(bào)。

4)通過FVCOM數(shù)值模型自主開展中尺度渦流預(yù)報(bào)

采用FVCOM數(shù)值模型，開展施工海域未來5 d時(shí)間內(nèi)的中尺度渦流預(yù)報(bào)，對(duì)施工海域的中尺度渦流進(jìn)行實(shí)況預(yù)報(bào)。

5)中尺度渦流預(yù)警

基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的后報(bào)檢驗(yàn)，以FVCOM數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果為主，結(jié)合SLA預(yù)報(bào)、HYCOM預(yù)報(bào)和TPXO預(yù)報(bào)結(jié)果，針對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)需求，定性判斷、定量表達(dá)，為了保證預(yù)報(bào)的時(shí)效性和可靠性，每天9時(shí)提供當(dāng)天及未來1 d的中尺度渦流預(yù)報(bào)：

① 提供當(dāng)天和未來1 d可能影響工程海區(qū)中尺度渦旋分布圖；

② 提供當(dāng)天和未來1 d可能影響工程海區(qū)中尺度渦旋運(yùn)移趨勢(shì)分析，通過SLA局部極值獲取渦旋中心位置，進(jìn)而得到渦旋平均移動(dòng)速度和方向；

③ 提供定時(shí)量化預(yù)報(bào)，包括最大流速的時(shí)刻、流速、流向。

提供定時(shí)量化預(yù)報(bào)信息的發(fā)布，每日發(fā)布時(shí)間為9時(shí)?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)船結(jié)合實(shí)時(shí)海流信息與預(yù)報(bào)信息，向“FPSO-119”施工船提供預(yù)警。

4 預(yù)報(bào)結(jié)果與分析

4.1 海流預(yù)報(bào)結(jié)果

根據(jù)中尺度渦流預(yù)報(bào)方案，開展了可能影響工程海區(qū)中尺度渦旋的分布情況以及移動(dòng)趨勢(shì)的預(yù)報(bào)，并將中尺度渦流與潮流疊加，預(yù)報(bào)當(dāng)天及未來一天可能出現(xiàn)最大流速的時(shí)間、流速及流向。以2021年5月17日9時(shí)發(fā)布的17日—18日海流預(yù)報(bào)為例，預(yù)報(bào)結(jié)果如下：

1)影響工程海區(qū)中尺度渦旋運(yùn)移趨勢(shì)預(yù)報(bào)

根據(jù)SLA數(shù)據(jù)外推可知，目前施工海域主要受位于其南側(cè)的一個(gè)氣旋渦影響，17日氣旋渦中心位于(116°00′00″E，19°24′00″N)附近，并以0.05 m/s的速度向北移動(dòng)，預(yù)計(jì)18日渦旋中心移至(116°00′00″E，19°26′24″N)附近。工程海區(qū)中尺度渦旋以及由SLA數(shù)據(jù)反演的地轉(zhuǎn)流分布如圖7所示。

圖7 2021年5月17日與18日SLA與地轉(zhuǎn)流

2)定時(shí)量化預(yù)報(bào)

首先獲取施工船位置5月17日—18日的HYCOM模式海流預(yù)報(bào)結(jié)果，分析可能最大中尺度渦流出現(xiàn)的時(shí)刻、流速及流向；然后利用TMD潮汐模型驅(qū)動(dòng)程序得到5月17日—18日的潮流數(shù)據(jù)，同樣分析可能最大潮流出現(xiàn)的時(shí)刻、流速及流向；最后將潮流與中尺度渦流矢量疊加，給出2天內(nèi)可能最大海流出現(xiàn)的時(shí)刻、流速及流向，向“FPSO-119”船提供預(yù)警。從表1和圖8可以看出，中尺度渦流5月17日變化較小，流速在15～23 cm/s之間，流向在225°～245°之間，5月18日渦流變化范圍較大，流速在11～35 cm/s之間，流向在195°～250°之間。每天漲潮和落潮期間均會(huì)出現(xiàn)一次可能最大潮流，流速在0.20～0.21 cm/s之間。落潮期間，潮流與中尺度渦流正向疊加，出現(xiàn)當(dāng)日的可能最大海流；而漲潮期間，潮流與中尺度渦流反向相消，合成流較小。

表1 5月17日—18日工程點(diǎn)潮流與中尺度渦流疊加預(yù)報(bào)結(jié)果

圖8 5月17日—18日工程點(diǎn)中尺度渦流、潮流及合成流

綜上所述，由于當(dāng)前施工船正處于氣旋渦的西北邊緣，中尺度渦流的流向在195°～250°之間，因此在落潮期間與潮流同向，兩者正向疊加出現(xiàn)一天當(dāng)中的可能最大海流，施工船在5月17日—18日落潮期間應(yīng)保持警惕。

4.2 對(duì)比分析

為驗(yàn)證海流預(yù)報(bào)的可靠性，將預(yù)報(bào)海流與實(shí)測(cè)海流數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析。由于預(yù)報(bào)海流只考慮了中尺度渦流與潮流兩種主要海流，并未考慮內(nèi)波流等其他背景海流，為了具有可比性，從實(shí)測(cè)海流中剔除了5月17日21時(shí)流速為150.49 cm/s的內(nèi)波流。

從圖9和圖10工程點(diǎn)5月14日至5月18日實(shí)測(cè)海流與合成海流分布與誤差分布可知，中尺度渦流與潮流矢量合成得到的預(yù)報(bào)海流與實(shí)測(cè)海流相比，前者由于只考慮了中尺度渦流和潮流因而更具有規(guī)律性，而實(shí)測(cè)海流由于影響因素眾多流速和流向變化幅度較大，但兩者的整體趨勢(shì)大體一致。5月14日，實(shí)測(cè)與預(yù)報(bào)海流均由西南向流轉(zhuǎn)為西北向流，體現(xiàn)了潮流的漲落潮變化，表明潮流在海流中占主導(dǎo)地位，兩者流向誤差除在04:00、06:00—07:00、15:00—16:00、21:00時(shí)刻差別在45°以上(55°～96°)，其他流向誤差較小，日均流向誤差為27°；在漲急與落急時(shí)段兩者流速大小相近，而在漲憩與落憩時(shí)段實(shí)測(cè)海流流速明顯大于預(yù)報(bào)海流，日均流速誤差為14 cm/s。5月15日—5月18日，受氣旋渦的影響，工程點(diǎn)的實(shí)測(cè)海流與預(yù)報(bào)海流均以西南向流為主，流速呈間歇性變化；實(shí)測(cè)海流多個(gè)時(shí)刻由西南向流變?yōu)闁|南向流或西北向流，預(yù)報(bào)海流僅在5月15日由西南向流逐漸變?yōu)闁|南向流，然后轉(zhuǎn)為西北向流，兩者流向平均誤差為40°。除了在5月16日00:00前后等個(gè)別時(shí)段預(yù)報(bào)海流流速大于實(shí)測(cè)海流外，其他時(shí)段預(yù)報(bào)海流流速整體較實(shí)測(cè)海流偏小，平均流速誤差為18 cm/s。這是由于實(shí)測(cè)海流中除了中尺度渦流與潮流之外，還包括內(nèi)波流、風(fēng)海流等其他海流的影響，復(fù)雜程度要遠(yuǎn)大于預(yù)報(bào)海流。雖然剔除了內(nèi)波流發(fā)生時(shí)刻的內(nèi)波流，但其相鄰時(shí)刻的海流仍受內(nèi)波流、風(fēng)海流的影響。因此預(yù)報(bào)流速較實(shí)測(cè)流速要小，在工程應(yīng)用時(shí)需結(jié)合內(nèi)波流、風(fēng)海流等其他信息綜合考慮分析。

圖9 5月14日至5月18日實(shí)測(cè)海流與合成海流

圖10 5月14日至5月18日合成海流與實(shí)測(cè)海流的誤差

綜上所述，本文預(yù)報(bào)的中尺度渦流可以大致反映實(shí)測(cè)海流的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)(平均流向誤差40°)，雖然流速與實(shí)測(cè)海流相比偏小(平均流速誤差17 cm/s)，但給出了可能最大流速出現(xiàn)時(shí)刻和流向，可作為工程海域施工過程中應(yīng)對(duì)“怪流”的重要參考。

5 結(jié) 語

針對(duì)流花16-2油田群開發(fā)項(xiàng)目中“FPSO-119”施工船在遇到“怪流”后瞬時(shí)大幅度失位現(xiàn)象，在排除其他海洋現(xiàn)象與外因影響的前提下，分析認(rèn)為“怪流”出現(xiàn)的原因是施工海域內(nèi)存在的中尺度渦與潮流發(fā)生正向疊加所導(dǎo)致。在此基礎(chǔ)上，提出了一種將中尺度渦流與潮流矢量疊加的渦流預(yù)報(bào)方法，預(yù)報(bào)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)海流數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果顯示，該方法可對(duì)海洋工程海域后續(xù)2天的渦流進(jìn)行有效預(yù)報(bào)。提出的渦流預(yù)報(bào)方法可為海上工程施工船應(yīng)對(duì)“怪流”提供重要參考，其預(yù)報(bào)結(jié)果可以幫助海洋工程施工和船舶航行規(guī)避事故風(fēng)險(xiǎn)，為海洋開發(fā)與建設(shè)服務(wù)提供安全保障。主要結(jié)論如下：

1)“FPSO-119”施工船的瞬時(shí)大幅度失位現(xiàn)象，是由作業(yè)海域內(nèi)的中尺度渦與落潮時(shí)刻的潮流正向迭加產(chǎn)生的“怪流”所導(dǎo)致；

2)基于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以FVCOM數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果為主，結(jié)合SLA預(yù)報(bào)、HYCOM預(yù)報(bào)和TPXO預(yù)報(bào)結(jié)果，提出了一種將中尺度渦流與潮流矢量疊加的渦流預(yù)報(bào)方法。經(jīng)過與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的后報(bào)檢驗(yàn)，該方法能夠反映施工海域內(nèi)渦流在未來2 d內(nèi)的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)以及可能最大海流出現(xiàn)的時(shí)段、流速和流向等主要特征，可作為海上工程應(yīng)對(duì)“怪流”的重要參考。

需要注意的是，利用本渦流預(yù)報(bào)方法預(yù)報(bào)的流速與實(shí)測(cè)海流相比較小，在工程應(yīng)用中需結(jié)合內(nèi)波流、風(fēng)海流等其他信息綜合考慮分析。