2010年夏季大連溢油事件期間北黃海漂流浮標移動軌跡的數(shù)值模擬

李 峣, 何 蕾, 袁東亮, 王 錚

(1. 中國科學院 海洋研究所, 山東 青島 266071; 2. 中國科學院 海洋環(huán)流與波動重點實驗室, 山東 青島266071; 3. 中國科學院 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, 對海洋環(huán)境造成威脅。針對這一情況, 中國科學院海洋研究所立即啟動應急機制,以中國近海海洋觀測研究網(wǎng)絡——黃海海洋觀測研究站為依托, 啟動了大連溢油應急災害海洋環(huán)境調(diào)查項目。水文調(diào)查方面, 在獐子島以西、大連灣以東海區(qū)投放了一個表層漂流浮標, 布放了兩個海流計。由于條件所限, 觀測點數(shù)量有限, 只能對該海區(qū)的流場進行重點位置的觀測, 在這種情況下, 數(shù)值模擬在溢油事件的應急處理及危害評估方面有著重要的參考價值和指導意義。

對該海區(qū)環(huán)流的數(shù)值模擬人們已做過較多工作,張淑珍[1]、竇振興[2]、繆經(jīng)榜[3]、林霄沛[4]、黃大吉[5]和 Wei[6]等均針對渤海或者北黃海的環(huán)流進行過數(shù)值模擬, Chao[7]、樂肯堂[8]、Yanagi[9]、王凱[10]、魏澤勛[11]和 Xia[12]等對較大范圍的海區(qū)(包括渤海和整個黃海)環(huán)流進行過數(shù)值模擬, 在他們的工作中也清晰地刻畫了這一海域的環(huán)流結(jié)構(gòu), 但是以上工作關注的都是季節(jié)及年平均的環(huán)流現(xiàn)象, 用于驅(qū)動模式的強迫場基本上為月平均或者季節(jié)平均風場。而且由于該海區(qū)直接的海流觀測甚少, 模式結(jié)果缺乏實測數(shù)據(jù)驗證。

本文通過一個雙層單向嵌套的普林斯頓大學海洋模式(POM)模擬了溢油事件期間北黃海的環(huán)流場,并用實測資料進行了驗證。

1 觀測數(shù)據(jù)和數(shù)值模式配置介紹

1.1 觀測數(shù)據(jù)

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

海流計 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 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。這兩套浮標也是由中國科學院海洋研究所自主研發(fā), 其中海流計是在中國海洋大學生產(chǎn)的SLC9-2型直讀式海流計基礎上修改了數(shù)據(jù)傳送系統(tǒng)。數(shù)據(jù)通過一個手機CDMA通訊模塊每隔6 h實時發(fā)回陸基接收站。測量期間由于通信信號故障,有少量數(shù)據(jù)丟失, 對于丟失的部分采用三次樣條方法插值得出。漂流浮標及海流計的布放位置如圖 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)建了一個基于POM的雙層單項嵌套模式。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)來自成鈞館大學的電子地形數(shù)據(jù)庫, 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。內(nèi)外層的水深最小設定為4 m,最大設定為3 000 m, 為增加計算效率及減小陡峭地形造成的POM壓力梯度誤差, 水深進行了平滑[13]。

模式由開邊界條件和表層風場驅(qū)動。模式的初始流場、海面高度及開邊界條件均來自一個西北太平洋區(qū)域的模式[12]。初始溫、鹽場來自Levitus氣候態(tài)溫度和鹽度場[14]。模式啟動階段的風場來自COADS (Comprehensive Ocean-Atmosphere Data Set)數(shù)據(jù)庫[15], 后報階段風場數(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)層模式提供開邊界條件,嵌套方法采用 Guo[16]的做法。模式從初值開始積分6 a, 然后第6年的5月底的結(jié)果作為模擬的初始場,用NCEP再分析資料2010年6月1日至8月31日的6 h風場驅(qū)動。模擬浮標軌跡是根據(jù)模式模擬出的流場采用二階龍格庫塔法計算得出, 模擬浮標釋放的位置和時間與漂流浮標布放的時間地點一致。

圖2 海流計及漂流浮標布放的位置Fig. 2 Current meter and ARGOS deployed locations

2 結(jié)果

2.1 觀測數(shù)據(jù)

為了觀察觀測點速度隨時間的變化情況, 將 Q1和 Q2點的未經(jīng)濾波的原始速度對時間進行了積分,結(jié)果如圖3所示。Q1位置, 整個觀測期間基本上以向西的海流為主, 南北方向分量較小, 在Q2點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 海流計的速度對時間的積分Fig. 3 The time integration of the velocity from current meter

漂流浮標的移動軌跡如圖 4所示。在剛剛布放的7月25, 26兩日, 移動速度比較緩慢, 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, 跨過老鐵山水道, 向南運動。之后浮標移動的方向基本保持東南方向, 并于8月7日抵達山東半島的成山角以東海域。

圖4 漂流浮標2010年7月25日～8月7日的移動軌跡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(圖 5)中, 北黃海存在一個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, 流向以西南方向為主, 基本沿著岸線方向。在渤海海峽北部,有海流從渤海進入黃海, 而在南部, 靠近山東半島北岸, 則存在從黃海進入渤海的海流。平均流場的主要結(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。

為了檢驗模式的低頻環(huán)流, 我們對模式的輸出和觀測數(shù)據(jù)均進行了低通濾波以除去潮波信號, 使用的是 5階 Butterworth 低通濾波器, 截斷頻率為40 h。模式結(jié)果和觀測流速的緯向分量(u, 向東為正)和經(jīng)向分量(v, 向北為正)時間序列的比較如圖 6和圖7所示。為了量化對比效果, 計算了觀測和模擬值之間的相關系數(shù)。在Q1點,u分量、v分量觀測與模擬的相關系數(shù)分別是0.6548, 0.3659, 均達到了95%信度。在Q2點,u分量、v分量觀測與模擬的相關系數(shù)分別是0.4836, 0.3961, 均明顯大于95%置信區(qū)間下相關系數(shù)的臨界值0.1946。

在Q1點, 模擬的流速經(jīng)向分量很弱, 以緯向分量u為主, 且u均為負值, 持續(xù)向西, 與觀測一致。并且從模擬的u分量與觀測的相關性較好(0.6548)上可以看出模擬的u分量與實測值的變化趨勢基本一致, 模擬的結(jié)果基本反映了實測流速的變化, 但是從速率大小方面來看, 模擬的u分量整體上弱于觀測值。在Q2點, 模擬結(jié)果的變化趨勢與觀測值符合良好, 波峰波谷的對應較為匹配, 但是變化的幅度即模擬的速率的大小整體上小于觀測。通過對Q1、Q2點流速的比對發(fā)現(xiàn), 模式結(jié)果基本反映出了實測流場的變化趨勢, 流動方向, 但是模擬的流速數(shù)值整體偏小。

模式模擬的Q1點和Q2點的海流, 雖然與實測海流的相關性較好, 但是整體上來說還是差強人意。主要原因可能有兩點, 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。兩處海流計放置與沿岸及海島附近, 尤其是Q2點位于眾多島嶼當中, 地形復雜, 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)達到(1°/24)×(1°/24),但是對于再現(xiàn)眾多小型島嶼附近的動力過程, 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

對表層(5 m 層)示蹤物移動軌跡的模擬結(jié)果(圖8)顯示, 在整體上看, 模擬結(jié)果與觀測有著良好的匹配。與觀測結(jié)果一致, 模擬的示蹤物自7月25日開始向西沿著遼東半島南岸移動, 于29日抵達遼東半島西南端, 并開始轉(zhuǎn)向, 這一部分與實測吻合良好,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, 與觀測一致, 模擬的示蹤物持續(xù)向東南方向移動, 并于8月8日抵達山東半島東北端。移動的軌跡與觀測十分接近, 只是速度稍慢于觀測值。

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基于POM的雙層單向嵌套模式來模擬大連溢油事件期間北黃海的環(huán)流結(jié)構(gòu)及示蹤物的移動軌跡, 并用實測數(shù)據(jù)進行了檢驗。通過和Q1和Q2點海流計的數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn), 模式基本上能夠模擬出和觀測一致的流向和流速的變化趨勢。但是與實測相比, 模擬的流速偏小, 速度的變化振幅較弱。對示蹤物移動軌跡的模擬結(jié)果也同樣反映出了這個特點。模擬的示蹤物移動軌跡與觀測基本一致, 先是沿著遼東半島南岸向西南移動, 在遼東半島的西南端轉(zhuǎn)向, 向東南方向持續(xù)移動, 一直抵達山東半島東北端外海。但是模式中示蹤物的移動速度較慢, 在抵達山東半島東北端的過程中比實測晚了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結(jié)構(gòu)和變化趨勢,能夠較好地模擬出示蹤物的移動趨勢, 為該海區(qū)的環(huán)境預警、災害評估等工作提供有益的參考。

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