现代海洋预报与服务-海上突发事件预报

海上突发事件预报2018年11月《现代海洋预报与服务》目录第一节概况第二节海上突发事件预报基础知识第三节搜救轨迹预报第四节溢油漂移扩散预报第五节污染扩散预报第六节典型预报保障个例分析2010墨西哥湾2011日本福岛赔偿200亿美元损失近2000亿美元第一节概况第一节概况我国近海及其周边海域是世界上资源开发、海上航运、水产捕捞和养殖、旅游休闲、体育赛事等活动最繁忙的海域之一，也是溢油、有毒有害化学品泄漏、船舶沉损、人员落水、海上空难等海上突发事故最多的海域之一。随着海运经济的发展和海上活动的日益增多，海上险情逐年增加。据我国海事部门统计，2002-2008年我国水上交通事故达到3664起，死亡失踪人数达到3028多人。频繁的海难事故造成了巨大的人员伤亡和财产损失。随着我国海洋运输、海上资源开发的快速发展，海上船舶和油气田溢油等海洋污染事件已成为影响我国海洋环境的重要因素。从1976—2002年，我国沿海平均每4d发生一起溢油事故。第一节概况2010大连油港2013蓬莱19-3约1500吨原油入海第一节概况2013“蝴蝶”西沙3艘沉没，88人落水2018东海桑吉装载13.6万吨凝析油的“桑吉”轮失火爆炸，32名船员失联第一节概况海上失事目标物漂移轨迹预测服务信息可以提供事故海域水文气象状况，失事人员、船只的漂移方向和漂移速度及距离，给出搜救目标各时刻的位置、不同概率的搜寻半径等信息。搜救指挥人员通过对这些信息的掌握和分析，可在最短的时间内，给出现场救援的最佳方式，科学决策搜救人力、物力的配置和调动方案，使搜救行动安全、快速地进行，为抢救人员生命和国家财产争取宝贵时间。第一节概况海上溢油漂移扩散预测,将提供溢油漂移轨迹、影响区域范围、影响岸段和最终归宿等预测结果，对有针对性的布放围油栏和派遣飞机、船舶到达现场进行应急处理，及时保护脆弱生态区及旅游养殖区等工作可以起到重要技术支撑作用；对评估沿岸海域的海洋环境灾害对海洋生态环境影响，保护海洋生态环境和海水水质及沿岸养殖业，实施可持续发展战略具有重要指导意义；对海洋生态防灾减灾科学研究和对管理部门应急反应系统的设计等也具有重要实用价值。第一节概况有害物质扩散预报对海上泄漏危险污染物质的输运扩散趋势进行合理、可信的数值预报并将其结果进行直观地展示，为危险污染物质泄漏事故应急决策、海域环境影响评价、工程规划管理提供有效的判断依据，降低危险污染物质泄漏事故对海洋生态环境造成的破坏。第二节

海上突发事件预报基础知识一、搜救轨迹预报理论重力海上目标在海面漂移时，根据牛顿第二定律，其动力学方程如下：大气拖曳力波浪辐射力海水拖曳力浮力是运动速度

t是漂移时间是质量是科氏力参数

风拖曳系数风作用于海面以上目标的受力面积相对海上目标的风速流拖曳系数海流作用于海面以下目标的受力面积相对海上目标的流速海上目标的长度波浪振幅二、溢油行为及归宿

海上溢油的行为和归宿受油品特性和多种环境因素支配，经历着扩展、漂移、蒸发、溶解、分散、乳化、生物降解、光氧化、沉降及其相互作用的复杂过程。分别研究这些过程和相互作用，是预报模拟溢油行为和归宿的基础。二、溢油行为及归宿溢油入水初期首先经历重力扩展阶段，在此阶段海流和风对油膜扩展的影响较小；随着重力扩展减弱、溢油厚度减小，油膜过渡到剪切扩展阶段，该阶段受海流和风的影响显著，油膜扩展主要由油膜底部与水、油膜上部与风之间的粘滞力驱动，流场和风场的变化起着重要作用；该阶段受海流和风的影响显著，油膜扩展主要由油膜底部与水、油膜上部与风之间的粘滞力驱动，流场和风场的变化起着重要作用。随着剪切扩展的衰弱、油膜厚度的减小，油膜最终过渡到随流漂移阶段。漂移或称溢油平流，指油膜团在风、表层和次表层流、以及波浪的作用下的平移运动。漂移运动取决于平流条件。在油－水界面上，油膜漂移主要受风的切应力、表层/次表层流和余流（波生余流、湖余流）控制。油膜平流实质上是油膜在上述合成环境动力作用下的拉格朗日漂移过程，依赖于海面风场和流场。二、溢油行为及归宿蒸发是海面溢油中的石油烃较轻组分从液态变为气态向大气的质量传输，是溢油风化的主要过程。溢油的若干物理性质（密度、粘度、组成等）都随蒸发过程而改变。溢油蒸发量受溢油面积、油膜厚度、油蒸气压和质量转换系数的强烈影响（Gundlach&Boekm，1981），而蒸气压和质量转换系数则主要决定于风速。所以环境条件（主要是风）是蒸发过程的控制因素。溶解作用是漂浮或悬浮石油烃进入水体的质量传输过程，是溢油发生后活动最短的一个过程，有效时间仅1小时左右。由风浪产生的破碎波将溢油以微粒混合体系形式分散到水体中去的垂直湍流分散过程，粒度范围为5微米到若干毫米。油排放10小时左右时分散作用最大。在分散形式之后的溢油存在期间，微粒仍被继续分散。破碎波形成的湍流在分散过程中起主要作用。油的分散过程可持续到104小时之久，二、溢油行为及归宿乳化是溢油的风化过程之一。在破碎波产生的湍流过程中，水滴被分散到油里形成油包水乳浊液，呈黑褐色粘性泡沫状乳油漂浮于海面，即所谓“巧克力奶油冻”（mousee）。乳化过程使油的粘性和容积逐渐增大。虽然这一过程的机制尚不太清楚，但已确知乳化与湍流、油成分及温度有关。海洋中到处存在着分解烃类的微生物，多达上百种。由于它们的代谢以分解石油作为碳素的主要来源，海洋环境中的烃类残留物才不至大量积累。至今还没有可计算海洋环境中原油生物降解率的实用公式。由于该过程的复杂性，大多数微生物－烃类相互作用研究都是在实验室里进行的，其结果在海洋业务中实际应用还较为困难。二、溢油行为及归宿光氧化是溢油在太阳光作用下，经历氧化、磁化、水解并产生氧化物的降解过程（Payne&Phillip1985）。此过程在溢油头几天不甚重要，但在几周后或更长时间里变得相对重要。在溢油应急预报中，光氧化远不及其他物理过程重要，一般均不予考虑。油密度随风化而增大，当超过海水密度时便开始下沉。漂浮油和分散油密度的增加是由于以下过程作用的结果：油附着于悬浮物碎屑上；溶解烃吸附在悬浮颗粒上；通过风化产生的油下沉过程。目前，油下沉过程尚不能准确预测。三、有害物质在海水环境中的行为归宿010203

广义的物理扩散包括散化污染物在水体中发生的各种物理变化和运动。狭义的物理扩散仅指污染物在海流和风的影响下，受平流扩散和湍流扩散的联合作用而散布的过程。

化学反应过程，包括水解、光解和氧化反应等，这主要取决于散化本身的化学特性。化学变化一定程度上还受到水温、气压等环境条件的影响。泄露散化可能参与的生物过程主要包括生物降解和生物积累，这些过程同样受到众多因素的影响。物理扩散化学反应生物过程化学品进入水中的归宿，主要分为以下三类：短期归宿（1）完全溶于水的有害物质：以不同的溶解速度进入海水水体（根据溶解性特点区分），海水中有害物质的浓度也会经历先升高在下降然后逐渐消失的一个过程。（2）完全不溶于水的：会被海水逐渐稀释并以不同大小的颗粒、微粒存在，或者被水中的悬浮物质吸附。同时，由于不同有害物质的密度大小不一，根据其与海水的比重大小，大致会出现3种归宿状态：漂浮于海表面、悬浮于海水水体中、沉降至海底。

长期归宿（1）完全可降解的有害物质：进入海水环境中经过一系列的物理、化学及生物反应，最终转化成二氧化碳和水。（2）完全不可降解的又害：大部分亲脂性且不易降解的有害物质将以原始形态继续留存在海水水体中。

第三节

搜救轨迹预报一、海上目标漂移试验海上目标漂移实验是通过对不同的失事目标物进行海上自由漂移实验，同时观测现场的海洋气象环境数据，获取海洋气象环境数据对不同失事目标物的影响规律，拟合参数加入海上搜救预报模式，完善搜救模型参数库；同时利用海上试验观测数据进一步验证和优化现有搜救模型参数，提高搜救预报的精度。我国自开展海上搜救模型研究以来也开展了大量的海上试验，以此来验证和优化自己创建的搜救模型，并同国外搜集模型进行对比验证。这里主要具体介绍两次海上试验以做了解和参考。（一）试验案例舟山黄泽洋海上漂移试验目标物抛放点在图红色方框范围内（122°51.279′E，30°30.123′N）。该海域海流以半日潮周期的潮流为主，潮流最大流速一般不超过两节。时间从2015年6月4日至6月5日本次海上实验共投入三条船舶（A、B、C船），进行假人和救生筏的漂流追踪，以及海上风场、流场的观测记录。（一）试验案例舟山黄泽洋海上漂移试验观测方式任务内容风流浪A船：浙定渔运01025船走航负责假人、浮标和救生筏的布放、追踪、回收，及当前位置的海流、风场同步观测。FYF-1型便携式手持测风仪美国劳雷公司的RDI“瑞江”系列ADCP进行海流观测B船：海警2501船走航主要负责跟踪救生筏，并接收假人、救生筏上的GPS定位仪发射的信号。（指挥调度）FYF-1型便携式手持测风仪目测C船：浙岱渔运03316船定点主要负责起始布放点的海流、海浪、风场的同步观测。FYF-1型便携式手持测风仪美国劳雷公司的RDI“瑞江”系列ADCP进行海流观测目测风：每半小时观测一次，取1分钟平均风速；GPS定位：每30分钟记录一次位置数据。C船站位：30°30.395′N，122°51.019′E。

漂移物参数假人

漂移物参数救生筏材质热塑混合胶重量45KG重量25KG长225cm宽40cm宽225cm高150cm高125cm是否有救生衣/潜水服有浅/重压舱水系统沙袋配重300KG水平/垂直/坐立水平半径113cm露出水面比例1：1载重核定15人是否有蓬有是否有航标灯有漂移物基本参数（一）试验案例舟山黄泽洋海上漂移试验5日5:00至17:00，风速3~4级风为主，最大风速7.3m/s；风向北风和西北风为主，15点后转为东北风。海浪以小于1.2米的轻浪为主；浪向主要为北向，15点后转为东向。5日5:27实验开始后，三种漂浮物都在涨、落潮流的作用下沿东南—西北方向往复运动，但带有一定的顺时针旋转特征，同时受西北风的影响，运动轨迹偏东南向。目标物运动方向大体跟表层流流向一致，说明浮标、假人和救生筏在实验期间的运动轨迹都主要受到潮流的影响。三种漂浮物受海表面风的影响各不相同。其中浮标受风的影响较小，运动轨迹最能反映潮流场特征；假人和救生筏受西北风影响较大（一）试验案例青岛大公岛海上漂移试验目标物抛放点在图蓝色方框范围内。蓝色方框中心（点B）坐标为120°34′02″E，35°52′58″N。目标物投放点（点A）位置120°30′54″E，35°49′51″N。2014年7月20日至21日进行投放假人A（救生衣A）和假人B（救生衣B）；投放浮标A（挂帆）和浮标B（不挂帆）；投放救生筏，并采用沙袋配重约400公斤。并放浮标C和救生衣C于救生筏上，进行定位。船舶1艘为中国海警1111船。（一）试验案例青岛大公岛海上漂移试验黑色为救生筏，蓝色为不加帆的浮标，红色为加帆的漂流浮标的数据。救生筏开始是向西北方向漂移，随后21日01:46向东北方向漂移，最终位置停留在相距抛放点的正北向约10km处；无帆的漂流浮标先是向北偏西方向漂移，在21日01:47开始向东偏北方向漂移，最终位置在抛放点东北向约4km处；加帆后的漂流浮标先是向西南向漂移，在21日01:47几乎沿原路径返回。（二）试验规范海上目标漂移实验由于不同的实验开展单位、操作人员和实验用途，带有很大的随意性，导致部分实验获得的现场观测数据很难应用于实际的工作中，造成了有限资源的浪费得同时也大程度上阻碍了实验结果的应用。因此在进行海上目标漂移实验时，应注意相关的方法和程序等细节，主要包括以下方面：试验流程海上目标特征的测量海上目标漂移轨迹的观测海流的观测海面风的观测记录方法2016年6月由预报司以技术文件的形式下发给各相关单位（二）试验规范二、搜救预报技术发展上世纪50年代，主要以IAMSAR手册中的方法，以纸和笔为工具，通过计算风、流作用下的漂移运动，以及先前搜寻的漂移误差，来确定搜寻区域。上世纪70年代，基于计算机、GIS等工具软件，搜救预报技术实现了手册方法的自动化，相继发展了美国海岸警卫队的SARP、加拿大海岸警卫队的CANSARP、美国ASA公司的SARMAP、英国BMT公司的SARIS、加拿大国防研究发展中心SARPLAN。进入21世纪以来，CANSARP系统、SARMAP系统以及SARIS系统都增加了基于蒙特卡洛方法的计算模型。SARIS系统CANSARP系统SARMAP系统二、搜救预报技术发展我国学者从20世纪90年代末才开始海上搜救决策支持系统的研究，探讨在计算机上实现手册方法的自动化，搜救预报技术以漂移轨迹预报、搜寻区域确定为主。漂移轨迹预报技术主要考虑海面风场、表层海流等环境场对海上搜救目标漂移的影响。搜寻区域确定的研究主要是对比解析法和蒙特卡洛方法的对比和验证。由于风、浪导致的漂移过程无法准确区分，从前人研究结果看，考虑海浪作用力后，海上目标漂移模拟的改善效果不一，有学者在模型中忽略波浪的作用，在不考虑涌浪时，可将风浪的作用力通过调高风拖曳系数的方法体现风浪对漂移的影响。四阶精度拉格朗日质点漂移模型：基于龙格－库塔差分方法，利用在（xn，xn＋1）之间预测多点的斜率，通过加权平均作为平均斜率以提高积分精度。它具有四阶精度。公式如下：船舶漂移速度计算采用非线性模型：基于无动力船只海上漂移试验的分析结果，考虑风、流对船舶（渔船）漂移速度的非线性作用项，其预报精度较线性模型有了明显的改善。人：船：线性模型非线性模型三、搜救目标漂移预报模式（一）国家海洋环境预报中心搜救模型（NMEFCSAR）三、搜救目标漂移预报模式（二）风压模型（LEEWAY）风压漂移是海上目标水面以上部分受风、浪作用而发生的相对于局地海流的运动。风压方法的研究始于Pingree（1944）关于海军救生筏的风压漂移的报告，该方法通过开展大量的海上目标漂移试验来获取漂移观测数据，利用经验统计方法拟合得到风压与海面风速之间的关系，确定模型参数，忽略波浪作用力，将尺寸小于30m的海上目标所受到的波浪作用力考虑到水面以上部分受到的风致漂移中。该模型参数均是通过开展海上漂移试验，利用经验统计方法对试验观测数据进行分析研究得到的，从20世纪60年代起，有学者通过开展不同类型海上目标漂移试验，已积累了可靠的漂移目标参数类型约63种，还有一些近年开展的相关研究结果未纳入进来。DownwindslopedownwindoffsetDownwindstddevWindspeedat10metersLeft-driftingRight-driftingrandomnumber三、搜救目标漂移预报模式（二）风压模型（LEEWAY）四、国家海上搜救环境保障服务平台该平台是国家海洋局组织两个国家级和三个海区级海洋预报机构，共同打造的全国统一的搜救环境保障服务业务平台。“平台”采用面向服务的SOA架构研发，整合了国家海洋局五家预报机构的海洋动力环境预报数据和搜救漂移预测模型，面向用户提供“交互式、自动化、高效率”的海上搜救漂移预测和海洋环境信息查询服务。目前该平台在北海分局、东海分局、南海分局、国家海洋信息中心、国家海洋环境预报中心部署业务化运行。并为中国海上搜救中心、各省市海上搜救中心，以及战略支援部队气象水文空间环境中心、东部战区和北部战区海军航保部海洋水文中心，浙江省海洋监测预报中心、上海海洋环境监测预报中心等二十余家单位进行了客户端的安装和培训。此外在“中国--东盟海上基金”项目的资助下，与印度尼西亚和马来西亚相关机构合作，“搜救平台”将于2018年实现对印度尼西亚和马来西亚海域的搜救环境保障服务工作。四、国家海上搜救环境保障服务平台全国海上搜救环境保障服务平台结构搜救服务请求响应流程图四、国家海上搜救环境保障服务平台环境动力数据传输流程四、国家海上搜救环境保障服务平台四、国家海上搜救环境保障服务平台四、国家海上搜救环境保障服务平台四、国家海上搜救环境保障服务平台第四节

溢油漂移扩散预报一、溢油实验数值模型的可信度及预报结果的准确度验证需要试验的验证。受到政策的限制，我国和大部分国家不允许在海上进行溢油试验，并且溢油的现场试验耗资巨大，因此文献中的溢油的大尺度现场试验数据相对稀少。2000年，“Deepspill”试验(Johansenetal.2003)在挪威北海水深为844米处有控制地释放了油气混合物。文献中大多数水下溢油模型采用了这几次试验数据开展验证工作。ROV观测的天然气所形成的气泡流释放柴油后形成的海面油污一、溢油实验由于现场试验的局限性，国内外开展了小尺度和中尺度溢油试验。SINTEF实验室在墨西哥溢油事故期间建立了直径为3米，高为6米的圆柱形水池，研究了不同体积流量、GOR和加入消油剂前后的油滴粒径分布特征(Brandviketal.2013)。中海油环保服务有限公司（天津）搭建了1m×1m×2m(长×宽×高)的水下溢油模拟实验装置,开展消油剂作用下的蓬莱19-3原油水下喷射实验,以油滴体积分布和体积中值粒径为指标,考察不同消油剂使用量对水下溢油油滴破碎的影响（见图7.35）（钱国栋等2016)。水下溢油模拟实验装置示意图(1．水下溢油模拟实验水槽;2．实验用水配制水槽;3．溢油喷射单元;4．信息采集单元)二、溢油预报技术发展历程国外自20世纪60年代已开始了溢油输运扩散数值模拟预报方法研究。Reed等对20世纪溢油模型研究和发展进行了回顾，溢油模型研究可分为3大模拟类别和研究阶段：Fay模式、基于欧拉观点求解对流-扩散方程、基于拉格朗日观点的“油粒子”模式。进入21世纪后，基于各种模拟方法都有其各自的优势和劣势，一部分学者提出针对溢油不同阶段采用不同模拟方法进行优势互补。同时，各国基于溢油模型相继建立并完善溢油业务化预测系统。二、溢油预报技术发展历程早期经典的溢油扩展模型是Fay（1969）提出的在静水或恒流环境下，油膜所受的重力、表面张力、惯性力和粘性力形成两两平衡的扩散三阶段理论。在此基础上，许多学者考虑实际海洋动力环境的影响，提出一系列的改进模式，如Liu等、Lehr等的有关溢油行为和性质的预报模式。Fay理论的修正模型在一定程度上取得了较好的计算结果,早期得到了广泛的应用。该模式对溢油轨迹的计算比较准确,但油膜扩散面积的可靠性仍有不足。同时上述油膜行为模式都是以油膜连续性为前提的，因而不能重现实际存在的油膜的破裂过程。众多关于水下溢油的理论和实验研究表明，Fay模式并不适用于水下溢油的模拟。（一）Fay模式及其修订模式二、溢油预报技术发展历程该数值方法由二维有限流体动力学和油在溢出地的寿命分析所组成，将海上已知的溢油量或者根据环境影响评估得到的一个浓度作为源项，加入动力学方程，然后数值求解对流-扩散方程。该方法的主要困难在于稳定性问题,即数值离散化过程中可能会引进与物理扩散无关的数值扩散,破坏了油源附近的高浓度梯度区质量守恒条件，并可能导致负浓度的出现，使得所得结果失真,不能描述真实的物理过程。代表性的是日本人FumioHoriguchi等（掘口文男等，1991）采用该方法模拟了海湾战争期间阿拉伯湾的溢油，虽然结果给出了表面油膜和进入水体中油的分布，但其结果与实测结果误差较大。另外，还有一些溢油过程难以利用对流-扩散方程来模拟，如比较典型的非Fick扩散问题，而且此方法的三维溢油平流扩散数值模拟运行所需时间很长，不能满足溢油应急预报的时效要求。（二）基于欧拉观点求解对流-扩散方程二、溢油预报技术发展历程溢油输运扩散模式一个重要的新发展，是Johanseen（1982、1985、1987）和Johanseen&Audunson（1982）以及Elliott(1986)提出的所谓“油粒子”模式（Parcelmodel）。在该理论中，油作为被破碎后参混到水中的“油微粒”来模拟溢油的归宿。该方法正确解释了溢油在重力扩展停止以后的扩散现象问题，突破了采用对流-扩散方程模拟溢油的缺陷，不仅避免了对流扩散模式本身带来的数值扩散问题，同时还可以正确重现海上油膜的破碎分离现象，更确切地表述溢油对各种海洋动力因素的响应，准确描述溢油的真实扩散过程。因此，“油粒子”模式在溢油模拟发展过程中具有划时代的意义，也成为了当今主流的溢油模式。国内外很多学者对其进行了应用和发展，并得到了较理想的结果。Shen等、杨小庆等、Yapa等分别建立的河流溢油传输数学模型；Zhang等建立了一种海上溢油行为预报模式（SURF模式），考虑了油膜的输运和风化过程；张存智等建立了三维溢油动态预报模型并应用于渤海湾，模型结果与卫星资料较吻合；Lou等对三维溢油的扩散过程做了理论推导。（三）基于拉格朗日观点的“油粒子”模式二、溢油预报技术发展历程基于“油粒子”概念的溢油模型代表了当今油膜行为研究的新趋向，但这一理论也有不足之处，特别是由于计算机能力限制，为满足预报时效要求，采用该方法必须对粒子数进行限定。另外，虽然该方法能够准确地模拟出溢油在重力扩展停止以后的扩散现象，但忽略了溢油初期重力和惯性力作用下的自身扩展过程。对于小规模溢油，油膜的自身扩展过程较短，初期扩展面积较小，对其作忽略处理而直接模拟溢油的湍流扩散过程对计算结果影响不大，但对于大规模瞬时溢油，油品泄漏时间很短的情况，油膜面积将在短时间内急剧扩大，随后扩延速度变慢，溢油初期的自身扩展效应显著大于湍流扩散效应，而该方法采用湍流扩散来模拟油膜的自身扩展过程就显的不够合理。（三）基于拉格朗日观点的“油粒子”模式二、溢油预报技术发展历程基于各种模拟方法都有其各自的优势和劣势，近几年，Guo等提出采用混合方法模拟溢油漂移扩散过程，针对不同的预报要素采取不同的模拟方法。比如，对于海面溢油，初期的溢油扩展可以采用改进的Fay模式进行模拟，在油膜厚度变化到达最终厚度后，采用“油粒子”拉格朗日随机游走方法模拟预报溢油输运路径和影响范围。“油粒子”垂向扩散比例及入水深度则采用实验获取的经验概率公式进行计算。油膜厚度的模拟采用油膜动力学模型求解。进入水体后的溢油，则在考虑海流的垂向湍流作用下采用“油粒子”拉格朗日随机游走方法进行模拟。溢油浓度的模拟则通过求解溢油浓度输运方程来获得。（四）优势互补型混合模拟方法三、溢油漂移扩散数值预测模型Lagrangian随机游走方法的“油粒子”模型（一）海上溢油输运扩散模型为标准高斯'whitenoise'，为水平扩散系数，为垂向扩散系数，为时间步长，为常数。假设水平扩散为Fick扩散，用垂向涡旋粘性()代表，源自由于海面波浪导致的雷诺应力的半经验公式（Ichiye,1967）随机游走方法三、溢油漂移扩散数值预测模型（一）海上溢油输运扩散模型2阶精度轨迹计算方案4阶精度轨迹计算方案三、溢油漂移扩散数值预测模型（一）海上溢油输运扩散模型蒸发扩展乳化密度变化粘度变化模型中考虑了溢油的扩展、蒸发、乳化、密度变化、粘性度变化。三、溢油漂移扩散数值预测模型（二）海上溢油风化模型1）蒸发：2）乳化：3）密度变化：Stiver和Mackay(1985)Mackay等（1980）三、溢油漂移扩散数值预测模型（二）海上溢油风化模型当水中油滴升到海面时，便成为表面粒子并与其他的表面粒子一起随表面流平移和扩散。当水中油滴下沉到海底时，则认为其粘在海底上，在模拟中也声明该粒子“死掉”，不再参与计算。当“油粒子”运动位置超出模式计算海域时，在模拟中也声明该粒子“死掉”，不再参与计算。当“油粒子”到达海岸时，我们采用ZHANG（1997）文中所用的方法来判定“油粒子”是否靠岸，如果靠岸则不再参与计算。三、溢油漂移扩散数值预测模型（三）油粒子扩散边界条件处理三、溢油漂移扩散数值预测模型（四）溢油输运扩散及归宿数值模式设计及计算流程海面溢油水下溢油搁浅溢油风表层海流水平扩散浮力波浪海流水平扩散垂向扩散输运模块风化模块蒸发乳化密度溢油输运扩散及归宿数值模式结构设计图模式计算流程图四、溢油业务化数值预报系统1．海上溢油应急预报业务系统

该系统是由国家海洋环境预报中心建立的，在溢油漂移扩散数值模型的基础上,耦合国家海洋环境预报中心目前业务化运行的海流和风场数值预报系统,建立了业务化海上三维溢油应急预报系统。2008年实现了该系统的业务化应用，为“大连输油管爆炸溢油”，“蓬莱19-3油田溢油”等溢油事件中的应急预报保障工作提供重要的技术支持。系统的主要特点为：（1）系统模拟范围覆盖整个全球海域；（2）基于拉格朗日“油粒子”模型，考虑风场、海流、海浪、浮力以及湍流对溢油漂移扩散的影响；（3）能处理不同类型的油源类型和油源信息；（4）与业务化的风场、海流系统相衔接能使预报结果更加及时、准确。（一）国内溢油业务化数值预报系统四、溢油业务化数值预报系统2．中国近海海上溢油预测与应急决策支持系统

该系统是由中海石油环保服务有限公司开发的，由三维水动力模型、溢油风化模型、环境敏感区图和决策支持模型组成。系统能够预测海面油膜的漂移-扩散行为和风化过程,提供敏感区污染预警和资源优先保护次序、溢油应急优化方案以及溢油清污效果实时动态模拟。系统的主要特点是：（1）可提供海上溢油动态数值预测；（2）提供敏感区预警和优先保护次序；（3）提供溢油事故的处理及人员、设备的配备与调动方案；（4）提供溢油清污实时动态模拟效果；（5）系统基于C/S模式构建，通过互联网或专网提供客户服务；（一）国内溢油业务化数值预报系统四、溢油业务化数值预报系统3．渤海海域溢油应急预测预警系统

该系统由国家海洋信息中心研发，能够实现对溢油污染物快速准确的模拟预报及溯源回推。该系统由海流数值预报模型、波浪数值预报模型、海面风场数值预报模型和溢油漂移扩散数值预报模型、可视化系统五部分组成，系统的主要特点为：（1）该系统将海流模块、海浪模块以及大气模块集成为预报系统，并在计算服务器上进行无人值守自动业务化运行。（2）融合NET平台的可移植性与ArcEngine9.3的可视化和空间显示分析功能于一体。（3）实现了S57海图、常规海图、常规陆域电子地图、卫星遥感影像的同步分图层显示。（4）建立了溢油环境敏感资源多媒体信息管理系统，包括环境敏感资源原始技术和影像资料数据、环境敏感资源敏感性和优先保护次序技术指标等。（5）建立了溢油应急资源信息管理系统，包括应急设备库分布、应急队伍分布等。（一）国内溢油业务化数值预报系统四、溢油业务化数值预报系统1.OILMAPOILMAP是美国ASA（AppliedScienceAssociate）公司自20世纪80年代开始研发的溢油系统，目前已成为一个综合性且应用广泛的溢油数值模拟系统。能预测油膜漂移轨迹、扫海面积，还能进行溯源回推，以确定溢油位置。该系统的主要特点为：（1）三维计算模型，能追踪溢油的风化过程及溢油在水上/水下的运动轨迹；（2）具有溯源功能，能反推溢油的来源；（3）能模拟溢油与岸线、海床、冰面覆盖区的相互作用；（4）可输入观测的实时数据信息对模拟结果进行更新；（二）国外溢油业务化数值预报系统四、溢油业务化数值预报系统2.OSCAR(oilspillcontingencyandresponse)OSCAR是由挪威科技工业研究院开发，主要是为溢油事故的应急响应提供客观分析的三维溢油模型，可以量化分散油云的变化，主要包括溢油风化模型、三维溢油轨迹模型、行为归宿模型、暴露模型等。能模拟溢油漂移轨迹和风化过程，通过模拟为溢油应急反应做策略分析，能计算海面和水体中的溢油对海洋生物的短期及长期影响。（二）国外溢油业务化数值预报系统四、溢油业务化数值预报系统3.GNOME(GeneralNOAAOilModelingEnvironment)GNOME是NOAA的HAZMAT(HazardousMaterialsResponseDivision)开发的溢油模型，能模拟由风、海流、潮和扩散引起的溢油漂移路径，可读取各种网格的流场数据，包含三种输出模块，应用性较广，可输出粒子扩散图片和动画，并估算出某时刻附岸、漂浮、蒸发、分解等不同状态的溢油量，进行实时溢油预测，指导溢油应急反应，可建立溢油地理信息档案。（二）国外溢油业务化数值预报系统五、西北太平洋海域溢油应急

预测预警系统及平台目前国家海洋环境预报中心溢油应急预测预警系统的预报范围已覆盖整个西北太平洋海域，能进行72小时的短期预报和中长期的后报。该系统采用了基于“油粒子”方法建立的溢油漂移扩散模型，并结合了中心已业务化运行的西北太平洋海流和风场预报系统，可对海面油井平台瞬时或者连续溢油、海面运动油轮连续溢油、海底沉船连续溢油、海底输油管道连续溢油、提取卫星图片中油膜形态和油膜位置预报油膜的漂移路径、范围和登陆点等进行模拟预报。系统控制中心自动运行预处理和各模式。数据交换中继，根据各模块需求自动获取和发送数据及控制指令预处理模块确定系统各模式的启动时间、预报时效、范围环境动力模块输出各时刻的水位、二、三维流场、海面风场、海浪、海温等溢油模块输出各时刻的溢油漂移速度、溢油范围、溢油路径等溢油信息时间、位置、油量、范围、溢油方式可视化溢油漂移轨迹、影响范围、影响岸段等海流预报系统东中国海南中国海西北太风场预报系统西北太风场溢油风化模块扩展、蒸发、乳化、密度变化等业务化溢油预报系统分两套：1、渤海三维溢油数值预报系统；2、中国海和西北太二维溢油数值预报系统。系统结构图：五、西北太平洋海域溢油应急

预测预警系统及平台海洋环境要素预报（海面风、表层流、海浪等）海上溢油输运扩散预测模型溢油信息溢油预报平台（漂移轨迹、环境信息等）建立了海上溢油应急预报系统能够提供未来48小时溢油漂移路径、扩散范围、影响海域及岸线、登陆地点及时间等预报产品。2008年已在国家中心安装并试验运行,多年来同卫星中心、海监总队建立良好联动机制。基于CS架构和GIS平台的溢油应急预报系统，具有引导式操作界面和海洋综合信息窗口，用户可通过客户端操作，方便快捷，提高应急服务效率。五、西北太平洋海域溢油应急

预测预警系统及平台海面平台连续溢油漂移扩散运动运动油船连续溢油动态行为不同源项的处理卫星遥感油带的漂移扩散运动海底沉船溢油三维漂移扩散五、西北太平洋海域溢油应急

预测预警系统及平台以GIS和海洋环境信息可视化技术为支撑，结合溢油预报各专项业务需求，在充分借鉴已有成果的基础上，利用成熟软件技术，开发溢油应急预报系统用户远程操作平台，辅助预报员制作准确、符合标准规范、美观的预报产品，全面提升溢油预报服务能力。溢油预报系统平台采用基于.net框架的WinForm技术，整体界面以鲜明的蓝色为基本色调，突显海洋行业特色。WinForm应用程序相对于WebForm，具有响应快速，稳定等特点。五、西北太平洋海域溢油应急

预测预警系统及平台模型参数设置模型提供了卫星图片、人工报点、人工交互式区域绘制、点源等几种方式，进行溢油面的绘制、溢油面绘制完成后可动态的添加粒子，以用于生成模型参数文件。五、西北太平洋海域溢油应急

预测预警系统及平台通过模型计算结果可在系统中生成溢油轨迹预报图、浓度分布图、溢油散点图、溢油轮廓图、溢油扫海面图，用户可方面的使用截图功能将这些图用于预报单制作。第五节

污染物扩散预报一、海上有害物质泄露研究现状危险化学品等泄漏进入水体后，即使是很低的浓度，也会危害海洋中的生态环境，所以对有害物质在水体中的迁移扩散过程的研究一直受到国内外学者的高度重视。瑞典、挪威、芬兰等几个北欧国家于1985年组成了北欧环境保护理事会，对散化泄漏应急反应进行了深入的研究。荷兰国家水利局采用了一维输送、扩散模型对易溶化学品及悬浮化学物质进行了模拟，随后又考虑了溢漏点附近下游地区的横向扩散、盐度和不规则河堤对化学物质输运和扩散的影响。加拿大对油和散化溢漏后的归宿和行为及应对环境的影响研究开展的比较深入，模拟软件与地理信息系统相连，提供方便快捷的环境参数以供泄漏应急决策之用。一、海上有害物质泄露研究现状

在国内，这方面的研究也发展较快。张存智等利用ADI法模拟了大连湾潮流场及污染物浓度分布，建立了污染源输入与纳污水域响应的数值模型；沈永明等利用季节性水质模型WAHMO研究了大连湾水质；李适宇等开发了三维水质富营养化模型3DQEM研究珠江口水域的化学耗氧量、溶解氧、无机磷和有机磷；周莉华采用GLLVHT模型对江苏冷海水排放温度场进行模拟计算，预测其环境影响等等。国家海洋环境预报中心在“十一五”期间开展了海上突发事故应急技术研究，推动了海洋可溶性污染物输运扩散模式系统业务化的应用，在应对日本核电站事故产生的放射性污染物应急预报中发挥了重要的作用。二、海上有害物质污染预报方法海上有害物质主要来源包括沿海城市陆源排放、船舶泄漏、溢油、海难事故、自然灾害等，其发生的时间、位置、方式和数量等具有多变的特性。污染源也有多种分类方法，按照物质形态可分为固态、液态和气态。一般海上污染物以液体形态较常见，在污染源处理时首先将可溶性的海洋污染物分为两个大类，即保守物质和非保守物质。对于非保守物质来说，除了不断扩散而使浓度降低外，还有污染物自身衰减而加速浓度的下降。按照有害物质的物理化学性质又可分为海面漂移类、溶解类、易挥发类、悬浮类、沉降类和放射类。二、海上有害物质污染预报方法对海洋物质扩散迁移规律的预测研究主要有实验方法和数值模拟方法。海上有害物质污染预报方法可分为经验方法、统计方法和数值模拟方法。使用数值模拟方法进行污染预报通常使用格朗日模型和欧拉模型。数值模拟具有通用性和灵活性的特点，能应用于测量数据较少的场合，可以基本合理估算有害物质浓度的时空分布及其变化，已成为有害物质浓度扩散迁移规律研究的主流方法。二、海上有害物质污染预报方法海面漂移类的危化品入水后的迁移参考溢油漂移扩散预报技术。溶解类的危化品入水后的迁移存在两种形式：平流和扩散。平流即危化品随水质点的运动移到新的位置，扩散包括分子扩散、剪切流离散和湍流扩散等。溶解型化学品一般采用求解对流扩散方程的方法进行模拟。为污染物的浓度和为海洋水平扩散系数和垂直扩散系数S0为单位时间内污染源排给单位体积海水的污染物质量ki为降解系数，与水流特性、海洋生物的种类和数量、海水温度等海洋环境因素有关。如果污染物属于保守物质，那么降解系数ki取为零。；u，vw为海水流速二、海上有害物质污染预报方法挥发类危化品采用数值模型的不同可分为经验模型和CFD模型。经验模型是20世纪90年代研究易挥发型危化品泄漏扩散规律的主要方法。经验模型主要经历两个发展阶段：中性、浮性云扩散数值模型和重气云扩散数值模型。CFD模型是基于流体动力学（Computational

Fluid

Dynamics）开发的泄漏扩散模拟软件系统。传统的CFD软件有FLUENT、CFX、PHOENICS，在危化品泄漏扩散方面均有应用。悬浮和沉降类危化品采用“粒子追踪模型”来模拟其输移扩散过程，每个粒子代表一定的危化品量。每个粒子主要在水平和垂向海流作用下运移，危化品自身的扩展可通过粒子的随机运动来体现，考虑其垂向上重力和浮力作用情况来实现对其悬浮和沉降特征的模拟。目前尚未有特别理想的模型来模拟此类危化品的漂移扩散；可以用来粗略模拟的有CHEMMAP模型、MIKE模拟软件。放射类污染物在海洋中的输运扩散过程尚不明确，主要在溶解类输运扩散过程模拟中考虑其浓度的衰减和被海洋颗粒物吸收后的沉降过程等。三、海上有害物质输运扩散数值预报系统海上有害物质输运扩散数值预报系统应用业务化海洋水动力数值预报系统计算的水动力环境要素，为海上有害物质输运扩散提供水动力环境背景场。选择污染物扩散参数计算方法及模式参数，与海洋水动力模式衔接，实现海上有害物质输运扩散的计算，预测给定污染源的输运轨迹、扩散方向、影响范围等结果。系统主要由前处理模块、环境动力预报模块、污染物输运扩散预报模块和后处理模块四部分组成，具备对海上突发污染有害物泄漏造成水污染的扩散方向及范围等进行数值预报能力，提供污染预警预报数据与信息，增强应对有害物质泄漏事故应急处置能力。前处理模块包括对有害物质的来源分析，通过现场监测或预评估等手段，获取有害物质泄漏发生的地点、有害物质组成、类型与强度、溢漏方式等信息。根据输入的有害物质源信息，选取相应的系统参数，启动环境动力预报模块和污染物输运扩散预报模块对海上有害物质输运的扩散方向及范围等进行数值计算。系统提供污染预警预报数据与信息，将有害物质浓度变化趋势、扩散面积、输运路径等数据及图片信息形成直观、便捷的预报产品。三、海上有害物质输运扩散数值预报系统海上有害物质输运扩散预报流程：第六节

典型预报保障

个例分析2014年10月舟山渔船漂移试验一、搜救轨迹预报2014年10月31日至11月4日，在舟山海域开展了2次无动力渔船的漂移实验。第一次漂移24小时，第二次漂移21.5小时。基于多套业务化搜救预测模型，利用业务化的海面风场预报结果及西北太平洋、渤黄东海等不同海流模型的表层海流预报结果，开展集合漂移预报。在此次无动力渔船的漂移预测工作中，经对预测结果进行检验及误差分析，此次预测总体上基本准确。

救生筏人（无帆表漂）事故描述：2014年07月21日19时30分在青岛外海约120°38′24″E，35°55′48″N处发生船舶碰撞沉没事件，有6人登上救生筏，若干人落水失踪。预报：落水人员漂移方向为东北，救生筏漂移方向为北；检验：12小时内的实际轨迹均在预报搜寻范围内，预报准确；12小时距离误差小于2公里12小时距离误差小于4公里2014.7.22搜救应急演练一、搜救轨迹预报2、疑似漂移物的溯源及预测分析内容漂移速度、距离、轨迹、搜寻范围等考虑模型对不同物体参数的敏感性，针对不同物体（人、船只、集装箱）进行漂移溯源和预测分析。1、搜寻海域及航线的环境预报要素风、能见度、浪、海流、海温事故描述：2014年3月8日凌晨01时20分，马来西亚航班MH370在北纬06°55’15”N，103°34’43”E失去联系，机上载有239人。同年03月24日，经马方确认在南印度洋“终结”。2015年1月29日，马来西亚民航局宣布MH370航班客机失事，并推定机上所有人员遇难。应急保障：预报中心于3月8日启动24小时搜救应急预报，进行搜寻海域及航线环境预报和疑似漂移物的

溯源及预测分析，6月10日结束应急，保障95天。共开展10次应急会商、发布107期预报单和18期专刊。2014年马航MH370失联搜救应急保障溯源分析漂移预测一、搜救轨迹预报事故描述：当地时间2015年7月29日上午，位于印度洋南端的法属留尼汪岛的海岸上发现一块“疑似来自马航MH370客机”的飞机残骸，据当地居民描述，该残骸长达2米，残骸上有编码BB670，目击者称残骸表面覆盖有贝壳。2015年8月6日，马方宣布该残骸经确认属于MH370航班客机。应急保障：预报中心于7月30日即启动应急程序，第一时间对已有的海上搜救漂移模型进行修改和调试，收集、分析相关海域的海流、风场数据，对疑似残骸漂移路径进行模拟。保障内容：1.模拟残骸可能的来源NMEFCSAR模拟结果显示，残骸在过去的16个月，很有可能来自此前搜寻区域的北部海域，漂移路径包括两种：先向北再向西或者直接向西漂移；

残骸来自此前搜寻区域的南部海域可能性较小，此海域的残骸漂移方向主要是直接向东漂至澳大利亚西海岸。2.评估下一步水下搜寻区域法属留尼汪岛发现的残骸来自下一步搜寻区域的可能性较小。2015年7月29日MH370残骸模拟分析

2015年7月29日在法属留尼汪岛发现的残骸此前搜寻区域漂移平均轨迹示意图下一步搜寻区域一、搜救轨迹预报二、溢油漂移扩散预报2010.