东海“桑吉”轮事故溢油污染的长期预测

“桑吉”轮事故溢出的凝析油和燃料油对漂油途经海域的海洋生态会产生长期灾害性影响。对溢油污染水体的漂移轨迹和污染程度及范围的预测可为海洋环境保护及污染评估提供重要基础信息。基于国家海洋局第一海洋研究所研发的海洋环境业务化预报系统,本研究较精确预测了“桑吉”轮事故发生后至沉船位置的漂移轨迹;继而利用拉格朗日粒子追踪法预测了撞船后60天内的油粒子漂流轨迹。结果表明,沉船点附近的溢油主要向东北方向输运,大部分油粒子进入西边界强流黑潮并在黑潮带动下迅速进入黑潮延伸体海域。基于预报系统2009-2017年历史表层海流资料,对溢油影响程度和范围进行了风险概率分析,结果显示受溢油影响最大的区域为沉船点东北方向海域。     

海上无动力船舶漂移轨迹模型及其在“桑吉”油轮漂移模拟中的应用

无动力或破损的船舶在海上自由漂移对海上的各项生产活动是一个巨大的危险。通过对海上漂浮的船舶进行受力分析,考虑船舶的外形特征及漂浮状态,建立了海上船舶漂移轨迹模型,对船舶海面以上与以下侧向投影面积之比(面积比)、风拖曳系数、流拖曳系数等参数均进行了敏感性分析,并针对2018年1月6日爆燃的"桑吉"油轮漂移轨迹开展了模拟应用。结果表明该模型针对不同类型海上船舶的漂移轨迹有一定合理的模拟能力,船舶面积比是准确模拟漂移轨迹的一个重要参数,同时,该模型对风拖曳系数、流拖曳系数较为敏感。针对"桑吉"油轮的模拟,科氏力的作用不可忽视,考虑科氏力作用后漂移轨迹的模拟效果得到了很好的改善。     

海上危化品漂移扩散数值模拟研究进展

近几年,海上危化品泄漏事故频发,对海洋生态环境造成了严重影响,而有关海上危化品漂移扩散数值模拟的研究还处于起步阶段。本文依据危险化学品的理化性质及其泄漏进入海水后的扩散行为的不同,将目前常见的海运危险化学品划分为4大类:海面漂移型、溶解扩散型、悬浮输移型和易挥发型。在此分类的基础上,总结归纳了国内外现有的适用于海上危化品漂移扩散的数值模型,对于未来海上危化品泄漏扩散快速预报、精细化预报模型的建立以及危化品泄漏的应急处置具有一定的参考价值。     

江苏重点海域绿潮漂移扩散数值模拟

江苏海域是绿潮灾害的多发海域,本文利用MIKE3模型建立了江苏辐射沙洲重点海域三维水动力模型,并采用实测资料对模型进行验证和率定;在水动力模型的基础上建立绿潮漂移扩散模型,对江苏海域绿潮漂移路径进行了模拟并与卫星遥感监测的结果进行对比。对比结果表明,模型24 h和48 h模拟结果与卫星遥感图像分析结果较吻合,模型能为江苏海域绿潮的预警预报提供一定参考。     

黑潮跨陆架入侵东海年际变化的数值模拟

为了研究黑潮跨过200m等深线对东海入侵的年际变化特征,本文基于ROMS(Regional Ocean Modeling System)海洋模式,对西北太平洋海域进行了高分辨率的数值模拟,模式水平分辨率高达4km,该分辨率可以很好地分辨黑潮以东区域的中尺度涡旋等过程。模式首先进行了6年的气候态模拟,然后进行了1993到2015年的后报模拟。模式很好地再现了东海陆架已知的环流结构,模拟出的对马海峡和台湾海峡的年平均流量和观测结果也比较一致。基于模式结果,利用旋转经验正交函数(REOF)的方法,对黑潮跨过200m等深线流量的年际变化进行分析。REOF的主要模态表明,黑潮跨过200m等深线对东海陆架的入侵主要发生台湾东北,并且入侵主要集中在黑潮次表层水中。主要模态的时间系数表明,黑潮入侵东海陆架的年平均流量存在一个8年的变化周期。相关性分析表明,黑潮入侵东海陆架的年际变化和太平洋年代际振荡PDO(Pacific Decadal Oscillation)指标具有显著的负相关,其相关系数达–0.63。该相关可以通过如下过程解释:PDO会导致东太平洋风应力涡度异常,由Sverdrup关系可知向赤道的体积输运也会相应地产生异常,根据质量守恒,向赤道体积输运的异常必然通过西边界流-黑潮的异常来平衡,从而导致黑潮入侵东海陆架强烈的年际变化。     

渤海海上溢油漂移扩散数值模拟研究

近几年渤海海上溢油突发事件频发,对海洋环境造成严重的污染。本文将业务化气象数值模型(Weather Research and Forecast model,WRF)、海流数值模型(Regional Ocean Model System,ROMS)的数值预报结果作为海洋环境驱动场,采用"油粒子"的海上溢油漂移扩散数值模拟方法,对在渤海发生的溢油扩散行为进行模拟预测。本文针对渤海溢油事件,设计敏感试验,研究不同风、流系数和网格分辨率对溢油扩散模拟结果的影响,获得适合于渤海的溢油数值模型参数,提高溢油漂移扩散预报的准确度,为海洋溢油应急处置和防灾减灾提供技术支持。     

危险化学品海上漂移扩散数值模拟研究综述

总结归纳了国内外目前常用的水动力模型的发展、特点及应用情况,并根据危化品的理化性质及其泄漏入海后的运动形式,将海上危化品分为溶解扩散型、海面漂移型、沉降型和易挥发型4种类型.在此分类的基础上,简要概述了各类型海上危化品漂移扩散数值模型的特点及应用情况,为研究海上危化品泄漏扩散预测及应急处置提供参考.     

长江口宝钢码头溢油事故油膜漂移扩散数值模拟

溢油事故发生后,油膜的漂移扩散会对周围水域和环境敏感目标造成污染。研究溢油事故后油膜漂移扩散,可为溢油事故的处理提供理论指导。本文应用河口海岸三维水动力模式ECOM-si(semi-implicit estuarine,costal and ocean model),耦合溢油漂移扩散模块,模拟和分析长江口宝钢码头发生溢油事故后油膜的漂移扩散,以及对环境敏感保护目标的影响。基于长江口崇明东滩气象站实测风速风向资料,给出影响溢油漂移的主导风和不利风向。在冬季多年平均1月径流量11700m³·s^–1、主导风、3个不利风和潮汐作用下,数值模拟并详细给出了宝钢码头溢油事故发生后油膜的平面分布、油膜到达和离开4个水库取水口和饮用水水源保护区以及其他环境敏感保护区的时间、持续影响时间和最大油膜厚度。长江口宝钢码头溢油事故发生后,油膜随涨落潮流作上下游来回振荡,径流使油膜向海输运,风使油膜朝风向方向漂移。在主导风北风5.6m³·s^–1风速下,油膜沿长江口南岸向下游漂移扩散,小部分进入北槽南侧。在不利风向东南风4.0...     

天津大港滨海湿地溢油漂移扩散数值模拟研究

利用MIKE-HD建立二维水动力模型,模拟分析夏季天津大港滨海湿地附近海域水动力特性,采用实测潮位、潮流数据对模拟计算结果进行验证。在获得水动力数据的基础上,针对南港工业区船舶通航量加大的趋势,利用MIKE-SA模块建立溢油扩散模型,对溢油事故进行预测。结果表明,在风、潮的综合影响下,低潮时刻溢油24 h后的扩散面积比高潮时刻大,其中SW常风情况下其扩散面积最大,达72.04 km2;当风向与潮流方向一致时,即本文中低潮时刻溢油,油膜中心运动速度最大,扩散面积也最大。     

渤海、黄海、东海潮流、潮能通量与耗散的数值模拟研究

基于ROMS海洋数值模式,对渤海、黄海、东海的潮汐、潮流进行数值模拟,模拟结果与91个沿岸验潮站的实测结果拟合较好。研究表明,渤、黄、东海内的潮波以半日潮为主,共有4个半日潮、2个全日潮和1个退化的半日潮旋转潮波系统,且都呈逆时针方向旋转;渤海的半日潮流主要呈顺时针方向旋转,全日潮流呈逆时针方向旋转,黄海的潮流以逆时针旋转为主,东海、朝鲜海峡潮流以顺时针旋转为主;半日分潮流共有13个圆流点,K1(O1)分潮流有10(9)个圆流点,但全日潮流的同潮时线分布较为复杂;太平洋传入东海的4个主要分潮潮能通量分别为118.341GW、19.525GW、5.630GW、3.871GW,一半以上的潮能耗散在南黄海,30%—40%的潮能耗散在东海,其次是北黄海,而渤海最小。     

黑潮入侵东海陆架途径及其影响研究进展

基于中国科学院战略性先导科技专项(A类)"热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响"的项目二"黑潮及其变异对中国近海生态系统的影响"的航次调查资料、历史资料和数值模拟结果,对黑潮入侵东海的途径、机理和影响研究取得了重要进展,主要认识和成果如下。在长江口邻近海域的赤潮高发区,多学科研究结果证实存在黑潮入侵东海陆架近岸的底部分支,该分支是黑潮影响近海生态过程的主要途径。进一步的研究发现该底部分支存在季节变化:通常情况下,在春季开始出现,在夏季7月份达到最强,可以入侵到近岸50m等深线位置,向北可到达30.5°N附近,然后在秋、冬季其入侵主轴位置逐渐远离岸线向外海偏移,不会入侵到50m等深线以西的近岸区域,该底部分支出现和赤潮发生具有一定的同步性。数值模拟和观测结果表明黑潮入侵底部分支还存在年际变化。基于地球动力学理论,提出了地形β-spiral理论,并为模拟结果和观测资料所验证,该理论可以很好的解释为什么黑潮入侵分支会存在,并且该理论预测出凡是黑潮路径与等深线不平行的地方都会发生入侵流的垂向偏转,底层流的方向和地形梯度的角度决定了入侵主要发生在底层还是表层,且该理论在世界大洋具有普适性。此外,研究还表明,黑潮入侵底部分支可以把具有高磷酸盐、高盐、溶解氧含量相对较低等特征的黑潮次表层水及热带藻种等物质输送到长江口邻近海域,从而对东海陆架生态系统产生重要影响。     

南海海上溢油漂移扩散预测微机视算系统

应用科学计算可视化新技术，结合动力海洋学、计算数学、计算机图形学和计算机技术，以通用３８６微机作支持硬件系统，用ＭＳＦＯＲＴＲＡＮ语言、汇编语言和图形核心系统（ＧＫＳ）软件包，研制开发出南海海上溢油漂移扩散预测微机视算系统。该系统不仅能够利用南海风场和流场资料，按所选定的海上溢油漂移扩散计算模式模拟计算出海面溢油浓度分布情况，而且还能够把模拟计算结果以图形方式实时、动态地显示在屏幕上，从而形象、直观地看到溢油漂移扩散变化的全过程。     

渤海表层悬沙分布季节变化特征与控制因子的数值研究

针对整个渤海海域悬浮泥沙季节变化及其影响机制的数值研究相对缺乏且机制尚不清晰,基于ROMS三维海洋模型对渤海海域水动力环境与悬沙分布开展数值模拟。模拟结果显示,渤海海峡环流终年“北进南出”,夏季环流明显强于冬季,并呈现外围逆时针环、内部顺时针环的“双环”结构。渤海中部海域在夏季存在明显的温跃层现象,其强度分布与等深线较为一致,温跃层在4月开始形成,7月最强。渤海表层悬沙分布具有显著的季节变化,冬季悬沙浓度最大,秋季次之,春季再次之,夏季最小。控制悬沙浓度的波流底切应力在秋冬季节较大,春夏相对较小,且流致切应力始终在波流切应力中占主导地位。秦皇岛海域悬沙浓度常年偏低的主要原因是位于M2无潮点附近,属于弱潮流区,底层流速相对较小,底部沉积物发生再悬浮概率较小。夏季温跃层的存在在一定程度上减小了底边界层流速,增大了流速的垂向梯度,对底部悬浮泥沙的向上扩散有明显的抑制作用。因此,温跃层的存在是造成夏季表层悬沙浓度最低的重要原因。     

渤、黄、东海潮汐、潮流的数值模拟与研究

基于FVCOM海洋数值模式,采用高分辨率的三角形网格,对渤、黄、东海的潮汐、潮流进行数值模拟,并通过比较120个沿岸验潮站和14个潮流观测站的实测与模拟结果进行模型验证,两者符合较好。根据模拟结果,给出了四个主要分潮的潮汐同潮图和5m层潮流最大流速及最大潮流同潮时分布。渤、黄、东海共有5个半日分潮和3个全日分潮的独立旋转潮波系统,且都呈逆时针方向旋转;半日潮流和全日潮流各有12个圆流点;在冲绳岛和奄美岛两侧的4个半日潮流圆流点分别呈对称分布,其中有3个为本文首次给出;在日本九州岛西侧还新给出2个全日潮流圆流点。有关它们的存在性需要实测资料的进一步检验。     

黄海在有无潮作用下对“布拉万”不同响应的数值模拟研究

黄海是典型的强潮驱动的陆架浅海。为了研究黄海对台风的响应特点,本文利用区域海洋模式(Regional Ocean Modeling Systems,ROMS)分别模拟了在有潮和无潮作用下黄海对台风"布拉万"的响应过程。结果表明,不管潮存在与否,"布拉万"经过黄海后都引起了海表面降温和流速的近惯性振荡响应,这种响应主要分布于黄海中部较深区域,带通滤波提取的近惯性流速具有垂向第一模态特征。同时,研究发现强背景潮流能显著地影响黄海对"布拉万"的响应过程。主要结论如下:一方面,由于潮的存在,近岸垂向混合均匀的较暖水体与远岸较冷水体之间会形成潮混合温度锋面,"布拉万"过后,暖水发生了明显的离岸扩张,尽管路径右侧的混合层降温更显著,但是左侧即黄海西岸的暖水扩张更明显;另一方面,潮的存在减弱了布拉万产生的近惯性振荡响应,半日潮流在黄海仍然占据主导地位。在混合层中潮流的作用减弱了"布拉万"产生的近惯性能量,但也使其更易穿过跃层传入黄海内部。     

渤、黄、东海夏季环流的数值模拟

在POM的基础上 ,建立一个σ坐标系下的三维斜压预报模式 ,考虑了海底地形、外来流、长江径流、海面风应力、海面热交换等多方面因素的影响 ,较好地模拟了夏季东中国海环流的情况。其结果表明 ,黑潮在流经东海时沿东海陆坡流动 ,其途径随陆坡等深线走向而变 ,在其两侧出现一些涡旋。夏季台湾暖流上层水主要来自台湾海峡 ,底层水主要由台湾东面黑潮的次表层水入侵陆架生成。夏季进入朝鲜海峡的对马暖流的来源是多方面的 ,其中有 :台湾暖流、黑潮分支、长江冲淡水与西朝鲜沿岸流的混合水。长江冲淡水在出长江口后 ,很快转向北流动 ,到34°N附近转向东南方向。在长江口东北面存在两个中尺度的涡旋。夏季黄海冷水环流由南北两部分组成 ,表层流速大 ,底层流速小。在青岛 石岛附近还存在一个中尺度的反气旋型涡旋     

东中国海环流及其季节变化的数值模拟

关于东中国海环流的研究，国内外学者已做了大量的工作。早期科学家们主要依赖于对温盐资料和少数测流资料的分析研究对渤、黄、东海的环流结构有了较系统和深入的认识。东中国海环流是由一个气旋式的“流涡”组成，东侧主要是北上的黑潮-对马暖流-黄海暖流及其延伸部分；西侧为南下的沿岸流系。黑潮对东中国海环流的影响是如此之大，以致于除了某些局部区域外，上述海域主要流系的冬、夏季分布形式比较相似而无本质上的差异(胡敦欣等，1993)。但本文所研究海域正处于世界上最显著的季风区，冬、夏季盛行风向基本相反，过渡季节(春、秋季)风向多变，风力减弱；海洋热盐结构季节变化明显(如冬季混合强，而夏季层化明显等)，这些因素都使得东中国海环流存在着较明显的季节变化。 自20世纪80年代以来，东中国海环流的数值模拟工作逐步展开，并已成为研究环流结构及其形成机制的强有力工具。但由于数值模式本身以及计算方案的缺陷(如有些学者用固定的风场、温盐场对东中国海环流进行诊断模拟等)和观测资料的不足，数值模拟的结果难以得到验证，渤、黄、东海的环流研究中仍有大量的问题存在争议，以待澄清。例如，台湾暖流的来源、流径;对马暖流的来源;夏季黄海暖流的流径以及黄海冷水团环流等均有不同的论述。对黄、东海环流季节变化的数值模拟工作也较少，多用冬、夏典型月份的风场强迫积分至稳定态，给出冬、夏季环流，这种做法值得商榷。三维环流模式很难在1个月内达到稳定态，尤其是夏季层化明显、风力减弱的情况下，非常定风场的影响更应引起人们的重视。 本文采用比较符合实际的计算方案，用年循环风场和海面热通量场为外强迫，对渤、黄、东海的环流及其季节变化进行了模拟，并对一些争议问题进行了探讨。