海上溢油漂移路径及扩散快速预报方法
专利汇可以提供海上溢油漂移路径及扩散快速预报方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且海上 溢油 漂移路径及扩散的快速预报方法。包括：建立气象场 数据库 ；由大气预报模型计算预报漏油相关海区的 风 场；通过海浪模型计算出波浪场，基于NAO99全球潮汐模型所提供的8个分潮的调和常数给出潮汐与环流的开边界条件，以此作为强迫场，使用海洋动 力 学模型计算得出包含潮流和风海流的三维流场；基于油品数据库和所监测到的溢油情况，使用包括溢油扩展和漂移轨迹 预测模型 、风化模型在内的溢油模型计算出溢油漂移路径以及扩散结果；通过 可视化 技术将预报结果直观展示出来，为海上溢油事故紧急处理等相关决策提供科学依据。，下面是海上溢油漂移路径及扩散快速预报方法专利的具体信息内容。
1.一种海上溢油漂移路径及扩散的快速预报方法，其特征在于该方法的具体步骤如下：
第1、收集历史数据并建立多年气象场数据库；
第2、由大气预报模型依据第1步所建立数据库中的数据，计算预报漏油相关海区的风场；
第3、实时获取漏油相关海区的现场风观测数据并对第1步所建立的数据库进行更新；
当有更新的现场风观测数据时，进行数据同化，进一步优化由第2步大气预报模型预报的风场结果；
第4、基于第3步风场结果，通过海浪模型计算出相关海区波浪场；
第5、基于NAO99全球潮汐模型所提供的8个分潮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1的调和常数给出潮汐与环流的开边界条件；
第6、以第2步大气预报模型优化后的风场结果、第4步大气预报模型所耦合之波浪模型给出的波浪场、以及第5步潮汐与环流的开边界条件作为强迫场，使用海洋动力学模型计算得出包含潮流和风海流的三维流场；
第7、对溢油情况进行现场监测，基于油品数据库和所监测到的溢油情况，通过耦合以上第6步所计算出的三维流场、第4步所计算出的波浪场与第3步所得风场，使用包括溢油扩展和漂移轨迹预测模型、风化模型及岸线吸附模型在内的溢油模型计算出溢油漂移路径以及扩散结果；
第8、通过可视化技术将海上溢油漂移路径及扩散的预报结果直观展示出来。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第3步所述的实时获取漏油相关海区的现场风观测数据的方法是，使用下载工具定时自动下载观测站服务器提供的常规地面观测数据、常规探空观测数据、船舶观测数据、卫星海面风观测数据与卫星辐射观测数据。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，第3步所述的数据同化方法以及风场的优化方法是，数据下载之后，首先进行格式转换与质量控制，然后利用3DVAR方法进行数据同化，为预报所使用的海洋动力学模型提供初始场与时变边界条件；
采用并配置WRF-ARW大气动力学模型为所关注海区提供风场以及相关气象条件未来
48小时的预报；该模型采用完全可压缩非静力欧拉方程组，水平网格采用ArakawaC网格，垂直坐标采用目前国际上广泛应用的基于质量的地形追随η坐标。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，第6步所述的三维流场的计算方法是：
采用海浪数值模型SWAN来计算漏油相关海区的海浪分布情况及变化，在运行权利要求3所述的大气动力学模型的同时，每十五分钟输出一次风场并驱动该海浪数值模型，海浪谱在每一个格点上取36个频率和12个方向，通过对源函数项和传播项的积分，求得未来
48小时内每小时输出一次的波浪场；
基于以上第3步计算所得的风场、第4步计算所得的波浪场，以及来自于NAO99全球潮汐模型所提供的8个分潮M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1的调和常数作为FVCOM海洋动力学模型的强迫条件与开边界条件，在权利要求3所述WRF-ARW大气动力学模型与以上所述SWAN模型运算完毕后，SHELL脚本自动运行FVCOM海洋动力学模型，并计算获取该海区未来
48小时的三维流场；其中所述的FVCOM海洋动力学模型是一个自由海表面、流体静力学和Boussinesq近似的、原始方程组的海洋模型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，第7步所述的计算出溢油漂移路径以及扩散结果的方法是构筑包括溢油扩展和漂移轨迹预测模型、风化模型在内的溢油模型，具体步骤包括：
第7.1、溢油扩展和漂移轨迹预测模型
本发明将溢油运动的过程分为自身扩展和紊动扩散两个阶段进行考虑；前一阶段根据经典的Fay理论修正溢油扩展和漂移轨迹预测模型计算，后一阶段采用油粒子方法模拟，再通过“油膜粒子化”将两阶段进行衔接；
第7.1.1、在第一阶段即自身扩展阶段，根据Fay理论，油膜的自身扩展阶段即为溢油初期的重力—惯性力平衡阶段；该阶段内重力—惯性力占主导，由于油水密度差引起油膜加速塌落，形成油的初始运动，油膜扩展直径r为：
油膜自身扩展持续时间为：
4 1/3 -1/3
tf=（c2/c1）V （υ·Δg）
式中，V为油膜体积，Δg为约化重力加速度，Δg=（1-ρ0/ρω）g，ρω为海水密度，ρ0为油膜密度，υ为运动黏性系数，c1，c2均为经验常数，t为时间；
Fay理论是建立在静水假定基础上的，认为油膜成圆形扩展，而实际海况下油膜扩展过程具有明显的各向异性特征，因此该种方法将Fay模型的扩展直径加以订正，订正后的短轴仍按上述公式计算，长轴l改为：
δ ε
l=r+cω t ，ω为风速，c，δ，ε为与油的种类、性质有关的经验常数；
在油膜漂移过程中，油膜质心的漂移轨迹采用欧拉—拉格朗日追踪法，在风和潮流的作用下，油膜中心初始位置S0，经Δt时间后漂移到了新的位置S，其中：
这里VL为拉格朗日速度；
油膜中心的漂移速度和方向是表面海流和风所引起的流速之矢量和，即
v0=vω+aD·va
其中v0为油膜中心漂移速度，vω为海面流速，va为海面10米处风速，a为风漂流系数，D为引入漂流偏角的一转换矩阵；
第7.1.2、在第二阶段即紊动扩散阶段采用油粒子方法模拟，将第一阶段末的油膜转化为一系列的粒子，即将油膜分割成N个小单元，其中每个小单元代表溢油体积的一部份；根据油膜质心的位置(x0，y0)，求出每个油粒子所在的位置（xi，yi），i＝1，…，N；根据计算机的容量和运行时间的长短来确定粒子总数N，而用附加体积参数的方法来实现对油粒子特性的模拟，即将某个油粒子的体积参数定义为Vi，其所占油膜总体积的百分比为fi，则每个油粒子的特征体积为Vi=fi·V0，其中，V0为溢油的初始体积；这样，油粒子模型中不同规模的溢油量就通过油粒子总数和特征体积的不同来体现；再根据确定的油粒子总数，采用油粒子方法对紊动扩散阶段的溢油的运动进行模拟，便可获得溢油的扩散面积和油膜厚度；
在垂直方向上，油粒子的运动过程主要表现为油粒子在波浪的扰动下以微滴的形式进入水体内部，处在水体内部某一深度处的油滴在湍流作用下做垂直的随机走动，入水油滴在浮力的作用下便可浮出水面；导致溢油入水的最直接最主要的因素为破碎波，波浪破碎和搅动使溢油自表面进入水体内部，反复的波浪破碎使油滴扩散到水体的深层；
根据已有经验公式，溢油入水量与波要素之间的关系为：
这里 Hs为有效波高，L为波长，Ve为入水体积，V0为溢油的初始
体积，t为时间；根据上述公式和权利要求4中所述海浪数值模型SWAN提供的波浪场，溢油入水的过程便可以模拟出来；
第7.2、溢油风化模型
溢油在风化的过程中，溢油的量会不断地减少；油粒子的风化包括蒸发、溶解和乳化过程，在这些过程中油粒子的组成发生改变，但油粒子水平位置没有变化；由于油粒子组分是不断变化的，一方面是由于溶解、蒸发过程对各组分具有选择性，另一方面乳化过程中油膜中的含水率发生变化；采用多组分法模拟油粒子中各组分的变化过程；多组分法是将油粒子假设为多种碳氢化合物组成的混合物，因此需基于油品特性数据库对各个单独组分蒸发、溶解过程进行分别计算，最后求出总的油粒子组分随时间变化过程，具体计算方法如下：
第7.2.1、蒸发过程
油膜蒸发受油分、气温和水温、溢油面积、风速、太阳辐射和油膜厚度因素的影响，假定：
①在油膜内部扩散不受限制；
②油膜完全混合；
③油组分在大气中的分压与蒸气压相比可忽略不计；则蒸发率由下式表示：
其中N为蒸发率；ke为物质输移系数；PSAT为蒸气压；R为气体常数；T为温度；M为分子量；ρ为油组分的密度；i为各种油组分，kei由下式估算：
其中k为蒸发系数；Sci为组分i的蒸气Schmidts数，A为油分子粒径，U为动性系数；
第7.2.2、乳化过程
①形成水包油乳化物过程
油向水体中的运动机理包括溶解、扩散、沉淀；水流的紊动能量将油膜撕裂成油滴，形成水包油的乳化；在恶劣天气状况下最主要的扩散作用力是波浪破碎，而在平静的天气状况下最主要的扩散作应力是油膜的伸展压缩运动，从油膜扩散到水体中的油分损失量计算为：
D＝Da·Db
其中Da是进入到水体的分量，Db是进入到水体后没有返回的分量：
其中μoil为油的粘度；hs为油的化学稳定性系数；γow为油—水界面张力；
油滴返回油膜的速率为：
②形成油包水乳化物过程
油中含水率变化可由下式平衡方程表示：
R1和R2分别为水的吸收速率和释出速率，由下式给出：
其中 为最大含水率；yw为实际含水率；As为油中沥青的重量比含量；Wax为油中石蜡的重量比含量；K1、K2分别为吸收系数和释出系数；
第7.2.3、溶解过程
溶解率用下式表示：
其中 为组分i的溶解度； 为组分i的摩尔分数；Mi为组分i的摩尔重量；Ksi为溶解传质系数，由下式估算：
-6
Ksi＝2.36·10 ei
其中：
第7.2.4、热量迁移
蒸气压与粘度受温度影响，而且观察发现通常油膜的温度要高于周围的大气和水体，其中：
①油膜与大气之间的热量迁移可表达为：
其中Toil为油膜温度；Tair为大气温度；ρa为大气密度；Cpa为大气的热容量；Pr为大气Prandtl数（普兰德数）：
当蒸发可忽略不计时， 可简单用下式计算：
②太阳辐射
油膜接受的太阳辐射取决于许多因素，其中最重要的为溢油位置、日期、时刻、云层厚度以及大气中的水、尘埃、臭氧含量；一天中的太阳辐射变化可假定为正弦曲线：
其中tsunrise为日出时刻即午夜后秒数；tsunset为日落时刻即午夜后秒数；Td为日长，即：
sunset sunrise
t ＝t +Td
Td由下式计算：
Td＝a·cos(tanφ·tanζ)
其中φ为纬度；ζ为太阳倾斜角度，即太阳在正午时与赤道平面的角度，
为正午的星际辐射：
其中Isc为太阳常数；n为一年中日数，ωs为日出的小时角度，正午时为0，每小时等于
15度，上午为正，下午为负；Kt为系数，晴天时Kt＝0.75，随着云层厚度增加而减少；很大一部分的太阳辐射到达地面时已被反射，因此净热量输入为：
(1-a)·H(t)
其中a为漫射系数（albedo）；
③蒸发热损失
蒸发将引起油膜热量损失：
其中ΔHvi为组分i的汽化热，油膜总的动态热平衡综合考虑了上述各种因素：
④油膜与水体之间的热量迁移
油膜与大气之间的热量迁移可表达为：
其中Cpw为水的热容量，Prw为水的Prandtl数：
Re为特征雷诺数：
其中vrel为油膜的运动粘滞系数；
⑤反射和接受辐射
油膜将损失和接受长波辐射，净接受量由Stefan-Boltzman公式计算：
其中，σ为Stefan-Boltzman常数；lair、lwater、loil分别为大气、水和油的辐射率；
将第7.1步中的溢油扩展和漂移轨迹预测模型与溢油风化模型进行耦合，便可得到任意时刻溢油在海面的漂移扩散、扫海面积以及残留量相关信息；
至此，耦合三维流场的计算结果与溢油模型，计算出了溢油漂移路径以及其扩散情况。
海上溢油漂移路径及扩散快速预报方法
技术领域
背景技术
发明内容
具体实施方式
这里VL为拉格朗日速度。油膜中心的漂移速度和方向是表面海流和风所引起的流速之矢量和，即v0＝vω+aD·va，其中v0为油膜中心漂移速度，vω为海面流速，va为海面10米处风速，a为风漂流系数，D为引入漂流偏角的一转换矩阵。此外，由动力学模型提供的流场为潮流、风海流以及波流的合成值，充分将波浪要素场对于溢油漂移轨迹的影响考虑了进去。
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