基于stokes漂移和潮混合机制的溢油轨迹预测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于stokes漂移和潮混合机制的溢油轨迹预测方法，首先修正POM模型，使POM模型包含潮混合的参数化计算方法；然后在溢油事故发生时段运行修正后的POM模型，得到包含潮混合影响的海表面流速；将风场文件输入SWAN模型，利用SWAN模型计算溢油事件期间的波浪场，输出波浪参数；然后将波浪参数代入Stokes漂移速度计算式，计算得到Stokes漂移速度；最后，将地形文件、风场文件、得到的包含潮混合影响的海表面流速、Stokes漂移速度输入GNOME溢油预测模型并运行该模型，记录不同时间节点的油膜位置信息，得到溢油轨迹图像。本发明专利技术将stokes漂移和潮混合机制融入溢油轨迹的预测中，得到精度更高的预测结果。得到精度更高的预测结果。得到精度更高的预测结果。

【技术实现步骤摘要】
基于stokes漂移和潮混合机制的溢油轨迹预测方法


[0001]本专利技术属于数据处理技术及海上溢油轨迹预测
，具体涉及一种基于stokes漂移和潮混合机制的溢油轨迹预测方法。

技术介绍

[0002]近年来，船舶航行、海上作业导致海上石油泄漏事故日益增多，且溢油风险将随着海洋石油开发规模的扩大而进一步升高。溢油事故具有突发性强、污染范围大、持续时间长、扩散速率快的特点。事故发生后，能否迅速而有效地作出应急反应，对控制污染、减少经济损失都起着关键作用。溢油数值模拟能够准确快速地对溢油轨迹进行模拟预测，溢油模型是用来模拟预测油类污染物在海上行为归宿的有效工具，可以为事故的预防和应急救援工作提供有效决策支持。一套完善、准确、有效的溢油预测方法可以在事故发生后，预测溢油的运动轨迹与行为归宿，是海上溢油应急响应的关键技术之一，也是海洋灾害预防工作的重要组成部分。因此，采用高效的溢油预测方法对于加深对海上溢油输运过程的科学认识以及提高溢油事故的风险防范和应急响应能力具有重要的理论和现实意义，对海上船舶航行以及船舶施工作业等生产行为起着关键的灾害处理保障作用。
[0003]当前运用的诸多溢油模拟和预测方法，考虑的主要运动过程是漂移和随机扩散，主要驱动要素为风和流，忽略了重要的海洋物理过程对溢油轨迹带来的影响，如潮混合、Stokes漂移等。溢油轨迹预测的进一步改进应强调对海洋物理过程的完善，以取得更为准确的海洋水文数据，用于精度更高的溢油轨迹预测中。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是克服现有技术中的不足，提出一种基于stokes漂移和潮混合机制的溢油轨迹预测方法。潮混合现象对海洋环流有着显著影响，非线性海浪诱导的Stokes漂移是计算海面流速时不能忽略的重要因素，两种物理过程的融入能够使物理海洋模型更准确地计算海流流速，使用于溢油轨迹预测的流速数据更接近实际值，得到精度更高的预测结果，改进了现有溢油预测方法中驱动因素单一、物理机制不完善的缺点。
[0005]本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于stokes漂移和潮混合机制的溢油轨迹预测方法，包括以下步骤：步骤1，修正POM模型，在POM模型中的湍封闭方程中加入潮混合参数化方程，使POM模型包含潮混合的参数化计算方法；步骤2，在溢油事故发生时段运行修正后的POM模型，得到包含潮混合影响的海表面流速；步骤3，将风场文件输入SWAN模型，利用SWAN模型计算溢油事件期间的波浪场，输出波浪参数；步骤4，将步骤3得到的波浪参数代入Stokes漂移速度计算式，计算得到Stokes漂移速度；
步骤5，将地形文件、风场文件、步骤2得到的包含潮混合影响的海表面流速、步骤4得到的Stokes漂移速度，输入GNOME溢油预测模型并运行该模型，记录不同时间节点的油膜位置信息，得到溢油轨迹图像。
[0006]在上述技术方案中，步骤1中，在POM模型中的湍封闭方程中加入潮混合参数化方程，得到修正后的湍封闭方程为：（1）（2）以上公式中：t0是时间；U0、V0、W0分别为笛卡尔坐标系中x0、y0、z0方向上的流速分量；ρ是绝热衰减率修正后的密度，ρ0是海水密度，g是重力加速度；q是紊动能，l是湍混合长度；A
H
是q2、q2l的水平扩散系数；K
H
、K
q
表示q2、q2l的垂向扩散系数，是壁面近似函数；B1、E1、E3是经验常数，E1=E3=1.8、B1=16.6；K
M
是垂向湍混合系数，K
tidal
是潮混合系数；（3）式（3）中，为混合效率，=0.2，q1为潮能耗散率，q1=0.3，ρ0为海水密度，N为浮力频率，E为潮能通量，F为垂直耗散函数；所述浮力频率N可根据POM模型输出的密度数据求得，具体计算公式如下：（4）其中，g为重力加速度，ρ0为海水密度；所述潮能通量E的计算公式如下：（5）其中，ρ1是海水的参考密度；N
b
是海底浮力频率；是平均潮流速度，由普林斯顿海洋模型输出得到；κ=2π/(2000)，是地形的特征波数；h2代表海底粗糙度，是从地形文件数
据中计算而来，表示从多项式拟合平面到实际地形的高度偏差的均方，所述的多项式拟合平面表示为：L=a+bx+cy+dxy，a、b、c、d均为参数；所述垂直耗散函数F的计算公式如下：（6）其中，H是水柱总高度；ζ是垂直耗散尺度，ζ=500；Z为水深值的负值。
[0007]在上述技术方案中，步骤3中，所述的波浪参数包含：有效波高、波长、波浪平均周期和波向。
[0008]在上述技术方案中，步骤4中，所述的Stokes漂移速度计算式为：（7）（8）（9）式中，U
s
是Stokes漂移速度，u
s
是Stokes漂移速度的东分量，v
s
是Stokes漂移速度的北分量，z是垂向坐标，g是重力加速度，θ是波向，H
s
是有效波高，T是波浪平均周期，λ是波长；H
s
、T、λ、θ均由步骤3所述的SWAN海浪模型计算得到。
[0009]在上述技术方案中，步骤5中，运行所述的GNOME溢油预测模型时，设置的初始条件包括：溢油量、油品类型、事故发生时刻、持续时间和扩散速率。
[0010]本专利技术的有益效果是：通过修正后的POM模型计算得到包含潮混合效应的海表面流速信息，利用SWAN模型及Stokes漂移速度计算式得到Stokes漂移速度，两种不同物理机制影响的流速作为输入海水流速数据驱动GNOME模型的运行，使流速数据更加接近实际值，完善了GNOME模型运算过程中忽略的海洋混合和Stokes漂移机制，使GNOME模型输出的预测结果更准确，有益于提高模型的预测精度。
附图说明
[0011]图1是本专利技术的基于stokes漂移和潮混合机制的溢油轨迹预测方法的示意图。
[0012]对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
[0013]以下结合具体实施例对本专利技术作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。
[0014]如附图1所示，一种基于stokes漂移和潮混合机制的溢油轨迹预测方法，具体包括以下步骤。
[0015]步骤1，修正POM模型（PrincetonOceanModel，普林斯顿海洋模型），在POM模型中的湍封闭方程中加入潮混合参数化方程，使POM模型包含潮混合的参数化计算方法，修正后的湍封闭方程为：（1）（2）以上公式中：t0是时间；U0、V0、W0分别为笛卡尔坐标系中x0、y0、z0方向上的流速分量；ρ是绝热衰减率修正后的密度，ρ0是海水密度，g是重力加速度；q是紊动能，l是湍混合长度；A
H
是q2、q2l的水平扩散系数；K
H
、K
q
表示q2、q2l的垂向扩散系数，是壁面近似函数；B1、E1、E3是经验常数，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于stokes漂移和潮混合机制的溢油轨迹预测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，修正POM模型，在POM模型中的湍封闭方程中加入潮混合参数化方程，使POM模型包含潮混合的参数化计算方法；步骤2，在溢油事故发生时段运行修正后的POM模型，得到包含潮混合影响的海表面流速；步骤3，将风场文件输入SWAN模型，利用SWAN模型计算溢油事件期间的波浪场，输出波浪参数；步骤4，将步骤3得到的波浪参数代入Stokes漂移速度计算式，计算得到Stokes漂移速度；步骤5，将地形文件、风场文件、步骤2得到的包含潮混合影响的海表面流速、步骤4得到的Stokes漂移速度，输入GNOME溢油预测模型并运行该模型，记录不同时间节点的油膜位置信息，得到溢油轨迹图像。2.根据权利要求1所述的基于stokes漂移和潮混合机制的溢油轨迹预测方法，其特征在于：步骤1中，在POM模型中的湍封闭方程中加入潮混合参数化方程，得到修正后的湍封闭方程为：（1）（2）以上公式中：t0是时间；U0、V0、W0分别为笛卡尔坐标系中x0、y0、z0方向上的流速分量；ρ是绝热衰减率修正后的密度，ρ0是海水密度，g是重力加速度；q是紊动能，l是湍混合长度；A
H
是q2、q2l的水平扩散系数；K
H
、K
q
表示q2、q2l的垂向扩散系数，是壁面近似函数；B1、E1、E3是经验常数，E1=E3=1.8、B1=16.6；K
M
是垂向湍混合系数，K
tidal
是潮混合系数；（3）式（3）中，为混合效率， =0.2，q1为潮能耗散率，q1=0.3，ρ0为海水密度，N为浮力频
率，E为潮能通量，F为垂...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵一飞，
申请(专利权)人：中交第一航务工程局有限公司天津港湾工程质量检测中心有限公司，
类型：发明
国别省市：