李燕，朱江，王輝，林彩燕

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029；4.中國(guó)民用航空局空中交通管理局航空氣象中心，北京 100122）

同化技術(shù)在渤海溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用

李燕1，2，朱江3，王輝1，2，林彩燕4

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.國(guó)家海洋局海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；3.中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所，北京 100029；4.中國(guó)民用航空局空中交通管理局航空氣象中心，北京 100122）

溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)對(duì)溢油事故現(xiàn)場(chǎng)處理具有重要指導(dǎo)意義。國(guó)內(nèi)外已開展大量溢油數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)研究，但由于各類誤差的引入（尤其風(fēng)和流數(shù)值預(yù)報(bào)誤差的引入）以及模型本身的不完善等各種原因?qū)е乱缬蛿?shù)值預(yù)報(bào)無(wú)法滿足日益提高的溢油預(yù)報(bào)精度需求。隨著現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)水平的提高，如何充分利用實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)提高業(yè)務(wù)化溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)精度，并滿足應(yīng)急預(yù)報(bào)迅速快捷的要求，成為目前業(yè)務(wù)化溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)的首要問(wèn)題。國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心于2008年實(shí)現(xiàn)了渤海溢油業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)的建立和業(yè)務(wù)化應(yīng)用，本文針對(duì)當(dāng)前渤海溢油業(yè)務(wù)化應(yīng)急預(yù)報(bào)中存在的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，利用已有渤海海上5個(gè)石油平臺(tái)從2010年1月至2011年2月的風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，初步開展最優(yōu)插值方法（optimal interpolation assimilation method，OI）同化技術(shù)在國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心渤海溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)系統(tǒng)風(fēng)場(chǎng)訂正的應(yīng)用研究。本文采用交錯(cuò)訂正方法，確定了OI同化技術(shù)中相關(guān)尺度因子的選取，從而實(shí)現(xiàn)在這5個(gè)觀測(cè)站地理分布情況下，OI同化技術(shù)應(yīng)用中參數(shù)的最優(yōu)化，之后在理想實(shí)驗(yàn)和實(shí)際案例的應(yīng)用中，該同化方法明顯提高渤海溢油預(yù)報(bào)精度。本文為如何進(jìn)一步利用同化方法迅速快捷地實(shí)現(xiàn)溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)精度的提高提供了一定研究基礎(chǔ)。

溢油；應(yīng)急預(yù)報(bào)；最優(yōu)插值同化方法；交錯(cuò)訂正；相關(guān)尺度因子

1 引言

隨著我國(guó)海洋運(yùn)輸、海上資源開發(fā)的快速發(fā)展，海上船舶和油氣田溢油等海洋污染事件已成為影響我國(guó)海洋環(huán)境的重要因素。隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，重大溢油事故頻發(fā)風(fēng)險(xiǎn)日益增加。溢油事故的頻繁發(fā)生，使海洋環(huán)境嚴(yán)重污染，造成海洋魚類、鳥類、海藻和海洋哺乳動(dòng)物的大量死亡。每次重大事故造成的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá)幾百萬(wàn)至上千萬(wàn)元，異常重大事故甚至達(dá)上億元，導(dǎo)致一些以養(yǎng)殖業(yè)為生的漁民破產(chǎn)，沿海旅游勝地（如北戴河等）受到溢油污染威脅。因此，研究溢油在海上的漂移擴(kuò)散過(guò)程，預(yù)測(cè)其影響區(qū)域范圍和最終歸宿，對(duì)針對(duì)污染風(fēng)險(xiǎn)大、敏感資源重要的岸線布放圍油欄和派遣飛機(jī)、船舶到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理等應(yīng)急工作起到重要指導(dǎo)作用；對(duì)及時(shí)有效地采取現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處置措施，減輕海上溢油造成環(huán)境和經(jīng)濟(jì)損失，保護(hù)海洋生態(tài)環(huán)境和海水水質(zhì)及沿岸養(yǎng)殖業(yè)，實(shí)施可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略具有重要意義。同時(shí)也為預(yù)報(bào)、預(yù)測(cè)沿岸海域的災(zāi)害和防災(zāi)、減災(zāi)提供科學(xué)理論依據(jù)和研究方法，對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)，管理部門應(yīng)急反應(yīng)系統(tǒng)的制定等也具有重要實(shí)用價(jià)值。

在此背景下，國(guó)內(nèi)國(guó)外開展了大量海上溢油事故方面的研究，包括海上溢油風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、海上溢油對(duì)海洋環(huán)境的污染及清污方法研究、海上溢油對(duì)海洋動(dòng)植物影響研究、海上溢油敏感資源預(yù)警研究等［1—4］。溢油模型預(yù)測(cè)溢油在海上輸運(yùn)及其歸宿情況成為海上溢油事故研究中最為重要的研究?jī)?nèi)容之一，因?yàn)樵诤Ｉ弦缬蛻?yīng)急響應(yīng)決策系統(tǒng)中，依據(jù)海上溢油模型預(yù)報(bào)漂移方向，從而采取保護(hù)敏感資源措施成為其決策的重要參考內(nèi)容。該方面的研究已經(jīng)相當(dāng)?shù)纳钊牒图?xì)致，我國(guó)在“十一五”國(guó)家支撐計(jì)劃中交通部和海洋局均有關(guān)于溢油漂移預(yù)測(cè)模型的研究專題，并取得了一定的成果，實(shí)現(xiàn)了三維溢油漂移數(shù)值預(yù)報(bào)模型的建立；國(guó)外在該方面的研究也有頗多專著文獻(xiàn)發(fā)表，包括海浪對(duì)溢油擴(kuò)散和運(yùn)動(dòng)的影響，湍流擴(kuò)散中一些小尺度環(huán)流結(jié)構(gòu)對(duì)溢油擴(kuò)散的影響等［5—8］。雖然該方面的研究已經(jīng)相當(dāng)?shù)纳钊?，模型思路也基本一致，但是在?shí)際應(yīng)用中，由于重要的溢油漂移驅(qū)動(dòng)要素風(fēng)場(chǎng)、海流的預(yù)報(bào)誤差等問(wèn)題，溢油漂移數(shù)值預(yù)報(bào)精度仍然不能滿足現(xiàn)在的業(yè)務(wù)需求，如何進(jìn)一步提高溢油漂移預(yù)報(bào)模型的預(yù)報(bào)精度成為如今業(yè)務(wù)化溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)工作中最為急迫的問(wèn)題。

隨著現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)技術(shù)和監(jiān)測(cè)水平的提高，衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展和處理該類事故的力量的增強(qiáng)，逐漸積累了海上油井平臺(tái)處的風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)資料。通常在事故發(fā)生后，應(yīng)急部門將啟用衛(wèi)星、航空遙感以及船舶現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)來(lái)監(jiān)視溢油漂移情況和附近海流情況?？梢灶A(yù)見，海上風(fēng)、流以及現(xiàn)場(chǎng)事故觀測(cè)數(shù)據(jù)將越來(lái)越多，那么如何利用這些觀測(cè)資料來(lái)提高溢油輸運(yùn)擴(kuò)散預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度成為溢油數(shù)值預(yù)報(bào)模型研究的新方向，被提到日程上的新課題，也是在國(guó)家“十一五”科技攻關(guān)項(xiàng)目課題驗(yàn)收過(guò)程中，眾多專家和溢油應(yīng)急決策系統(tǒng)應(yīng)用單位所關(guān)注的問(wèn)題，同時(shí)也是專家們指出的溢油預(yù)報(bào)模型研究進(jìn)一步深入的方向。

目前，溢油漂移預(yù)測(cè)模型均需數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)外部驅(qū)動(dòng)，而渤海作為潮流為主的海域，在潮流計(jì)算誤差較小的情況下，溢油漂移預(yù)測(cè)模型的主要誤差來(lái)源為數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)［9］。溢油作為突發(fā)事故，在發(fā)生后需要盡快及時(shí)地處理現(xiàn)場(chǎng)，因此要求溢油業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)任何時(shí)刻都能啟動(dòng)，并迅速給出預(yù)報(bào)結(jié)果，而風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)的業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)通常計(jì)算都較為耗時(shí)，因此為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，作為業(yè)務(wù)化溢油漂移預(yù)測(cè)系統(tǒng)采用每日定時(shí)發(fā)布的未來(lái)3天風(fēng)流數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)驅(qū)動(dòng)更為合理，但這同時(shí)也引出了新的問(wèn)題。目前，在事故發(fā)生期間，1天之內(nèi)經(jīng)常會(huì)接收到不同時(shí)次的事故現(xiàn)場(chǎng)海面風(fēng)和海流觀測(cè)數(shù)據(jù)，但一般不適宜立刻利用這些數(shù)據(jù)開展同化，啟動(dòng)海面風(fēng)場(chǎng)和海流預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行重新計(jì)算，因?yàn)檫@樣大大加重了計(jì)算負(fù)擔(dān)，耗時(shí)且不能滿足應(yīng)急預(yù)報(bào)要求迅速快捷的特點(diǎn)。因此，在事故發(fā)生后如何利用獲取到的現(xiàn)場(chǎng)海面風(fēng)和流場(chǎng)的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)優(yōu)化風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果，然后再提供給溢油預(yù)報(bào)系統(tǒng)，從而提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度成為新的問(wèn)題。如圖1所示，如果預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)和流場(chǎng)的時(shí)間是從T1至TN時(shí)刻，觀測(cè)到海面溢油出現(xiàn)的時(shí)間是T2時(shí)刻，處理好衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)之后該信息到達(dá)開展溢油預(yù)報(bào)人員時(shí)是Tm時(shí)刻，那么在T1到Tm的時(shí)間內(nèi)，海面定點(diǎn)觀測(cè)站將有新的觀測(cè)數(shù)據(jù)同步傳輸?shù)浇邮諉挝唬绻浞掷迷撚^測(cè)數(shù)據(jù)優(yōu)化已經(jīng)計(jì)算好存在數(shù)據(jù)庫(kù)中的未來(lái)3天的風(fēng)和流的預(yù)報(bào)結(jié)果，尤其是風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)結(jié)果，成為有效提高溢油預(yù)報(bào)精度的重要研究方向。本文要解決的問(wèn)題就是：以渤海為示范海域，參考同化方法的思路，探討如何充分利用過(guò)去從T1到Tm時(shí)刻的觀測(cè)數(shù)據(jù)建立風(fēng)場(chǎng)訂正方法，從而改進(jìn)已有的風(fēng)、流數(shù)值預(yù)報(bào)場(chǎng)，同時(shí)滿足快捷迅速的溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)需求。

圖1 應(yīng)急預(yù)報(bào)中新問(wèn)題的提出示意圖

2 溢油預(yù)報(bào)系統(tǒng)簡(jiǎn)介

海面油膜在重力、慣性力、黏性力和表面張力的作用下水平擴(kuò)展，在海流和風(fēng)的作用下產(chǎn)生水平的運(yùn)動(dòng)，在湍流、波浪、剪切力以及浮力作用下被擴(kuò)散入水并同水混合，在風(fēng)化作用（如蒸發(fā)、乳化和溶解以及同岸線間的相互作用）下發(fā)生物質(zhì)的轉(zhuǎn)變和物理化學(xué)性質(zhì)的改變。上述關(guān)于溢油海洋環(huán)境行為和歸宿的研究成果，是建立溢油預(yù)報(bào)模型的基礎(chǔ)。本文所使用的模式為國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心開發(fā)，已投入業(yè)務(wù)化運(yùn)行的海上溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)系統(tǒng)。該模型基于“油粒子”方法來(lái)模擬溢油在海洋環(huán)境中的時(shí)空行為，將輸運(yùn)擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)分為平流過(guò)程和擴(kuò)散過(guò)程，水平方向上的平流考慮風(fēng)和流的作用，擴(kuò)散認(rèn)為是FICK擴(kuò)散，垂向運(yùn)動(dòng)考慮浮力、湍流和垂向海流的作用，同時(shí)還考慮垂向上海浪對(duì)“油粒子”入水的作用。李燕等利用渤海及黃海幾起溢油案例對(duì)該預(yù)報(bào)系統(tǒng)開展了檢驗(yàn)，并利用該系統(tǒng)對(duì)渤海溢油預(yù)報(bào)誤差進(jìn)行了分析，關(guān)于該模式的更詳細(xì)的物理框架介紹、誤差檢驗(yàn)及誤差來(lái)源分析可參見李燕等［9—12］。

3 風(fēng)場(chǎng)訂正方案設(shè)計(jì)

本文收集了位于渤海海域的5個(gè)海上石油平臺(tái)氣象觀測(cè)站的觀測(cè)數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)相對(duì)較為連續(xù)，觀測(cè)數(shù)據(jù)為海面10 m高風(fēng)速風(fēng)向，具體位置見圖2，數(shù)據(jù)時(shí)間序列為2010年1月至2011年2月，中間時(shí)有中斷。考慮到觀測(cè)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，而且連續(xù)時(shí)間序列也并不很長(zhǎng)，對(duì)集合同化方法而言，還缺乏合理給出背景場(chǎng)誤差協(xié)方差矩陣的統(tǒng)計(jì)分析基礎(chǔ)。因此本文對(duì)采用OI同化方法在溢油預(yù)報(bào)模擬中的應(yīng)用作了初步探討，嘗試?yán)眠@5個(gè)平臺(tái)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，采用OI同化方法對(duì)預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行修訂［13—19］。

最優(yōu)插值方法是基于統(tǒng)計(jì)理論的一種分析方法，采用統(tǒng)計(jì)最小二乘法確定最優(yōu)權(quán)重，將觀測(cè)直接插值到背景場(chǎng)，獲得最優(yōu)插值結(jié)果，即獲得的分析場(chǎng)是在方差最小的意義下背景場(chǎng)和觀測(cè)場(chǎng)的一種線性組合。OI的分析方程為：

式中，xb為背景場(chǎng)（即模式預(yù)報(bào)結(jié)果），yo為觀測(cè)場(chǎng)（即觀測(cè)結(jié)果），通常我們?cè)O(shè)：

并將K稱為增益矩陣，或者權(quán)重矩陣，其中R為觀測(cè)誤差協(xié)方差矩陣，該矩陣對(duì)角元素為觀測(cè)誤差協(xié)方差值，其他元素均為0，B為背景誤差協(xié)方差矩陣，公式如下：

式中，σ2為靜態(tài)背景誤差協(xié)方差常數(shù)值，L為相關(guān)尺度因子，也是常數(shù)，Δx2、Δy2為背景場(chǎng)每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)同其他網(wǎng)格點(diǎn)距離矩陣，H為線性觀測(cè)算子，xa為背景場(chǎng)經(jīng)過(guò)OI同化技術(shù)訂正后得到的分析場(chǎng)?？紤]觀測(cè)誤差和預(yù)報(bào)誤差情況，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)R＝0.2，σ2＝4。因此需要解決的問(wèn)題是，對(duì)于渤海海域只有5個(gè)氣象觀測(cè)站的情況下，L的取值為多少才能獲得整個(gè)場(chǎng)誤差的最小值。我們進(jìn)行了相關(guān)尺度因子的最優(yōu)選值試驗(yàn)研究，采用交錯(cuò)訂正方法來(lái)確定L的取值。交錯(cuò)訂正法就是分別輪流采用5個(gè)觀測(cè)站中4個(gè)觀測(cè)站的值來(lái)做同化得到分析場(chǎng)，再求該分析場(chǎng)同余下1個(gè)觀測(cè)站觀測(cè)結(jié)果的誤差值。這樣在L定值的情況下，會(huì)得到5個(gè)誤差值，再將5個(gè)值求取平均，作為該L值下的分析場(chǎng)平均誤差值（σ2c），然后對(duì)每個(gè)觀測(cè)時(shí)刻都采用這種方法得到的σ2c進(jìn)行平均，得到該L值下的分析場(chǎng)時(shí)間平均誤差值。利用這5個(gè)氣象站4個(gè)月的觀測(cè)資料和國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心渤海業(yè)務(wù)化大氣數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果，采用交錯(cuò)訂正法，分別對(duì)風(fēng)速u和v分量，進(jìn)行L從10 m至300 m的試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。圖中X坐標(biāo)為相關(guān)尺度因子L，Y坐標(biāo)為平均誤差σ2cm?？梢娋C合考慮風(fēng)速u和v分量的最小誤差，在L取值為80 m時(shí)，整場(chǎng)通過(guò)OI同化方法后得到的分析風(fēng)場(chǎng)同觀測(cè)場(chǎng)誤差最小。因此以下試驗(yàn)各參數(shù)取值為R＝0.2，σ2＝4，L＝80。

圖2 渤海海域海上平臺(tái)觀測(cè)站位置圖

4 風(fēng)場(chǎng)訂正理想試驗(yàn)結(jié)果分析

國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心基于WRF模型開發(fā)了渤海業(yè)務(wù)化大氣數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，每天提供未來(lái)72 h預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)及過(guò)去24 h內(nèi)的后報(bào)風(fēng)場(chǎng)結(jié)果，模式分辨率為6′，模式網(wǎng)格數(shù)為111×61，經(jīng)緯度范圍為（36°～42.1°N，116.5°～127.6°E）。

國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心基于POM模型開發(fā)了渤海業(yè)務(wù)化海流數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，每天提供未來(lái)72 h預(yù)報(bào)流場(chǎng)，模式分辨率為2.5′，模式網(wǎng)格數(shù)為121×97，經(jīng)緯度范圍為（37°～41°N，117.5°～122.5°E）。

圖3 相關(guān)尺度因子和分析場(chǎng)時(shí)間平均誤差關(guān)系圖

本試驗(yàn)將國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供的2009年9月15日14時(shí)至2009年9月15日19時(shí)每小時(shí)一次共6個(gè)時(shí)刻的后報(bào)風(fēng)場(chǎng)插值到海流預(yù)報(bào)系統(tǒng)網(wǎng)格上，并假設(shè)插值結(jié)果為真實(shí)場(chǎng)，然后利用該真實(shí)場(chǎng)在5個(gè)平臺(tái)位置的插值加入小于0.05的隨機(jī)偏差擾動(dòng)作為這5個(gè)平臺(tái)位置的觀測(cè)值，利用國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供的對(duì)應(yīng)時(shí)刻的渤海業(yè)務(wù)化大氣數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果插值到海流預(yù)報(bào)系統(tǒng)網(wǎng)格上作為預(yù)報(bào)場(chǎng)（背景場(chǎng)），采用前面介紹的OI同化方法及參數(shù)設(shè)置求得對(duì)應(yīng)時(shí)刻訂正場(chǎng)（分析場(chǎng)）。圖4為2009年9月15日14時(shí)u分量背景場(chǎng)減去真實(shí)場(chǎng)的誤差和分析場(chǎng)減去真實(shí)場(chǎng)的誤差對(duì)比圖，可以看到分析場(chǎng)在某些區(qū)域的誤差明顯比背景場(chǎng)誤差小。圖5為各時(shí)刻分析場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)空間平均絕對(duì)誤差曲線圖，可以看到，無(wú)論是u分量還是v分量，分析風(fēng)場(chǎng)每個(gè)時(shí)刻的空間平均絕對(duì)誤差都小于預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)的，總的來(lái)看，6個(gè)時(shí)刻分析風(fēng)場(chǎng)的平均絕對(duì)誤差小于預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)的。

圖4 預(yù)報(bào)場(chǎng)和訂正場(chǎng)同真實(shí)場(chǎng)的u分量誤差對(duì)比分析圖

通過(guò)分析，可見OI方法對(duì)預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)有優(yōu)化作用，那么對(duì)溢油漂移軌跡預(yù)測(cè)的作用如何呢？本文采取了以下3個(gè)對(duì)比試驗(yàn)來(lái)進(jìn)行分析。試驗(yàn)1采用國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供的2009年9月15日14時(shí)至2009年9月16日02時(shí)每小時(shí)一次的后報(bào)風(fēng)場(chǎng)（真實(shí)風(fēng)場(chǎng)），海流采用國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)化渤海海流預(yù)報(bào)系統(tǒng)的2009年9月15日14時(shí)至2009年9月16日02時(shí)每10分鐘一次的海流預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)，油源設(shè)置為渤海海面以（39.01°N，118.87°E）為中心位置，5 m半徑范圍內(nèi)釋放100個(gè)“油粒子”，利用國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心溢油預(yù)報(bào)系統(tǒng)的溢油輸運(yùn)擴(kuò)散模式開展12 h的模擬。試驗(yàn)2在前面6 h采用通過(guò)以上方法獲得的分析風(fēng)場(chǎng)，后面6 h采用預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)，其他設(shè)置和試驗(yàn)1相同，開展12 h模擬。試驗(yàn)3采用預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)，其他設(shè)置和試驗(yàn)1相同，開展12 h模擬。最后得到“油粒子”（油膜）平均位置漂移軌跡對(duì)比圖（圖6）。上述3個(gè)試驗(yàn)，在采用相同的海流強(qiáng)迫數(shù)據(jù)的情況下，試驗(yàn)1可以認(rèn)為是溢油漂移軌跡的真實(shí)軌跡，試驗(yàn)2則是采用OI方法利用觀測(cè)資料進(jìn)行訂正后獲得的漂移軌跡分析預(yù)測(cè)值，試驗(yàn)3則是預(yù)報(bào)值。可以看到，雖然只前面6 h的風(fēng)場(chǎng)采用分析風(fēng)場(chǎng)，但由于減小了第6小時(shí)時(shí)刻溢油的平均位置誤差，從而減小了到達(dá)12 h后的位置誤差。圖7進(jìn)一步給出了試驗(yàn)2和試驗(yàn)3相對(duì)于試驗(yàn)1每小時(shí)的距離誤差和角度誤差。距離誤差指相同時(shí)刻預(yù)測(cè)油膜中心位置同真實(shí)油膜中心位置之間的距離，角度誤差是指預(yù)測(cè)油膜中心位置從0時(shí)刻至當(dāng)前時(shí)刻兩個(gè)位置形成的矢量，同真實(shí)軌跡的0時(shí)刻至當(dāng)前時(shí)刻兩個(gè)位置形成的矢量之間的夾角?？梢钥吹?2 h里，每個(gè)時(shí)刻分析預(yù)測(cè)值距離誤差都小于預(yù)報(bào)值距離誤差，分析預(yù)測(cè)值最大距離誤差為2.3 km，預(yù)報(bào)值最大距離誤差為3.2 km；至于角度誤差，在前11 h都是分析預(yù)測(cè)值角度誤差小于預(yù)報(bào)值，最大值為對(duì)應(yīng)第2小時(shí)時(shí)刻的2°，而預(yù)報(bào)值前11 h的最大角度誤差為對(duì)應(yīng)第3小時(shí)時(shí)刻的12.6°，但在第12小時(shí)時(shí)刻，分析預(yù)測(cè)值角度誤差稍大于了預(yù)報(bào)值角度誤差。結(jié)合圖6和圖7，總體來(lái)看，分析預(yù)測(cè)結(jié)果明顯優(yōu)于預(yù)報(bào)結(jié)果?？梢姡L(fēng)場(chǎng)的訂正能有效地提高溢油漂移軌跡預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度。

圖5 各時(shí)刻分析場(chǎng)和預(yù)報(bào)場(chǎng)空間平均絕對(duì)誤差曲線圖

圖6 “油粒子”平均位置漂移軌跡對(duì)比圖

圖7 分析預(yù)測(cè)軌跡和預(yù)報(bào)軌跡逐時(shí)距離誤差和角度誤差圖

5 實(shí)際案例應(yīng)用

以2009年的一次案例為例。衛(wèi)星于2009年9月15日22時(shí)發(fā)現(xiàn)油源，16日早4時(shí)前后處理完衛(wèi)星遙感圖片獲取溢油信息，之后16日中午得到16日10時(shí)的衛(wèi)星遙感圖片。以15日22時(shí)衛(wèi)星遙感圖片中溢油位置作為初始油源進(jìn)行模擬預(yù)報(bào)，我們做了3個(gè)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)1采用預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)，海流采用國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)化渤海海流預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，利用溢油輸運(yùn)擴(kuò)散模式開展12 h的模擬；試驗(yàn)2采用國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心提供的后報(bào)風(fēng)場(chǎng)，海流采用國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)化渤海海流預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，利用溢油輸運(yùn)擴(kuò)散模式開展12 h的模擬；試驗(yàn)3中，在16日早4時(shí)獲取遙感圖片中溢油信息的同時(shí)也獲得5個(gè)海上石油平臺(tái)在15日22時(shí)至16日4時(shí)的風(fēng)速觀測(cè)資料，利用該觀測(cè)資料，以預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)為背景場(chǎng)，采用前面提到的同化方法來(lái)獲得溢油事件前6 h的訂正風(fēng)場(chǎng)提供給溢油模型，后面6 h仍采用預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)，海流采用國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)化渤海海流預(yù)報(bào)系統(tǒng)的預(yù)報(bào)產(chǎn)品，利用溢油輸運(yùn)擴(kuò)散模式開展12 h的模擬。模擬結(jié)果同實(shí)測(cè)對(duì)比見圖8，圖中黑色線包圍區(qū)域?yàn)橐缬统跏嘉恢?，淺紫色線包圍區(qū)域?yàn)?2 h后衛(wèi)星觀測(cè)到的溢油位置，可以看到，試驗(yàn)3獲得的模擬預(yù)測(cè)位置最為接近衛(wèi)星觀測(cè)到的淺紫色線包圍區(qū)域。3種試驗(yàn)方案同觀測(cè)值的誤差分析結(jié)果見表1，試驗(yàn)1距離誤差和角度誤差都最大，其次是試驗(yàn)2，試驗(yàn)3無(wú)論是距離誤差還是角度誤差都是最小，且距離誤差和角度誤差相對(duì)試驗(yàn)1和試驗(yàn)2有明顯減小?？梢娎糜^測(cè)數(shù)據(jù)，采用同化方法對(duì)風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行訂正后再驅(qū)動(dòng)溢油模型，確實(shí)能提高溢油漂移軌跡預(yù)報(bào)精度。

圖8 實(shí)例中試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

表1 距離誤差和角度誤差分析表

6 小結(jié)

本文雖然只采用了最為簡(jiǎn)單的OI方法應(yīng)用到溢油業(yè)務(wù)化應(yīng)急預(yù)報(bào)的風(fēng)場(chǎng)訂正中，但提高預(yù)報(bào)精度效果卻很明顯，為如何進(jìn)一步利用同化方法提高溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)精度的研究提供了一定基礎(chǔ)，對(duì)如何提高溢油預(yù)報(bào)精度作了探索性工作。隨著觀測(cè)水平、技術(shù)的提高和越來(lái)越多觀測(cè)資料的獲取，如何將這些資料通過(guò)合理的方法（比如同化技術(shù)）來(lái)提高我們當(dāng)前的溢油業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)水平，將是業(yè)務(wù)化預(yù)報(bào)工作中的一項(xiàng)重要且具有現(xiàn)實(shí)意義的研究。

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The assimilation technology application in the oil spill emergency forecasting system of the Bohai Sea

Li Yan1，2，Zhu Jiang3，Wang Hui1，2，Lin Caiyan4

（1．National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081，China；2．Key Laboratory of Research on Marine Hazards Forecasting，National Marine Environmental Forecasting Center，Beijing 100081，China；3．Instituteof Atmospheric Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100029，China；4．Air Traffic Management Bureau，Civil Aviation Administration of China，Beijing 100122，China．）

The trajectory numerical forecasting of oil spill is very important to the accident handling of oil spill. Many researchers did a lot of work on oil spill forecasting technology.However，the success of each model depends on the model structure and schemes，the accuracy of input data（such as wind，current，oil sourceinformation）and the interpretation of results.Input data，especially wind data and current data，are subjected to many error sources.Now，the accuration of oil spill numerical forecasting still can't reach the level we need.With the developing of observation technology and capability，it becomes a major question that how to use these real-time observa-tion data to improve the accuration of oil spill numerical forecasting in order to meet the requirements of emergency forecast.The oil spill operational numerical forecasting system of the Bohai Sea was established on 2008 by National Marine Environmental Forecasting Center（NMEFC）.In the paper，in order to resolve these real troubles in the oil spill operational numerical forecasting system of the Bohai Sea，the OI assimilation technology is applied in the oil spill emergency forecasting system of the Bohai Sea by using the observation data of wind field of five oil platforms from January 2010 to February 2011 in the Bohai Sea.The relevant scale factor，which is a very important factor in OIassimilation method，is determined by cross-correct method.Then the optimal value of parameter in OI assimilation technology is determined in the case of the five observation stations such this distribution.After that，the technology is applied in an ideal case and a real case，the results both approve that the applying of the OI assimilation technology improve the accuration of oil spill numerical forecasting results.This work provide a simple method to improve the accuration of oil spill numerical forecasting results，and it also meet the requirements of the oil spill emergency prediction in term of convenience and quickness.

oil spill；emergency forecasting；optimal interpolation assimilation method；OI；cross-correct；relevant scale factor

P76

A

0253-4193（2014）03-0113-08

2013-06-01；

2013-11-18。

國(guó)家自然科學(xué)基金（41206106）；海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（201305031）。

李燕（1976—），女，四川省自貢市人，博士，主要從事溢油數(shù)值模擬預(yù)報(bào)研究。E-mail：liy＠nmefc.gov.cn

李燕，朱江，王輝，等.同化技術(shù)在渤海溢油應(yīng)急預(yù)報(bào)系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.海洋學(xué)報(bào)，2014，36（3）：113—120，

10.3969／j.issn. 0253-4193.2014.03.012

Li Yan，Zhu Jiang，Wang Hui，et al.The assimilation technology application in the oil spill emergency forecasting system of the Bohai Sea［J］.Acta Oceanologica Sinica（in Chinese），2014，36（3）：113—120，doi：10.3969／j.issn.0253-4193.2014.03.012