黃 娟，吳玲娟，高 松，曹雅靜，白 濤

（國家海洋局北海預報中心,山東青島 266033）

黃海綠潮應急漂移數(shù)值模擬

黃 娟，吳玲娟，高 松，曹雅靜，白 濤

（國家海洋局北海預報中心,山東青島 266033）

基于三維全動力POM海洋模式，利用2008～2009年黃海綠潮多源實測和監(jiān)測數(shù)據(jù)，考慮奧帆賽場附近海域圍油欄和流網(wǎng)等障礙物的阻攔作用，利用拉格朗日粒子追蹤方法對綠潮的漂移軌跡進行應急預測，為政府相關部門了解綠潮的漂移軌跡，并采取相應的措施提供有力可靠的依據(jù)。通過黃海綠潮漂移軌跡和海流數(shù)值模擬結果初步分析，發(fā)現(xiàn)兩者存在密切關系。

綠潮；漂移預測；拉格朗日；粒子追蹤

1 引言

大型海洋綠藻大量增殖現(xiàn)象，被稱為“綠潮”（Green Tides）。綠潮在全球沿岸海域爆發(fā)并造成嚴重危害的現(xiàn)象變得越來越頻繁，發(fā)生地理范圍也日趨增大，已經(jīng)成為一種世界性的海洋災害。從1980年美國、加拿大、荷蘭、法國、意大利、日本和韓國等國家,均爆發(fā)過綠潮災害，法國沿岸海域尤為嚴重。從1997～2001年，受綠潮危害的濱海城市從60個增加到103個。2007年，中國黃海北部和中部局部海域首次發(fā)現(xiàn)由綠藻大量增殖發(fā)生的綠潮。2008年5月以來，在黃海北部特別是青島沿岸海域，綠潮大量增殖聚集。為了保證奧運會帆船/板賽的順利舉行，為了沿海經(jīng)濟發(fā)展和保護生態(tài)環(huán)境，國家海洋局舉全國之力，應對綠潮大面積爆發(fā)所帶來的不利影響。2009年和2010年，黃海又出現(xiàn)大量綠潮繁殖漂移，政府部門啟動應急預案。綠潮作為我國一種新的自然災害，當其大面積爆發(fā)時，對海洋環(huán)境、海洋漁業(yè)和海洋生態(tài)系統(tǒng)都會造成一定的影響。因此開展黃海綠潮應急漂移數(shù)值模擬研究，可以進一步提高綠潮的應急預測水平，為政府相關部門采取相應措施提供有力可靠依據(jù)，為保證海洋資源可持續(xù)利用，保護海洋生態(tài)系統(tǒng)，為防災減災做出貢獻。

國外很多科學家對綠潮的生長機制、運動方向和速度等要素進行多方面研究，并得到了初步的成果。Aurousseau等[1]在法國綠潮災害比較嚴重的Brest灣，建立三維生物地球化學模式，對該海域的漂浮綠潮的生長和腐敗-漂移-沉降進行模擬。Cugier等[2]建立的浮游植物三維生態(tài)學模型和三維水動力模型（Cugier等[3]），建立適應于Brest灣的綠潮特征（Me′nesguen 等[4]； M′enesguen[5]）的三維生物地球化學模型，同時開展了潮間帶綠潮的預報研究。Perrot等[6]發(fā)展了預報潮間帶海藻的簡單方法，并于2007年5月建立了綠潮在潮間帶生長和漂移的預報模式。2008年5月31日黃海海域發(fā)現(xiàn)漂浮綠潮后，國內研究人員對綠潮的漂移進行多方面研究，并得到了初步的成果。北海預報中心立即啟動高性能計算機，利用衛(wèi)星、船舶、飛機、海洋站等多源觀測和監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用POM（Princeton Ocean Model）三維全動力海流模式的拉格朗日粒子追蹤方法，快速準確預報綠潮的漂移方向和路徑。喬方利等[7]根據(jù)7月份綠潮的漂移路徑，提出“綠潮長程輸運通道”觀點，認為綠潮的長程輸運通道會隨著風場變化而略有不同，可將監(jiān)測與打撈工作從整個面集中到狹窄通道內。

2 模式介紹和數(shù)據(jù)來源

圖1 綠潮漂移預測數(shù)值模擬區(qū)域水深和雙重嵌套區(qū)域

綠潮漂移數(shù)值模式采用三維全動力POM海洋模式，根據(jù)綠潮所在位置、范圍以及政府部門對應急預測的不同需求，建立兩個區(qū)域模式：大區(qū)域是東中國海海域（117°30'～130°E,25°～41°10'N），水平分辨率1/30°，垂向10層；小區(qū)域是青島—江蘇近海海域（119°8.6'～122°E,31°45.6'～37°N），水平分辨率1/120°，垂向6層；模式地形來 源 于 GEBCO（General bathymetric Chart of Oceans）分辨率為1'×1'的數(shù)據(jù)，并采用海圖水深和Google Earth進行水深和岸線訂正（見圖1）。大區(qū)域模式采用全球海洋模式（HYCOM+NCODA Global 1/12°Analysis）模式的水位、流場、溫鹽場等輸出結果作為大區(qū)域模式的初值和邊值場，同時在邊界上加上8個分潮（M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1）來驅動；采用北海預報中心業(yè)務化WRF（Weather Research and Forecasting）大氣模式的風場和熱通量場作為大氣強迫場；考慮長江等主要河流徑流的作用，長江的徑流量采用大通站多年月平均徑流量（見表1）；奧帆賽場附近海域考慮圍油欄和流網(wǎng)等障礙物的阻攔作用，綠潮大部分被阻擋在圍油欄和流網(wǎng)外，而海水可以通過。小區(qū)域模式是采用兩重嵌套技術，大區(qū)域計算結果為小區(qū)模式提供初值和邊值條件；大氣強迫場與大區(qū)域模式相同。海洋模式采用熱啟動，根據(jù)政府需求每天預報未來3～7天的綠潮漂移情況。

在不考慮綠潮自身生態(tài)特征的情況下，其在海水中的移動，可以看作是質點跟隨海流的物理運動，所以綠潮應急漂移預測，采用拉格朗日粒子追蹤方法。粒子追蹤方法采用粒子隨機走動模式來模擬粒子的運動。每個粒子的位移變量都可以由Lagrange方程來確定；粒子群的運動特性是一個隨機過程，它的條件概率密度函數(shù)可以由相應的Fokker—Planck方程決定。將對流擴散方程轉化為Fokker—Planck形式，通過數(shù)值求解粒子的Lagrange方程，確定每個粒子的位移，從而實現(xiàn)了粒子的動態(tài)追蹤，達到了污染物運動過程數(shù)值模擬的目的[8]。

三維全動力POM海洋模式中綠潮數(shù)據(jù)主要來源于2008～2009年TERRA/AQUA-MODIS、SAR COSMO-1/COSMO-2和HY-1B衛(wèi)星、飛機、船舶和海洋站等多源觀測和監(jiān)測資料。利用多源資料反演和提取綠潮位置、范圍和分布面積等信息，分析數(shù)據(jù)可信度，整合多源數(shù)據(jù)，為海洋數(shù)值模式提供綠潮初始場和比對場。

表1 大通站多年月平均流量（cm3/s）

圖2 模式模擬的東中國海M2,S2,K1,O1的同潮位（實線）和同位相（虛線）

3 模式流場結果驗證

圖2是模式計算的東中國海四大分潮的同潮圖。從同潮圖可以看出，潮波從太平洋經(jīng)日本九州至臺灣之間的島鏈地區(qū)傳入東海。當潮波通過陸架波折時，以前進波形式為主進入黃海，振幅和流速陡增。受黃海岸界作用，半日潮演變成以兩個無潮點為重要標志、駐波為主要特征的潮波系統(tǒng)。日潮波演變?yōu)閱我粺o潮點的、駐波為主要特征的潮波系統(tǒng)。潮波繼續(xù)北上，經(jīng)渤海海峽進入渤海，形成以黃河口和秦皇島附近兩個無潮點為特征的渤海半日潮系統(tǒng)以及渤海海峽附近出現(xiàn)無潮點的渤海全日潮波系統(tǒng)。從表2（主要海洋站觀測和模擬的4個主要分潮調和常數(shù)比較）可以看出模擬的4個分潮與實測基本一致，誤差較小。

表2 海洋站觀測和模擬的四個主要分潮調和常數(shù)比較（振幅單位m，位相單位：°）

圖3～4是2008年8月19～20日奧運1號浮標120o24'E，36o2.4'N和2009年3月26～27日董家口傾倒區(qū)附近A10測流點（120°1.967'E，35°22.3'N）（位置見圖1）表層流速、流向模擬計算值與實測值的比較。無論是流速還是流向，模擬值和實測值的變化基本一致，吻合較好。圖5是2009年6月23日～7月11日黃海外海表層漂流浮標（FB96324）漂流軌跡與模擬漂流軌跡，從圖中可以看出兩者漂流方向和速度基本一致?？傮w來說，該數(shù)值模式能較好再現(xiàn)該海區(qū)的海流狀況。

4 綠潮應急漂移數(shù)值模擬結果和驗證

圖3 奧運1號浮標表層流速、流向計算值與實測值比較圖

圖4 董家口附近測流點A10表層流速、流向計算值與實測值比較

圖5 2009年6月23日～7月11日表層漂流浮標軌跡和數(shù)值模擬結果比較

圖6 綠潮2008年7月1～6日漂移趨勢預測

根據(jù)政府部門的不同需求，綠潮應急漂移數(shù)值模擬結果以綠潮漂移趨勢圖、動態(tài)圖和軌跡圖等形式出現(xiàn)。

4.1 綠潮漂移趨勢圖和驗證

根據(jù)2008年6月30日海監(jiān)飛機監(jiān)測結果，提取綠潮位置、分布范圍等信息，基于三維全動力POM模式，預測綠潮的漂移軌跡（見圖6）。圖7是青島近海模擬流場未來6天（2008.7.1～2008.7.6）平均分布。數(shù)值模擬結果顯示受偏北向海流的影響，綠潮未來6天向偏北方向漂移，漂移速度12.8km/d，與同時段衛(wèi)星等多源監(jiān)測的結果大體一致。

圖7 青島近海模擬表層流場6天（2008 7.1～2008.7.6）平均分布

4.2 綠潮漂移動態(tài)圖和驗證

SAR衛(wèi)星成像分辨率為30 m，與MODIS和HY-1B衛(wèi)星比對，能較好反映綠潮的信息。由于2008年青島近海綠潮密集度比較高，綠潮分布特征比較明顯。恰好2008年7月16日SAR COSMO-1和COSMO-2分別于18:16和19:04經(jīng)過青島近海（圖像來源于國家衛(wèi)星海洋應用中心，圖8）。圖8中A、B、C、D、E區(qū)域表示2008年奧運會帆船/板賽海域，藍色多邊形代表奧帆賽場警戒區(qū)，綠色代表綠潮（滸苔）。這個時間內綠潮打撈工作已經(jīng)停止打撈，而且SAR成像不受云覆蓋的影響，所以從SAR COSMO-1圖像中提取有效信息作為綠潮漂移模式的初始場，預報48分鐘后綠潮的位置（見圖9），與SAR COSMO-2監(jiān)測結果作比較（見圖8右）。受青島近海東北向流的影響（見圖10），綠潮向東北偏東向漂移。綜合考慮綠潮有可能會沉降、SAR COSMO-1和COSMO-2成像也會出現(xiàn)一些差別等因素，綠潮數(shù)值預報結果與SAR COSMO-2監(jiān)測結果大體一致。另外從圖9和10可以看出，由于考慮圍油欄和流網(wǎng)等障礙物的阻攔作用，綠潮大部分被阻擋在圍油欄和流網(wǎng)外，而海水可以通過圍油欄和流網(wǎng)。

圖8 2008年7月16日SAR COSMO-1和COSMO-2綠潮衛(wèi)星監(jiān)測解譯圖

圖9 2008年7月16日綠潮漂移模擬結果與SAR COSMO-2衛(wèi)星監(jiān)測結果比較

圖10 2008年7月16日青島近海18:16～19:04平均流場分布

4.3 漂移軌跡圖

利用2009年6月13日MODIS-TERRA衛(wèi)星等綜合解譯信息資料，進行綠潮應急漂移預測（見圖11），可以看到每個小時綠潮外邊界點所在位置，便于政府相關部門了解綠潮相關信息，為啟動應急預案提供依據(jù)。數(shù)值模擬結果（見圖11～12）顯示6月13～19日鹽城外海的綠潮受西北偏北向流的影響，基本向西北偏北方向漂移。

5 討論

圖11 2009年6月13～19日綠潮漂移軌跡（圖中06-13-13代表2009年06月13日13:00）

圖12 青島-江蘇近海2009年6月13～19日6天平均流場分布

綠潮作為一種新的自然災害，當其大面積爆發(fā)時，對海洋環(huán)境、海洋漁業(yè)和海洋生態(tài)系統(tǒng)都會造成一定的影響。開展黃海綠潮應急漂移數(shù)值模擬工作，已為政府相關部門了解綠潮的來源、漂移路徑和方向等方面的信息，并采取相應的措施提供有力可靠的依據(jù)，為海洋資源可持續(xù)利用，保護海洋生態(tài)系統(tǒng)，為海洋防災減災做出貢獻。通過黃海綠潮漂移數(shù)值模擬結果與衛(wèi)星等多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較，可以看出該模式能夠較好模擬綠潮的漂移軌跡。通過黃海海流和綠潮漂移數(shù)值模擬結果分析，綠潮的漂移軌跡與流場分布有密切的關系。在2008年和2009年的綠潮數(shù)值模擬過程中，我們發(fā)現(xiàn)2008年和2009年綠潮在青島近海漂移路徑明顯不同，我們將進一步分析黃海綠潮漂移機制。

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P732

A

1003-0239（2011）01-0025-08

2010-01-08

國家海洋局青年科學基金（20100203）

黃娟（1979-），女，本科，主要從事海洋環(huán)境要素預報和研究，防災減災工作。E-mail:huangjuan@nmfc.gov.cn.