POM模式在渤海油氣開發(fā)環(huán)境條件計(jì)算中的應(yīng)用＊

楊圣和 蘭志剛 何 琦 張 杰 石新剛

（中海油能源發(fā)展股份有限公司北京分公司）

隨著海流數(shù)值模式逐步發(fā)展與完善，特別是其時(shí)空覆蓋和分辨能力的加強(qiáng)，利用海流數(shù)值模式可以從整體上研究更大時(shí)空尺度的海洋環(huán)流現(xiàn)象，同時(shí)也為海洋工程設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算提供了更多的技術(shù)手段［1－2］。由于海洋測(cè)量的復(fù)雜性，多數(shù)海區(qū)海流調(diào)查資料稀缺或觀測(cè)序列短，無(wú)法單純利用觀測(cè)資料完成海洋工程所需要的設(shè)計(jì)條件、一般作業(yè)條件以及疲勞條件的統(tǒng)計(jì)分析。通過(guò)海流數(shù)值模擬計(jì)算，不僅可以實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的融合和同化，同時(shí)可以根據(jù)需要在三維空間尺度上給出長(zhǎng)時(shí)間序列的海流模擬結(jié)果，從而使重現(xiàn)期極值分析成為可能。本文利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了普林斯頓海流模式（POM）在渤海的適用性，并利用模擬結(jié)果計(jì)算了渤海不同海區(qū)的海流設(shè)計(jì)條件。

1 方法原理簡(jiǎn)介

目前國(guó)內(nèi)外的海流數(shù)值模式基本上是以三維原始方程為基礎(chǔ)［3－4］，水平網(wǎng)格選取多為 Arakawa B或C網(wǎng)格，垂向分層則有深度z坐標(biāo)、隨地σ坐標(biāo)、等密面ρ坐標(biāo)和s坐標(biāo)（伸展坐標(biāo)）等（有的模式則采用混合坐標(biāo)，即在不同的層面上根據(jù)不同的層化結(jié)構(gòu)分別采用不同的坐標(biāo)），大部分模式的差分格式多采取有限差分（有限體積）格式，少數(shù)采用有限元格式或譜離散模式。其中，Prinston大學(xué)的POM海流模式對(duì)于不同的垂向分層坐標(biāo)方案隨地σ坐標(biāo)的模式編程相對(duì)簡(jiǎn)單，能較準(zhǔn)確地模擬地形效應(yīng)，特別是垂向混合系數(shù)由二階湍流閉合模型確定，在一定程度上擺脫了人為因素的干擾［5］，因此在海洋研究和工程計(jì)算中均得到了很好的實(shí)際應(yīng)用。

描述海洋中水動(dòng)力和熱力系統(tǒng)的基本控制方程包括：海水運(yùn)動(dòng)的動(dòng)量方程、質(zhì)量守恒的連續(xù)方程、海水的狀態(tài)方程、溫度和鹽度的守恒方程等，表現(xiàn)形式如下［6］：

式（1）～（7）中：x、y、z分別為笛卡兒坐標(biāo)系中的東、北和垂直方向；u、v和w分別為x、y、z方向的流速分量；T為溫度；S為鹽度；ρ為密度；p為壓力；f為科里奧利參數(shù)；g為重力加速度；Km為垂向湍粘性系數(shù)；KH為熱力學(xué)垂向湍擴(kuò)散系數(shù)；Fx、Fy、FT、FS分別為水平動(dòng)量以及溫度和鹽度的擴(kuò)散項(xiàng)。

2 邊界條件及參數(shù)設(shè)置

利用POM模式開展渤海油氣開發(fā)環(huán)境條件模擬計(jì)算時(shí)，海面水位的開邊界條件由邊界處主要分潮的調(diào)和常數(shù)通過(guò)計(jì)算得到［7－9］；流速的開邊界條件采用輻射條件或無(wú)梯度邊界條件給定；溫度和鹽度的開邊界條件采用無(wú)梯度邊界條件或者出流區(qū)輻射、入流區(qū)迎風(fēng)對(duì)流格式；將歷史觀測(cè)資料得到的多年平均溫度和鹽度場(chǎng)作為模式的初始場(chǎng)；POM模式的上表面強(qiáng)迫采用風(fēng)應(yīng)力強(qiáng)迫［10］，所用的風(fēng)應(yīng)力數(shù)據(jù)根據(jù)大氣數(shù)值預(yù)報(bào)模式RAMS輸出的風(fēng)場(chǎng)通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算確定；POM模式的開邊界采用潮汐的調(diào)和常數(shù)進(jìn)行強(qiáng)迫，所用的潮汐調(diào)和常數(shù)來(lái)自于渤海、黃海、東海潮汐模式模擬結(jié)果［9］，采用與參考文獻(xiàn)［9］中相同數(shù)值模擬區(qū)域，分辨率為127 mm。POM模式運(yùn)行和參數(shù)設(shè)置如下：計(jì)算的海區(qū)為32～41°N、117.42～126.25°E所覆蓋的渤海區(qū)域（圖1），水平分辨率為127 mm×127 mm，模式采用隨地σ坐標(biāo)，垂向分21層，并且上表層具有較高的分辨率；外模的時(shí)間步長(zhǎng)為20 s，內(nèi)模的時(shí)間步長(zhǎng)為1200 s，積分時(shí)間從1985年1月1日至2004年12月31日；流場(chǎng)、水位都采用零初始條件；考慮 M2、S2、O1、K1四個(gè)分潮作用，并通過(guò)水位調(diào)和常數(shù)從開邊界引入，將風(fēng)應(yīng)力均勻差值到模式運(yùn)行的每一步；每小時(shí)輸出一次計(jì)算結(jié)果，包含表層、中層、底層3層流速和水位。

圖1 渤海POM模式計(jì)算區(qū)域及地形分布（圖中數(shù)字為水深）

3 模擬結(jié)果對(duì)比檢驗(yàn)

3.1 調(diào)和常數(shù)檢驗(yàn)

利用上述的POM模式配置，對(duì)渤海的M2、S2、O1、K1分潮進(jìn)行數(shù)值模擬。表1為POM模式模擬的M2分潮調(diào)和常數(shù)與環(huán)渤海各驗(yàn)潮站觀測(cè)的調(diào)和常數(shù)對(duì)比，可以看出，19個(gè)驗(yàn)潮站觀測(cè)值和模擬的調(diào)和常數(shù)平均振幅誤差只有4.5 cm，平均位相誤差只有4.2°，計(jì)算穩(wěn)定后所得到的調(diào)和常數(shù)與觀測(cè)結(jié)果符合較好。分析認(rèn)為，二者之間的差異，一方面可能是由于網(wǎng)格點(diǎn)與驗(yàn)潮站之間的位置差異所造成，因?yàn)槟Ｊ降乃骄W(wǎng)格距都在數(shù)千米間，這樣的網(wǎng)格對(duì)于海岸線的分辨率仍然是比較差的；另一方面可能是由于岸界變遷以及地形和水深的誤差所致，這在黃河口和萊州灣表現(xiàn)得尤其明顯；另外還有可能與邊界處各分潮的調(diào)和常數(shù)精度等條件有關(guān)。

表1 用POM模式模擬的M2分潮調(diào)和常數(shù)與環(huán)渤海驗(yàn)潮站觀測(cè)的調(diào)和常數(shù)的對(duì)比

3.2 海流檢驗(yàn)

選取共計(jì)8個(gè)有代表性的天氣過(guò)程，利用渤海QK 18－1、SZ 36－1、JZ 20－2、JZ 9－3和 LD 16－3 共5個(gè)海洋石油開發(fā)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)潮流實(shí)測(cè)資料對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)。根據(jù)公式σ＝Δ/L×100%（其中σ為流速、流向相對(duì)誤差；Δ為流速、流向模擬與實(shí)測(cè)差值；L為流速、流向?qū)崪y(cè)值），對(duì)模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)資料作對(duì)比分析，結(jié)果見表2。

表2 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和模擬計(jì)算的渤海海流流速和流向?qū)Ρ?/p>

從表2可以看出，流速模擬計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差為5.8%～9.7%，二者之間的相關(guān)系數(shù)為0.89～0.99；流向模擬計(jì)算結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值相對(duì)誤差為4.7%～10.0%，二者之間的相關(guān)系數(shù)為0.90～0.98。這說(shuō)明，模擬的潮流和實(shí)際觀測(cè)的潮流比較接近，二者在流速、流向、高低潮流、轉(zhuǎn)流等都基本一致。

3.3 水位檢驗(yàn)

利用位于渤海的 QK 18－1、SZ 36－1、SZ 30－1和JZ 9－3共4個(gè)海洋石油開發(fā)區(qū)的現(xiàn)場(chǎng)水位實(shí)測(cè)資料對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比檢驗(yàn)，結(jié)果見表3。從表3可以看出，模擬的水位與實(shí)際觀測(cè)的水位吻合較好，二者之間的相對(duì)誤差基本上都小于10%，相關(guān)系數(shù)基本上也都大于0.9。

表3 渤海水位現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和模擬計(jì)算的對(duì)比結(jié)果

上述對(duì)比檢驗(yàn)結(jié)果表明，利用POM模式在渤?？梢暂^精確地模擬海洋油氣開發(fā)環(huán)境條件，模擬結(jié)果可以很好地反映渤海的海流和水位變化特征。基于此，利用該模式數(shù)值方法，以127mm×127mm的水平空間分辨率，給出了1985年1月1日至2004年12月31日20年來(lái)渤海不同海域海流和水位的逐時(shí)模擬結(jié)果，在此基礎(chǔ)上找出了每年海流和水位年極值而組成連續(xù)20年的年極值序列，并利用Gumbel分布進(jìn)行擬合后給出了渤海各水域的不同重現(xiàn)期的極端水位和流速（圖2、3），從而為該區(qū)域油氣田開發(fā)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合海洋石油工程開發(fā)建設(shè)的實(shí)際需要，利用數(shù)值模擬方法開展渤海海洋環(huán)境條件參數(shù)計(jì)算，系統(tǒng)地考慮渤海海域的海洋環(huán)境特征，實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)到面的跨越，保證了計(jì)算結(jié)果的時(shí)空一致性，具有時(shí)空覆蓋范圍大、分辨率高、計(jì)算精度較高的特點(diǎn)。從技術(shù)方法上來(lái)說(shuō)，這是一種很好的嘗試，尤其是當(dāng)工程海域海流調(diào)查資料稀缺或觀測(cè)序列短，無(wú)法單純利用觀測(cè)資料完成海洋工程所需要的設(shè)計(jì)條件、一般作業(yè)條件以及疲勞條件的統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，可以利用海流數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行環(huán)境條件計(jì)算，以滿足海洋工程的需要。

［1］ 游小寶，李榮鳳.海洋環(huán)流模式的發(fā)展和應(yīng)用Ⅱ.近海和區(qū)域環(huán)流模式［J］.大氣科學(xué)，2003，27（4）：729－739.

［2］ 張學(xué)洪，俞永強(qiáng)，劉海龍.海洋環(huán)流模式的發(fā)展和應(yīng)用Ⅰ.全球海洋環(huán)流模式［J］.大氣科學(xué)，2003，27（4）：178－188.

［3］ 趙艷玲，張銘，司廣宇.海洋環(huán)流模式研究回顧與展望［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006（3）：81－90.

［4］ BIUMBERG A F，GOMEZ－REYERS E，MUNASINGHE L.3D hydrodynamic model verification using ADCPS［C］.Hydr.Eng.，ASCE，1991：722－727.

［5］ 萬(wàn)振文，喬方利，袁業(yè)立.渤、黃、東海三維潮波運(yùn)動(dòng)數(shù)值模擬［J］.海洋與湖沼，1998，29（6）：611－616.

［6］ 李東輝，張銘，王純富.海洋環(huán)流數(shù)值模式中的若干技術(shù)問題評(píng)述［J］.解放軍理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2003（4）：78－83.

［7］ BIUMBERG A F，MELLOR G L.A simulation of the circulation in the Gulf of Mexico［J］.Israel Journal of Earth Sciences，1985，34：122－144.

［8］ CHU P C，EDMONS N L，F(xiàn)AN C.Dynamical mechanisms for the South China Sea seasonal circulation and thermohaline variabilities［J］.Phys.Oceanogr.，1999，29：2971－2989.

［9］ 趙保仁，方國(guó)洪.渤、黃、東海潮汐潮流的數(shù)值模擬［J］.海洋學(xué)報(bào)，1994，16（5）：1－10.

［10］ 容新堯，楊修群.全球海洋環(huán)流模式中上層海洋對(duì)表面強(qiáng)迫的響應(yīng)和調(diào)整Ⅱ.年代際變率［J］.海洋學(xué)報(bào)，2005（3）：21－32.