淺海環(huán)境下溢油海面的仿真

楊永紅，徐平，林明，奚彩萍

（江蘇科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

近年來(lái)，海洋溢油事故的頻發(fā)，給海洋環(huán)境和生物造成了嚴(yán)重的破壞。盡管，海上溢油監(jiān)測(cè)和治理技術(shù)得到了快速發(fā)展，如合成孔徑雷達(dá)（SAR，synthetic aperture radar）遙感衛(wèi)星可實(shí)現(xiàn)全天候、全天時(shí)的溢油監(jiān)測(cè)。但是，它的高虛警率問(wèn)題一直未得到徹底的解決。理解溢油海面與清潔海面物理機(jī)制的根本區(qū)別是解決SAR高虛警率的關(guān)鍵所在 （鄒亞榮 等，2009，2011；Nunziata et al，2008；石立堅(jiān) 等，2009）。

溢油海面的仿真是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，它主要涉及兩個(gè)過(guò)程：一是海面的建模，大致可分為物理模型和幾何模型兩種方法；物理模型是以流體力學(xué)方程為基礎(chǔ)，建立了深水表面波理論、小振幅波理論以及有限振幅波理論；通常采用數(shù)值方法求解，需要做穩(wěn)定性分析，該方法模擬的海面逼真度較好，符合實(shí)際海面的運(yùn)動(dòng)，但它具有計(jì)算量大、效率低等缺點(diǎn)。幾何模型是通過(guò)對(duì)常見(jiàn)的幾何曲線（如三角函數(shù)、樣條函數(shù)）進(jìn)行擬合來(lái)表示海面，其中，F(xiàn)ourier法是用不同頻率、幅度及相位的三角函數(shù)的線性組合來(lái)表示海面。由于其Fourier系數(shù)與海浪譜之間有明確的物理關(guān)系，因此，基于經(jīng)驗(yàn)海浪譜法仿真海面在微波海洋遙感中廣泛采用，經(jīng)驗(yàn)海浪譜模型有Bretschneider海浪譜、Pierson-Moskowitz海浪譜及JONSWAP海浪譜等。二是油污與海面的相互作用，油污會(huì)導(dǎo)致風(fēng)與海面之間的摩擦力減小，因此，溢油海面的短重力波和毛細(xì)波將受到抑制和衰減。研究表明，溢油海面的海浪譜與清潔海面的海浪譜在高波數(shù)區(qū)域有明顯的區(qū)別，在此基礎(chǔ)上，建立了Marangoni溢油理論模型（Lom bardinietal，1989）。

海面溢油一旦發(fā)生，油污會(huì)隨著海浪、風(fēng)等向著近海岸傳播和擴(kuò)散，此時(shí)，就需要考慮淺海地形或者水深對(duì)海面的影響。Franceschetti等在仿真SAR溢油海面原始信號(hào)時(shí)，采用了基于海浪譜和Marangoni理論的方法計(jì)算溢油海面，在該文中未考慮到海底地形或者水深的影響，因此，它不適合于近海岸的溢油情況（Franceschetti et al，2002；Pineletal，2008）。

本文提出了一種適合于淺海環(huán)境下溢油海面的仿真方法。有限水深下溢油海面的海浪譜的計(jì)算是根據(jù)TMA譜模型和Marangoni溢油理論模型，然后根據(jù)海浪的色散關(guān)系和Longuet-Higgins模型，計(jì)算有限水深下溢油海面的波面位移。

1 TMA譜模型

在Kitaigorodskii等學(xué)者的工作基礎(chǔ)上，TMA（Texel-Marsen-Arsloe）譜模型利用波浪的色散關(guān)系對(duì)JONSWAP譜進(jìn)行了改進(jìn)，使其適合于淺水環(huán)境下，其表達(dá)式為 （Kitaigorodskii et al，1975；Bsuwsetal，1985）：

式中，d為水深，∞表示水深為無(wú)窮大，ω為波浪的角頻率，k為波浪的波數(shù)，（ω）為JONSWAP譜，ωp為譜峰角頻率，γ為峰升因子，δ為峰形參量，g為引力常數(shù)，α為尺度系數(shù)，U為海面上10m處的風(fēng)速 ，F(xiàn)為風(fēng)區(qū)長(zhǎng)度，Φ（ω，d）為Kitaigorodskii深度函數(shù)。從式（2）可以看出，對(duì)于可變海底地形來(lái)講，即水深為非常數(shù)時(shí)，要對(duì)Kitaigorodskii深度函數(shù)進(jìn)行修正。

若波浪不滿足線性關(guān)系，由于非線性波浪的色散關(guān)系復(fù)雜，Kitaigorodskii深度函數(shù)是一個(gè)隱函數(shù)，不存在顯式形式。若波浪滿足線性關(guān)系，那么利用線性波浪的色散關(guān)系，Kitaigorodskii深度函數(shù)為式（2）中的第2個(gè)等式。圖1為不同深度下Kitaigorodskii深度函數(shù)。從圖1可以看出，隨著頻率的增大，Kitaigorodskii深度函數(shù)逐漸趨于1。這表明水深對(duì)高頻（波長(zhǎng)?。┎ɡ说挠绊懶?，而對(duì)低頻（波長(zhǎng)大）波浪的影響大。隨著水深的增大，對(duì)于固定的低頻波浪來(lái)講，Kitaigorodskii深度函數(shù)也增大。當(dāng)水深為無(wú)窮大時(shí)，即深水情況下，Kitaigorodskii深度函數(shù)為 1，TMA譜退化為JONSWAP譜。

圖1 不同深度下Kitaigorodskii深度函數(shù)

2 溢油海浪譜模型

Lombardini建立了溢油海面的海浪譜，其表達(dá)式為，

根據(jù)Longuet-Higgins海浪模型和色散關(guān)系，結(jié)合式（1）和（7），則淺海溢油海面的鉛直位移為ζ（x，y；t），

3 仿真結(jié)果及分析

首先，給出JONSWAP海浪譜參數(shù)：尺度系數(shù)α=0.008 1，峰升因子γ=3.3，風(fēng)區(qū)F=100 km，風(fēng)速U=10m/s，引力常數(shù)g=9.806 55m/s2；然后，給出海面參數(shù)：海面x方向長(zhǎng)度為100m，y方向長(zhǎng)度為100m，海浪方向?yàn)?5°，水深h=8m，海水的密度ρ=103kg/m3，清潔海面的表面張力ζ=74×103kg/m；最后，給出溢油參數(shù)：溢油歸一化系數(shù)q=1，溢油的特征角頻率ωD=8 rad/s，彈性模量，運(yùn)動(dòng)粘度系數(shù)E0=23×10-3N/m，溢油的密度ρoi=870 kg/m3，溢油海面的表面張力ζ=28×10-3N/m。

利用式（1），（3）和（7），分別計(jì)算深水清潔海面、有限水深清潔海面及有限水深溢油海面的譜。然后，根據(jù)Longuet-Higgins海浪模型和色散關(guān)系，分別計(jì)算深水清潔海面、有限水深清潔海面及有限水深溢油海面的鉛直位移，如圖2a，3a及4a所示。為了對(duì)比深水清潔海面、有限水深清潔海面及有限水深溢油海面的細(xì)節(jié)變化，對(duì)結(jié)果進(jìn)行了灰度顯示，如圖2b，3b及4b所示。從圖2和3可以看出，有限水深的波面鉛直位移要比深水的小，這主要是波浪在海底摩擦力的作用下，要消耗一部分能量所致。從圖3和4可以看出，溢油波面的粗糙度要比清潔波面的小，這表明溢油對(duì)波浪的短重力波具有一定的抑制作用。

圖2 深水清潔海面鉛直位移

圖3 有限水深清潔海面鉛直位移

圖4 有限水深溢油海面鉛直位移

4 結(jié)論

本文提出了一種適合于淺海環(huán)境下溢油海面的仿真方法，并利用TMA譜模型和溢油理論模型分別討論了水深和溢油對(duì)海浪譜的影響。對(duì)恒定水深條件下，進(jìn)行了溢油海面的仿真。與清潔深水海面相比，在海底地形和溢油Marangoni效應(yīng)的雙重作用下有限水深溢油海面的粗糙度受到了一定的影響。

在淺海環(huán)境下，利用該方法可對(duì)溢油海面進(jìn)行電磁散射的計(jì)算，分析溢油參數(shù)對(duì)溢油海面電磁散射的影響，從而提出新的SAR溢油圖像識(shí)別方法，以降低SAR溢油圖像識(shí)別的高虛警率。在可變海底地形的條件下，溢油海面Marangoni效應(yīng)及其電磁散射的計(jì)算是下一步的研究重點(diǎn)。

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