基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)的海灣污染物擴(kuò)散輸運(yùn)預(yù)報系統(tǒng)
——以象山港為例

朱宇航，陳勤思，徐一凱，胡松

（上海海洋大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，上海 201306）

1 引言

海灣是我國近岸海域最典型的地理單元之一，具有豐富的濱海旅游、海洋漁業(yè)和港口運(yùn)輸?shù)群Ｑ筚Y源[1]。在國家海洋生態(tài)文明建設(shè)的大背景下，美麗海灣的保護(hù)與建設(shè)已成為我國“十四五”期間海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)的主線和載體[2]。近年來，隨著沿港經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海灣區(qū)域的海岸工程和工業(yè)活動日益增加，近海尤其是海灣的水環(huán)境受到圍填海開發(fā)和污染物排放等的破壞，出現(xiàn)了水質(zhì)下降和生態(tài)退化等諸多問題。污染物的擴(kuò)散和輸運(yùn)預(yù)報以及污染物的溯源，是海灣生態(tài)與環(huán)境保護(hù)工作中經(jīng)常遇到的問題。美麗海灣的景觀建成后，需要通過能夠快速預(yù)報污染物質(zhì)擴(kuò)散和輸運(yùn)的預(yù)報系統(tǒng)來維持海灣的景觀和生態(tài)環(huán)境。

在近海海洋生態(tài)與環(huán)境研究中，可以通過現(xiàn)場觀測和數(shù)值模式的方法對污染物擴(kuò)散問題進(jìn)行分析，其中，海洋數(shù)值模型可以模擬由潮波[3-5]、環(huán)流[6]、風(fēng)[7]和徑流[8]等驅(qū)動引起的污染物運(yùn)動情況。非結(jié)構(gòu)有限體積法海洋模式（Finite-Volume Community Ocean Model，F(xiàn)VCOM）能夠很好地擬合復(fù)雜地形并保證質(zhì)量守恒[9]，在海灣的研究中取得較好成效[10-11]，特別適合中國近海的潮波和潮流模擬。胡松[12]為FVCOM 開發(fā)的DYE 示蹤物模塊，在提供污染物擴(kuò)散和輸運(yùn)軌跡[13-15]、估算海灣水體交換速率[16-18]以及規(guī)劃海洋工程和保護(hù)近海環(huán)境[19-21]等方面具有廣闊的應(yīng)用空間，因此在近岸和區(qū)域海洋的生態(tài)環(huán)境研究中被廣泛采用。然而，目前基于海洋模型構(gòu)建的業(yè)務(wù)化平臺[22-26]多數(shù)在CentOS、Red Hat等國外主流操作系統(tǒng)環(huán)境下運(yùn)行，很少有構(gòu)建在自主操作系統(tǒng)下的海洋模型平臺。

2021 年9 月，華為公司正式發(fā)布了國產(chǎn)化服務(wù)器開源操作系統(tǒng)openEuler，有望成為國產(chǎn)服務(wù)器端Linux 的主流[27-28]。openEuler 是以國家數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施為目標(biāo)建立的操作系統(tǒng)，可以為構(gòu)建地球模型提供一個可靠、安全、自主的平臺。本文率先以openEuler操作系統(tǒng)為平臺，編譯和構(gòu)建了非結(jié)構(gòu)水動力海洋模型，并成功運(yùn)行了象山港海灣污染物擴(kuò)散輸運(yùn)預(yù)報系統(tǒng)。測試結(jié)果表明，目前主流的非結(jié)構(gòu)海洋模型可以成功地移植到國產(chǎn)操作系統(tǒng)openEuler上，為后續(xù)數(shù)字地球提供海洋預(yù)報業(yè)務(wù)化平臺。

2 基于openEuler的污染物預(yù)報系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)簡介

本系統(tǒng)基于最新發(fā)布的國產(chǎn)操作系統(tǒng)openEuler，在表1 所示的開發(fā)環(huán)境下對FVCOM 海洋數(shù)值模式進(jìn)行移植。為提升預(yù)報系統(tǒng)的用戶體驗(yàn)，系統(tǒng)對污染物的模型設(shè)置進(jìn)行了可視化界面簡化。用戶可以在交互界面設(shè)置污染物示蹤的初始參數(shù)，包括釋放的位置、時間（北京時，下同）和釋放量等（見圖1），通過并行軟件包MPICH 進(jìn)行多進(jìn)程并行計(jì)算以提高預(yù)報計(jì)算的時效性。結(jié)果以NetCDF 格式輸出，可通過Visit 可視化軟件實(shí)時展示，也可通過系統(tǒng)的Python 程序后處理包將輸出結(jié)果繪制成發(fā)布圖。

圖1 象山港污染物擴(kuò)散輸運(yùn)預(yù)報系統(tǒng)互動界面Fig.1 GUI of pollutant diffusion and transport prediction system of Xiangshan Bay

表1 預(yù)報系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境Tab.1 Developing environment of prediction system

該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)主要有3 個難點(diǎn)：現(xiàn)行openEuler不主動提供桌面環(huán)境，需額外安裝；openEuler 缺少Visit 安裝所需的關(guān)鍵依賴庫，需從第三方安裝；FVCOM 源代碼主要在Intel 編譯器下調(diào)試，對openEuler自帶的開源GNU 編譯器兼容性差。本研究修改了FVCOM 源代碼，使之能夠在GNU編譯器下順利編譯，從而成功構(gòu)建了該系統(tǒng)。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)及流程

預(yù)報系統(tǒng)采用3 層架構(gòu)設(shè)計(jì)，均在openEuler系統(tǒng)上進(jìn)行開發(fā)，其設(shè)計(jì)原理流程見圖2。系統(tǒng)分為操作系統(tǒng)層、模型計(jì)算層和數(shù)據(jù)可視化層。各層功能如下：

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理流程圖Fig.2 Flow chart of system design

操作系統(tǒng)層：安裝openEuler 系統(tǒng)并進(jìn)行環(huán)境編譯配置，使該系統(tǒng)能承載FVCOM 水動力模型并成功運(yùn)行。

模型計(jì)算層：該層為本系統(tǒng)的核心層，能夠?qū)崿F(xiàn)用戶交互。在該層中，用戶可輸入相關(guān)信息，該層即會自動輸出用戶所需的預(yù)報數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)可視化層：該層主要為用戶提供數(shù)據(jù)可視化界面，以便用戶更加直觀地查看系統(tǒng)的模擬結(jié)果。

2.3 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)主要功能如下：

（1）用戶可以憑借實(shí)際情況或?qū)嶒?yàn)情況，自定義輸入示蹤物的釋放位置、釋放時間和釋放量。

（2）系統(tǒng)自動在線計(jì)算并生成潮汐數(shù)據(jù)、潮流數(shù)據(jù)和示蹤物擴(kuò)散數(shù)據(jù)，用戶可以直接根據(jù)計(jì)算輸出的NetCDF 格式文件進(jìn)行研究區(qū)域內(nèi)潮汐、潮流及示蹤物擴(kuò)散相關(guān)的研究。例如，示蹤物軌跡可用于評估潮流驅(qū)動下污染物的擴(kuò)散和輸運(yùn)情況，也可用于評估海灣水體交換率。

（3）本系統(tǒng)提供實(shí)時Visit可視化和Python 自動腳本繪制圖像的可視化結(jié)果，將這兩套預(yù)報數(shù)據(jù)作為成果進(jìn)行展示，用戶可以選取合適的可視化途徑，以獲取示蹤物擴(kuò)散信息。

2.4 操作系統(tǒng)層

操作系統(tǒng)層基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)openEuler建立。openEuler 是繼華為“鴻蒙”系統(tǒng)之后的又一全新國產(chǎn)自主開發(fā)的操作系統(tǒng)，它的誕生體現(xiàn)了我國操作系統(tǒng)自主研發(fā)能力的增強(qiáng)。openEuler 作為高效且穩(wěn)定的開源操作系統(tǒng)，支持多設(shè)備操作，應(yīng)用一次開發(fā)覆蓋全場景，其內(nèi)核源于Linux，支持鯤鵬和其他多種處理器。openEuler 在編譯系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和文件系統(tǒng)等方面進(jìn)行了改進(jìn)與優(yōu)化，是性能卓越的操作系統(tǒng)平臺，可以滿足高負(fù)載的客戶業(yè)務(wù)需求，也適用于數(shù)據(jù)庫和人工智能等先進(jìn)的應(yīng)用場景；同時，openEuler面向全球的操作系統(tǒng)開源社區(qū)，鼓勵社區(qū)合作，這可以使得openEuler 一直走在時代的前沿，很好地滿足我們構(gòu)建業(yè)務(wù)化海洋模型的需要[16]。

2.5 模型計(jì)算層

模型計(jì)算層主要基于FVCOM 動力模塊和DYE 模塊建立[11]。FVCOM 海洋模式中的示蹤物DYE 方程與水溫方程相似，最初為HU 等[29]為了研究喬治淺灘的營養(yǎng)鹽輸運(yùn)而研發(fā)，隨后在世界各地的海灣研究中得到廣泛應(yīng)用。方程如下：

式中：N為污染物濃度；μ、v和w分別為笛卡爾坐標(biāo)下的x、y和z方向流速；Az為垂向湍流混合系數(shù)，Ah為水平湍流混合系數(shù)，兩個系數(shù)分別由Mellor-Yamada 2.5 模型[30-31]和 SMAGORINSKY 方案[32]確定。污染物擴(kuò)散輸運(yùn)預(yù)報系統(tǒng)中的標(biāo)準(zhǔn)化釋放量即為污染物濃度N，水平擴(kuò)散系數(shù)即為水平湍流混合系數(shù)Ah。

式中：Ω 是單個示蹤控制元的面積；C是恒定參數(shù)；Pr是普朗克常量。

2.6 數(shù)據(jù)可視化層

本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)可視化層主要是集成Visit 和Python 工具進(jìn)行潮位數(shù)據(jù)、潮流數(shù)據(jù)及污染物擴(kuò)散結(jié)果的可視化展示。Visit 可實(shí)時讀取NetCDF 格式的模式輸出結(jié)果，以自帶的可視化界面進(jìn)行展示。Python 后處理包可以自動化批量繪制潮位、潮流和示蹤物擴(kuò)散包絡(luò)線等平面分布圖。

3 美麗海灣污染物預(yù)報系統(tǒng)測試及初步驗(yàn)證——以象山港為例

3.1 模型網(wǎng)格設(shè)置

預(yù)報系統(tǒng)以象山港區(qū)域?yàn)榘咐M(jìn)行了網(wǎng)格設(shè)置和運(yùn)行。象山港地處浙江沿海中部，寧波市東南部，經(jīng)緯度范圍為 29.38°～29.77°N，121.41°～122.00°E。象山港是一個狹長的半封閉型海灣，整體呈東北—西南走向，主要包括與外海相連的佛渡水道、牛鼻水道以及主體部分的象山港峽灣。海灣全長約70 km，多數(shù)水深在10～15 m，常年波浪較小，適合避風(fēng)避浪。

象山港岸線蜿蜒曲折，峽灣內(nèi)分布有許多大小不一的島嶼。為了較準(zhǔn)確地模擬象山港潮水運(yùn)動，本文在佛渡水道及牛鼻水道分別設(shè)置了兩條水道的開邊界。計(jì)算模型采用三角形網(wǎng)格（見圖3），由于在地形變化劇烈的地區(qū)海水運(yùn)動較為復(fù)雜，本文在島嶼和岸邊界等地形復(fù)雜區(qū)域進(jìn)行了岸線加密。計(jì)算區(qū)域共分成18 391個節(jié)點(diǎn)，35 081個三角元，最小網(wǎng)格精度在100 m以內(nèi)，垂向σ坐標(biāo)分11層。

圖3 象山港網(wǎng)格Fig.3 Model grid in Xiangshan Bay

3.2 模型參數(shù)設(shè)置

模型采用高精度岸線數(shù)據(jù)和水深數(shù)據(jù)，由潮波驅(qū)動。

（1）岸線和水深數(shù)據(jù)

本系統(tǒng)以象山港為例。為較好地模擬象山港水動力的真實(shí)情況，系統(tǒng)利用遙感數(shù)據(jù)，通過Canny算子提取了較為精準(zhǔn)的象山港岸線，同時利用電子海圖通過MapInfo數(shù)值化軟件將象山港區(qū)域的水深數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化。通過SMS 軟件將水深數(shù)據(jù)插值到象山港網(wǎng)格并得到水深圖（見圖4）。象山港水深在佛渡水道較大，約為25 m，在象山港峽灣口門處減少為10 m 左右，進(jìn)入峽灣后，水深增加，在峽灣中段達(dá)到25～30 m，臨近灣頂處衰減為5～10 m?？傮w水深分布呈現(xiàn)灣頂和口門地區(qū)較小、峽灣中段較大的特點(diǎn)，其中3個支港（黃墩港、鐵港和西滬港）內(nèi)水深較小，約為0～5 m，峽灣中段有一較深點(diǎn)，水深超過45 m。

圖4 象山港插值水深Fig.4 Model bathmetry in Xiangshan Bay

（2）開邊界潮波設(shè)置

模型的外海潮波開邊界通過給出8個主要天文分潮（M2、S2、K1、O1、N2、K2、P1和 Q1）的調(diào)和常數(shù)計(jì)算的水位進(jìn)行驅(qū)動。水位計(jì)算公式為：

式中：h(t)為任何時刻的潮水高度；h0為余水位（這里設(shè)為 0）；fi為交點(diǎn)因子；Hi為振幅；ai為角頻率；ui為交點(diǎn)訂正角；v0i+ui表示初相角；gi為遲角。

模型使用的調(diào)和常數(shù)，即Hi和gi的數(shù)值來源于基于DTU10模式下的全球潮汐調(diào)和常數(shù)資料，由丹麥科技大學(xué)（Technical University of Denmark）研發(fā)，分辨率為0.125°×0.125°。

3.3 模型驗(yàn)證

象山港海水運(yùn)動主要受到潮波引起的潮流影響，其物質(zhì)擴(kuò)散和輸運(yùn)過程也主要由潮流驅(qū)動，因此，本研究初步驗(yàn)證了預(yù)報系統(tǒng)的潮位預(yù)報準(zhǔn)確度。圖5為西澤站點(diǎn)（位置見圖3，29°36′34.53″N ，121°49′56.91″E）的預(yù)報潮位及潮流與實(shí)測資料的對比，實(shí)測資料來自朱軍政等[33]2002 年8 月16 日0:00—8 月 30 日 23:00 的實(shí)測數(shù)據(jù)。如圖 5 所示，預(yù)報系統(tǒng)基本上擬合了西澤站點(diǎn)的水位及潮流變化。本文根據(jù)SPITZ 等[34]的方法，使用相對平均誤差和相關(guān)系數(shù)來進(jìn)行誤差評估，得到潮位的相對平均誤差為2.13%，潮流的相對平均誤差為5.42%，相關(guān)系數(shù)接近1。

圖5 預(yù)報潮位及潮流和實(shí)測資料對比Fig.5 Comparison of forecast tide levels and currents with measured data

3.4 潮位和潮流結(jié)果分析

本文對潮位的模擬結(jié)果進(jìn)行潮汐調(diào)和分析，得到象山港M2分潮的同潮圖（見圖6）。象山港是典型的半日潮港，其中，M2分潮在潮位中占主導(dǎo)地位，淺水分潮也十分明顯[35]。象山港內(nèi)M2分潮的振幅均在1 m以上，佛渡水道和牛鼻水道的振幅約為1.1 m。在峽灣內(nèi)，隨著峽灣的深入，振幅由口門處的1.1 m不斷遞增，當(dāng)分潮傳入黃墩港和鐵港后，振幅達(dá)到1.4 m，口門處M2分潮的遲角與峽灣中段相差10°左右。

圖6 象山港M2分潮同潮圖Fig.6 M2 Co-tidal chart in Xiangshan Bay

圖7 為模擬結(jié)果的象山港M2分潮表層潮流橢圓圖，橢圓的長半軸和短半軸分別代表該點(diǎn)分潮的最大流速和最小流速。M2分潮潮流橢圓長軸在牛鼻水道—狹灣口門之間較大，橢圓率介于0.2～0.4，且均為順時針旋轉(zhuǎn)，呈旋轉(zhuǎn)流特征。進(jìn)入峽灣后，由于水道變窄，M2分潮潮流逐漸減弱，橢圓率驟減至0～0.1，并且順時針流與逆時針流交替出現(xiàn)，呈往復(fù)流特征。狹灣口門—灣頂?shù)臋E圓長軸不斷減小，在黃墩港和鐵港附近達(dá)到最小，這與前人的研究結(jié)論[33-36]基本一致。

圖7 象山港M2分潮表層潮流橢圓圖Fig.7 M2 tidal current ellipse in Xiangshan Bay

以 X1（121.9°E，29.7°N）為基準(zhǔn)站，圖 8a—d 展示了大潮期間（2021 年 6 月 12 日 0—24 時）表層落急、落憩、漲急和漲憩4 個典型時刻的流場（表層—底層流場特征類似，僅流速逐漸變?。?。除鐵港、黃墩港和西滬港外，象山港內(nèi)潮流普遍很強(qiáng)，且潮流流向與岸線方向基本一致。牛鼻水道及佛渡水道的潮流比峽灣內(nèi)潮流強(qiáng)，其中，牛鼻水道附近的流速為全港最大值。以峽灣內(nèi)潮流來看，隨著峽灣的深入，流速從口門處開始逐漸減小，在灣頂處達(dá)到最小。由落急和漲急時刻的流速可以看出，漲潮流速大于落潮流速。漲潮時，外海潮流經(jīng)牛鼻山水道和佛渡水道匯集在象山港峽灣口門后，沿岸線向?yàn)硟?nèi)傳播，在峽灣中段到達(dá)西滬港港口處時有一支分潮流流入港內(nèi)；經(jīng)過西滬港口后，由于峽灣中段島嶼眾多，潮流被分流成多路且流速有所增加；經(jīng)過眾多島嶼后，潮流匯集成一股，并在臨近灣頂附近分成兩支，分別進(jìn)入黃墩港和鐵港。落潮時，黃墩港、鐵港和西滬港的分潮流匯入峽灣后，在峽灣口門處流速達(dá)到最大值，隨后通過牛鼻山水道和佛渡水道退出象山港并進(jìn)入外海。

圖8 象山港潮流模擬結(jié)果Fig.8 Modelled tidal currents in Xiangshan Bay

3.5 污染物擴(kuò)散分析

選取圖8 中象山港口門處的基準(zhǔn)站點(diǎn)X1 連續(xù)釋放污染物進(jìn)行擴(kuò)散模擬計(jì)算，起始時間設(shè)置為2021 年6 月1 日，標(biāo)準(zhǔn)化擴(kuò)散量和擴(kuò)散系數(shù)為默認(rèn)設(shè)置。兩個完整的潮周期期間污染物濃度的分布如圖 9 所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，設(shè)置 X2（121.85°E，29.65°N）和X3（121.95°E，29.65°N）兩個基準(zhǔn)站點(diǎn)，兩個完整潮周期期間的污染物濃度隨時間變化特征如圖10所示。

圖9 污染物擴(kuò)散輸運(yùn)案例圖Fig.9 Examples of pollutant diffusion and transport

圖10 污染物濃度隨時間變化圖Fig.10 Graph of the change of pollutant concentration with time

由圖9 可知，整個過程中污染物被強(qiáng)烈的潮流驅(qū)動。漲潮時，污染物沿岸線向?yàn)稠斠苿?，污染物濃度由中心向四周衰減擴(kuò)散，由于水道變窄，污染物擴(kuò)散范圍被壓縮。落潮時，污染物隨水流向峽灣外運(yùn)動，隨著時間的推移，污染物在岸線周邊沿牛鼻水道向外海推移。由于污染物的影響水域與外界干凈的海水會不斷地進(jìn)行水體交換，污染物水團(tuán)由外向內(nèi)被稀釋。由圖10 可知，X2 位于象山港峽灣內(nèi)，受漲落潮的影響，污染物濃度變化較為劇烈，而X3 位于牛鼻水道附近，水域相對寬廣，污染物濃度變化相比于峽灣內(nèi)更平穩(wěn)。

本文選取圖8 中象山港口門處的基準(zhǔn)站點(diǎn)X1連續(xù)釋放污染物來測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性，起止時間設(shè)置為 2021 年 1 月 1 日—12 月 30 日，按月輸出計(jì)算結(jié)果，其余為默認(rèn)設(shè)置。各月月末的最后1 h 污染物的擴(kuò)散分布如圖11所示。由圖可見，海灣污染物擴(kuò)散輸運(yùn)預(yù)報系統(tǒng)能正常運(yùn)行且穩(wěn)定可靠，可以較好地展示污染物在輸運(yùn)過程中的擴(kuò)散過程，并給出特定時刻的污染物濃度和包絡(luò)線，為污染物的評估和預(yù)防提供參考。

圖11 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試結(jié)果圖Fig.11 System stability test results

4 結(jié)論和展望

本文基于國產(chǎn)操作系統(tǒng)openEuler 構(gòu)建了一個基于FVCOM 的海灣污染物擴(kuò)散輸運(yùn)預(yù)報系統(tǒng)，并以象山港為例對整個系統(tǒng)進(jìn)行測試和檢驗(yàn)。結(jié)論與展望如下：

（1）openEuler 作為華為自主研發(fā)的新系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用潛力和前景。

（2）本文首次成功將基于FVCOM 的污染物預(yù)報系統(tǒng)及其附帶的可視化后處理系統(tǒng)移植到國產(chǎn)操作系統(tǒng)openEuler 中，并以象山港為例進(jìn)行了測試。這套方法及其成功經(jīng)驗(yàn)可以推廣應(yīng)用到其他海灣。

（3）未來研究可以考慮將大氣海洋耦合模式以及生態(tài)和水質(zhì)耦合模式移植到openEuler系統(tǒng)，應(yīng)用于美麗海灣的生態(tài)環(huán)境保護(hù)。