肖文軍，堵盤軍，龔茂珣，亢興

（1.國家海洋局東海預(yù)報中心，上海 200081；2.華東師范大學(xué)河口海岸學(xué)國家重點實驗室，上海 200062）

1 引言

海上搜救目標(biāo)漂移軌跡預(yù)測的準(zhǔn)確性和及時性是搜救工作成功與否的先決條件，對搜救目標(biāo)漂移軌跡預(yù)測方法的研究在保護(hù)人民生命財產(chǎn)安全方面具有重要意義。在海洋數(shù)值預(yù)報不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上，以數(shù)值預(yù)報模型提供風(fēng)、流、浪等海洋環(huán)境預(yù)報場，進(jìn)行搜救目標(biāo)物漂移軌跡預(yù)測的數(shù)值模擬手段已成為搜救漂移預(yù)測最為有效的途經(jīng)。

上海北連黃金水道長江入?？?，南靠我國第一強(qiáng)潮河口灣杭州灣，是我國航運(yùn)最為繁忙的海域之一。受如寒潮、濃霧、臺風(fēng)等自然災(zāi)害影響及主觀因素，海上事故頻發(fā)，“十一五”期間，僅上海海上搜救中心就組織開展搜救行動893次。隨著長江口深水航道的進(jìn)一步拓深和洋山國際樞紐港的開埠，上海長江口洋山港海域海上運(yùn)輸業(yè)及海洋經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，海上作業(yè)船只數(shù)量和通航密度快速增長，大大增加海上事故的發(fā)生概率。

海上搜救預(yù)測是根據(jù)目標(biāo)失事位置，類型，以及影響目標(biāo)運(yùn)動的海流、風(fēng)、浪情況，進(jìn)行隨時間變化漂移位置推算。國外海事發(fā)達(dá)國家對于搜救目標(biāo)漂移軌跡預(yù)測模型研究起步較早，基本已形成較成熟的業(yè)務(wù)化預(yù)報體系，如加拿大的CANSARP[1]、美國的HACSALV[2]、挪威的Leeway等[3]，在搜救工作中發(fā)揮了重要作用。國內(nèi)方面也開展了物質(zhì)漂移理論方面的研究和搜救漂移預(yù)測的研究，劉海崢等[4]介紹了基于蒙特卡洛統(tǒng)計方法的搜救預(yù)測理論模型，并舉行了理想實驗；于衛(wèi)紅等[5]建立了一套根據(jù)海流資料和風(fēng)況推算搜尋范圍的方法；陳達(dá)森等[6]利用二維海流模式和經(jīng)驗性的風(fēng)壓漂流公式，建立了湛江鄰近海域搜救預(yù)測模型;姜華林等[7]建立了一個以FVCOM海流模型為基礎(chǔ)的海上搜尋區(qū)域確定模型進(jìn)行遼東灣搜救預(yù)報試驗。國內(nèi)利用數(shù)值模擬手段進(jìn)行搜救漂移軌跡預(yù)測得到一定應(yīng)用，但考慮的因素較為簡單，未考慮海難事故發(fā)生時所獲取信息的不準(zhǔn)確性，且多為單點拉格朗日質(zhì)點追蹤模式，另外還存在系統(tǒng)性不強(qiáng)和缺乏實測案例檢驗等需改進(jìn)之處。

本文首先介紹了一種基于蒙特卡洛隨機(jī)統(tǒng)計理論的海上搜救目標(biāo)物漂移軌跡預(yù)測方法，再基于中尺度氣象模式WRF、三維無結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海流模式FVCOM和挪威業(yè)務(wù)化搜救預(yù)測模型Leeway，建立了上海沿海高精度海面風(fēng)場、三維海流數(shù)值預(yù)報及業(yè)務(wù)化搜救漂移路徑預(yù)報模型系統(tǒng)。模型綜合考慮了海難事故發(fā)生信息的不準(zhǔn)確性、風(fēng)致漂移過程中的多種隨機(jī)性、海面風(fēng)場預(yù)報誤差等多種不確定因素。選取長江口杭州灣海域近年來成功搜救案例進(jìn)行后報模擬和分析討論，結(jié)果表明所建立的模型系統(tǒng)具有較高的精度，時效性好，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

2 海面物質(zhì)漂移預(yù)測方法

2.1 基本方程

海面物質(zhì)漂移速度可由下式表示：

2.2 風(fēng)致漂移

在實際漂移物的漂移計算中，由于漂移物形狀的不規(guī)則性，風(fēng)場的不穩(wěn)定性、海面狀況的復(fù)雜性，使風(fēng)致漂移的速度難以通過理論研究的方法獲得可用的結(jié)論。因此，通過試驗的方法獲得風(fēng)與漂移速度之間的關(guān)系成為行之有效的途徑。由于漂移物形狀的不規(guī)則和在流、浪共同作用下物體運(yùn)動的復(fù)雜性，使風(fēng)作用于漂移物上時，漂移物并不完全沿風(fēng)向方向漂移，而是與風(fēng)向有一夾角，稱為風(fēng)致偏移角，將風(fēng)致漂移分解為沿風(fēng)向和垂直于風(fēng)向方向的速度，見圖1：

圖1 風(fēng)致漂移分解圖

風(fēng)致漂移量與物體形狀和風(fēng)力大小相關(guān)，一般通過實驗方法獲得。相關(guān)大量海上試驗表明，分解后的漂移速度Ld、Lc與風(fēng)速大小有線性相關(guān)性[3]，通過最小二乘法可擬合得漂移速度與風(fēng)速之間的關(guān)系可用下式表示：

式中：Ld為根據(jù)最小二乘法擬合的沿風(fēng)向的漂移速度，ad，bd，ac，bc為擬合系數(shù),W10為水面10m高度風(fēng)速。事實上，垂直于風(fēng)向方向的分量分左側(cè)偏和右側(cè)偏，具有類似的擬合關(guān)系式，非對稱性漂移物左右側(cè)偏擬合系數(shù)不同。

2.3 運(yùn)動方程的離散求解

利用拉格朗日追蹤方法計算任意時刻漂移物位置，由下式給出:

假設(shè)物體漂移速度在一個時間步長和在一個空間網(wǎng)格內(nèi)呈線性變化，在x方向有：

式中：u為x方向漂移速度，u0=u(x0)，為x方向速度變化率，將式（5）代人式（3）并積分得到：

同樣地，在y方向可用相同的方法得到：

式中：v為y方向漂移速度，對方程式（7—8)求解可得漂移物漂移軌跡。

3 Leeway模式簡介

Leeway模式是挪威業(yè)務(wù)化海上搜救預(yù)測模型，模型主要考慮漂移物在表層海流和風(fēng)作用下的漂移運(yùn)動。綜合了美國和歐洲搜救模型的風(fēng)致漂移參數(shù)共63種，采用速度分解的方法而有別于已有搜救預(yù)測模式所大量使用的風(fēng)偏角方法計算風(fēng)致漂移。模型根據(jù)事故發(fā)生情況，在最初可能落水區(qū)域和時間段內(nèi)布設(shè)大量漂移質(zhì)點，考慮漂移過程中各種隨機(jī)性和不確定性因子，基于蒙特卡洛方法得出具有統(tǒng)計意義的隨時間變化的最優(yōu)搜救區(qū)域。同時，Leeway模式還可根據(jù)岸界信息和參數(shù)控制，計算漂移物觸岸。

3.1 確定初始搜索范圍

海上事故發(fā)生時，搜救部門獲得的事故位置、事發(fā)時間可能不準(zhǔn)確，在進(jìn)行漂移軌跡預(yù)測時，需在不同時刻，不同地點布設(shè)初始質(zhì)點。Leeway模式通過設(shè)定事故的發(fā)生時段和事發(fā)空間范圍來布設(shè)初始跟蹤質(zhì)點，典型的初始跟蹤質(zhì)點分布有圓形分布（有確定事故時刻和位置信息），直線型分布（無確定事發(fā)時間，有確切位置信息，如船舶航行途中人員落水，落水時刻未知的情形）和圓錐形分布（時間空間信息不確切，如已知駛往某海域船舶，一段時間后失去聯(lián)系的情況）。

3.2 風(fēng)致漂移方向隨機(jī)性

LEEWAY模式在預(yù)測海面物質(zhì)漂移時，綜合考慮了風(fēng)致漂移的方向隨機(jī)性和風(fēng)場預(yù)測誤差帶來的漂移軌跡變化。在風(fēng)作用下，海面物質(zhì)左右側(cè)偏的概率一樣，Leeway模式中默認(rèn)將這種隨機(jī)性設(shè)為相等（也可分別設(shè)定其概率），對某一質(zhì)點設(shè)定其為左側(cè)偏，其相鄰質(zhì)點設(shè)為右側(cè)偏。以布置500個質(zhì)點為例，則有250個質(zhì)點設(shè)為左側(cè)偏，250個設(shè)為右側(cè)偏。

3.3 風(fēng)致漂移系數(shù)訂正

當(dāng)進(jìn)行大量漂移質(zhì)點漂移軌跡計算時，風(fēng)致漂流速度與風(fēng)速的線性擬合關(guān)系可用一系列線性關(guān)系來表示，以去除由于擬合關(guān)系誤差帶來的漂移預(yù)測誤差。將式（2）的擬合系數(shù)斜率a與偏移系數(shù)b可看做在一個范圍內(nèi)分布，即：

式中n=1,2...N為設(shè)置的線性關(guān)系式個數(shù)，εn為滿足均勻分布的擾動項?？紤]風(fēng)致漂移系數(shù)的擾動后，漂移速度與風(fēng)速的關(guān)系見圖2。

風(fēng)致漂移速度L可通過下表所示的9個參數(shù)來表示。Leeway模式提供了人員、救生筏、不同船舶共63中不同漂移物的漂移參數(shù)，其中人員類參數(shù)見表1：

表1 Leeway模式人員風(fēng)致漂移參數(shù)

圖2 風(fēng)致漂流速度與風(fēng)速關(guān)系示意圖

3.4 風(fēng)速預(yù)測誤差

風(fēng)場預(yù)報存在預(yù)報誤差，為考慮由于風(fēng)預(yù)測誤差帶來搜救范圍誤差，模式認(rèn)為風(fēng)速預(yù)測誤差服從平均分布，即：

式中σw為風(fēng)預(yù)報標(biāo)準(zhǔn)偏差，根據(jù)預(yù)測誤差統(tǒng)計，在東方向分量和北方向分量均取1.83 m/s，為考慮風(fēng)預(yù)測誤差引入的對風(fēng)速Wn值的修正。風(fēng)致漂流速度為：

4 上海沿海搜救漂移預(yù)測系統(tǒng)的建立

4.1 模型架構(gòu)

本研究建立了一套完整的搜救目標(biāo)漂移軌跡預(yù)測系統(tǒng)，包括海面風(fēng)場預(yù)報模塊、三維海流預(yù)報模塊、海面物質(zhì)漂移路徑預(yù)測模塊和業(yè)務(wù)化運(yùn)行模塊，分別基于WRF、FVCOM及Leeway模型。其中WRF風(fēng)場預(yù)報為一天兩次業(yè)務(wù)化運(yùn)行（08:00（CST）和12:00（CST））；FVCOM流場預(yù)報一天一次業(yè)務(wù)化運(yùn)行，利用08:00WRF預(yù)報風(fēng)場作為海面驅(qū)動力，預(yù)報時效為72h；海洋環(huán)境動力場預(yù)報模型每天業(yè)務(wù)化運(yùn)行，預(yù)報結(jié)果轉(zhuǎn)換為Leeway模式所用的GRIB數(shù)據(jù)格式存儲，接海上搜救請求后啟動Leeway進(jìn)行海難目標(biāo)漂移路徑預(yù)測計算，漂移預(yù)報計算耗時小于10 s。同時提供了可人工輸入預(yù)報風(fēng)的功能以保證搜救預(yù)報系統(tǒng)正常運(yùn)行，系統(tǒng)流程框架圖見圖3。

圖3 搜救目標(biāo)預(yù)測系統(tǒng)流程框架圖

4.2 WRF海面風(fēng)場業(yè)務(wù)化預(yù)報模塊

WRF海面風(fēng)場業(yè)務(wù)預(yù)報模塊是以由美國多家高校及業(yè)務(wù)預(yù)報單位聯(lián)合研發(fā)的WRF中尺度氣象模式為基礎(chǔ)，結(jié)合上海沿海及鄰近海域以往天氣特征的統(tǒng)計分析，通過對模型局地參數(shù)化調(diào)整和修正，建立而成的針對上海沿海小區(qū)域氣象過程的精細(xì)化預(yù)報系統(tǒng)。預(yù)報系統(tǒng)網(wǎng)格分布采用三重嵌套設(shè)置，分辨率分別為30 km、10 km、3 km，中區(qū)域覆蓋整個東海，小區(qū)域主要針上海沿海海域。

4.3 精細(xì)化三維流場業(yè)務(wù)化預(yù)報系統(tǒng)

上海沿海屬于中等強(qiáng)潮海域，海流較強(qiáng)，是海上目標(biāo)漂移的主要因子，對海流的準(zhǔn)確預(yù)測是做好搜救預(yù)報的基礎(chǔ)。上海沿海及鄰近海域灘槽交錯，地形復(fù)雜，為更好地擬合岸界并提高局部海域空間分辨率，選用改進(jìn)的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格海洋模式FVCOM（Finite Volume Coastal Ocean Model）[8-9]進(jìn)行潮汐潮流的數(shù)值模擬；該模型是一個三維、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格、有限體積法求解的海洋模式，其既有限元法易擬合邊界、局部加密的優(yōu)點，又具有有限差分法計算快速的優(yōu)點，適用于淺海陸架及近海河口動力環(huán)境的模擬計算。

海流模式分東中國海大區(qū)域模式和上海沿海模式，計算網(wǎng)格見圖4。其中東中國海模型計算區(qū)域計算范圍115°—134°E，16°—42°N，外?？臻g分辨率最底約50 km，長江口附近海域最高空間分辨率為1.5 km，上海沿海及鄰近海域模型計算區(qū)域計算范圍120°—124°E，28.5°—32.2°N。涵蓋整個長江口、杭州灣及舟山群島海域，最大網(wǎng)格間距23612 m，最小網(wǎng)格間距62 m。

模式開邊界由潮汐調(diào)和常數(shù)計算水位給出：

圖4 流場模式計算網(wǎng)格

圖5 2009年3月搜救預(yù)測結(jié)果

式中：ζtide為天文潮預(yù)報水位，A為平均海面高度， fi,u為由于月球軌道18.6年變化引入的對平均振幅Hi相角V0的訂正值， fi稱為分潮交點因子，mtd為分潮個數(shù)，這里取M2，S2，K1等9個主要分潮，由FES2004全球潮汐模式提供，小區(qū)域邊界水位由根據(jù)東中國海模型結(jié)果經(jīng)調(diào)和分析而來的M2，S2，K1等13個主要分潮，通過式(12)計算給出，長江徑流取多年月平均值。

4.4 模型驗證

風(fēng)場模型和流場模型均經(jīng)過觀測資料的驗證，其中WRF模式經(jīng)上海沿海海洋站實測資料對比，平均絕對誤差為2.6 m/s。FVCOM模式結(jié)果經(jīng)多測站觀測資料對比，水位相對誤差平均在10%以下，多站表層海流平均絕對誤差0.3 m/s。限于篇幅，驗證圖表從略。

5 搜救案例后報檢驗與分析

根據(jù)東海救助局提供的2004年—2009年搜救案例，對符合模型后報檢驗需求的案例進(jìn)行逐一篩選，并進(jìn)行個例詳細(xì)分析。以2009年3月一次搜救案例為例，2009年3月某日07∶59，在南匯東灘附近有船進(jìn)水沉沒，船員落水。事發(fā)時該海域5—8 m/s東風(fēng)轉(zhuǎn)東南風(fēng)。在搜救過程中成功救起船員一名，找到遇難人員一名。由于記錄中未提及是否穿救生衣，模型搜救目標(biāo)設(shè)為未知狀態(tài)人員。與其他“人員”類型的風(fēng)漂參數(shù)相比，未知狀態(tài)下的人員漂移參數(shù)其斜率項介于其他幾種類型之間，風(fēng)漂系數(shù)擾動項為12，在幾種人員類型中最大。初始搜索質(zhì)點為半徑為2 km的圓形分布，初始漂移質(zhì)點設(shè)為500個，計算時間步長設(shè)為15 min，模型輸出時間間隔為30 min。當(dāng)日10∶15，在南匯近岸成功救起船員一名，10∶35在大治河外發(fā)現(xiàn)遇難人員一名。預(yù)測結(jié)果見圖5。

根據(jù)模型計算結(jié)果和成功搜救到的人員位置可看出，搜尋到人員位置位于預(yù)測范圍內(nèi)，與預(yù)測中心點相距5.29 km。從圖中可以看出，由于受近岸沿岸流作用，搜救范圍呈沿岸的長條狀分布，而圖中出現(xiàn)在岸上的一些預(yù)測點則是由于全球GSHHS岸界數(shù)據(jù)尚未包括新圍墾岸界的緣故。

表2 搜救案例模擬結(jié)果

表3 分時段統(tǒng)計預(yù)測中心位置與找到目標(biāo)位置距離

通過對2004年—2009年以來的歷史搜救案例信息進(jìn)行整理，選取成功案例進(jìn)行模型對比檢驗，以進(jìn)一步驗證上海沿海海上搜救預(yù)測模型系統(tǒng)的可靠性，模型結(jié)果與搜救結(jié)果對比見表2。

根據(jù)找到目標(biāo)距離海難事故發(fā)生時間的不同，分2—6 h，6—10 h，10 h以上分別統(tǒng)計模型預(yù)測中心位置與找到目標(biāo)位置的距離，結(jié)果見表3。

從案例和模擬結(jié)果的分析來看，搜救目標(biāo)漂移軌跡呈現(xiàn)下列特點：

（1）海面物質(zhì)漂移隨機(jī)特性

對同一起海難事故，同段時間內(nèi)在不同地方發(fā)現(xiàn)類似漂移目標(biāo)其位置可能相差較大，如案例07和案例09,在相差1 h左右的時間發(fā)現(xiàn)的兩名人員相距超過了6 km。由于搜救目標(biāo)漂移隨機(jī)性的存在，漂移時間越長，帶來的不確定性越大，搜救預(yù)測范圍也隨之?dāng)U大，帶來搜救難度的增加。

（2）風(fēng)對不同種類漂移物影響分析

海面漂移物受海流和風(fēng)的作用，對不同類型的漂移物，起主要作用的動力因子不一樣，例如豎直狀態(tài)下的人主要受海流作用，受風(fēng)作用較?。L(fēng)漂流擬合關(guān)系式其斜率項為0.48），而對帆板船來說，主要受風(fēng)的作用，風(fēng)漂流擬合關(guān)系式其斜率項達(dá)6.54，而如救生衣類的輕型海面漂移物，風(fēng)對其漂移起著主要作用。

6 結(jié)論

本研究以上海建設(shè)國際航運(yùn)中心對于海上航運(yùn)安全保障的重大需求為出發(fā)點，通過構(gòu)建長江口鄰近海域高分辨率WRF氣象模式、FVCOM潮流模式和搜救目標(biāo)漂移軌跡計算模式Leeway，集成創(chuàng)新建成國內(nèi)首個以上海沿海及鄰近海域為重點，基于蒙特卡洛隨機(jī)統(tǒng)計方法的搜救目標(biāo)漂移軌跡集合預(yù)報數(shù)值預(yù)報模型系統(tǒng)。通過對近年來發(fā)生在長江口鄰近海域的海難事故及搜救資料進(jìn)行分析和模擬，檢驗表明所建立的模型系統(tǒng)操作方便、時效性高，驗證了Leeway漂移模型在長江口的適用性。

由于國內(nèi)的一些救生筏、船舶與國外相比，其形狀、大小存在一定差異，在直接引用相關(guān)參數(shù)時需要引起注意，在今后的研究中，還需對國內(nèi)某些特有的搜救目標(biāo)開展必要的現(xiàn)場實驗，找出其漂移規(guī)律。同時，Leeway模型主要考慮了風(fēng)驅(qū)動力的預(yù)報誤差和風(fēng)致漂移隨機(jī)性，在海流較弱，風(fēng)為主要驅(qū)動力的海域中更加合理，而在中國大部分沿海海域，海流較強(qiáng)，海上搜救預(yù)測時還應(yīng)考慮到海流預(yù)報誤差所帶來的漂移軌跡誤差。

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