[发明专利]西北太平洋三维溢油业务化应急预报及评估系统

权利要求书

1.一种西北太平洋三维溢油业务化应急预报及评估系统，其特征在于：包含溢油信息快速处理模块、环境信息处理模块、溢油输运模块、溢油风化模块、数据同化模块、集合预报模块、地理信息数据模块、可视化分析模块与系统控制中心；

所述溢油信息快速处理模块根据所述系统控制中心发出的指令对不同类型的事故源信息及事故类别进行快速处理，并提供给系统控制中心溢油源的信息；

所述环境信息处理模块根据所述系统控制中心指令将不同来源和数据格式的海面风、海流、海温、海浪场数据信息处理成本系统所需格式，提供给所述系统控制中心存储，以供所述溢油输运模块、所述溢油风化模块、所述数据同化模块、所述集合预报模块、所述可视化分析模块读取使用；

所述溢油输运模块采用油粒子模型方法来模拟溢油在海洋环境中的时空行为；所述油粒子模型的油粒子运动方程如下：

u_o和v_o是油粒子的水平速度，w_o是油粒子的垂向速度，u′，v′，w′中前两个为水平方向湍流速度，w'为垂向湍流速度是垂向湍流扩散速度；油粒子运动方程中等号右边第一项是海流的流速，u_c和v_c表示油粒子位置处水平方向上的流速，w_c表示油粒子位置处垂直方向上的流速，来源于海流模式的模拟结果，代表该油粒子所在位置海流的运动情况；油粒子运动方程中等号右边第二项代表风对油粒子的拖曳作用，u_a和v_a是油粒子所在位置海面10米高处的风速，该风速也是通过大气数值模式的模拟结果获得，而且当油粒子在水中时该项作用不予考虑；α和β是风漂因子和偏角，风漂因子通常为1％-6％，偏角绝对值通常为0°到45°，在北半球时右偏为负值，南半球时左偏为正值；u_w和v_w是非线性波产生的波余流带来的油粒子漂移速度；由于油膜的存在而导致表面张力增大，使海面趋于平滑，海浪的非线性效应大为减弱，相应的波余流也大为减小，所以在计算油粒子运动时可以忽略；w_ok是浮力作用下的垂向速度，根据Stokes定律：

d油粒子半径，d_c油粒子临界半径；油粒子半径为10-1000μm之间的对数正态分布；ν为水的粘度，ρ_o和ρ_w分别为油和水的密度，建模过程中油的密度为根据人工输入的油品类型决定，水的密度设为1025kg m^-3，水的粘度为1.311mm³s^-1；所述溢油输运模块从所述系统控制中心获取计算所需信息，并将计算结果提供给系统控制中心；所述油粒子模型方法中的模型边界条件采用无反射条件，所述无反射条件为当水中所述油粒子升到海面时，便成为表面粒子并与其他的表面粒子一起随表面流平移和扩散，所述油粒子在漂移的过程中到达陆地边界，等同于所述油粒子粘着在陆地上，在计算中也声明该粒子死掉，不再参与计算，当所述油粒子到达计算区域边界时也认为该所述油粒子死掉，不再参与计算，采用网格法来判断油粒子靠岸的情况；

所述溢油风化模块通过经验模型计算溢油的蒸发、乳化与密度来模拟预测海上残油量、溢油密度变化情况，所述溢油风化模块从所述系统控制中心获取计算所需信息，并将计算结果提供给系统控制中心；

所述数据同化模块根据所述溢油信息快速处理模块中读取到现场观测结果的情况下启动，利用最优插值同化方法，对环境场数据进行优化，提高预报准确率；所述数据同化模块的控制按钮在系统控制中心，由是否有现场观测数据来通过所述系统控制中心触发；最优插值方法为采用统计最小二乘法确定最优权重，将观测直接插值到背景场，获得最优插值结果，即获得的分析场是在方差最小的意义下背景场和观测场的一种线性组合；最优插值方法的分析方程为公式：

x^a＝x^b+BH^T(HBH^T+R)^-1(y^o-H[x^b])

其中x^b为背景场，即模式预报结果，y^o为观测场，即观测结果，设：

K＝BH^T(HBH^T+R)^-1

并将K称为增益矩阵，或者权重矩阵，其中R为观测误差协方差矩阵，该矩阵对角元素为观测误差协方差值，其他元素均为0，B为背景误差协方差矩阵：

σ²为静态背景误差协方差常数值，L为相关尺度因子，也是常数，Δx²,Δy²为背景场每个网格点同其它网格点距离矩阵，H为线性观测算子，x^a为背景场经过OI同化技术订正后得到的分析场；

所述集合预报模块根据系统控制中心指令，选择不同来源的海流、风场、海浪及溢油参数下的模拟结果开展集合预报，默认或人工选择外部强迫方案及溢油模型参数方案，默认或人工输入各方案权重得到集合预报结果，并将集合预报结果提供给系统控制中心；

所述地理信息数据模块根据系统控制中心指令，处理该模块数据库中西北太平洋海洋地理信息数据为当前计算所需格式的水深、海陆网格数据，并将该数据提供给系统控制中心；

所述可视化分析模块根据系统控制中心指令，将预报的结果以图片、动画的方式进行输出，预报的内容包括油漂移轨迹、扩散范围、油膜厚度及其分布、影响岸段范围及抵岸时间、影响敏感区及抵达时间、扫海面积；

所述系统控制中心是控制指令中心和数据交换中心，控制溢油信息快速处理模块、环境信息处理模块、溢油输运模块、溢油风化模块、数据同化模块、集合预报模块、地理信息数据模块、可视化分析模块，所述系统控制中心通过人工或默认方式对外部强迫场文件、输入溢油参数进行选择；人工选择溢油源信息的处理方式，人工选择是否启动同化模块，人工选择是否启动集合预报模块，人工选择相应溢油模型参数，所述系统控制中心根据以上的设置，完成各模块之间数据的交换，实现模拟计算，并发指令给可视化模块，绘制模拟结果产品。