基于海洋溢油溯源数值模拟方法的长岛保护区污染风险分析

渤海海域油气开发和输运活动频繁,溢油风险源较多,无主漂油事件时有发生。本文采用海洋溢油溯源数值模拟方法对山东长岛国家级自然保护区(即长岛保护区)进行了污染风险分析。利用非结构有限体积法海洋模式(Finite-Volume Community Ocean Model,FVCOM)模拟了渤海海域的潮流,结合欧洲中期天气预报中心的ERA5风场资料,通过一次真实溢油事故的后报验证方法的有效性。将该方法应用在长岛保护区的溯源模拟中,评估月平均统计条件下保护区整体污染危害风险。研究表明,溯源数值模拟方法可以提供对保护区造成危害的溢油来源区域及溢油对保护区造成污染影响的概率等信息,可为保护区相关工作提供参考。

海洋模式FVCOM2.6并行计算性能TAU分析

本文利用并行程序分析软件Tuning and Analysis Utilities(TAU),对基于Message Passing Interface(MPI)的海洋环流模式Finite-Volume Coastal Ocean Model(FVCOM)2.6版本进行并行性能分析。在Linux集群(Intel Xeon CPU E5450,10GInfiniBand)上,使用不同进程数分别对低分辨率(网格节点数为2108和10378)、高分辨率(网格节点数为15347和26033)的深沪湾潮汐算例进行测试。结果表明,模式单进程运行时,平流项子程序所占运行时间比例较大;模式多进程运行时,通过比较不同算例的加速比,发现算例分辨率对模式的并行性能有较大影响。在本次测试硬件条件下,算例存在某一最佳进程数,低分辨率为32,高分辨率为64,最佳进程数随分辨率增高而增高。到达最佳进程数后,随着进程数增加,模式运行时间反而增加。TAU分析表明,主要是由于MPI_Waitany程序时间比例增加以致阻塞时间占模式运算总时间的比例增大,从而为FVCOM并行性能进一步改善提供参考。

中国近海沿岸海洋溢油事故研究

为保护我国海洋生态环境以及更好地开展海洋溢油污染防控工作,文章调查并整理1974—2018年我国近海沿岸发生的50t及以上海洋溢油事故资料,并从溢油次数、溢油总量、年际变化、区位分布、发生原因、油品类型以及同期相关经济数据等方面进行综合性分析。研究结果表明:对海洋溢油事故资料的综合性分析可为新时期海洋溢油污染防控工作提供重要依据;研究期内有效统计海洋溢油事故共117次,溢油总量达到186105t;溢油事故数量整体呈现下降趋势,连续大规模溢油出现在1996—2005年;山东溢油事故的发生次数最多,广东溢油事故的溢油总量最大,福建和环渤海水域受灾点较多;船舶碰撞是溢油事故发生的主要原因,而非船舶性原因的海洋溢油过程更加难以控制,造成的社会经济损失巨大;柴油、燃油和原油为主要溢油油品,新时期海洋溢油油品向多元化转变。

海洋溢油溯源数值模拟方法的研究进展

海洋溢油溯源数值模拟可以为海上溢油事故的应急处置提供技术支撑,同时对确定溢油事故的泄漏源和责任方也具有重要的指导意义。本文概述了海洋溢油溯源数值模拟方法的最新研究成果,总结分析了包括对流扩散过程的逆运算、受体模式、粒子追踪模式和垂向溯源方法等在内的四类数值模拟方法的基础理论和研究进展。同时,归纳了三种常用的溢油溯源数值模拟结果分析方法,并给出了每种方法的优缺点及其对应的适用条件。在分析海洋溢油溯源数值模拟方法应用现状的基础上,初步探讨面临的挑战,这对全面理解溢油溯源数值模拟方法的理论和应用提供了重要参考,并可为相关工作和后续数值模拟方法的改进奠定基础。

潮-径相互作用下甬江总氮污染的降解、扩散及分布模拟

基于非结构有限体积法海洋模式(FVCOM)建立了宁波—舟山海域的水动力模型,结合海域海水监测数据分析了区域内总氮浓度的分布情况及影响污染物输运的动力因素,进而采用表观降解系数方法在示踪物(DYE)模块中补充了浓度衰减机制,从而对甬江入海总氮污染物在2021年丰水期条件下的降解、扩散及分布进行了模拟分析.模拟结果表明,甬江输入到宁波—舟山海域的总氮污染物是造成2021年夏季宁波市镇海区、北仑区近岸海域海水总氮浓度出现高值的重要因素.在潮汐和甬江径流的共同作用下,甬江输入到宁波—舟山海域的总氮污染物将在短期内显著影响到宁波市镇海区东部和北部海域海水质量.以2021年夏季为例,考虑降解过程后,模拟结果显示甬江输入的总氮污染物在90d内使宁波市近岸站位海水总氮浓度增加约0.7mg/L.

嵊泗人工鱼礁海域鱼类和大型无脊椎动物群落结构特征

为了探明鱼礁生境中群落结构的组成情况,评估人工鱼礁投放取得的生态效果以及探索人工鱼礁投放对整个资源组成情况的影响,根据2004年-2007年嵊泗海域人工鱼礁区及周边海域和自然海域的资源调查资料,对比分析了上述3个海域的资源种类组成、优势种、多样性等群落结构特征。共发现鱼类和大型无脊椎动物150种,其中鱼礁区119种。鱼类和节肢类在生物量和数量上均占较高比例,为3个海域的主要资源组成。鱼礁区在历次调查中共发现季节性优势种类11种,随时间的推移,鱼类作为优势种的次数增多。同步调查中,鱼礁区丰富度和多样性高于其余2个海区,最高丰富度和多样性分别为6.349和3.303,鱼礁周边海域分别为3.982和2.158,自然海域为5.751和3.003。3个区域之间,鱼礁区和自然海域的相似度最高;其次是鱼礁周边海域和自然海域;鱼礁周边海域与鱼礁区的相似度最低。结论认为,鱼礁的投放有利于生物的栖息和聚集,对鱼类的诱集和分布影响明显。

油粒子体积对扩散的影响及油膜粒子化改进

在应用油粒子法模拟溢油运动时,特征油粒子在体积和油膜粒子化方法上可以有多种选择。文章就不同特征体积的油粒子对溢油面积的影响进行了分析和比较,结果显示,溢油量相同时,特征油粒子的体积每减小一倍,溢油扩散面积增加14%~25%,减小10倍时,达到31%~43%。针对溢油扩散面积计算不足的情况,已有学者提出用＂两阶段＂法进行改进,但＂两阶段＂法在油膜粒子化时采用的是平均分布,而此时的油膜应为正态分布,即中间厚,向四周逐渐减少。因此,文章应用正态分布法对油膜粒子化进行改进,得到自己的油膜粒子化方法。结果显示,两方法在计算溢油面积时并无太大的差别,但在油膜厚度计算方面,文章方法更接近实际情况。

基于流场数值仿真的人工鱼礁组合优化研究

基于特征礁水槽集鱼实验,研究了不同结构人工鱼礁和不同背景速度下黑鲷幼鱼在各流速区段出现频度,以鱼类出现频度高、水平流速为背景速度的0.7倍和0.8倍以下的流场空间体积作为背涡流范围指标,以垂向上升流速为水平来流速度的0.1倍和0.2倍以上的空间体积作为上升流范围指标,基于Fluent、采用大涡模拟法(LES)的湍流模型,进行数值水槽建模,以4种单位鱼礁组合方案为例来分析不同组合流场效应的差异和优劣。研究表明,边长3 m的正方体鱼礁,以20～30个单礁、1～2倍礁距进行五点式、对称型单位鱼礁组合投放为宜,这样既能发挥礁体的协同效应,又能使单位鱼礁的调控范围达到最大化。

全球非结构网格有限体积法海洋模式东中国海潮汐计算初步分析

对全球非结构有限体积法海洋模式(Global-FVCOM)计算的全球海洋潮汐东中国海部分进行了验证。模式与资料的比较范围为24°N到41°N、118°E到132°E。根据计算结果得出了东中国海的M2、S2、K1、O1分潮的同潮图。分潮计算结果与东中国海区域99个实测站点比较结果总体较好,局部区域水深和网格精度欠缺导致偏差偏大。M2分潮振幅均方根偏差为15 cm,迟角均方根偏差为10°,K1分潮振幅均方根偏差为8.2 cm,迟角均方根偏差为9°。初步结果将有利于进一步建立全球多尺度潮流-洋流耦合模型。研究亮点:采用全球一体化的非结构有限体积法模式计算了全球潮汐,东海潮汐比较结果表明模式较好地反演了该地区潮波特征。全球模式的研究有助于加深对全球变化和近海变化的理解,具有广阔的研究前景。

2008年东海海面WRF风场和QuikSCAT风场差异分析

为了分析海面风场资料的实用性,利用WRF(Weather Research and Forecasting Model)模拟了2008年东海海面风场,并比较了WRF模拟结果与QuikSCAT卫星散射计资料的差异。结果表明,两种资料均能反映东海海面风场的季节性变化特征,台风月风速偏差波动较大。分析四个台风个例发现,当台风较弱时,两种风场资料分布情况较一致;当台风较强时,两种资料均有不同程度的偏差,在近海区域,WRF模拟结果相比QuikSCAT资料更好地描述台风周围风场特征。

非结构有限体积法海洋模式垂向计算的一种改进方法

多维正定平流输运算法(MPDATA)通过迭代计算反向虚拟平流,在达到二阶精度的同时保证保守量正定性。基于非结构有限体积法的海岸和海洋模型(FVCOM),设计了一个耦合MPDATA和通量修正格式(FCT)的方法,并与水平方向有限体积法兼容。通过两个数值试验,将新方法FVCOM模型与原始FVCOM模型计算结果进行了比较。结果表明,MPDATA方法在一定程度上消除了FVCOM海洋模型原有格式引起的振荡,而MPDATA和FCT耦合方法严格保证了FVCOM计算结果正定性,同时保留了原有计算精度。

南极布兰斯菲尔德海峡正压潮数值模拟

本文利用高分辨率的有限体积海洋模型(FVCOM)模拟了南极布兰斯菲尔德海峡附近海区的M_2、S_2、K_1与O_1四个主要分潮,模拟结果与验潮站资料基本符合。将模拟结果计算并利用潮汐调和常数绘制了同潮图,该海峡附近海域的潮汐类型为混合半日潮,全日潮在西南部及南极半岛附近海域较东北部南设得兰群岛附近海域比重偏大。通过分别计算4个分潮的潮能通量,发现M_2分潮潮能来自海峡东部的太平洋与威德尔海, S_2、K_1与O_1分潮潮能来自大西洋与威德尔海。在布兰斯菲尔德海峡区域4个分潮共耗散90.6 MW,其中O_1分潮耗散最大,约占到总潮能耗散的49.09%;由威德尔海潮能在进入布兰斯菲尔德海峡之前,在南极海峡区域4个分潮共耗散278.87 MW,其中S_2分潮耗散最大约占到总潮能耗散的39.09%。

不同采样设计评估鱼类群落效果比较

鱼类群落生态学研究结果的准确性很大程度上依赖于采样设计的合理性和准确性,正确的采样调查设计不仅可以降低调查成本,其结果也对渔业资源的评估或者管理起到相当重要的作用.本文利用计算机模拟定点采样、简单随机采样和分层采样,比较了3种采样设计的采样效果、相对误差及相对偏差.结果表明:定点采样设计的采样效果(采样效果平均值为3.37)要弱于简单随机采样和分层随机采样(采样效果平均值为0.961).3种采样设计中,分层采样设计在鱼类群落丰富度评估时表现最好,其采样效果、相对误差和相对偏差表现最佳.随着采样数的增加,分层采样设计的采样效果有所下降,但其采样精度提高.

WRF微物理和边界层组合方案对气旋过境海气通量模拟的敏感性研究

利用中尺度模式WRF(Weather Research and Forecasting Model)3.2版本模拟了一次冬季温带气旋过境过程,分析海气通量模拟对9种微物理方案和3种行星边界层方案的敏感性。LIN方案和YSU方案组合实验模拟出的平均风速最大,WSM3方案和ACM2方案组合平均风速最小。总体上,边界层方案对感热和潜热模拟的影响大于微物理方案的影响,风暴过境前,各实验模拟的海气通量对参数化选择不敏感;风暴期间,不同边界层参数化方案风速模拟差异较大,气温也存在差异,从而导致感热模拟差异较大;风暴过后,不同参数方案感热和潜热模拟差异较大,主要由于风速、气温和比湿综合作用导致。各种组合模拟出的海气通量均存在系统误差,这主要受近地面边界层方法限制,因此WRF 3.2还需进一步改善。