基于卫星遥感的海面漂移物与溢油漂移扩散预报方法与流程
本发明涉及海上搜救技术领域、溢油漂移扩散预报技术领域，尤其是涉及一种基于卫星遥感的海面漂移物与溢油漂移扩散预报方法。
背景技术：
伴随着海洋开发规模的扩大及我国海洋石油工业和海上石油运输业的迅猛发展，海上石油勘探、开发、海底管线铺设的规模不断扩大，海事活动的频繁，人员落水、船舶以及各种海上溢油等海上突发事故时有发生，海难事故更为人们所关注。海难事故在政治、经济、军事上都会给世界沿海各国带来巨大灾难，不仅是人员伤亡和财产的损失，还会给社会发展带来不良影响。一旦发生海难事故，会造成严重人员伤亡和巨大经济损失，海上溢油事故还会破坏海洋生态环境，影响海水养殖生产。海洋与渔业、交通、海事等部门对海上突发事故应急保障预报服务提出了很高的要求，既有海洋环境保障预报服务的要求，又有落水人员和溢油漂移轨迹精细化保障预报的要求，以实现应对海上突发事故“精准预报、高效救援”的目标，为此，迫切需要开展覆盖该区域海上突发事故应急辅助决策服务技术的研究。
由于针对海面漂移物和溢油漂移扩散的快速预报技术涉及高效的整合物理海洋环境相关的动力学计算以及全自动的数据下载以及实时的图形可视化系统，目前关于海面漂移物和溢油漂移扩散预报的相关技术多基于经验判断和观察追踪，成本较高且预报效率较低，并且由于没有耦合海洋动力学模型致使在物理海洋环境急剧变化的情况下无法准确、快速、高效的预报海面漂移物和溢油漂移路径以及扩散情况，这在很大程度上影响了指挥与协调工作的快速性和准确性，往往会使海上突发事故紧急处理行动贻误时机。
技术实现要素：
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于卫星遥感的海面漂移物与溢油漂移扩散预报方法，克服一家预报机构的局限性，综合多条漂移扩散预报结果，提高预报精度，为海洋与渔业、交通、海事等部门海上突发事故紧急处理等相关决策提供更多种的漂移扩散路径参考。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
基于卫星遥感的海面漂移物与溢油漂移扩散预报方法包括以下步骤：
s1：收集海面漂移物及溢油的历史资料，并获取相应时刻的卫星遥感数据；
s2：建立近海及周边海域三维温、盐、流数值预报模型，获取海表流场；
s3：建立海面漂移物漂移动态预报模式，根据步骤s1的历史资料、卫星遥感数据和步骤s2的海表流场得到漂移物的漂移路径结果；
s4：建立溢油漂移扩散动态预报模式，根据步骤s1的历史资料、卫星遥感数据和步骤s2的海表流场得到溢油的漂移路径与扩散结果；
s5：获取不同预报机构的漂移物的漂移路径结果，结合步骤s3获得的漂移物的漂移路径结果，获取最优的漂移物的漂移路径结果；同时获取不同预报机构的漂移物的漂移路径结果，结合步骤s4获得的溢油的漂移路径与扩散结果，获取最优的溢油的漂移路径与扩散结果。
所述步骤s2中对近海及周边海域三维温、盐、流数值预报模型的海洋与风浪数据进行数据同化，为近海及周边海域三维温、盐、流数值预报模型提供初始场和检验场。
所述漂移物包括落水人员和遇险船只，所述步骤s3中海面漂移物漂移动态预报模式包括漂移物漂移运动公式，满足以下公式：
xn+1＝xn+uδt+δα
u＝k·w
式中，xn为漂移物在t时刻的位置向量，xn+1为漂移物在t+δt时刻的位置向量，δt为随机游动时间步长，u为在瞬时位置xn时的风压漂流速度，δα为α方向上的随机运动距离，α代表海面上x或y方向，k为设定的系数，w为海面风速，r(t)为(-1,1)之间的均匀分布随机数，kα为α方向上的扰动系数。
所述步骤s4中溢油漂移扩散动态预报模式包括溢油中每个油粒子的水平二维空间位置公式，满足以下公式：
式中，y为溢油中每个油粒子的位置向量，
所述风拖曳因子a取值范围为2.5-3.5％，所述风拖曳角β取值范围为0°-25°。
所述步骤s5中最优的漂移物的漂移路径结果包括漂移物最优的位置向量(x)best，漂移物最优的位置向量(x)best满足以下公式：
式中，x为步骤s3获得的漂移物的漂移路径结果中的漂移物位置向量，μ0为对应x的漂移物置信因子，n为预报机构的总数，xi′为对应第i个预报机构的漂移物的漂移路径结果中的漂移物位置向量，μi为对应第i个预报机构的漂移物置信因子，μ0,μi∈(0,1)；
最优的溢油的漂移路径与扩散结果包括溢油中每个油粒子最优的位置向量(y)best，溢油中每个油粒子最优的位置向量(y)best满足以下公式：
式中，y为步骤s4获得的溢油的漂移路径与扩散结果中的溢油中每个油粒子的位置向量，
还包括步骤s6：通过可视化技术将最优的漂移物的漂移路径结果和最优的溢油的漂移路径与扩散结果直观展示出来，并生成包含发生地海域风场、浪场和流场的海洋环境分析报告。
所述步骤s6中，在地图上显示单线条路径和概率预报路径，所述单线条路径包括步骤s3获得的与不同预报机构的漂移物的漂移路径结果以及步骤s4获得的与不同预报机构的溢油的漂移路径与扩散结果，所述概率预报路径包括最优的漂移物的漂移路径结果和最优的溢油的漂移路径与扩散结果，同时不同时刻的单线条路径和概率预报路径存储为gif动画格式的显示文件。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)步骤s2中采用观测的地波雷达海表流场、卫星遥感融合海表温度和大浮标剖面速等数据，针对温盐流模型开展基于4d-var同化技术的研究、应用、检验，可以较好地解决观测仪器的不稳定性对对同化数据的影响，同时优化并行算方法，解决4d-var同化技术计算时间长，不利于业务化的问题，提高模型计算效率和模型预报准确率。
(2)步骤s3在海流数值模型提供表面流的基础上，通过拉格朗日法进行水质点的跟踪，同时在模型和卫星遥感观测风场的支持下，对各类型的定位物(如不同类型及吨位的船只、人员)进行风漂移纠正。对于不同类型的漂移物进行轨迹预报，需要在海上进行追踪实验，以便验证系统的准确性，根据实验获得的数据，对该系统进行进一步的完善优化。
(3)对于潮汐及环流动力所引起的海流，步骤s2的三维海流模型可以在事故发生前一个月甚至更早就给出计算结果。但是对于由风引起的风海流，由于风场的时效性短，只能是利用现场数据或气象模型预测数据进行实时计算。这种情况下，通过模型在较短时间内给出预报报表有一定难度，本发明步骤s4将已计算结果作为中间产品，通过现场的实时情况，如风速大小、漂移物形态等，引入半经验的风导系数和随机漂移数等方法，重新热启动计算，可短时间内给出有时效性的结果。
(4)鉴于一家预报机构的局限性，本发明步骤s5基于多家预报机构不同海洋数值模式及数值风浪模式来实现集合预报，能够给出多条漂移扩散预报结果，在此基础上计算多家漂移路径置信因子，进而也给出加权平均后的漂移扩散预报结果，为海洋与渔业、交通、海事等部门海上突发事故紧急处理等相关决策提供更多种的漂移扩散路径参考。
(5)通过步骤s6开发可视化gis的海上突发事故应急辅助决策系统，实现海上失踪船只、落水人员及溢油事故漂移方位及轨迹信息等动态预报的可视化操作。
附图说明
图1为本发明方法流程图；
图2为本发明方法中数据流向示意图；
图3为高精度的近海及周边海域三维温、盐、流数值预报模型的示意图；
图4为高精度的近海及周边海域三维温、盐、流数值预报模型的模型参数调整示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1和图2所示，基于卫星遥感的海面漂移物与溢油漂移扩散预报方法包括以下步骤：
s1：资料收集
收集近十年来海上船只事故、人员失踪及海上溢油资料，并获取相应时刻的卫星遥感数据，建立海面漂移物和溢油漂移扩散预报平台的数据库，进行案例分析。
s2：建立高精度的近海及周边海域三维温、盐、流数值预报模型，获取对应预报机构的海表流场。
如图3所示，基于最新水深、岸线、地形等海洋基础信息，以全球模型提供外边界条件，借助高性能的计算机条件，以大小网格嵌套技术，建立高分辨率、高精度的近海及周边海域三维温盐流业务化数值预报模型。
本模型用大小网格嵌套方法引入非均一网格技术，建立具有港湾分辨率的三维海流数值模型，并采用欧共体mercator全球模式或hycom全球模式提供边界条件，以及海表的净热通量、水气通量和动量通量则采用国家海洋预报中心的mm5或wrf的产品进行计算。
步骤s2中对海洋与风浪数据进行数据同化，为近海及周边海域三维温、盐、流数值预报模型提供初始场和检验场。实际应用时，建立数值同化模块同化各类观测数据，提供近海及周边海域内丰富的浮标、卫星遥感及地波雷达观测数据(海面风、温和盐流观测值)，采用4d-var同化技术，进行数值模型的数据同化、调式及验证。针对不同的数据源，采用不同的方法同化这些数据，最终提高数值模型的温、盐、流预报精度及减小漂移物位置预报误差。
如图4所示，为了提高模型计算精度，本模型全面考虑潮汐、风场、温度、盐度、径流、热通量、降雨、蒸发等动力过程的作用和影响，优化数值模型参数条件，在垂直方向采用s坐标系，对水平扩散项进行纠正，以减少模型中海底地形剧烈变化所引起的虚假垂向混合。优化改进yamada二阶半紊流扩散模型，解决引入内潮所导致的湍动能量变化，提供更为合理的垂向扩散系数，使模型能准确模拟近海区域。优化改进yamada二阶半紊流扩散模型是采用数值实验的方式，采用不同的对流项处理方法，模拟了海湾潮流场，并将数模结果与物模模拟结果进行对比，分析不同对流项处理方式对海湾区域流态模拟结果的影响，以此为依据提出适合港湾的对流项处理方法。
s3：建立海面漂移物漂移动态预报模式，根据步骤s1的历史资料、卫星遥感数据和步骤s2的海表流场得到漂移物的漂移路径结果。
在高精度三维温盐流数值模型的基础上，通过拉格朗日法进行水质点的跟踪，实现水质点轨迹预测预报。在不同强度的各类风场作用下，进行海上现场实验和计算机模拟实验，建立不同类型漂移物的轨迹相对水质点轨迹的订正经验式及相关系数，以适应对不同类型漂移物(如船只、人员)的轨迹的动态预测预报。
基于拉格朗日粒子追踪方法研发搜救漂移预测模块，将落水人员、海面艇筏当作标识粒子，计算粒子随流体机械运动的轨迹，跟踪所释放粒子的位置随时间的变化。即将落水人员作为海面风和表层流作用下的被动漂移物体，只考虑其在水平方向上的漂移运动，得到海面漂移物漂移动态预报模式的漂移物漂移运动公式，满足以下公式：
xn+1＝xn+uδt+δα
式中，xn为漂移物在t时刻的位置向量，xn+1为漂移物在t+δt时刻的位置向量，δt为随机游动时间步长，u为质点在瞬时位置xn时的风压漂流速度，δα为α方向上的随机运动距离，α代表海面上x或y方向，x与y方向相垂直。
在海流数值模型提供表面流的基础上，通过拉格朗日法进行水质点的跟踪，同时在模型和卫星遥感观测风场的支持下，对各类型的定位物(如不同类型及吨位的船只、人员)进行风漂移纠正。其中，风导漂移指由拖拽或风动压力产生的漂移物漂移，风动压力是指处于一定运动状态下的漂移物水面上所受的空气压力。风压漂流速度u的计算公式为
u＝k·w
式中，k为设定的系数，w为海面风速，随着漂移物的不同，排水状态以及漂移物的浸没比例等因素变化而不同。风导漂移根据经验关系建立模型计算所得。
海洋中的湍流是造成海流运动具有不确定性的重要原因，海洋中湍流是由各种不同尺度的涡漩叠合而成的流动，这些涡漩的大小及旋转轴的方向分布是随机的。漂移物在湍流涡漩作用下的随机运动距离δα可以由以下公式计算
式中，r(t)为(-1,1)之间的均匀分布随机数，kα为α方向上的扰动系数。
s4：建立溢油漂移扩散动态预报模式，根据步骤s1的历史资料、卫星遥感数据和步骤s2的海表流场得到溢油的漂移路径与扩散结果。
建立能够描述近海及周边海域溢油漂移扩散动力学过程、适用于对溢油轨迹、油膜厚度及其影响区域进行动态预测的溢油漂移扩散动态预报模式，可以实现不同油品(重油、轻油)产生连续点源(长时间连续溢油)和瞬时点源(短时间突发溢油)溢油的漂移路径和扩散范围。
溢油的漂移是指在风、表层及次表层流合成的环境动力作用下的拉格朗日漂移过程。油膜用大量的标识油粒子表示，每个标识油粒子代表一定的油量，油粒子在δt时间内将溢油运动过程分成两个主要的部分，即平流运动过程和扩散运动过程。用确定性方法模拟平流过程，用随机走动法模拟扩散过程。通过追踪粒子的坐标和轨迹，统计出油膜的漂移轨迹和面积。
则溢油漂移扩散动态预报模式的溢油中每个油粒子的水平二维空间位置公式，满足以下公式：
式中，y为溢油中每个油粒子的位置向量，
s5：获取不同预报机构的漂移物的漂移路径结果，结合步骤s3获得的漂移物的漂移路径结果，获取最优的漂移物的漂移路径结果；同时获取不同预报机构的漂移物的漂移路径结果，结合步骤s4获得的溢油的漂移路径与扩散结果，获取最优的溢油的漂移路径与扩散结果。
基于多家预报机构不同海洋数值模式及数值风浪模式来实现集合预报，能够给出多条漂移扩散预报结果，在此基础上结合历史海上船只事故、人员失踪及海上溢油资料，综合分析多家漂移路径对应的置信因子以及本发明步骤s3、s4获取的漂移路径对应的置信因子，进而也给出加权平均后的最优漂移扩散预报结果。
本次采用的加权平均方法具体公式如下：
步骤s5中最优的漂移物的漂移路径结果包括漂移物最优的位置向量(x)best，漂移物最优的位置向量(x)best满足以下公式：
式中，x为步骤s3获得的漂移物的漂移路径结果中的漂移物位置向量，μ0为对应x的漂移物置信因子，n为预报机构的总数，xi′为对应第i个预报机构的漂移物的漂移路径结果中的漂移物位置向量，μi为对应第i个预报机构的漂移物置信因子，μ0,μi∈(0,1)；
最优的溢油的漂移路径与扩散结果包括溢油中每个油粒子最优的位置向量(y)best，溢油中每个油粒子最优的位置向量(y)best满足以下公式：
式中，y为步骤s4获得的溢油的漂移路径与扩散结果中的溢油中每个油粒子的位置向量，
s6：通过可视化技术将最优的漂移物的漂移路径结果和最优的溢油的漂移路径与扩散结果直观展示出来，并生成包含发生地海域风场、浪场和流场的海洋环境分析报告。具体有：在地图上显示单线条路径、概率预报路径、浓度场分布三种，以及支持对位置点进行拖拽修改，避免漂移路径经过陆地现象，单线条路径包括步骤s3获得的与不同预报机构的漂移物的漂移路径结果以及步骤s4获得的与不同预报机构的溢油的漂移路径与扩散结果，概率预报路径包括最优的漂移物的漂移路径结果和最优的溢油的漂移路径与扩散结果，同时不同时刻的单线条路径和概率预报路径存储为gif动画格式的显示文件。
建立基于可视化gis的集成风场、海流场、波浪场及漂移物迁移的海上突发事故应急辅助决策系统，通过风场、海流边界条件、事故发生的时间和地点等信息的输入，实现海上失踪船只、落水人员及溢油事故漂移方位及轨迹信息等动态预报的便捷可视化操作，能够动态显示各时刻漂移物和溢油所在地点及漂移扩散等，同时形成发生地海域风场、浪场、流场等海洋环境分析报告，并实现电子邮件、传真、短信等多种方式的一键快速推送，为有关部门提供海上突发事故决策依据。
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