FVCOM海洋模型模擬軌跡與漂流浮標實際運動軌跡的對比矯正

張倩然，喬平玉

(山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266000)

FVCOM海洋模型模擬軌跡與漂流浮標實際運動軌跡的對比矯正

張倩然，喬平玉

(山東科技大學測繪科學與工程學院，山東 青島 266000)

為了更好地對海洋進行開發、保護和搜救工作，需要更多地了解海洋環境，并對海洋表面漂浮物的運動軌跡進行準確預測。本文通過監測獲取的漂流浮標的實際運行軌跡數據，將其與海洋模型FVCOM預測出的位置軌跡數據進行對比，并計算比較兩個位置軌跡之間的誤差距離及關鍵點的位置情況，以此了解FVCOM海洋模型在各海域的實際預測情況，并根據風速情況對模型軌跡結果進行進一步矯正，從而使海洋模型能夠更好地進行實際預測，進行海洋開發研究。

海洋模型；漂流浮標；運動軌跡

隨著我國海洋戰略的推進，海上交通運輸、資源獲取、海洋生物研究、海洋資源探測與開發、旅游觀光等海洋事務日益頻繁。但由于海洋環境極其復雜和多變，經常會導致各類問題的發生。為了避免海洋事故的發生，保障海上生命財產安全及海洋環境，需要對海上漂浮物的運動軌跡進行研究和準確預測，以減少搜救和環境生態保護時的盲目行為。

Philip L. Richardson針對風對漂浮物的影響進行了研究[1]，證實了對于不同種類的漂浮物，風的影響因子也不一樣。David針對海洋中漏斗型減速傘的漂流浮標的軌跡影響進行了研究[2]，得出對該類型漂流浮標的主要影響因素。Katsuji根據波長相對于浮體尺寸的長短，將波浪分為長波和短波，并通過試驗研究，證實漂浮物的漂移速度與波長、波高有關[3]。國內對漂移軌跡預測通常采用矢量合成方法，漂移矢量由總流壓差和風壓差矢量疊加得到。在前人研究基礎上，本文主要考慮選用FVCOM海洋模型來分析研究漂流浮標與海洋模型預測誤差影響因素，并利用風值進行校正，以期得到更準確的預測數據，方便今后的模擬和應用。

一、漂流浮標種類

漂流浮標的發展主要體現在材質及樣式的各種不同的變化。樣式種類包括漏斗傘狀、單葉片及4個葉片等各種不同的形態，材質包括木制、金屬質地及竹子質地等。本次試驗使用的是金屬質地的漂流浮標，擁有4個葉片，每一個葉片長寬均為48和91 cm。置于水中后大部分裝置在水下，水面上只包含一部分和一個傳感器，此漂流浮標主要隨洋流的流動而移動，如圖1所示。

圖1 漂流浮標樣式

二、FVCOM模型

非結構網格有限體積法海洋數值模式(the unstructured grid finite volume community ocean model，FVCOM)，是一種預測性的、非結構網格、有限體積、使用三維原始方程的沿海海洋環流模型。該模型應用的是有動力、連續性、溫度、鹽度、密度等參數因子的方程，在物理學上和數學上都通過紊流閉合模型的子模型來關閉，水平網格由無固定結構的三角格網組成，而不規則的海洋底部則是使用廣義地形跟隨坐標呈現。所有的預測數據和三角網格點的信息都存儲在三角網格中，包括海水深度，經緯度、溫度及速度等。

FVCOM模型有很多不同種類，有全球和區域性的，有氣候和海洋的。本文中使用的FVCOM中的GOM 模型，是應用在包括緬因區域的墨西哥灣、喬治銀行海域(Georges Bank)和新英格蘭大陸范圍內的海洋模型。該模型預測系統主要組成部分包括天氣研究與預報模型(WRF)、海水表面波浪模型(FVCOM-SWAVE)，以及斯基尤特、波士頓港、漢普頓河和薩克灣的4大地區的沿海洪水模型。

三、軌跡對比試驗

本次試驗一共參考了美國海洋大氣管理局(NOAA)過去5年內在美國東北海域投放的數百個漂流浮標，從中選擇在模型范圍內的海洋漂流浮標數據，但由于漂流浮標軌跡眾多，不同的漂流浮標每次發送數據的時間間隔也不一樣，甚至有些漂流浮標軌跡數據因為無法進行數據傳輸而產生斷層。FVCOM模型在每個整點均提供了一個新的位置數據，為了比配這一情況，本次試驗對所有區域范圍內的漂流浮標軌跡均進行了進一步的篩選，采用了那些總漂流時間大于30 d，數據中間沒有斷層，每次傳輸時間小于1 h，且接近整點，誤差不大于5 min的漂流浮標軌跡數據進行模擬(表1為本次試驗采用的部分漂流浮標數據)。

表1 漂流浮標試驗數據

由于漂流浮標采集的數據傳輸時間間隔可能是30或15 min，本試驗只采用漂流浮標距離整點時間最近的兩個數據，先算出整點時間的位置，然后與相同時間模型的數據一一對應，方便數據比較。由于得到的都是模型或漂流浮標的經緯度坐標，需要將經緯度的差異轉換為距離差，本次試驗使用的公式如下

a=sin((lat2-lat1)/2)2+cos(lat1)×cos(lat2)× sin((lon2-lon1)/2)2

(1)

c=2×atan(sqrt(a)/sqrt(1-a))

(2)

Dis=c*6371

(3)

式中，lon1、lat1為第一個點的經緯度坐標；lon2、lat2為第二個點的經緯度坐標；6371 km是地球的半徑，使用該公式得到的距離單位是千米。

圖2顯示的是漂流浮標實際移動軌跡(上)和FVCOM模型預測的模擬運行線路(下)。

圖2 漂流浮標和模型軌跡

四、影響因素矯正

從圖2中可以看出，漂流浮標的實際運行軌跡和模型預測軌跡存在不小的誤差，產生的原因有很多，其中有一部分誤差是由海洋表面的風造成的。漂流浮標有部分裝置是在水面上，而這一部分裝置必然會受到風的影響。本次風速糾正試驗中使用的是FVCOM模型的風速數值，對10個漂流浮標的20 d的數據進行不同權重的風速糾正后得出結論進行對比，得知風速權重為千分之三時，誤差值最小。

得到矯正后軌跡之后，可以對比這3種軌跡。圖3中上是漂流浮標軌跡，下是模型預測軌跡，中是矯正后的軌跡。從圖中可以看出漂流浮標的實際軌跡和模型模擬軌跡之間還是有一定誤差并且隨著漂流浮標的不斷運動，誤差也是逐步增加的，在幾個關鍵時間點的轉折上，兩者也存在一定的不同步情況。但是校正后的軌跡移動曲線與實際運動曲線明顯更貼合，運動軌跡和軌跡轉折點也更加吻合。

圖3 漂流浮標、模型及校正后軌跡

五、結 論

從漂流浮標實際軌跡和模型預測的軌跡對比及之后的矯正對比試驗結果，得出以下結論：

1) 通過大量的風速矯正試驗表明，對于本試驗中采用的漂流浮標，通常情況下風帶來的影響權重大約是3‰。但是不同種類的漂流浮標風的影響權重也不一樣，為了以后能更好地進行試驗和研究，需要制作不同的漂流浮標，并將各種漂流浮標進行比對， 方便根據不同的情況選擇不同的漂流浮標。

2) 試驗過程中的誤差，包括模型預測時使用的是與實際最相近的點的數據所造成的誤差、預測整點時間的漂流浮標位置時模擬漂流浮標軌跡存在的誤差，以及每個漂流浮標在制作過程中不完全對稱的情況或某時間段漂流浮標不對稱及海洋中出現的各種隨機情況造成的誤差。

3) 為了更好地模擬預測漂流浮標的運行軌跡，不僅需要深入研究本次試驗中提到的各種誤差，還需要對FVCOM海洋模型進行進一步的改善。本次試驗所用的漂流浮標受外界的影響因素比較多，需要參考更多的影響因素，如潮汐情況對于海水運動的影響，以及海洋生物等其他的影響因素，然后進行校正。

[1] RICHARDSON P L. Drifting in the Wind: Leeway Error in Shipdrift Data[J]. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers,1997，44(11)：1877-1903.

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[4] 姜華林.海上搜救中搜尋區域的確定模型研究[D].大連：大連理工大學，2011.

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Model Correction Study of FVCOM Ocean Model Based on the Real Drifter Moving Track

ZHANG Qianran,QIAO Pingyu

2016-07-22

張倩然(1992—)，女，碩士生，從事海洋方面研究。E-mail：zqr0229@163.com

張倩然，喬平玉.FVCOM海洋模型模擬軌跡與漂流浮標實際運動軌跡的對比矯正[J].測繪通報，2016(12)：124-126.

10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0417.

P229

B

0494-0911(2016)12-0124-03