南海北部中尺度渦流預報及應用

王火平，郭延良，回貞立，于 龍，胡筱敏，熊學軍

(1.中海石油(中國)有限公司深圳分公司 深水工程建設中心，廣東 深圳 518000；2.自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；3.海洋試點國家實驗室區域海洋動力學與數值模擬功能實驗室，山東 青島 266237；4.自然資源部海洋環境科學與數值模擬重點實驗室，山東 青島 266061)

南海的石油、天然氣、可燃冰等自然資源十分豐富，具有極高的經濟價值[1-2]。隨著我國深海油氣資源開采技術的發展，我國深海油氣勘探開發技術能力和經濟實力大幅度提升。與此相比，人們對南海水動力過程的認識還遠不能滿足資源開發的實際需求。特別是在南海北部，水動力條件復雜，潮流、內波流和中尺度渦流等多尺度海洋動力過程并存，對海上工程設施、海上作業過程及船舶航行安全等均會產生影響[1-2]。其中，中尺度渦攜帶80%以上的海洋動能，比大部分海域平均環流能量大一個量級[3-4]，不僅直接影響海洋的溫鹽流結構和生態系統[5-8]，而且對海洋動能、熱量輸運等也有重要的影響作用[9-12]。

在呂宋海峽、臺灣海峽復雜的出入流以及陡峭的海底地形、顯著的季風等因素作用下，南海及其周邊海區，特別是南海北部成為中尺度渦的高度活躍海區[13-14]。近年來隨著海洋調查技術和數值模式的快速發展，溫鹽深測量儀(CTD)、聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)、拉格朗日漂流浮標、水下滑翔機、衛星高度計等觀測手段及數值模擬等技術被越來越多地應用到南海中尺度渦的調查研究當中，對中尺度渦的分布、大小、周期、傳播特性、水體輸運等特征以及發生機制等已進行了大量研究，并取得了豐富的成果[15-21]。對南海中尺度渦的時空分布特征、三維結構與發生機制等已有了較清楚的認識[9, 13, 22-28]，并提出了一些中尺度渦可預報性方法和模型[14, 29-31]。但中尺度渦旋是海洋中高度非線性的物理現象[11, 32]，而且反氣旋的非線性要明顯強于氣旋，特別是在南海陸坡東部、東沙島附近海域，渦旋的非線性特征尤其顯著[2]。此外，中尺度渦旋在運動過程中受地形、背景流和其他渦旋的影響也會產生強非線性作用，從而導致其結構以及運動路徑發生改變[1, 4]。當中尺度渦與背景流發生相互作用時，會因其對背景流的強擾動而導致流場的巨大變化，導致“怪流”現象的發生，對海上工程安全造成威脅。目前，中尺度渦與背景流、地形等海洋環境要素的相互作用過程和機制仍不夠清楚[1-2, 9]，其預測仍是物理海洋學的研究重點和挑戰。

流花16-2油田群位于南海北部海域，2021年5月8日，海上施工船“FPSO-119”在此海域作業時出現短時間內大幅失位現象，所幸各限位船與“FPSO-119”施工船及時溝通、快速應對，避免了對施工的影響。由于施工船并無動力，發生失位情況時無法主動應對，且施工船與限位船距離較近，施工船在水下與油田還有石油管道相連，還有工作人員在水下作業，如果未能及時應對施工船的瞬時大幅度失位，船舶、設施和人員安全等都會受到極大威脅，甚至會釀成重大事故。基于此，在現場實測資料和公用資料分析的基礎上，推測此次施工船短時間大幅失位原因是由中尺度渦流與背景流正向疊加產生的“怪流”所導致。為規避施工中可能遇到的這種現象，利用海表面高度異常(SLA)資料、TPXO全球海潮模型數據以及HYCOM模式數據，基于FVCOM模式提出了一種渦流預報方法，有效實現了作業海域后續2天的渦流預報，使相關海上作業設施和船只能夠從容應對這種“怪流”、避免事故發生。本研究工作可為該海域海洋開發與建設安全保障提供可靠的支撐。

1 研究數據

1.1 現場觀測數據

2021年5月2日至7月17日，針對流花16-2油田群開發項目中“FPSO-119”施工船錨腿回接、帶纜、限位、潛水作業等海上施工，在施工船只東南向120°、距離約10 km處采用ADCP進行了海流全剖面觀測(圖1)。觀測點水深約400 m，海流觀測ADCP觀測層厚設置為8 m，第一層有效觀測水深為18 m，觀測時間間隔為1 min。海流觀測數據采用PD18模式通過傳輸纜實時傳輸至電腦終端。考慮到監測船的漂移會影響到海流觀測，在船舶駕駛室頂部安裝了一臺高精度差分GPS，用于校正ADCP觀測到的海流。下文利用5月2日—5月10日以及5月13日—5月18日兩個時段獲得的海流數據用于潮流提取、現象分析和預報結果對比分析。

圖1 施工船與監測船位置示意

1.2 海表面高度異常(SLA)數據

SLA資料是衛星高度計觀測的主要產品，它是研究大洋環流、中尺度渦旋和海氣相互作用以及海洋數值業務預報等必不可少的資料。采用由AVISO(archiving validation and interpretion of satellite oceanography，法國國家空間研究中心衛星海洋學存檔數據中心)發布的SLA資料(數據下載網址：ftp.aviso.altimetry.fr)，該資料主要由TOPEX/POSEIDON、Jason-1和ERS/Envisat等多顆高度計衛星資料融合而成，空間覆蓋范圍為全球海域，空間分辨率為1/4°，時間分辨率為1 d。選用自施工船失位當天2021年5月8日至2021年5月18日的資料用于計算與分析。

1.3 HYCOM海洋預報數據

HYCOM(hybrid coordinate ocean model)是近些年來主流的全球海洋環流模式，數據包括海表面高度(SSH)、溫鹽(T、S)及海流(U、V)數據。數據水平分辨率為1/12°，網格點范圍為(78°38′24″S—66°00′00″N，180°W—180°E)，垂向從海表面5 m到底層5 000 m，共分40層；時間分辨率為1 d；預報時效為7 d，預報數據水平分辨率是1/12°(數據下載地址為https://tds.hycom.org/thredds/catalog/GLBy0.08/expt_93.0/FMRC/runs/catalog.html)。選用自施工船失位當天2021年5月8日至2021年5月18日的HYCOM海流預報數據進行中尺度渦流預報，并與實測海流數據進行可靠性對比分析。

1.4 TPXO7.2海洋潮流模型數據

TPXO(Topex/Poseidon Crossover Solution)是同化T/P交叉點數據建立的系列全球海潮反演模型，TPXO7.2同化了T/P、Jason-1、ERS-2以及諸多驗潮站數據，可以獲取包括M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MF、MM、M4、MS4及MN4共13個分潮的潮流和潮汐預報數據。使用MATLAB版本的TMD(tidal model driver)潮汐模型驅動程序對工程點進行潮流預報的數據結果(驅動程序下載地址為http://g.hyyb.org/archive/Tide/TPXO/TPXO_WEB/global.html)。

2 “怪流”現象分析

2021年5月8日20時左右，“FPSO-119”施工船在限位作業時短時間內大幅失位，船艏向由130°偏轉至8°。當日監測船24 h的實測海流觀測結果如圖2所示。

圖2 2021年5月8日逐時實測海流

可以看出，20時左右開始海流流速和流向與前5小時相比變化較大：18時海流流速僅17.3 cm/s，流向為108°；19時開始出現“怪流”，流速陡然增大至41.5 cm/s，流向為127°，其后20時更是觀測到高達57.8 cm/s的流速，流向為171°。根據現場氣象與海洋監測結果，當日無異常氣象現象發生，無異常波浪和海洋內波等其他可能的海洋現象影響，現場作業、船舶系纜等均正常，也無異常外力作用。

由于施工海域位于南海中尺度渦的高發區，故考慮中尺度渦的影響。繪制當日的SLA分布圖如圖3所示，可以看出，施工船正好位于兩個較強的反氣旋渦的交界處，兩個渦旋相互作用、相互影響，在交界處很容易出現流速流向劇烈的變化，因此初步推測“怪流”現象是由于中尺度渦與潮流相互作用所致。

圖3 2021年5月8日南海北部SLA分布

為進一步分析渦旋與潮流的關系，采用HYCOM預報的海流數據，分析了監測船觀測點處的海流分布，這一區域位于中尺度渦與海流相互作用的海區，其海流對應著渦流相互作用中的渦流，即中尺度渦與背景流(如潮流)的合成流；另外，為了盡可能保證潮流的準確性，利用5月2日至5月10日現場ADCP海流觀測資料進行準調和分析，提取出5月8日當天的潮流信息。從圖4監測船觀測點中尺度渦流與潮流的分布可以看出，潮流流向由13時與中尺度渦流反向，到20時逐漸轉向至與中尺度渦流基本同向，兩者合成流由反向相消變為正向疊加，引起流速的快速增加，正是中尺度渦流與潮流的這種正向疊加造成了“怪流”現象的發生。

圖4 2021年5月8日觀測站位中尺度渦流與潮流逐時分布

3 中尺度渦流預報方法

基于“怪流”現象的分析結果，擬建立一種中尺度渦流預報方法，制定針對工程海區的中尺度渦流預報方案，向施工船提供中尺度渦流預警，以規避可能發生的船只失位帶來的事故風險。該預報方法的基本思路為：首先根據SLA資料捕捉可能影響工程海區的中尺度渦；然后通過HYCOM數值模型和TPXO7.2海洋潮流模型分別獲取中尺度渦流預報數據和潮流預報數據并進行矢量合成疊加；最后采用FVCOM數值模型，開展施工海域未來五天時間內的中尺度渦流預報，對施工海域的中尺度渦流進行預報。

3.1 模型簡介

目前FVCOM已成功開發并應用于南海，可準確模擬主要潮汐波及風海流[33-34]。為了實現南海北部中尺度渦的精準模擬與預報，采用多尺度分辨的非結構網格模式計算方案，構建高分辨率數值模型。非結構網格模式的優勢之一在于可以靈活地實現對岸線的詳細刻畫，從而改善模型在近岸河口受河流徑流影響區域的預報精度。

模型計算區域和網格點分布如圖5所示。工程海區地處南海北部，受周圍海域流系、渦旋等現象影響顯著，因此，確定模型計算范圍時充分考慮了周邊海域可能的影響，將模型計算區域擴大至包括了臺灣海峽—廣東沿海—廣西北部灣的整個南海北部，以及部分西太平洋和東海海域。其中，模型南邊界延伸至西沙群島以南出于考慮北部灣與南海北部陸架之間的水交換和南海暖流的影響；模型東邊界位于呂宋海峽的東側出于考慮黑潮入侵的影響；模型北邊界則位于臺灣海峽以北的福建—浙江交界附近出于考慮臺灣海峽貫穿流及沿岸流系的影響(圖5)。模型水平網格分辨率約5 km，南海北部區域局部加密至1 km，以實現南海環流體系和中尺度渦的模式分辨。模型垂向采用σ坐標，分100層，表、底層基于tanh函數采用加密的非均勻分層，這樣既保證在大地形梯度區域海洋動力過程能夠連續分辨，如南海陸坡處，同時在陸架區海表海氣交換過程也具有較高的垂向分辨率。

圖5 FVCOM模型計算區域和網格

模型的開邊界包括環流和潮汐條件，其中潮汐部分水位和流速通過TPXO全球潮汐產品中的8個主要潮汐分量(M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1)預報得到，非潮汐水位和三維環流則通過HYCOM逐日預報結果得到，將兩者線性疊加得到開邊界處的水位和流速邊界條件。由于動量、溫度和鹽度的水平和垂直擴散的不確定導致FVCOM基礎方程在數學上的不封閉，選取Mellor和Yamada 2.5級(MY-2.5)湍流閉合方案[8]。模型采用800 m分辨率的GEBCO地形數據。海面驅動條件包括風速、氣壓、凈短波輻射量、海表凈熱通量和蒸發和降水，其中風速、氣壓、凈短波輻射量和降水由NCEP再分析產品(Version 2)插值獲得，海表凈熱通量和蒸發量則根據模式內部的COARE算法估算得到。河流流量采用多年平均的月均值。

為驗證模式的可靠性，將工程點處FVCOM模型海流模擬結果與實測海流進行了對比，以2021年5月8日18 m水深海流為例(圖6)。

圖6 2021年5月8日實測海流與FVCOM模式海流結果對比

由圖6可以看出，00:00—11:00預報海流以北向流為主，12:00—23:00以南向流為主，流向與實測海流的方向除在06:00—08:00、11:00、13:00差別在45°以上(56°～89°)，其他時刻與實測海流流向基本相符(3°～42°)；模擬的海流流速與實測流相比整體偏小，05:00、10:00及19:00—20:00時刻流速差在15 cm/s以上，其他時刻流速差大部分在10 cm/s以下，但流速大小整體分布趨勢與實測流基本一致；兩者可能最大海流出現的時段大致相同(19:00—22:00)。因此，FVCOM模式結果基本可以反映出施工船附近海域的海流狀況。

3.2 中尺度渦流預報方法

南海北部海域是中尺度渦的聚集、傳播區，分為氣旋型和反氣旋型，大多都是從東北向西南方向移動；中尺度渦區域海流流速整體呈中部小、邊緣的渦帶區大的分布形式，最大流速往往出現在渦帶區；中尺度渦總體旋轉與移動速度不大，但若與漲落急時刻的潮流正向疊加，則會產生較明顯的“怪流”。

針對這一海區開展過內波流的預警，根據形成機制和觀測統計分析，該海區內波流具有較穩定的方向性，可以通過工程上游海區單點監測實現預警[35-36]。與一過性的內波流不同，中尺度渦經過工程區需要一定時段，因此不能采取類似這種上游海區單點監測預警的方式，需重點關注與限位船艏向垂直的橫向流，特別是最大渦流與最大潮流的正向疊加。基于此，下面提出的中尺度渦流預報方法主要步驟：

1)根據SLA資料外推預報

根據SLA歷史大數據資料和現勢資料，捕捉未來5 d可能影響到工程海區的中尺度渦，分別對其鎖定跟蹤，結合該區位歷史渦旋活動規律、潮運動、背景流、天氣過程等因素，定性分時預報。

2)通過HYCOM數值模型獲取中尺度渦流預報

采用HYCOM數值模型，獲取施工海域未來5 d時間內的中尺度渦流預報，對施工海域的中尺度渦流進行過程分析。

3)TPXO潮流預報

采用TPXO7.2的潮流模型，獲取施工海域未來5 d時間內的潮流數據，對施工海域的潮流進行預報。

4)通過FVCOM數值模型自主開展中尺度渦流預報

采用FVCOM數值模型，開展施工海域未來5 d時間內的中尺度渦流預報，對施工海域的中尺度渦流進行實況預報。

5)中尺度渦流預警

基于現場實測數據的后報檢驗，以FVCOM數值預報結果為主，結合SLA預報、HYCOM預報和TPXO預報結果，針對工程現場需求，定性判斷、定量表達，為了保證預報的時效性和可靠性，每天9時提供當天及未來1 d的中尺度渦流預報：

① 提供當天和未來1 d可能影響工程海區中尺度渦旋分布圖；

② 提供當天和未來1 d可能影響工程海區中尺度渦旋運移趨勢分析，通過SLA局部極值獲取渦旋中心位置，進而得到渦旋平均移動速度和方向；

③ 提供定時量化預報，包括最大流速的時刻、流速、流向。

提供定時量化預報信息的發布，每日發布時間為9時。現場監測船結合實時海流信息與預報信息，向“FPSO-119”施工船提供預警。

4 預報結果與分析

4.1 海流預報結果

根據中尺度渦流預報方案，開展了可能影響工程海區中尺度渦旋的分布情況以及移動趨勢的預報，并將中尺度渦流與潮流疊加，預報當天及未來一天可能出現最大流速的時間、流速及流向。以2021年5月17日9時發布的17日—18日海流預報為例，預報結果如下：

1)影響工程海區中尺度渦旋運移趨勢預報

根據SLA數據外推可知，目前施工海域主要受位于其南側的一個氣旋渦影響，17日氣旋渦中心位于(116°00′00″E，19°24′00″N)附近，并以0.05 m/s的速度向北移動，預計18日渦旋中心移至(116°00′00″E，19°26′24″N)附近。工程海區中尺度渦旋以及由SLA數據反演的地轉流分布如圖7所示。

圖7 2021年5月17日與18日SLA與地轉流

2)定時量化預報

首先獲取施工船位置5月17日—18日的HYCOM模式海流預報結果，分析可能最大中尺度渦流出現的時刻、流速及流向；然后利用TMD潮汐模型驅動程序得到5月17日—18日的潮流數據，同樣分析可能最大潮流出現的時刻、流速及流向；最后將潮流與中尺度渦流矢量疊加，給出2天內可能最大海流出現的時刻、流速及流向，向“FPSO-119”船提供預警。從表1和圖8可以看出，中尺度渦流5月17日變化較小，流速在15～23 cm/s之間，流向在225°～245°之間，5月18日渦流變化范圍較大，流速在11～35 cm/s之間，流向在195°～250°之間。每天漲潮和落潮期間均會出現一次可能最大潮流，流速在0.20～0.21 cm/s之間。落潮期間，潮流與中尺度渦流正向疊加，出現當日的可能最大海流；而漲潮期間，潮流與中尺度渦流反向相消，合成流較小。

表1 5月17日—18日工程點潮流與中尺度渦流疊加預報結果

圖8 5月17日—18日工程點中尺度渦流、潮流及合成流

綜上所述，由于當前施工船正處于氣旋渦的西北邊緣，中尺度渦流的流向在195°～250°之間，因此在落潮期間與潮流同向，兩者正向疊加出現一天當中的可能最大海流，施工船在5月17日—18日落潮期間應保持警惕。

4.2 對比分析

為驗證海流預報的可靠性，將預報海流與實測海流數據進行對比分析。由于預報海流只考慮了中尺度渦流與潮流兩種主要海流，并未考慮內波流等其他背景海流，為了具有可比性，從實測海流中剔除了5月17日21時流速為150.49 cm/s的內波流。

從圖9和圖10工程點5月14日至5月18日實測海流與合成海流分布與誤差分布可知，中尺度渦流與潮流矢量合成得到的預報海流與實測海流相比，前者由于只考慮了中尺度渦流和潮流因而更具有規律性，而實測海流由于影響因素眾多流速和流向變化幅度較大，但兩者的整體趨勢大體一致。5月14日，實測與預報海流均由西南向流轉為西北向流，體現了潮流的漲落潮變化，表明潮流在海流中占主導地位，兩者流向誤差除在04:00、06:00—07:00、15:00—16:00、21:00時刻差別在45°以上(55°～96°)，其他流向誤差較小，日均流向誤差為27°；在漲急與落急時段兩者流速大小相近，而在漲憩與落憩時段實測海流流速明顯大于預報海流，日均流速誤差為14 cm/s。5月15日—5月18日，受氣旋渦的影響，工程點的實測海流與預報海流均以西南向流為主，流速呈間歇性變化；實測海流多個時刻由西南向流變為東南向流或西北向流，預報海流僅在5月15日由西南向流逐漸變為東南向流，然后轉為西北向流，兩者流向平均誤差為40°。除了在5月16日00:00前后等個別時段預報海流流速大于實測海流外，其他時段預報海流流速整體較實測海流偏小，平均流速誤差為18 cm/s。這是由于實測海流中除了中尺度渦流與潮流之外，還包括內波流、風海流等其他海流的影響，復雜程度要遠大于預報海流。雖然剔除了內波流發生時刻的內波流，但其相鄰時刻的海流仍受內波流、風海流的影響。因此預報流速較實測流速要小，在工程應用時需結合內波流、風海流等其他信息綜合考慮分析。

圖9 5月14日至5月18日實測海流與合成海流

圖10 5月14日至5月18日合成海流與實測海流的誤差

綜上所述，本文預報的中尺度渦流可以大致反映實測海流的運動趨勢(平均流向誤差40°)，雖然流速與實測海流相比偏小(平均流速誤差17 cm/s)，但給出了可能最大流速出現時刻和流向，可作為工程海域施工過程中應對“怪流”的重要參考。

5 結 語

針對流花16-2油田群開發項目中“FPSO-119”施工船在遇到“怪流”后瞬時大幅度失位現象，在排除其他海洋現象與外因影響的前提下，分析認為“怪流”出現的原因是施工海域內存在的中尺度渦與潮流發生正向疊加所導致。在此基礎上，提出了一種將中尺度渦流與潮流矢量疊加的渦流預報方法，預報結果與現場實測海流數據對比分析結果顯示，該方法可對海洋工程海域后續2天的渦流進行有效預報。提出的渦流預報方法可為海上工程施工船應對“怪流”提供重要參考，其預報結果可以幫助海洋工程施工和船舶航行規避事故風險，為海洋開發與建設服務提供安全保障。主要結論如下：

1)“FPSO-119”施工船的瞬時大幅度失位現象，是由作業海域內的中尺度渦與落潮時刻的潮流正向迭加產生的“怪流”所導致；

2)基于現場實測數據，以FVCOM數值預報結果為主，結合SLA預報、HYCOM預報和TPXO預報結果，提出了一種將中尺度渦流與潮流矢量疊加的渦流預報方法。經過與現場實測數據的后報檢驗，該方法能夠反映施工海域內渦流在未來2 d內的運動趨勢以及可能最大海流出現的時段、流速和流向等主要特征，可作為海上工程應對“怪流”的重要參考。

需要注意的是，利用本渦流預報方法預報的流速與實測海流相比較小，在工程應用中需結合內波流、風海流等其他信息綜合考慮分析。