浅海环境下溢油海面的仿真

1、收稿日期:2011-10-25; 修订日期:2012-04-20基金项目:江苏省高校优秀中青年教师和校长境外研修计划;江苏高校优势学科建设工程船舶与海洋工程学科 。 作者简介:杨永红 (1971- ,女,博士,副教授,主要从事微波海洋遥感的研究 。 电子邮箱:yangyhxax。Simulation of sea surface with oil slick in the shallow sea environmentYANG Yong-hong , XU Ping , LIN Ming , XI Cai-ping(College of Electric &Information En

2、gineering, Jiangsu University of Science and Technology, Zhenjiang 212003, China Abstract :In this paper, the simulation method of sea surface with oil slick, which is adapted to the shallow sea environment is presented, which considers the water depth factor. The spectrum of the sea surface with oi

3、l spilling at define-depth water is calculated by TMA spectrum model and Marangoni oil theory model. According to the dispersion relation and Longuet -Higgins model, the displacement of the sea surface with oil spilling at define -depth water is evaluated. The properties of Kitaigorodskii depth func

4、tion are analyzed. The results show that the displacement of define-depth water is smaller than that of deep water; the roughness of the sea surface with oil spilling at define-depth water is smaller than that of clean sea surface at both the deep and the define-depth water. The results accord with

5、the Marangoni oil theory model.Keywords :oil slick ; sea surface ; Marangoni theory of oil slick浅海环境下溢油海面的仿真杨永红,徐平,林明,奚彩萍(江苏科技大学 电子与信息工程学院,江苏 镇江 212003摘要:在考虑水深因素的条件下,提出了一种适合于浅海环境下溢油海面的仿真方法,利用 TMA 谱模型和 Marangoni 溢油理论模型,计算有限水深下溢油海面的海浪谱;然后根据海浪的色散关系和 Longuet-Higgins 海浪模型,计算有限水深下溢油 海面的铅直位移;并分析了 Kitaigoro

6、dskii 深度函数的特性 。 仿真结果表明,有限水深下海面的铅直位移比深水的小,而有限 水深下溢油海面的粗糙度要比有限水深下和深水清洁海面的都小,结果与 Marangoni 溢油理论模型相吻合 。 关键词:溢油,海面, Marangoni 溢油理论 中图分类号:P733.1文献标识码:A文章编号:1001-6932(2012 06-0636-04近年来,海洋溢油事故的频发,给海洋环境和 生物造成了严重的破坏 。 尽管,海上溢油监测和治理技术得到了快速发展,如合成孔径雷达 (SAR , synthetic aperture radar 遥感卫星可实现全天候 、 全天时的溢油监测 。 但是,它的

7、高虚警率问题一 直未得到彻底的解决 。 理解溢油海面与清洁海面 物理机制的根本区别是解决 SAR 高虚警率的关键 所 在 (邹 亚 荣 等 , 2009, 2011; Nunziata et al , 2008;石立坚 等, 2009 。溢油海面的仿真是一个复杂的问题,它主要涉 及两个过程:一是海面的建模,大致可分为物理模 型和几何模型两种方法;物理模型是以流体力学方程为基础,建立了深水表面波理论 、 小振幅波理论 以及有限振幅波理论;通常采用数值方法求解,需 要做稳定性分析,该方法模拟的海面逼真度较好, 符合实际海面的运动,但它具有计算量大 、 效率低 等缺点 。 几何模型是通过对常见的几何

8、曲线 (如三 角函数 、 样条函数 进行拟合来表示海面,其中, Fourier 法是用不同频率 、 幅度及相位的三角函数 的线性组合来表示海面 。 由于其 Fourier 系数与海 浪谱之间有明确的物理关系,因此,基于经验海浪 谱法仿真海面在微波海洋遥感中广泛采用,经验海 浪 谱 模 型 有 Bretschneider 海 浪 谱 、 Pierson -Moskowitz 海浪谱及 JONSWAP 海浪谱等 。 二是油第 31卷 第 6期 2012年 12月海 洋 通 报MARINE SCIENCE BULLETINVol.31, No.6Dec. 20126期 污与海面的相互作用,油污会导致

9、风与海面之间的 摩擦力减小,因此,溢油海面的短重力波和毛细波 将受到抑制和衰减 。 研究表明,溢油海面的海浪谱 与清洁海面的海浪谱在高波数区域有明显的区别, 在 此 基 础 上 , 建 立 了 Marangoni 溢 油 理 论 模 型 (Lom bardini et al , 1989 。海面溢油一旦发生,油污会随着海浪 、 风等向 着近海岸传播和扩散,此时,就需要考虑浅海地形 或者水深对海面的影响 。 Franceschetti 等在仿真 SAR 溢油海面原始信号时,采用了基于海浪谱和 Marangoni 理论的方法计算溢油海面,在该文中未 考虑到海底地形或者水深的影响,因此,它不适合 于

10、近海岸的溢油情况 (Franceschetti et al , 2002; Pinel et al , 2008 。本文提出了一种适合于浅海环境下溢油海面的 仿真方法 。 有限水深下溢油海面的海浪谱的计算是 根据 TMA 谱模型和 Marangoni 溢油理论模型,然 后根据海浪的色散关系和 Longuet-Higgins 模型, 计算有限水深下溢油海面的波面位移 。1TMA 谱模型在 Kitaigorodskii 等学者的工作基础上, TMA(Texel-Marsen-Arsloe 谱模型利用波浪的色散关 系对 JONSWAP 谱进行了改进,使其适合于浅水环 境 下 , 其 表 达 式 为

11、(Kitaigorodskii et al , 1975; Bsuws et al , 1985 :S TMA ( =SJonswap ( (, d (1(, d =k (, 3鄣 k (, d /鄣 =1+2k dd dp p-1tan h 2(k dd (2 S Jonswap ( =g 2exp-5p 4(3 =exp-(-p222pp p(4 =0.07p 0.09p >(5p =7g 2F-0.33(6式中, d 为水深, 表示水深为无穷大, 为波浪的角频率, k 为波浪的波数, S Jonswap( 为 JONSWAP 谱, p 为谱峰角频率, 为峰升因子, 为峰形参 量,

12、g 为引力常数, 为尺度系数, U 为海面上 10m 处 的 风 速 , F 为 风 区 长 度 , (, d 为 Kitaigorodskii 深度函数 。 从式 (2 可以看出,对 于可变海底地形来讲,即水深为非常数时,要对 Kitaigorodskii 深度函数进行修正 。若波浪不满足线性关系,由于非线性波浪的色 散关系复杂, Kitaigorodskii 深度函数是一个隐函 数,不存在显式形式 。 若波浪满足线性关系,那么 利用线性波浪的色散关系, Kitaigorodskii 深度函数 为式 (2 中的第 2个等式 。 图 1为不同深度下 Kitaigorodskii 深度函数 。

13、从图 1可以看出,随着频 率的增大, Kitaigorodskii 深度函数逐渐趋于 1。 这 表明水深对高频 (波长小 波浪的影响小,而对低 频 (波长大 波浪的影响大 。 随着水深的增大,对 于固定的低频波浪来讲, Kitaigorodskii 深度函数也 增 大 。 当 水 深 为 无 穷 大 时 , 即 深 水 情 况 下 , Kitaigorodskii 深 度 函 数 为 1, TMA 谱 退 化 为 JONSWAP 谱 。2溢油海浪谱模型Lombardini 建立了溢油海面的海浪谱,其表达式为,S oil ( =S( 1-q+P (7P ( =21±2+22-2X +2

14、X2(8图 1不同深度下 Kitaigorodskii 深度函数/, d0f/Hz杨永红 等:浅海环境下溢油海面的仿真637海 洋 通 报 31卷其中, q 为溢油归一化系数, X=E 0k 2姨 , Y=4v , =2姨, E 0为弹性模量, D为油膜的特征频率, v 为运动粘度系数, 为油膜的密度 。根据 Longuet-Higgins 海浪模型和色散关系, 结合式 (1 和 (7 ,则浅海溢油海面的铅直位移 为 (x , y ; t , (x , y ; t =Mm =1Nn =1oilmnxy 姨 (9exp j (k m x+kn y-t+准 +c.c. mn =g k mn tan

15、h (k mn d +kmn姨(10式中, k mn =k m +k n 姨 , c.c. 表示复共轭算子, t 为时 间, (x , y 表示海面的位置坐标, 准 为 -, 均匀分布的相位噪声, k x 为 x 方向上相邻波数之 差, k y 为 y 方向上相邻波数之差; 为溢油海面的表面张力 。3仿真结果及分析首先,给出 JONSWAP 海浪谱参数:尺度系数=0.0081,峰升因子 =3.3,风区 F =100km ,风速 U =10m/s,引力常数 g =9.80655m/s2;然后,给出 海面参数:海面 x 方向长度为 100m , y 方向长度 为 100m ,海浪方向为 45

16、76;,水深 h =8m ,海水的 密度 =103kg/m3,清洁海面的表面张力 =74×103kg/m;最后,给出溢油参数:溢油归一化系数 q=1,溢油的特征角频率 D =8rad/s,弹性模量, 运动粘度系数 E 0=23×10-3N/m,溢油的密度 oi =870kg/m3,溢油海面的表面张力 =28×10-3N/m。利用式 (1 , (3 和 (7 ,分别计算深水清洁海面 、 有限水深清洁海面及有限水深溢油海面的 谱 。 然后,根据 Longuet-Higgins 海浪模型和色散 关系,分别计算深水清洁海面 、 有限水深清洁海面 及有限水深溢油海面的铅直位

17、移,如图 2a , 3a 及 4a 所示 。 为了对比深水清洁海面 、 有限水深清洁 海面及有限水深溢油海面的细节变化,对结果进行 了灰度显示,如图 2b , 3b 及 4b 所示 。 从图 2和 3可以看出,有限水深的波面铅直位移要比深水的(a 三维图(b 灰度图图 2深水清洁海面铅直位移500020406080100x , my , m, m(a 三维图(b 灰度图图 3有限水深清洁海面铅直位移100500020406080100x , my , m, m6386期 小,这主要是波浪在海底摩擦力的作用下,要消耗一部分能量所致 。 从图 3和 4可以看出,溢油波面 的粗糙度要比清洁波面的小,

18、这表明溢油对波浪的 短重力波具有一定的抑制作用 。4结论本文提出了一种适合于浅海环境下溢油海面的 仿真方法,并利用 TMA 谱模型和溢油理论模型分 别讨论了水深和溢油对海浪谱的影响 。 对恒定水深 条件下,进行了溢油海面的仿真 。 与清洁深水海面 相比,在海底地形和溢油 Marangoni 效应的双重作 用下有限水深溢油海面的粗糙度受到了一定的影响 。在浅海环境下,利用该方法可对溢油海面进行 电磁散射的计算,分析溢油参数对溢油海面电磁散 射的影响,从而提出新的 SAR 溢油图像识别方法, 以降低 SAR 溢油图像识别的高虚警率 。 在可变海 底地形的条件下,溢油海面 Marangoni 效应及

19、其电 磁散射的计算是下一步的研究重点 。参 考 文 献Bouws E , Gunther H , Rosenthal W , 1985. Similarity of the wind wavespectrum in finite depth water :Part 1. spectral form. Journal of Geophysical Research ,90(C1 :975-986. Franceschetti G ,Iodice A , Riccio D , 2002. SAR raw signal simulation of oil slicks in ocean enviro

20、nments. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing , 40(9 :1935-49.Kitaigorodskii S , Krasitskii V , Zaslavskii M , 1975. On Phillips theory ofequilibrium range in the spectra of wind generated gravity waves. Journal of Physical Oceanography , 5(3 :410-420.Lombardini P ,Fiscella B , Trivero P , 1989. Modulation of the spectra of short gravity waves by sea surface films :slick detection and characterization with a microwave probe. Journal of Atmospheric andOceanic Technology , 6(6 :882-90