波浪对海上漂浮物漂移轨迹作用分析

徐江玲，高 松，葛 勇，李 锐，吴玲娟，刘桂艳

（山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266061；国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266061）

波浪对海上漂浮物漂移轨迹作用分析

徐江玲，高 松，葛 勇，李 锐，吴玲娟，刘桂艳

（山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266061；国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266061）

基于海上大型浮标（直径10m）脱离锚定（跑位）后的漂移轨迹实测数据，研究波浪对海上漂浮物漂流轨迹的作用。对比只考虑风和流的漂移轨迹和增加波浪作用后的漂移轨迹，发现预报轨迹的距离误差和角度误差均有所减小。另外，波浪引起的漂移速度大小与波陡以及物体浸没比例有关，波陡或浮在海面上的体积增大时，波浪作用引起的漂移速度也随之增加。

海上搜救；轨迹预报；波浪漂移速度；数值模拟

0 引言

近年来，随着海上经济的快速发展，海上事故频发。事故发生后的海上搜救主要分为：搜寻和救援。其中，搜寻是救援的前提，这使得搜寻显得更为重要［1－2］。目前，国外针对海上搜寻，从理论、模型到系统都做了一系列相关研究，从单纯的公式计算发展到依赖计算机的海上搜寻辅助决策系统。比如美国的POSSE系统、SARMAP系统，加拿大的CANSARP系统，法国的MOTHY系统以及英国的SAR IS系统等。这些辅助决策系统的主要组成部分是海上搜救目标漂移预测模型，但绝大部分漂移预测模型只考虑风和海流的作用。并且日本海上保安厅海洋情报部的漂移预测，也只考虑海流、潮流和风所引起的漂流速度成分［3］。

国内针对海上失事目标物的漂移轨迹预测也开展了大量研究。于卫红［4］提出了根据平均环流、风生流和风压来计算搜寻目标可能的漂移轨迹，进而确定搜寻区域。胡志武［5］以遇难船舶为对象，综合国内外研究成果，研究了在海流和风的作用基础上增加波浪漂流力后遇难船舶漂流轨迹的变化。但是，发现追了波浪漂流速度后，预测精度并没有得到预期改善。于卫红［4］和胡志武［5］的研究都是基于实测海流和水文图表获得，而吴中鼎［6］则利用POM潮流预报模式得到中国海潮流结果，结合ECCO大洋环流模式结果，计算了只考虑潮流和准定常海流的情况下海上漂浮物的漂移轨迹。近年来，马文耀等［7］、肖文军等［8］、周水华等［9］、黄娟等［10］均采用数值模式，考虑风流作用对遇险目标漂移问题进行数值模拟。

总结上述研究工作，目前国内外海上搜救目标的漂移预测模型主要以海洋水动力模型为基础，采用Lagrange粒子追踪方法，计算风和流作用力引起的漂浮物体的漂移速度，进而得到漂浮物体的漂移轨迹。在计算过程中，绝大部分模型都不考虑波浪对物体的作用。但是，根据日本海上保安厅的试验研究［11］，波浪引起的漂移物的漂移速度大小与波长有关。在短波和长波范围内，波浪漂移力对物体的作用各不相同。此外，根据我们在青岛大公岛外海海域开展的两次落水人员和无动力筏的海上搜救实验发现，在忽略波浪作用的情况下，海上漂移物，尤其是无动力筏的漂移轨迹预报跟实际观测出入很大。因此，有必要开展波浪对海上漂移物漂移轨迹的影响研究。

1 漂移预测模式

本文中的海上目标漂移预测模型也是基于Lagrange粒子追踪方法，计算物体在风和流的共同作用下的漂移轨迹。模型使用的风场来自目标物本身携带的风场传感器观测数据，海流场来自北海预报中心业务化运行的海洋模式ROMS（Regional Ocean Model System），模型具体配置见黄娟［10］和吴玲娟［12－13］的研究。

根据拉格朗日粒子追踪方法，可以将海上漂移物在海水中的移动看作是质点跟随海流的物理运行，采用粒子随机走动模式来模拟粒子的运动，每个粒子的位移变量表示为：

根据日本海上保安厅的研究［11］，波浪漂流力表述为：

其中，ρ为海水密度，g为重力加速度，D为漂浮物体的尺寸；CW为波浪漂流力的作用系数，与漂浮物体的运动特性有关，根据浮体形状、重心位置等数据通过理论计算或数值计算求取；HW是波高。

流体阻力与漂流速度V的平方成反比：其中，B为漂浮物在水面下的投影面；Cd（CD）为阻力系数，Cd（CD）值因浮体水面下的形状而异，一般通过水槽实验进行测量。

平衡这两个方程，得到波浪引起的漂流速度VV为：

式中：d为漂流物体的吃水；H1／3为有效波高；K为波数，λ为波长。本文中，相对于风力系数和海流系数，把波浪漂流速度公式中常数部分定义为波浪系数。并且，通过目标物自带的波浪观测仪记录波高、波向、周期数据，可以计算获得波长和有效波高。

2 大型浮标站

编号浮标B1和浮标B2的10m大型浮标（图1）为山东省科学院海洋仪器仪表研究所自行研制的圆盘型10m浮标，型号为FZF4－1，浮标体为圆盘形，整体全焊接钢结构，直径10m，型高2.2m。上体为圆柱体，下体为截圆锥体，底板直径6.6m，排水量为50t，设计吃水0.95m。浮标采用单点系泊全链式锚系，浮标锚链采用Ф46的有档锚链，锚采用3.18t LWT轻量型锚。

图1 浮标B1锚定状态照片Fig.1 Photo of for moored buoy B1

10m大型浮标具有气象、水文、水质、海流等海洋环境参数实时获取、存储、处理、传输能力，提供实时的海表面风、气温、湿度、水温、气压、能见度、波高、波周期、波向、盐都等海洋环境观测资料，同时记录浮标实时位置数据。通常情况下，大型浮标受锚链固定作用，一般在固定站位进行定点观测。但由于风浪等作用，有时浮标会脱离锚链，俗称跑位。浮标B1于2015年11月17日13∶00开始跑位，51个小时候被发现并拖回，在这段时间内，浮标受风、浪、流的作用在海上进行漂移，漂移过程中所在位置被自动记录。浮标B2于2016年2月14日12∶00时开始跑位，49个小时后被发现并拖回。两个浮标的轨迹数据被回收后，用于对比轨迹预报结果。

3 实验设计与结果分析

3.1 实验设计

针对每个浮标设计三个数值实验，实验的具体配置如表1所示，其中，风力系数是一个常数，根据实测结果，其变化范围0.05～0.5，参考本模型对其他目标物的模拟［10，11］，大型观测浮漂可类比于救生筏，故风系数设为0.05；流系数在不考虑模型误差的情况下设为1.0；浪系数根据胡志斌等［5］的研究及浮体的尺寸，其变化范围在0～2之间。浮标B1的前两次实验只考虑风和流的作用，根据实验1的结果与实测轨迹的对比发现，预报的漂移距离远小于实际的漂移距离，因而在实验2中加大风的作用系数。实验3是在实验2的基础上增加波浪的作用。浮标B2的三个实验也是基于同样的思路设计。考虑到浮标B2挂有30m长的锚链，受锚链的作用，浮标形态发生改变，浮于水表面的体积减少，风的作用系数相应减小。

表1 各数值实验中风、流、浪作用系数Tab.1 Action coefficient of wind，current and wave in each numerical experiment

3.2 结果分析

对浮标B1的模拟结果进行分析，图2是浮标B1的三条预报轨迹与实测轨迹对比图，图中红线代表实测轨迹，蓝线代表实验1只考虑风和流的预报轨迹，绿线代表实验2加大了风应力拖曳系数的预报轨迹，黑线代表在实验1的基础上增加波浪作用的预报轨迹。对比图中绿线和蓝线，可以发现，风应力拖曳系数增大后（绿线），大型浮标预报轨迹沿着风向的方向被拉长，预报轨迹的距离偏差减小，但角度偏差几乎没有改变。对比黑线和蓝线，可以发现，在保持风和流的作用系数不变的情况下，增加波浪漂流力的作用后，预报轨迹明显更接近于观测轨迹，且预报轨迹的距离偏差和角度偏差均减小。

图2 浮标B1实测轨迹（红线）和预测轨迹对比图Fig.2 Observational trajectory（red line）and three simulated trajectories for Buoy B1

对浮标B2的模拟结果进行分析，如图3所示。其中，红线代表实测轨迹，蓝线代表实验1只考虑风和流的预报轨迹，并且风和流的作用系数与参考浮标B1在最佳实验（实验3）中的取值，绿线代表实验2减小了风应力拖曳系数的预报轨迹，黑线代表在实验2的基础上增加波浪作用的预报轨迹。考虑到浮标B2底下带有一段长约30m的锚链，使得浮标受力浸入水中的比例增大，风的作用力相对减少，设置实验2减小风应力拖曳系数（绿线）。对比图中绿线和蓝线，浮标B2预报的漂移距离沿着风向的方向缩短，预报轨迹的距离偏差减小，角度偏差也同样减小。为检验波浪漂流力的作用，在保持风和流的作用系数不变的情况下，增加波浪漂流力的作用（黑线）。对比黑线和绿线可以发现，增加波浪漂流力后预报轨迹变化不大，预报轨迹的距离偏差和角度偏差均略有减小。

图3 浮标B2实测轨迹（红线）和预测轨迹对比图Fig.3 Observational trajectory（red line）and three simulated trajectories for Buoy B2

4 讨论

本文通过数值实验对比大型浮标的预报轨迹与实测轨迹，研究波浪漂流力对海上目标漂移轨迹的影响。实验结果表明，对于漂浮在海表面上的物体，波浪漂流力对其漂移轨迹有一定的影响。例如浮标B1，增加波浪力作用后，预报轨迹明显靠近观测轨迹，预报的距离误差和角度误差均减小。但对于浸没在海里的物体，波浪力作用不明显，例如挂有锚链的浮标B2。由此可见，对于救生筏、渔船等大型海上目标漂移轨迹的预报，需考虑增加波浪漂流力作用。由于海上搜寻是开展海上救援的基础，而海上搜寻是根据海上失事目标漂移轨迹的预报来计算搜寻区域，因此漂移轨迹预报精度的提高有助于提高海上搜寻区域的预报精度，进而提高海上搜救成功率。

［1］ 肖方兵，尹勇，金一丞，等.海上搜寻规划方法研究综述［J］.大连海事大学学报，2011，37（2）：58－60.

［2］ 付玉慧，朱玉柱.水上安全监督管理（下）［M］.大连：大连海事大学出版社，2011.

［3］ Tanizawa K.and Minami M.On the drifting speed of floating bodies in waves［C］.Proc.12thISOPE Conf.2002.

［4］ 于卫红，贾传荧.海上搜救中搜寻区域确定方法研究［J］.中国航海，2006，26（2）：34－37.

［5］ 胡志武，张秋荣，顾维国.遇难船舶漂流轨迹预测技术［J］.航海技术，2007，24（3）：18－21.

［6］ 吴中鼎.海上搜救辅助系统研究［D］.青岛：中国海洋大学，2003.

［7］ 马文耀，毕修颖，杜健.基于电子海图的海上搜寻与救助决策系统软件的实现［J］.船海工程，2009，38（1）：62－64.

［8］ 肖文军，堵盘军，龚茂珣，等.上海沿海海上搜救预测模型系统的研究和应用［J］.海洋预报，2013，24（4）：79－86.

［9］ 周水华，杨阳，冯伟忠.广东海域模拟人和无动力渔船海上漂移试验研究［J］.热带海洋学报，2013，20（1）：87－94.

［10］ 黄娟，徐江玲，高松，等.基于海上试验对海上漂移物运移轨迹影响因素的分析［J］.海洋预报，2014，31（4）：97－104.

［11］ Kitakyushu.On the drift speed of floating bodies in waves［C］.12thInternational Offshore and Polar Engineering Conference.2002.5.

［12］ 黄娟，吴玲娟，高松，等.黄海绿潮应急漂移数值模拟［J］.海洋预报，2011，28（1）：25－32.

［13］ 吴玲娟，高松，徐江玲.黄渤海近岸精细化三维温盐流业务化数值预报系统研发［J］.防灾科技学院学报，2015，17（4）：83－91.

Analysis of Wave Effect on Drifting Trajectory of Float at Sea

Xu Jiangling，Gao Song，Ge Yong，Li Rui，Wu Lingjuan，Liu Guiyan
（Shandong Provincial Key Laboratory of Marine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao 266061，China；North Sea Marine Forecast Center of State Oceanic Administration，Qingdao 266061，China）

Based on the real measured data of drift trajectory of buoy with diameter of 10 m out of anchor on the sea，we studied the effect of waves on the drift trajectory of float at sea.After comporing the drift trajectory considering only the wind and ocean current with that considering both the wind and ocean and the wave effect，we found that both the distant error of the direction error between the forecasting and observation trajectories are decreased in the latter. Moreover，the drifting velocity induced by wave is related to wave steepness and float immersion ratio，and it increases with the augmentation of the wave steepness or the target size above the sea surface.

search and rescue at sea；forecasting trajectory；wave drifting velocity；numerical simulation

U676.8

：A

：1673－8047（2017）02－0075－05

2017－02－23

中国－东盟海上合作基金项目（东南亚海洋环境预报与灾害预警系统建设）；国家重点研发计划课题（2016YFC1402103）

徐江玲（1982—），女，博士，高级工程师，主要从事海洋环境要素数值预报。