南海北部中尺度涡流预报及应用

王火平，郭延良，回贞立，于 龙，胡筱敏，熊学军

(1.中海石油(中国)有限公司深圳分公司 深水工程建设中心，广东 深圳 518000；2.自然资源部 第一海洋研究所，山东 青岛 266061；3.海洋试点国家实验室区域海洋动力学与数值模拟功能实验室，山东 青岛 266237；4.自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室，山东 青岛 266061)

南海的石油、天然气、可燃冰等自然资源十分丰富，具有极高的经济价值[1-2]。随着我国深海油气资源开采技术的发展，我国深海油气勘探开发技术能力和经济实力大幅度提升。与此相比，人们对南海水动力过程的认识还远不能满足资源开发的实际需求。特别是在南海北部，水动力条件复杂，潮流、内波流和中尺度涡流等多尺度海洋动力过程并存，对海上工程设施、海上作业过程及船舶航行安全等均会产生影响[1-2]。其中，中尺度涡携带80%以上的海洋动能，比大部分海域平均环流能量大一个量级[3-4]，不仅直接影响海洋的温盐流结构和生态系统[5-8]，而且对海洋动能、热量输运等也有重要的影响作用[9-12]。

在吕宋海峡、台湾海峡复杂的出入流以及陡峭的海底地形、显著的季风等因素作用下，南海及其周边海区，特别是南海北部成为中尺度涡的高度活跃海区[13-14]。近年来随着海洋调查技术和数值模式的快速发展，温盐深测量仪(CTD)、声学多普勒海流剖面仪(ADCP)、拉格朗日漂流浮标、水下滑翔机、卫星高度计等观测手段及数值模拟等技术被越来越多地应用到南海中尺度涡的调查研究当中，对中尺度涡的分布、大小、周期、传播特性、水体输运等特征以及发生机制等已进行了大量研究，并取得了丰富的成果[15-21]。对南海中尺度涡的时空分布特征、三维结构与发生机制等已有了较清楚的认识[9, 13, 22-28]，并提出了一些中尺度涡可预报性方法和模型[14, 29-31]。但中尺度涡旋是海洋中高度非线性的物理现象[11, 32]，而且反气旋的非线性要明显强于气旋，特别是在南海陆坡东部、东沙岛附近海域，涡旋的非线性特征尤其显著[2]。此外，中尺度涡旋在运动过程中受地形、背景流和其他涡旋的影响也会产生强非线性作用，从而导致其结构以及运动路径发生改变[1, 4]。当中尺度涡与背景流发生相互作用时，会因其对背景流的强扰动而导致流场的巨大变化，导致“怪流”现象的发生，对海上工程安全造成威胁。目前，中尺度涡与背景流、地形等海洋环境要素的相互作用过程和机制仍不够清楚[1-2, 9]，其预测仍是物理海洋学的研究重点和挑战。

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”在此海域作业时出现短时间内大幅失位现象，所幸各限位船与“FPSO-119”施工船及时沟通、快速应对，避免了对施工的影响。由于施工船并无动力，发生失位情况时无法主动应对，且施工船与限位船距离较近，施工船在水下与油田还有石油管道相连，还有工作人员在水下作业，如果未能及时应对施工船的瞬时大幅度失位，船舶、设施和人员安全等都会受到极大威胁，甚至会酿成重大事故。基于此，在现场实测资料和公用资料分析的基础上，推测此次施工船短时间大幅失位原因是由中尺度涡流与背景流正向叠加产生的“怪流”所导致。为规避施工中可能遇到的这种现象，利用海表面高度异常(SLA)资料、TPXO全球海潮模型数据以及HYCOM模式数据，基于FVCOM模式提出了一种涡流预报方法，有效实现了作业海域后续2天的涡流预报，使相关海上作业设施和船只能够从容应对这种“怪流”、避免事故发生。本研究工作可为该海域海洋开发与建设安全保障提供可靠的支撑。

1 研究数据

1.1 现场观测数据

2021年5月2日至7月17日，针对流花16-2油田群开发项目中“FPSO-119”施工船锚腿回接、带缆、限位、潜水作业等海上施工，在施工船只东南向120°、距离约10 km处采用ADCP进行了海流全剖面观测(图1)。观测点水深约400 m，海流观测ADCP观测层厚设置为8 m，第一层有效观测水深为18 m，观测时间间隔为1 min。海流观测数据采用PD18模式通过传输缆实时传输至电脑终端。考虑到监测船的漂移会影响到海流观测，在船舶驾驶室顶部安装了一台高精度差分GPS，用于校正ADCP观测到的海流。下文利用5月2日—5月10日以及5月13日—5月18日两个时段获得的海流数据用于潮流提取、现象分析和预报结果对比分析。

图1 施工船与监测船位置示意

1.2 海表面高度异常(SLA)数据

SLA资料是卫星高度计观测的主要产品，它是研究大洋环流、中尺度涡旋和海气相互作用以及海洋数值业务预报等必不可少的资料。采用由AVISO(archiving validation and interpretion of satellite oceanography，法国国家空间研究中心卫星海洋学存档数据中心)发布的SLA资料(数据下载网址：ftp.aviso.altimetry.fr)，该资料主要由TOPEX/POSEIDON、Jason-1和ERS/Envisat等多颗高度计卫星资料融合而成，空间覆盖范围为全球海域，空间分辨率为1/4°，时间分辨率为1 d。选用自施工船失位当天2021年5月8日至2021年5月18日的资料用于计算与分析。

1.3 HYCOM海洋预报数据

HYCOM(hybrid coordinate ocean model)是近些年来主流的全球海洋环流模式，数据包括海表面高度(SSH)、温盐(T、S)及海流(U、V)数据。数据水平分辨率为1/12°，网格点范围为(78°38′24″S—66°00′00″N，180°W—180°E)，垂向从海表面5 m到底层5 000 m，共分40层；时间分辨率为1 d；预报时效为7 d，预报数据水平分辨率是1/12°(数据下载地址为https://tds.hycom.org/thredds/catalog/GLBy0.08/expt_93.0/FMRC/runs/catalog.html)。选用自施工船失位当天2021年5月8日至2021年5月18日的HYCOM海流预报数据进行中尺度涡流预报，并与实测海流数据进行可靠性对比分析。

1.4 TPXO7.2海洋潮流模型数据

TPXO(Topex/Poseidon Crossover Solution)是同化T/P交叉点数据建立的系列全球海潮反演模型，TPXO7.2同化了T/P、Jason-1、ERS-2以及诸多验潮站数据，可以获取包括M2、S2、N2、K2、K1、O1、P1、Q1、MF、MM、M4、MS4及MN4共13个分潮的潮流和潮汐预报数据。使用MATLAB版本的TMD(tidal model driver)潮汐模型驱动程序对工程点进行潮流预报的数据结果(驱动程序下载地址为http://g.hyyb.org/archive/Tide/TPXO/TPXO_WEB/global.html)。

2 “怪流”现象分析

2021年5月8日20时左右，“FPSO-119”施工船在限位作业时短时间内大幅失位，船艏向由130°偏转至8°。当日监测船24 h的实测海流观测结果如图2所示。

图2 2021年5月8日逐时实测海流

可以看出，20时左右开始海流流速和流向与前5小时相比变化较大：18时海流流速仅17.3 cm/s，流向为108°；19时开始出现“怪流”，流速陡然增大至41.5 cm/s，流向为127°，其后20时更是观测到高达57.8 cm/s的流速，流向为171°。根据现场气象与海洋监测结果，当日无异常气象现象发生，无异常波浪和海洋内波等其他可能的海洋现象影响，现场作业、船舶系缆等均正常，也无异常外力作用。

由于施工海域位于南海中尺度涡的高发区，故考虑中尺度涡的影响。绘制当日的SLA分布图如图3所示，可以看出，施工船正好位于两个较强的反气旋涡的交界处，两个涡旋相互作用、相互影响，在交界处很容易出现流速流向剧烈的变化，因此初步推测“怪流”现象是由于中尺度涡与潮流相互作用所致。

图3 2021年5月8日南海北部SLA分布

为进一步分析涡旋与潮流的关系，采用HYCOM预报的海流数据，分析了监测船观测点处的海流分布，这一区域位于中尺度涡与海流相互作用的海区，其海流对应着涡流相互作用中的涡流，即中尺度涡与背景流(如潮流)的合成流；另外，为了尽可能保证潮流的准确性，利用5月2日至5月10日现场ADCP海流观测资料进行准调和分析，提取出5月8日当天的潮流信息。从图4监测船观测点中尺度涡流与潮流的分布可以看出，潮流流向由13时与中尺度涡流反向，到20时逐渐转向至与中尺度涡流基本同向，两者合成流由反向相消变为正向叠加，引起流速的快速增加，正是中尺度涡流与潮流的这种正向叠加造成了“怪流”现象的发生。

图4 2021年5月8日观测站位中尺度涡流与潮流逐时分布

3 中尺度涡流预报方法

基于“怪流”现象的分析结果，拟建立一种中尺度涡流预报方法，制定针对工程海区的中尺度涡流预报方案，向施工船提供中尺度涡流预警，以规避可能发生的船只失位带来的事故风险。该预报方法的基本思路为：首先根据SLA资料捕捉可能影响工程海区的中尺度涡；然后通过HYCOM数值模型和TPXO7.2海洋潮流模型分别获取中尺度涡流预报数据和潮流预报数据并进行矢量合成叠加；最后采用FVCOM数值模型，开展施工海域未来五天时间内的中尺度涡流预报，对施工海域的中尺度涡流进行预报。

3.1 模型简介

目前FVCOM已成功开发并应用于南海，可准确模拟主要潮汐波及风海流[33-34]。为了实现南海北部中尺度涡的精准模拟与预报，采用多尺度分辨的非结构网格模式计算方案，构建高分辨率数值模型。非结构网格模式的优势之一在于可以灵活地实现对岸线的详细刻画，从而改善模型在近岸河口受河流径流影响区域的预报精度。

模型计算区域和网格点分布如图5所示。工程海区地处南海北部，受周围海域流系、涡旋等现象影响显著，因此，确定模型计算范围时充分考虑了周边海域可能的影响，将模型计算区域扩大至包括了台湾海峡—广东沿海—广西北部湾的整个南海北部，以及部分西太平洋和东海海域。其中，模型南边界延伸至西沙群岛以南出于考虑北部湾与南海北部陆架之间的水交换和南海暖流的影响；模型东边界位于吕宋海峡的东侧出于考虑黑潮入侵的影响；模型北边界则位于台湾海峡以北的福建—浙江交界附近出于考虑台湾海峡贯穿流及沿岸流系的影响(图5)。模型水平网格分辨率约5 km，南海北部区域局部加密至1 km，以实现南海环流体系和中尺度涡的模式分辨。模型垂向采用σ坐标，分100层，表、底层基于tanh函数采用加密的非均匀分层，这样既保证在大地形梯度区域海洋动力过程能够连续分辨，如南海陆坡处，同时在陆架区海表海气交换过程也具有较高的垂向分辨率。

图5 FVCOM模型计算区域和网格

模型的开边界包括环流和潮汐条件，其中潮汐部分水位和流速通过TPXO全球潮汐产品中的8个主要潮汐分量(M2, S2, N2, K2, K1, O1, P1, Q1)预报得到，非潮汐水位和三维环流则通过HYCOM逐日预报结果得到，将两者线性叠加得到开边界处的水位和流速边界条件。由于动量、温度和盐度的水平和垂直扩散的不确定导致FVCOM基础方程在数学上的不封闭，选取Mellor和Yamada 2.5级(MY-2.5)湍流闭合方案[8]。模型采用800 m分辨率的GEBCO地形数据。海面驱动条件包括风速、气压、净短波辐射量、海表净热通量和蒸发和降水，其中风速、气压、净短波辐射量和降水由NCEP再分析产品(Version 2)插值获得，海表净热通量和蒸发量则根据模式内部的COARE算法估算得到。河流流量采用多年平均的月均值。

为验证模式的可靠性，将工程点处FVCOM模型海流模拟结果与实测海流进行了对比，以2021年5月8日18 m水深海流为例(图6)。

图6 2021年5月8日实测海流与FVCOM模式海流结果对比

由图6可以看出，00:00—11:00预报海流以北向流为主，12:00—23:00以南向流为主，流向与实测海流的方向除在06:00—08:00、11:00、13:00差别在45°以上(56°～89°)，其他时刻与实测海流流向基本相符(3°～42°)；模拟的海流流速与实测流相比整体偏小，05:00、10:00及19:00—20:00时刻流速差在15 cm/s以上，其他时刻流速差大部分在10 cm/s以下，但流速大小整体分布趋势与实测流基本一致；两者可能最大海流出现的时段大致相同(19:00—22:00)。因此，FVCOM模式结果基本可以反映出施工船附近海域的海流状况。

3.2 中尺度涡流预报方法

南海北部海域是中尺度涡的聚集、传播区，分为气旋型和反气旋型，大多都是从东北向西南方向移动；中尺度涡区域海流流速整体呈中部小、边缘的涡带区大的分布形式，最大流速往往出现在涡带区；中尺度涡总体旋转与移动速度不大，但若与涨落急时刻的潮流正向叠加，则会产生较明显的“怪流”。

针对这一海区开展过内波流的预警，根据形成机制和观测统计分析，该海区内波流具有较稳定的方向性，可以通过工程上游海区单点监测实现预警[35-36]。与一过性的内波流不同，中尺度涡经过工程区需要一定时段，因此不能采取类似这种上游海区单点监测预警的方式，需重点关注与限位船艏向垂直的横向流，特别是最大涡流与最大潮流的正向叠加。基于此，下面提出的中尺度涡流预报方法主要步骤：

1)根据SLA资料外推预报

根据SLA历史大数据资料和现势资料，捕捉未来5 d可能影响到工程海区的中尺度涡，分别对其锁定跟踪，结合该区位历史涡旋活动规律、潮运动、背景流、天气过程等因素，定性分时预报。

2)通过HYCOM数值模型获取中尺度涡流预报

采用HYCOM数值模型，获取施工海域未来5 d时间内的中尺度涡流预报，对施工海域的中尺度涡流进行过程分析。

3)TPXO潮流预报

采用TPXO7.2的潮流模型，获取施工海域未来5 d时间内的潮流数据，对施工海域的潮流进行预报。

4)通过FVCOM数值模型自主开展中尺度涡流预报

采用FVCOM数值模型，开展施工海域未来5 d时间内的中尺度涡流预报，对施工海域的中尺度涡流进行实况预报。

5)中尺度涡流预警

基于现场实测数据的后报检验，以FVCOM数值预报结果为主，结合SLA预报、HYCOM预报和TPXO预报结果，针对工程现场需求，定性判断、定量表达，为了保证预报的时效性和可靠性，每天9时提供当天及未来1 d的中尺度涡流预报：

① 提供当天和未来1 d可能影响工程海区中尺度涡旋分布图；

② 提供当天和未来1 d可能影响工程海区中尺度涡旋运移趋势分析，通过SLA局部极值获取涡旋中心位置，进而得到涡旋平均移动速度和方向；

③ 提供定时量化预报，包括最大流速的时刻、流速、流向。

提供定时量化预报信息的发布，每日发布时间为9时。现场监测船结合实时海流信息与预报信息，向“FPSO-119”施工船提供预警。

4 预报结果与分析

4.1 海流预报结果

根据中尺度涡流预报方案，开展了可能影响工程海区中尺度涡旋的分布情况以及移动趋势的预报，并将中尺度涡流与潮流叠加，预报当天及未来一天可能出现最大流速的时间、流速及流向。以2021年5月17日9时发布的17日—18日海流预报为例，预报结果如下：

1)影响工程海区中尺度涡旋运移趋势预报

根据SLA数据外推可知，目前施工海域主要受位于其南侧的一个气旋涡影响，17日气旋涡中心位于(116°00′00″E，19°24′00″N)附近，并以0.05 m/s的速度向北移动，预计18日涡旋中心移至(116°00′00″E，19°26′24″N)附近。工程海区中尺度涡旋以及由SLA数据反演的地转流分布如图7所示。

图7 2021年5月17日与18日SLA与地转流

2)定时量化预报

首先获取施工船位置5月17日—18日的HYCOM模式海流预报结果，分析可能最大中尺度涡流出现的时刻、流速及流向；然后利用TMD潮汐模型驱动程序得到5月17日—18日的潮流数据，同样分析可能最大潮流出现的时刻、流速及流向；最后将潮流与中尺度涡流矢量叠加，给出2天内可能最大海流出现的时刻、流速及流向，向“FPSO-119”船提供预警。从表1和图8可以看出，中尺度涡流5月17日变化较小，流速在15～23 cm/s之间，流向在225°～245°之间，5月18日涡流变化范围较大，流速在11～35 cm/s之间，流向在195°～250°之间。每天涨潮和落潮期间均会出现一次可能最大潮流，流速在0.20～0.21 cm/s之间。落潮期间，潮流与中尺度涡流正向叠加，出现当日的可能最大海流；而涨潮期间，潮流与中尺度涡流反向相消，合成流较小。

表1 5月17日—18日工程点潮流与中尺度涡流叠加预报结果

图8 5月17日—18日工程点中尺度涡流、潮流及合成流

综上所述，由于当前施工船正处于气旋涡的西北边缘，中尺度涡流的流向在195°～250°之间，因此在落潮期间与潮流同向，两者正向叠加出现一天当中的可能最大海流，施工船在5月17日—18日落潮期间应保持警惕。

4.2 对比分析

为验证海流预报的可靠性，将预报海流与实测海流数据进行对比分析。由于预报海流只考虑了中尺度涡流与潮流两种主要海流，并未考虑内波流等其他背景海流，为了具有可比性，从实测海流中剔除了5月17日21时流速为150.49 cm/s的内波流。

从图9和图10工程点5月14日至5月18日实测海流与合成海流分布与误差分布可知，中尺度涡流与潮流矢量合成得到的预报海流与实测海流相比，前者由于只考虑了中尺度涡流和潮流因而更具有规律性，而实测海流由于影响因素众多流速和流向变化幅度较大，但两者的整体趋势大体一致。5月14日，实测与预报海流均由西南向流转为西北向流，体现了潮流的涨落潮变化，表明潮流在海流中占主导地位，两者流向误差除在04:00、06:00—07:00、15:00—16:00、21:00时刻差别在45°以上(55°～96°)，其他流向误差较小，日均流向误差为27°；在涨急与落急时段两者流速大小相近，而在涨憩与落憩时段实测海流流速明显大于预报海流，日均流速误差为14 cm/s。5月15日—5月18日，受气旋涡的影响，工程点的实测海流与预报海流均以西南向流为主，流速呈间歇性变化；实测海流多个时刻由西南向流变为东南向流或西北向流，预报海流仅在5月15日由西南向流逐渐变为东南向流，然后转为西北向流，两者流向平均误差为40°。除了在5月16日00:00前后等个别时段预报海流流速大于实测海流外，其他时段预报海流流速整体较实测海流偏小，平均流速误差为18 cm/s。这是由于实测海流中除了中尺度涡流与潮流之外，还包括内波流、风海流等其他海流的影响，复杂程度要远大于预报海流。虽然剔除了内波流发生时刻的内波流，但其相邻时刻的海流仍受内波流、风海流的影响。因此预报流速较实测流速要小，在工程应用时需结合内波流、风海流等其他信息综合考虑分析。

图9 5月14日至5月18日实测海流与合成海流

图10 5月14日至5月18日合成海流与实测海流的误差

综上所述，本文预报的中尺度涡流可以大致反映实测海流的运动趋势(平均流向误差40°)，虽然流速与实测海流相比偏小(平均流速误差17 cm/s)，但给出了可能最大流速出现时刻和流向，可作为工程海域施工过程中应对“怪流”的重要参考。

5 结 语

针对流花16-2油田群开发项目中“FPSO-119”施工船在遇到“怪流”后瞬时大幅度失位现象，在排除其他海洋现象与外因影响的前提下，分析认为“怪流”出现的原因是施工海域内存在的中尺度涡与潮流发生正向叠加所导致。在此基础上，提出了一种将中尺度涡流与潮流矢量叠加的涡流预报方法，预报结果与现场实测海流数据对比分析结果显示，该方法可对海洋工程海域后续2天的涡流进行有效预报。提出的涡流预报方法可为海上工程施工船应对“怪流”提供重要参考，其预报结果可以帮助海洋工程施工和船舶航行规避事故风险，为海洋开发与建设服务提供安全保障。主要结论如下：

1)“FPSO-119”施工船的瞬时大幅度失位现象，是由作业海域内的中尺度涡与落潮时刻的潮流正向迭加产生的“怪流”所导致；

2)基于现场实测数据，以FVCOM数值预报结果为主，结合SLA预报、HYCOM预报和TPXO预报结果，提出了一种将中尺度涡流与潮流矢量叠加的涡流预报方法。经过与现场实测数据的后报检验，该方法能够反映施工海域内涡流在未来2 d内的运动趋势以及可能最大海流出现的时段、流速和流向等主要特征，可作为海上工程应对“怪流”的重要参考。

需要注意的是，利用本涡流预报方法预报的流速与实测海流相比较小，在工程应用中需结合内波流、风海流等其他信息综合考虑分析。