淺海環(huán)境下溢油海面的仿真

1、收稿日期:2011-10-25; 修訂日期:2012-04-20基金項目:江蘇省高校優(yōu)秀中青年教師和校長境外研修計劃;江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程船舶與海洋工程學(xué)科 。 作者簡介:楊永紅 (1971- ,女,博士,副教授,主要從事微波海洋遙感的研究 。 電子郵箱: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淺海環(huán)境下溢油海面的仿真楊永紅,徐平,林明,奚彩萍(江蘇科技大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003摘要:在考慮水深因素的條件下,提出了一種適合于淺海環(huán)境下溢油海面的仿真方法,利用 TMA 譜模型和 Marangoni 溢油理論模型,計算有限水深下溢油海面的海浪譜;然后根據(jù)海浪的色散關(guān)系和 Longuet-Higgins 海浪模型,計算有限水深下溢油 海面的鉛直位移;并分析了 Kitaigoro

6、dskii 深度函數(shù)的特性 。 仿真結(jié)果表明,有限水深下海面的鉛直位移比深水的小,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潔海面的都小,結(jié)果與 Marangoni 溢油理論模型相吻合 。 關(guān)鍵詞:溢油,海面, Marangoni 溢油理論 中圖分類號:P733.1文獻標識碼:A文章編號:1001-6932(2012 06-0636-04近年來,海洋溢油事故的頻發(fā),給海洋環(huán)境和 生物造成了嚴重的破壞 。 盡管,海上溢油監(jiān)測和治理技術(shù)得到了快速發(fā)展,如合成孔徑雷達 (SAR , synthetic aperture radar 遙感衛(wèi)星可實現(xiàn)全天候 、 全天時的溢油監(jiān)測 。 但是,它的

7、高虛警率問題一 直未得到徹底的解決 。 理解溢油海面與清潔海面 物理機制的根本區(qū)別是解決 SAR 高虛警率的關(guān)鍵 所 在 (鄒 亞 榮 等 , 2009, 2011; Nunziata et al , 2008;石立堅 等, 2009 。溢油海面的仿真是一個復(fù)雜的問題,它主要涉 及兩個過程:一是海面的建模,大致可分為物理模 型和幾何模型兩種方法;物理模型是以流體力學(xué)方程為基礎(chǔ),建立了深水表面波理論 、 小振幅波理論 以及有限振幅波理論;通常采用數(shù)值方法求解,需 要做穩(wěn)定性分析,該方法模擬的海面逼真度較好, 符合實際海面的運動,但它具有計算量大 、 效率低 等缺點 。 幾何模型是通過對常見的幾何

8、曲線 (如三 角函數(shù) 、 樣條函數(shù) 進行擬合來表示海面,其中, Fourier 法是用不同頻率 、 幅度及相位的三角函數(shù) 的線性組合來表示海面 。 由于其 Fourier 系數(shù)與海 浪譜之間有明確的物理關(guān)系,因此,基于經(jīng)驗海浪 譜法仿真海面在微波海洋遙感中廣泛采用,經(jīng)驗海 浪 譜 模 型 有 Bretschneider 海 浪 譜 、 Pierson -Moskowitz 海浪譜及 JONSWAP 海浪譜等 。 二是油第 31卷 第 6期 2012年 12月海 洋 通 報MARINE SCIENCE BULLETINVol.31, No.6Dec. 20126期 污與海面的相互作用,油污會導(dǎo)致

9、風與海面之間的 摩擦力減小,因此,溢油海面的短重力波和毛細波 將受到抑制和衰減 。 研究表明,溢油海面的海浪譜 與清潔海面的海浪譜在高波數(shù)區(qū)域有明顯的區(qū)別, 在 此 基 礎(chǔ) 上 , 建 立 了 Marangoni 溢 油 理 論 模 型 (Lom bardini et al , 1989 。海面溢油一旦發(fā)生,油污會隨著海浪 、 風等向 著近海岸傳播和擴散,此時,就需要考慮淺海地形 或者水深對海面的影響 。 Franceschetti 等在仿真 SAR 溢油海面原始信號時,采用了基于海浪譜和 Marangoni 理論的方法計算溢油海面,在該文中未 考慮到海底地形或者水深的影響,因此,它不適合 于

10、近海岸的溢油情況 (Franceschetti et al , 2002; Pinel et al , 2008 。本文提出了一種適合于淺海環(huán)境下溢油海面的 仿真方法 。 有限水深下溢油海面的海浪譜的計算是 根據(jù) TMA 譜模型和 Marangoni 溢油理論模型,然 后根據(jù)海浪的色散關(guān)系和 Longuet-Higgins 模型, 計算有限水深下溢油海面的波面位移 。1TMA 譜模型在 Kitaigorodskii 等學(xué)者的工作基礎(chǔ)上, TMA(Texel-Marsen-Arsloe 譜模型利用波浪的色散關(guān) 系對 JONSWAP 譜進行了改進,使其適合于淺水環(huán) 境 下 , 其 表 達 式 為

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 為水深, 表示水深為無窮大, 為波浪的角頻率, k 為波浪的波數(shù), S Jonswap( 為 JONSWAP 譜, p 為譜峰角頻率, 為峰升因子, 為峰形參 量,

12、g 為引力常數(shù), 為尺度系數(shù), U 為海面上 10m 處 的 風 速 , F 為 風 區(qū) 長 度 , (, d 為 Kitaigorodskii 深度函數(shù) 。 從式 (2 可以看出,對 于可變海底地形來講,即水深為非常數(shù)時,要對 Kitaigorodskii 深度函數(shù)進行修正 。若波浪不滿足線性關(guān)系,由于非線性波浪的色 散關(guān)系復(fù)雜, Kitaigorodskii 深度函數(shù)是一個隱函 數(shù),不存在顯式形式 。 若波浪滿足線性關(guān)系,那么 利用線性波浪的色散關(guān)系, Kitaigorodskii 深度函數(shù) 為式 (2 中的第 2個等式 。 圖 1為不同深度下 Kitaigorodskii 深度函數(shù) 。

13、從圖 1可以看出,隨著頻 率的增大, Kitaigorodskii 深度函數(shù)逐漸趨于 1。 這 表明水深對高頻 (波長小 波浪的影響小,而對低 頻 (波長大 波浪的影響大 。 隨著水深的增大,對 于固定的低頻波浪來講, Kitaigorodskii 深度函數(shù)也 增 大 。 當 水 深 為 無 窮 大 時 , 即 深 水 情 況 下 , Kitaigorodskii 深 度 函 數(shù) 為 1, TMA 譜 退 化 為 JONSWAP 譜 。2溢油海浪譜模型Lombardini 建立了溢油海面的海浪譜,其表達式為,S oil ( =S( 1-q+P (7P ( =21±2+22-2X +2

14、X2(8圖 1不同深度下 Kitaigorodskii 深度函數(shù)/, d0f/Hz楊永紅 等:淺海環(huán)境下溢油海面的仿真637海 洋 通 報 31卷其中, q 為溢油歸一化系數(shù), X=E 0k 2姨 , Y=4v , =2姨, E 0為彈性模量, D為油膜的特征頻率, v 為運動粘度系數(shù), 為油膜的密度 。根據(jù) Longuet-Higgins 海浪模型和色散關(guān)系, 結(jié)合式 (1 和 (7 ,則淺海溢油海面的鉛直位移 為 (x , y ; t , (x , y ; t =Mm =1Nn =1oilmnxy 姨 (9exp j (k m x+kn y-t+準 +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. 表示復(fù)共軛算子, t 為時 間, (x , y 表示海面的位置坐標, 準 為 -, 均勻分布的相位噪聲, k x 為 x 方向上相鄰波數(shù)之 差, k y 為 y 方向上相鄰波數(shù)之差; 為溢油海面的表面張力 。3仿真結(jié)果及分析首先,給出 JONSWAP 海浪譜參數(shù):尺度系數(shù)=0.0081,峰升因子 =3.3,風區(qū) F =100km ,風速 U =10m/s,引力常數(shù) g =9.80655m/s2;然后,給出 海面參數(shù):海面 x 方向長度為 100m , y 方向長度 為 100m ,海浪方向為 45

16、76;,水深 h =8m ,海水的 密度 =103kg/m3,清潔海面的表面張力 =74×103kg/m;最后,給出溢油參數(shù):溢油歸一化系數(shù) q=1,溢油的特征角頻率 D =8rad/s,彈性模量, 運動粘度系數(shù) E 0=23×10-3N/m,溢油的密度 oi =870kg/m3,溢油海面的表面張力 =28×10-3N/m。利用式 (1 , (3 和 (7 ,分別計算深水清潔海面 、 有限水深清潔海面及有限水深溢油海面的 譜 。 然后,根據(jù) Longuet-Higgins 海浪模型和色散 關(guān)系,分別計算深水清潔海面 、 有限水深清潔海面 及有限水深溢油海面的鉛直位

17、移,如圖 2a , 3a 及 4a 所示 。 為了對比深水清潔海面 、 有限水深清潔 海面及有限水深溢油海面的細節(jié)變化,對結(jié)果進行 了灰度顯示,如圖 2b , 3b 及 4b 所示 。 從圖 2和 3可以看出,有限水深的波面鉛直位移要比深水的(a 三維圖(b 灰度圖圖 2深水清潔海面鉛直位移500020406080100x , my , m, m(a 三維圖(b 灰度圖圖 3有限水深清潔海面鉛直位移100500020406080100x , my , m, m6386期 小,這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 。 從圖 3和 4可以看出,溢油波面 的粗糙度要比清潔波面的小,

18、這表明溢油對波浪的 短重力波具有一定的抑制作用 。4結(jié)論本文提出了一種適合于淺海環(huán)境下溢油海面的 仿真方法,并利用 TMA 譜模型和溢油理論模型分 別討論了水深和溢油對海浪譜的影響 。 對恒定水深 條件下,進行了溢油海面的仿真 。 與清潔深水海面 相比,在海底地形和溢油 Marangoni 效應(yīng)的雙重作 用下有限水深溢油海面的粗糙度受到了一定的影響 。在淺海環(huán)境下,利用該方法可對溢油海面進行 電磁散射的計算,分析溢油參數(shù)對溢油海面電磁散 射的影響,從而提出新的 SAR 溢油圖像識別方法, 以降低 SAR 溢油圖像識別的高虛警率 。 在可變海 底地形的條件下,溢油海面 Marangoni 效應(yīng)及

19、其電 磁散射的計算是下一步的研究重點 。參 考 文 獻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