《Journal of Marine Science and Engineering》：Oil Spill Trajectories and Beaching Risk in Brazil’s New Offshore Frontier
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本文采用概率性石油泄漏建模框架（STFM），结合HYCOM海洋环流模型、GFS大气强迫和ERA5斯托克斯漂移数据，系统评估了亚马逊河口沉积盆地（Foz do Amazonas）海上钻井活动的溢油风险。研究发现，热带辐合带（ITCZ）季节性迁移显著调控油膜漂移路径与海岸搁浅概率，JFMA期搁浅风险超40-50%，JASO期降至15%以下，为区域环境治理和应急响应提供了关键科学依据。
摘要
本研究应用概率性石油泄漏建模框架，评估了亚马逊河口沉积盆地海上石油泄漏的潜在风险。该区域生态重要性突出，地缘政治和社会环境意义日益显著。通过整合大量模拟与经过验证的水动力、大气和波浪驱动强迫，分析了油膜漂移和海岸搁浅模式的季节性变化。模型在盆地内95个钻井点位进行了47,500次模拟，采用拉格朗日泄漏、传输和归宿模型（STFM），并纳入六年海洋气象变异数据。模拟结果显示，模型在5天和10天的技能评分分别达到0.98和0.95，20天内保持在0.85以上，表明其在中短期预报中具有高可靠性，适用于概率应用。
1. 引言
近年来，石油钻探被提议在亚马逊河口沉积盆地进行，该区域毗邻巴西亚马逊高度保护区。这些新钻探区很可能在未来几年获得批准，使当地生物多样性和社会经济福祉面临潜在风险。巴西赤道边际（BEM）的海洋环流受北巴西洋流（NBC）系统强烈影响，动态海洋条件可能使钻井作业和溢油响应复杂化。亚马逊海岸带生物多样性丰富但研究不足，拥有广阔的红树林、河口和礁石系统，是海牛、海龟和众多鱼类的重要栖息地。因此，石油泄漏建模在环境风险评估和应急计划制定中扮演关键角色。
2. 材料与方法
研究采用STFM模型（版本1.0.3）作为核心建模工具，该模型是开源拉格朗日框架，能够模拟油膜在海洋环境中的传输、转化和风化过程。概率建模通过大量模拟（共47,500次）量化油膜轨迹和搁浅的时空可能性。环境强迫数据来自HYCOM（海洋环流）、GFS（风场）和ERA5（波浪漂移）。模型性能通过卫星追踪表面漂流浮标数据评估，使用归一化累积拉格朗日分离距离和技能评分进行验证。
2.1. 泄漏、传输和归宿模型
STFM模型采用模块化结构，允许用户选择数值设置中的方程。其优势在于灵活性和定制性，适用于确定性和概率性应用。模型读取HYCOM和GFS的原始格式数据，进行空间和时间插值，确保环境强迫的连续性。
2.2. 概率建模
该方法通过随机采样大量初始泄漏时间（2018-2023年共六年），模拟相同假设泄漏情景的不同初始条件。模拟考虑了油膜的主要风化过程，如平流、扩散、蒸发和乳化。每个钻井点进行500次模拟，以确保统计稳定性。
2.3. 海流输入数据：HYCOM
HYCOM采用混合垂直坐标方案，动态切换等等密度面、σ和z级系统，能更真实地再现大尺度海洋过程和中小尺度现象。其数据同化框架整合卫星和原位观测，减少预报误差。但模型在区域或海岸应用中存在局限，如难以再现河流主导环境的盐度快速变化。
2.4. 大气输入数据：GFS
GFS由美国国家环境预报中心（NCEP）开发，生成数十种大气和地表变量预报。风场常用于耦合建模系统，作为水动力和拉格朗日扩散模型的强迫场。但其数据质量随区域和预报时效变化，在复杂海岸区性能下降。
2.5. 斯托克斯漂移速度输入数据：ERA5
ERA5再分析提供全球一致的大气和海洋变量估计，时空分辨率分别为小时和0.25°。斯托克斯漂移由波模型（WAM）计算，广泛用于海洋学研究。但ERA5在热带气旋等极端事件中可能低估风速。
2.6. 潮汐强迫
模拟未纳入潮汐流。在亚马逊河口盆地，钻井位于远海深水区，大尺度次惯性环流（主要由NBC及其回流环控制）主导表面传输，潮汐流速远小于中尺度和风生流，对搁浅统计贡献可忽略。
2.7. 浮标数据
模型使用全球浮标计划（GDP）提供的卫星追踪表面漂流浮标数据进行评估。数据经过严格质量控制，并插值到6小时间隔。本研究选取2020-2024年在60°W–33°W和6°S–16°N范围内部署的十个浮标。
2.8. 轨迹模型评估
模型性能通过观测与模拟浮标轨迹比较评估。使用归一化累积拉格朗日分离距离（NCSD）和技能评分（SS）量化性能。SS接近1表示模拟与观测轨迹完美一致。该方法纯拉格朗日，适用于异构动态环境。
3. 结果与讨论
模型评估显示，轨迹模型在模拟早期表现一致高技能。5天和10天整合的平均技能评分分别为0.984和0.953，标准偏差低。20天时平均技能评分0.856，30天时降至0.687，反映拉格朗日不确定性累积影响。概率模拟揭示油膜漂移和搁浅概率存在明显季节性模式，受ITCZ年度迁移控制。JFMA期（1-4月）搁浅概率高，油膜通常在10-20天内抵达海岸；JASO期（7-10月）搁浅概率降至15%以下，抵达时间变异性增加。对比显示，JFMA期搁浅时间短且分布均匀，JASO期搁浅时间更长、变异性大。油膜漂移长度在JFMA期相对较短，JASO期增加约七倍，因风场和海流有利于离岸传输，使油膜滞留于NBC环流。油膜面积在JFMA期相对紧凑，JASO期因滞留时间延长而扩大约六倍。空间概率分布显示，JFMA期油膜沿大陆坡和圭亚那-巴西边缘形成高概率窄带，JASO期概率分布更广且扩散，反映离岸扩张。整体上，泄漏油膜通常漂移超过七天，主要向西北方向移至圭亚那-苏里南盆地管辖水域。但 dispersion场未显示主导路径（概率超80%），反映该区域海洋环流复杂性。搁浅概率分布对比显示，JFMA期海岸暴露空间范围和强度大，法属圭亚那和亚马帕州海岸概率超40-50%；JASO期海岸影响范围和概率水平显著降低，但亚马逊河口仍有约2%的油膜侵入概率。
4. 结论
巴西当前面临沿海和远海石油和塑料废物积累的压力，以及船只在其管辖水域 recurrent 石油倾倒的挑战，凸显建立 robust 科学机制防止和响应石油污染的紧迫性。轨迹模型评估表明，建模系统在中短时间尺度表现高技能，适合概率应用。概率模拟揭示油膜漂移和搁浅概率存在明显季节性影响，主要受ITCZ年度迁移控制。JFMA期风强迫具有更强向岸分量，导致圭亚那-巴西北部海岸线高搁浅概率；JASO期ITCZ北移支持离岸扩散，增加油膜轨迹变异性，显著降低海岸暴露。结合漂移概率图、搁浅概率分布和搁浅时间统计的综合分析，突出亚马逊河口盆地传输过程的复杂性，其中大尺度大气强迫、NBC系统、中尺度涡旋和河口动力学相互作用产生高度可变结果。研究确定的跨境风险具有严重地缘政治影响，泄漏源自巴西管辖水域但快速移向圭亚那-苏里南盆地将导致国际紧急事件，因此需在区域大规模勘探前建立正式环境合作协定。
