海洋环境预报挑战 “世纪工程”——国家海洋环境预报中心实现海洋环境精细化预报保障的日日夜夜
2016年1月12日,港珠澳大桥岛隧工程2015年度海洋环境预报服务保障工作会在珠海召开,集中总结以往经验,研究布置新一年的工作任务。从2013年5月首节(E1)沉管开始,到2015年12月E24沉管完成,承担沉管施工作业保障的国家海洋环境预报中心为港珠澳大桥岛隧工程作业提供了准确化、精细化的海洋环境保障服务产品。同时,针对施工中的突发情况相继研发了基槽泥沙精细化数值预报系统、大径流模拟误差订正技术,以及异常长周期波预警系统。这些新技术和新方法的及时应用,为港珠澳大桥沉管隧道安装任务的完成提供了有力保障。
预报中心主任王辉表示,通过港珠澳项目的顺利实施,预报中心海洋环境预报实现了产品定制化开发与精细化预报的能力,表明了预报中心已具备为重大涉海工程提供海洋环境预报保障的综合能力。
■本报记者 汪涛 通讯员 贺靓
容不得半点失误
正在建设中的港珠澳跨海大桥是连接内地和香港、澳门之间的第一座跨海大桥。大桥开通后,机动车将从香港西南部的香港口岸人工岛开始,通过12公里的连接线,穿越粤港分界线,途经东人工岛,进入一段目前世界上最长、双向6车道的海底沉管隧道,水下穿行近6.7公里,随后经西人工岛进入23公里长的大桥,到达珠澳口岸人工岛,然后分流到澳门或珠海。
工程总投资约1100亿元,被认为是中国最重要的基础设施工程项目,一旦建成就有“破纪录”“建造世纪工程”“解决世界级难题”等诸多光环加身,无论是技术还是政治意义都很重大。
港珠澳大桥岛隧工程项目部总经理林鸣说:“施工海域航道繁忙,每天有4000多艘通航船舶。姑且不论项目建设过程中给珠江三角洲区域经济发展带来的影响,单从项目本身而言,一个小小的失误都有可能阻碍施工进行,给国家带来重大经济损失。因此,容不得半点失误。”
林鸣负责的沉管隧道工程是整个港珠澳大桥工程中最具挑战的部分,国外专家评价港珠澳隧道工程为“破世界纪录的工程,工程难度直逼技术极限”。
据介绍,港珠澳海底隧道需要把33根长180米、宽38米的巨型沉管一节节准确沉入海底近50米深已经挖好的基槽中。每一节沉管有8万吨,中国“辽宁”号航母满载重量是6.75万吨,港珠澳大桥的海底隧道相当于放入33根航母重量的沉管。
“造价昂贵的8万吨沉管一旦出坞意味着没有退路。错过窗口期,遇到大风浪产生的扭力转向,会使混凝土沉管构件受到破坏,导致整根沉管报废。要完成这一‘技术极限’,确保工程的顺利进行,就必须要有精准的海洋环境预报做保障。”林鸣说。
但项目施工海域伶仃洋是珠江进入南海的一段喇叭状海口,海域海况复杂,再加上容易受到台风影响,复杂的海洋环境给海洋预报保障工作提出了更高的要求。
谁能完成这一挑战?
国家队的自信与合作
“经过多方调研与了解,最终我们选择了国家海洋环境预报中心。这也是‘国家队’之间的信任。”林鸣在2016年1月12日召开的港珠澳大桥岛隧工程2015年度海洋环境预报保障系统总结会上如是说。
林鸣所在的中国交通建设股份有限公司是中国第一家成功实现境外整体上市的特大型国有基建企业。组建于1965年的国家海洋环境预报中心隶属于国家海洋局,主要职能是负责我国海洋环境预报、海洋灾害预报和警报的发布及业务管理。通过50年的发展,预报中心已经成为我国从事海洋环境和海洋灾害预报警报、科学研究和咨询服务的国家级权威机构。强强联手,双方都坚信,必将产生“1+1>2”的效果。
国家海洋环境预报中心经过严格的招投标程序,接受了中交港珠澳大桥岛隧项目部的请求,承担对接窗口保障系统的研制任务,他们要研发的这套系统发挥的作用与丹麦水利研究院的系统毫无二致。
在国家海洋环境预报中心总工程师王彰贵看来,技术不是关键问题。“我们有自己的优势,有把握做好港珠澳沉管施工窗口的保障工作。”王彰贵说,数值预报包括海流、天气和海浪3个系统,即便做了数值预报,实际上距离工程需要的精度还有一段距离。因为做工程保障一定要熟悉施工海域的气象、水文条件,而丹麦水利研究院并不具备这样的条件。另外,国家海洋环境预报中心还承担过海洋石油平台和蛟龙号下潜等的保障工作。
“承担这么大工程的对接窗口保障我们也是第一次。但是我们有信心也有能力完成港珠澳大桥的海洋环境预报保障工作。”预报中心主任王辉表示,从“七五”到“十二五”时期,国家对海洋预报事业支持力度持续加大,目前气象与海洋预报使用的计算机是百万亿次级的,中国近海近岸精细化气象与海洋环境预报已经达到世界领先水平。同时,国家海洋局党组也高度重视此项预报保障工作,并作出具体工作部署,给予全力支持。
决战“世纪工程”之巅
长距离海底隧道位于大桥建设难度谱系的最上端,沉管浮运、沉放和对接则是岛隧工程的核心环节。决战在此打响。
港珠澳大桥岛隧工程沉管精确安装共分为3个步骤:沉管出坞、浮运和沉放对接。其中,沉管的浮运和沉放对接都需要在气象、海浪、海流满足特定条件下进行施工。
创造零误差预报的奇迹
“对一般预报而言,准确率达到80%属于正常。但对港珠澳大桥岛隧工程来说,误差将导致沉管作业的失败,后果不堪设想。因此我们的预报保障必须要做到百分之百的成功。”王彰贵说。
对施工来说,浪高增加0.1米或者水流流速每秒增加0.1厘米~0.3厘米都是关乎成败的临界点。安装每一节沉管都不能出错。
2013年5月6日,港珠澳大桥岛隧工程计划沉放海底隧道第一个沉管。林鸣拿到海浪预报数据:浪高0.9米,超过施工限值。他们在沉管出坞浮运安装的决策上有些迟疑,随后找来国外海底隧道沉管沉放水流及浪高的指标为参考值,又考虑到海浪预报有0.2米误差的允许值,林鸣最终下决心,按照原计划沉放。第一节沉管的沉放最终顺利完成。
之后,国家海洋环境预报中心为超越0.2米的预报误差值进行了技术攻关,专门成立了保障团队,邀请权威专家,制订了新保障流程。每次预报前进行会商,校验测量值与真实值之间的差异,最终解决了0.2米临界值误差的问题,创造了零误差预报的奇迹。
“海中眼睛”化解危机
E10管沉放后,工程师们发现:海底沟槽内海流的变异带来巨大的冲力,这意味着沉管的安装操控更难掌控。林鸣和他的团队必须要找到巨大冲力来自哪里。
林鸣说:“E10管之前没有遇到过这种现象,我们一直在寻找原因。后来经过对水流数据的分析和进一步的观测,我们发现了在某段时间槽底存在大流速的现象。”
7月2日,林鸣来到北京。在国家海洋环境预报中心,他得到了想要的答案。预报中心主任王辉在和对方的工作交流过程中也及时指出基槽对海底地形改变、对小尺度局部海流的影响显著,需加强监测预报。
王彰贵说:“我们把这种现象叫‘齿轮现象’,是洋水基槽中因上下水密度不一致引起的流速局部增大,最大流速可达1.5米/秒。”
国家海洋环境预报中心保障项目组迅速调整人力物力,在沉管施工区域做深槽观测研究,放置了多种海洋调查仪器,监测海流、波浪及盐度变化的规律,目的是收集施工区的水文信息,提高沉管施工临近期预报的准确率。同时提高了精细化预报水平,海面到施工海底每一米的海水流速,从原来每两个小时的预报和实时监测,提升为一分钟监测和5分钟的预报。这个被称之为“小窗口”的预报系统犹如一双“海中的眼睛”,成功地避开了大流速发生时段作业。
“在安装E11管时我们第一次尝试这个系统,到了安装E12管的时候,系统逐步在完善。可以说,这个系统目前已经成熟。”王彰贵说,国家海洋环境预报中心研制的“大窗口”与“小窗口”保障系统的软件,在总指挥林鸣眼中市场价值巨大。
日夜坚守智斗台风
“事实证明,当初的这个选择没有错。到目前为止,预报中心为项目方研制的各个海洋预报保障系统运行正常,精准度高,经受住了项目施工的考验,部分预报保障技术达到国际领先水平。”在港珠澳大桥岛隧工程2015年度海洋环境预报保障服务工作总结会上,林鸣这样评价,“尤其是预报中心项目保障团队的奉献精神,更为所有参建单位树立了榜样。”
截至2016年1月12日,预报中心已为港珠澳大桥岛隧工程24根沉管的安装任务提供了精细化海洋环境预报保障,确保了港珠澳大桥岛隧工程按时顺利推进。然而,并非所有的沉管安装任务都是一帆风顺的。
由于台风形成时间很短,无法精准预报生成时间。2014年7月,E11沉管安装的窗口期就恰好遇上了超强台风“威玛逊”和“麦德姆”前后夹击。为了尽快确定台风的影响范围和力度,准确判断项目施工能否如期进行,从7月20日到21日,进行临近预报的预报员们实时观测气象变化,不断修正预报数据,最终确保了E11沉管的成功施工。
台风只是海洋环境预报保障工作中众多不确定因素之一,E15沉管就由于之前未预料的泥沙问题,经历了3次浮运、2次返航。
由于E15沉管遭遇的特殊情况,尹朝晖和潘丰这两位“80后”技术骨干不得不在船上进行实时观测预报,紧绷的
弦持续了四天三夜。“当时一直处在紧张的状态中,感觉
还能撑得住。当施工结束后,整个人便像霜打的茄子,蔫了!怎么睡都睡不够,很长时间才缓过劲儿来。”
窗口期的现场预报保障工作强度和压力是难
以想象的,非窗口期的预报保障工作的单调也是
常人难以忍受的。
“为了保证项目的顺利推进。预报中心对项目保障团队实施动态人员管理,根据项目的不同需要调整团队成员。”王辉说:“即使这样,项目预报保障团队成员仍作出很大牺牲。”
人们常用“两点一线”来形容生活简单化,这对于海浪预报员李洁、气象预报员向勇却不算什么,因为他们的生活就只有一点——港珠澳大桥岛隧工程指挥部。为了满足项目建设的实时海洋环境保障需求,预报中心需要派驻人员24小时值守在工程项目部。李洁这位“70后”的老预报员,自项目建设以来,已创下了一年当中9个月的值守记录。向勇,连续两个月坚守在项目保障一线。当记者问”想不想家人“的时候,他们的回答如出一辙:“想,但这是我们预报员的责任。”“及时、准确、开拓、奉献”,这是海洋预报人的精神。如今,这种精神在港珠澳大桥的建设过程中不断发扬光大,为这座世纪工程最终落成写下了浓重的一页!
▲2015年5月,时任国家海洋局副局长王飞(左图左二)和国家海洋环境预报中心主任王辉(右图中)到港珠澳大桥岛隧工程现场调研,检查指导预报保障工作
发布工程区72小时+定点预报 365份完成工程区预报保障周报 52份完成工程区预报保障月报 12份
2015年,国家海洋环境预报中心向港珠澳大桥岛隧工程项目部共发送1949份预报产品,平均每天发送5份。发布工程区(72小时+4天)定点水文气象预报 365份发布台风警报 742份发布旬预报 36份发布月预报 12份发布工程区风、浪、流数值预报产品 365份。

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