溢油事故会对海洋环境造成严重破坏,为了全面了解评估溢油过程,人们对模拟溢油轨迹和归宿的溢油模型开发已经做了大量工作。本文简要介绍了海上石油污染的现状及其危害,并对近海水动力学和海上石油的行为与归宿数值模型的基本理论与发展现状做了详细的综述。在此理论基础上,建立了三维海面溢油迁移转化预报模型。近海溢油行为受风、波浪和潮流等环境动力因素影响,因此首先要精确模拟出这些动力因素。为了精确描述近岸复杂流场,本文使用三维水动力模型POM和第三代近海波浪模式SWAN模拟了近海波流耦合作用下的三维水流。首先引入Mellor以线性波理论推导的垂向三维辐射应力公式,讨论了辐射应力在不同水深情况下的垂向变化规律,结果表明辐射应力主要集中在自由面附近。将三维辐射应力加入到三维水动力模型中去,研究了近岸波浪破碎引起的增水和底层离岸流现象。计算结果和实验资料相吻合的结果表明,考虑三维垂向三维辐射应力的水流模型能够对近海水动力现象进行准确的模拟。溢油在海上经历着漂移、扩散、扩展、垂向离散、蒸发、乳化、溶解等及其相互作用的复杂过程,这些过程可以简略地概括为输运和风化过程。最近的海洋观测显示海上物体漂移轨迹具有用普通布朗运动无法描述的分形结构,油膜在海水表层运动也有加速扩散的趋势。因此,在模拟扩散过程时,利用分数布朗运动模型来描述油膜的超扩散现象。数值实验表明,当Hurst指数取0.75时,可以取得较好模拟结果。在证实了粒子跟踪模型和浓度模型的等价性后,本文提出了粒子跟踪-浓度混合模型来模拟溢油过程。油以油粒子的形式从源强处排放,当油膜厚度或者油滴浓度低于临界值时,油粒子转为所处网格上的浓度。油粒子消失后,以欧拉-拉格朗日模型来计算浓度。为了获得三维溢油模式,利用Langeven方程描述油粒子在垂向的运动。结果表明,浮力和垂向湍流强度是油滴垂向运动的重要因素。将输运模型和风化模型相结合来预测溢油表层运动,油滴的垂向分布,水体中油浓度以及油组分之间的平衡。用此模型模拟大连附近海域“阿提哥”号油轮溢油事故,数值模拟结果和卫星观测数据吻合良好。