國外業(yè)務(wù)化海洋觀測與預(yù)報進展及對我國的啟示

李慧青，葉穎，李燕，王強

（國家海洋技術(shù)中心 天津 300112）

業(yè)務(wù)化海洋觀測與預(yù)報技術(shù)，是包含了長期觀測海洋，傳遞觀測數(shù)據(jù)，建立海洋模型，用海洋模型處理觀測數(shù)據(jù)，最后得到業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報的全套海洋數(shù)據(jù)觀測、采集與處理技術(shù)。這套技術(shù)為相關(guān)用戶提供持續(xù)、及時和有效的信息支持，在海上作業(yè)的高效與避險中發(fā)揮重要作用。

隨著人類對海洋資源開發(fā)活動的不斷深入，多種獲取海洋數(shù)據(jù)的技術(shù)不斷得到發(fā)展，尤其是衛(wèi)星的多波段、多角度掃描，開辟了業(yè)務(wù)化海洋學(xué)的新天地。觀測技術(shù)的進步和數(shù)據(jù)處理能力的提升推動著海洋觀測業(yè)務(wù)化體系的不斷升級。21世紀后，眾所周知的業(yè)務(wù)化系統(tǒng)有美國海岸帶和海洋觀測整合系統(tǒng)（IOOS）［1］、歐洲的波羅的海業(yè)務(wù)化海洋系統(tǒng)（BOOS）［2］、全球海洋觀測系統(tǒng)中的地中海海洋網(wǎng)（MONGOOS）［3］、英國國家海洋預(yù)報中心（NCOF）［4］、日本氣象廳［5］的海洋觀測與預(yù)報系統(tǒng)，許多海洋國家已形成了固定成熟的海洋業(yè)務(wù)化觀測與預(yù)報系統(tǒng)的管理模式。

我國的業(yè)務(wù)化海洋數(shù)值預(yù)報體系已基本成型并快速發(fā)展，但在規(guī)模、服務(wù)項目和分辨率等方面與國外還有一定差距［6］。因此對近年來國外業(yè)務(wù)化運行的海洋觀測與預(yù)報體系的升級服務(wù)、保障機制以及預(yù)業(yè)務(wù)化觀測系統(tǒng)（pre－operational coastal prediction system）進行對比研究，對完善我國海洋預(yù)報的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、提高業(yè)務(wù)化服務(wù)水平、加快業(yè)務(wù)化進程都有一定益處。

1 歐洲的一體化業(yè)務(wù)化觀測網(wǎng)系統(tǒng)

MONGOOS作為地中海海洋業(yè)務(wù)化的協(xié)調(diào)組織，整合了歐盟第五、六、七框架計劃下支持的業(yè)務(wù)化系統(tǒng)：地中海志愿船觀測系統(tǒng)，地中海Argo浮標，科里奧利觀測系統(tǒng)，地中海Gloss系統(tǒng)，希臘Poseidon觀測系統(tǒng)，海表面溫度、水色以及海面高度衛(wèi)星遙感系統(tǒng)，克里特海、亞德里亞海以及利古里亞海的海上浮標系統(tǒng)，Puertos del Estado實時觀測系統(tǒng)，地中海表面漂流浮標觀測系統(tǒng)，有13個國家的36個單位參與其中。其目標為：①鞏固與擴展地中海監(jiān)測與預(yù)報系統(tǒng)，充分整合以提高歐洲的全球海洋業(yè)務(wù)化能力；②協(xié)調(diào)、改善以及統(tǒng)一觀測系統(tǒng)和信息系統(tǒng)；③高質(zhì)量完成通用化業(yè)務(wù)化產(chǎn)品、發(fā)展新客戶、拓展業(yè)務(wù)化海洋信息產(chǎn)品、發(fā)展與聯(lián)合國環(huán)境署組織的保護地中海行動項目以及其他相關(guān)項目的區(qū)域性合作等任務(wù)；④提高和豐富海事使用者和環(huán)保人士需要的服務(wù)；⑤鼓勵地中海監(jiān)測／預(yù)報方面的科學(xué)活動，鼓勵科研與業(yè)務(wù)化海洋服務(wù)的關(guān)聯(lián)。

只有保證了觀察網(wǎng)中數(shù)據(jù)安全順暢，才能發(fā)布有規(guī)律的、系統(tǒng)的地中海區(qū)域產(chǎn)品。因此，所有參加方均簽署了數(shù)據(jù)交換協(xié)約（data exchange agreement），成立了數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)。該系統(tǒng)的決策機構(gòu)為理事會，執(zhí)行機構(gòu)包括主席、管理小組、科學(xué)指導(dǎo)委員會和業(yè)務(wù)優(yōu)化咨詢小組。理事會由所有會員國選出的代表組成，職能之一就是評估各項決定以及過去一年中業(yè)務(wù)優(yōu)化咨詢小組、管理小組和主席所做的工作。

MONGOOS下的重要機構(gòu)——污染應(yīng)急響應(yīng)中心幫助地中海沿岸會員國審查簽署的國際海事協(xié)約，以預(yù)防船只海洋污染造成的損失。污染應(yīng)急響應(yīng)中心與會員國達成了合作協(xié)議：①在一些活動中（如培訓(xùn)應(yīng)急反應(yīng)、制定應(yīng)急規(guī)劃），可使用會員國的知識、經(jīng)驗；②會員國遇到應(yīng)急事件時，一旦提出要求，中心立即提供幫助；③在防止地中海船只經(jīng)常性污染所涉及的項目上進行合作；④為升級系統(tǒng)，在需要高分辨率預(yù)報數(shù)據(jù)的海域開展合作；⑤在繪制地中海石油風(fēng)險圖（oil risk maps）上進行合作。

事實證明，數(shù)據(jù)交換協(xié)約下的共享系統(tǒng)和會員國組成的專業(yè)服務(wù)隊伍顯著提高了觀測與預(yù)報系統(tǒng)的效率。

2 全美業(yè)務(wù)化體系及其專業(yè)服務(wù)

IOOS是在美國各地已建立的上百個近海觀測系統(tǒng)基礎(chǔ)上建成的全國主干系統(tǒng)和地區(qū)子系統(tǒng)，其目標是進行海洋現(xiàn)場觀測、數(shù)據(jù)管理和信息服務(wù)。其協(xié)調(diào)管理的重任歷經(jīng)3次機構(gòu)變遷，2011年起，落在美國海洋與大氣管理局（NOAA）肩上。與海洋觀測有關(guān)的部委組成“跨部門海洋觀測委員會”［7］，目前參加者是：NOAA、國家基金委、國家航空航天局、環(huán)保部、海洋能源管理局、哺乳動物委員會、國防部參謀長聯(lián)席會、海軍研究所、陸軍工程兵團、海岸警衛(wèi)隊、地質(zhì)調(diào)查局和國務(wù)院。

IOOS有效地與地區(qū)、全國和國際觀測網(wǎng)及數(shù)據(jù)管理和分析網(wǎng)相連接，為更好地認識和預(yù)報全球變化以及全球變化對美國海域、海岸、河口和五大湖的影響提供信息，為生活、工作、休閑在海岸帶的人們提供涉海信息。

NOAA 下屬單位——業(yè)務(wù)化海洋產(chǎn)品與服務(wù)司負責(zé)提供海洋公益性信息產(chǎn)品［8］。這一司的下屬部門分為：①工程部。負責(zé)規(guī)范和升級觀測系統(tǒng)與技術(shù)。②觀測系統(tǒng)運行部。負責(zé)觀測系統(tǒng)的選址、運行維護、上崗培訓(xùn)等。③信息系統(tǒng)部。負責(zé)數(shù)據(jù)存儲和處理用計算機軟、硬件系統(tǒng)的建立與升級，軟件開發(fā)，制定實時數(shù)據(jù)發(fā)布模式等。④海洋部。下分兩支，一支為計劃部，負責(zé)設(shè)計觀測與分析系統(tǒng)模式，保障系統(tǒng)具備環(huán)境評價意義，確定預(yù)測模型，開發(fā)各種系統(tǒng)應(yīng)用價值，包括訴訟法律依據(jù)；另一支為數(shù)據(jù)監(jiān)控與服務(wù)部，負責(zé)觀測系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)的質(zhì)量，報告偏差狀況，建立數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，提供數(shù)據(jù)用戶界面，發(fā)布實時數(shù)據(jù)等。

以得克薩斯州為例［9］，在網(wǎng)上除可看到35個海岸觀測站實測的海洋信息，還可以看到7個點的海平面變化趨勢，36個點的水平面報告，35個點的潮汐調(diào)和系數(shù)，24個點的洪澇分析，以及春夏季每周兩次、秋冬季每周1次的赤潮報告。

美國海洋信息產(chǎn)品中享有盛譽的是物理海洋環(huán)境要素實時監(jiān)測與預(yù)報系統(tǒng)（PORTS）［10］。由港口處的多普勒流量儀（ADCP）、氣象、水位等數(shù)據(jù)開發(fā)的PORTS信息產(chǎn)品不僅可有效減少船舶擱淺的風(fēng)險，提高港口的吞吐量，還可以高效控制大型船舶抵離港口的時間；PORTS 還能幫助碼頭工人和船只在對接和轉(zhuǎn)移貨物時提供決策，確保操作安全，減少不必要的航道疏浚。船長在船舶進入港口之前，就可以得到PORTS所提供的信息，對未來的航程做出計劃和安排。一旦發(fā)生石油泄漏，PORTS 系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)可以預(yù)測石油在海水上的浮動情況，提高處理這類突發(fā)事件的效率。這套系統(tǒng)還可以為區(qū)域航運提供公共服務(wù)，例如為小型娛樂或商用船只提供環(huán)境數(shù)據(jù)、協(xié)助海岸警衛(wèi)隊管理海上交通安全事務(wù)等。PORTS每年僅在海事保險上就節(jié)省上千萬美元的航運事故賠償。

美國浮標信息還可以通過自動電話獲得［11］。1997年建立了語音播報浮標信息系統(tǒng)（Dial－ABuoy），并在2007 年對其進行了改進，使系統(tǒng)操作性更好。Dial－A－Buoy 面向全民。在沿海地區(qū)，根據(jù)Dial－A－Buoy的觀測報告，漁民或沖浪者對是否可以安全出航進行判斷。有報道稱，這些浮標數(shù)據(jù)報告挽救了無數(shù)生命。

另外，美國墨西哥灣信息庫中有大量ADCP數(shù)據(jù)［12］，一旦出現(xiàn)溢油，可在短時間內(nèi)，對溢油流向做出預(yù)測，以便及時采用減災(zāi)措施。

3 主要國家的海洋生態(tài)業(yè)務(wù)化

歐洲在海洋生態(tài)的監(jiān)測與預(yù)報方面做了大量工作，水平達到區(qū)域性，個別生態(tài)參數(shù)有預(yù)報產(chǎn)品。但和美國、日本等國家一樣，歐洲的大部分海洋生態(tài)信息是以定期報告的形式發(fā)放。

生態(tài)信息的業(yè)務(wù)化主要歸功于衛(wèi)星遙感，即通過衛(wèi)星資料反演葉綠素濃度、水色、水溫等參數(shù)。其次是近岸的生態(tài)監(jiān)測，大部分是取樣測量，只有溶解氧、葉綠素等少數(shù)參數(shù)是自動觀測。自動觀測平臺為岸基臺站和海上浮標。半自動觀測平臺是移動的觀測船或志愿船。

3．1 赤潮監(jiān)測與預(yù)報

相對其他生態(tài)狀況預(yù)報，赤潮預(yù)報優(yōu)先得到發(fā)展。一些國家已實現(xiàn)赤潮業(yè)務(wù)化預(yù)報，以定期報告的形式發(fā)放赤潮信息。

美國的墨西哥灣預(yù)報產(chǎn)品網(wǎng)頁上有利用衛(wèi)星MODIS、Aqua和SeaWiFS探測的遙感水色／葉綠素數(shù)據(jù)，還有原位細胞計數(shù)和定期健康報告［13］。生態(tài)健康數(shù)據(jù)提供者是佛羅里達州漁業(yè)與野生動物研究所、Mote海洋研究所、Sarasota縣健康部門、Collier縣環(huán)保部門等多家衛(wèi)生與健康機構(gòu)，Texas A＆M 大學(xué)也提供生態(tài)健康報告。

NOAA 以咨詢通報的形式提供赤潮信息以及評價當前赤潮的規(guī)模是否有必要進一步取樣、監(jiān)測。經(jīng)過收集在各觀測站的數(shù)據(jù)、衛(wèi)星觀測的葉綠素濃度影像信息以及現(xiàn)場浮標數(shù)據(jù)后，經(jīng)專家分析、整合以確定赤潮藻在現(xiàn)今和未來的位置和密度，然后以赤潮通報的形式由國家和地方的管理部門發(fā)布赤潮預(yù)報。系統(tǒng)每天收集一次信息，每周在互聯(lián)網(wǎng)上發(fā)布兩次預(yù)報。

NOAA 預(yù)報系統(tǒng)已成功預(yù)測了墨西哥灣的米氏凱倫藻赤潮、北美五大湖區(qū)的藍藻水華、緬因灣和新英格蘭海岸的亞歷山大藻赤潮、切薩皮克灣的劇毒卡爾藻赤潮以及華盛頓沿岸的擬菱形藻赤潮。

歐盟在第五框架計劃里資助了地中海赤潮觀測與預(yù)報系統(tǒng)，第七框架計劃里資助了歐洲北海和波羅的海的赤潮監(jiān)測與預(yù)報，讓整個歐洲國家沿海的赤潮都處在觀察中。

地中海赤潮信息重點在地中海北部幾個旅游區(qū)海岸［14］。信息獲取需要會員密碼。會員進入信息系統(tǒng)后，獲得來自79個站點的數(shù)據(jù)，包括衛(wèi)星的以及預(yù)報模型的葉綠素數(shù)據(jù)，水文氣象、營養(yǎng)鹽、溶解氧等監(jiān)測數(shù)據(jù)，赤潮藻PCR 分析的發(fā)展階段與豐度信息。波羅的海［15］和北海［16］的網(wǎng)頁可以免費獲得葉綠素和漫射衰竭的衛(wèi)星實測值和模型推算值，還有每周1次的赤潮報告。

3．2 生態(tài)參數(shù)監(jiān)測與預(yù)報

除衛(wèi)星遙感監(jiān)測外，英國的自動生態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)主要是溶解氧、濁度、熒光（葉綠素）、有色溶解有機物、硝酸鹽?，F(xiàn)產(chǎn)生的生態(tài)預(yù)報參數(shù)有葉綠素、硝酸鹽、水體透光度、鞭毛蟲豐度等［17］。

日本氣象廳調(diào)查船定期進行生態(tài)方面的監(jiān)測，監(jiān)測參數(shù)有營養(yǎng)物質(zhì)、葉綠素、汞等重金屬以及海水與海－氣中二氧化碳和其他溫室氣體的濃度，并以定期報告的形式發(fā)放信息［18］。

美國并沒有在所有海濱開展常用生態(tài)參數(shù)監(jiān)測，而在曾經(jīng)發(fā)生過海洋生態(tài)健康爭議的河口處常年進行總磷、總氮等參數(shù)的定期取樣監(jiān)測，如哥倫比亞河口［19］、紐斯河口［20］。哥倫比亞河口已經(jīng)有鹽度預(yù)報產(chǎn)品，為保護當?shù)仵q魚等生物發(fā)揮了重要作用。

4 對我國海洋業(yè)務(wù)化的啟示

4．1 業(yè)務(wù)化的高效運行取決于相近區(qū)域一體化

從歐洲國家在海洋信息上的合作可以看出，實現(xiàn)區(qū)域數(shù)據(jù)的一體化，從而獲得大面積信息，可提高預(yù)報產(chǎn)品的性價比。從海洋強國布放Argo浮標的數(shù)量也可看到其區(qū)域數(shù)據(jù)一體化整合的努力?？紤]到東南亞海域還有大量觀察站空白，因此在整合我國區(qū)域海洋信息的同時，如何擴大我國的海洋業(yè)務(wù)化范圍，為東南亞國家提供海洋信息服務(wù)，也是我國對外政策應(yīng)考慮的問題。

4．2 經(jīng)濟社會的發(fā)展亟須提供新型的業(yè)務(wù)化服務(wù)

隨著海洋經(jīng)濟的發(fā)展和海洋強國的建設(shè)，海上作業(yè)、海上娛樂活動頻繁，迫切需要社會化的海上服務(wù)新產(chǎn)業(yè)。目前我國的業(yè)務(wù)化產(chǎn)品還只是最基礎(chǔ)的，專業(yè)服務(wù)的水平和能力還不能滿足發(fā)展需求。因此，有必要在現(xiàn)有的基礎(chǔ)上開發(fā)更專業(yè)化的航海、海上環(huán)保和海上搜救等產(chǎn)品。

4．3 生態(tài)監(jiān)測與預(yù)報的業(yè)務(wù)化還任重道遠

生態(tài)監(jiān)測與水文氣象監(jiān)測不同，水文氣象觀測不足會導(dǎo)致海事決策失誤，但水質(zhì)監(jiān)測能力不足并不會導(dǎo)致水源污染，因為水質(zhì)污染的根源是污染源管理不善。有了詳細的水文氣象數(shù)據(jù)，海上作業(yè)決策人可以確定正確的措施；而即使有了實時生態(tài)數(shù)據(jù)，環(huán)境保護者也不能高枕無憂，因為只有自然災(zāi)害是有可能預(yù)測的，而人為災(zāi)害是無法通過實時數(shù)據(jù)預(yù)測的。

國際上海洋生態(tài)保護較好的國家，都是建立在嚴格的環(huán)保法律之上的。我國2014年4月24日宣布經(jīng)過4年爭議的《中華人民共和國環(huán)境保護法》（修訂案）將于2015年1月1日起實行，彼時可作為執(zhí)法依據(jù)的生態(tài)參數(shù)的快速監(jiān)測會得到發(fā)展。因此，當務(wù)之急是多發(fā)展生態(tài)污染應(yīng)急監(jiān)測技術(shù)，以保護生命與海上財產(chǎn)、懲罰肇事者。我國應(yīng)該分清輕重緩急，積極研發(fā)赤潮藻發(fā)展階段與豐度現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)，整合已有的生態(tài)研究成果，提升現(xiàn)有產(chǎn)品的針對性和實用性，穩(wěn)步推進生態(tài)監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)。

［1］National Ocean Service，National Oceanic and Atmospheric Administration，Department of Commerce，et al．U．S．IOOS data［EB／OL］．（2014－02－27）［2014－04－27］．http：／／www．ioos．noaa．gov／data／welcome．html．

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［4］National Centre for Ocean Forecasting．Operational ocean forecasting［EB／OL］．（2011－11－17）［2014－04－27］．http：／／www．ncof．co．uk／Operational－Ocean－Forecasting．html．

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［7］Interagency Ocean Observation Committee．National partners［EB／OL］．［2014－04－27］．http：／／www．iooc．us／about／national－partners／．

［8］Center for Operational Oceanographic Products and Services．CO－OPS organizational Chart［EB／OL］．（2013－10－15）［2014－04－27］．http：／／www．co－ops．nos．noaa．gov／org．html．

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［10］Center for Operational Oceanographic Products and Services．PORTS? （physical oceanographic real－time system）［EB／OL］．（2013－10－15）［2014－04－27］．http：／／www．co－ops．nos．noaa．gov／ports．html．

［11］U．S．Dept．of Commerce，National Oceanic and Atmospheric Administration，National Weather Service．Dial－A－Buoy［EB／OL］．（2012－01－23）［2014－04－27］．http：／／www．ndbc．noaa．gov／dial．shtml．

［12］U．S．Dept．of Commerce，National Oceanic and Atmospheric Administration，National Weather Service．Western gulf of Mexico oil and gas industry ADCP recent marine data［EB／OL］．（2013－06－19）［2014－04－27］．http：／／www．ndbc．noaa．gov／maps／ADCP＿WestGulf．shtml．

［13］Center for Operational Oceanographic Products and Services．NOAA harmful algal bloom operational forecast system （HABOFS）［EB／OL］．（2013－10－15）［2014－04－27］．http：／／www．co－ops．nos．noaa．gov／hab／．

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