山東省海洋災(zāi)害觀測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

吳玲娟，高 松，劉愛(ài)超，鐘 山，曹雅靜

(1.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東青島 266061；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266061)

山東省海洋災(zāi)害觀測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

吳玲娟1，2，高 松1，2，劉愛(ài)超1，2，鐘 山1，2，曹雅靜1，2

(1.國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心，山東青島 266061；2.山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東青島 266061)

山東省所轄海域海洋災(zāi)害種類(lèi)繁多、發(fā)生頻率高，給山東省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全帶來(lái)巨大壓力。介紹了國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心(山東省海洋預(yù)報(bào)臺(tái))基于山東省立體海洋觀測(cè)網(wǎng)、海洋精細(xì)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)和防災(zāi)減災(zāi)綜合信息平臺(tái)構(gòu)建的山東省海洋災(zāi)害觀測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在海洋防災(zāi)減災(zāi)工作中得到廣泛應(yīng)用，并取得了明顯的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益，為山東省港口安全生產(chǎn)、漁船海上作業(yè)、石油開(kāi)發(fā)及應(yīng)急指揮決策、風(fēng)暴潮災(zāi)害輔助決策、沉船及落水人員搜救等提供了有力的支持。

山東省；海洋災(zāi)害；觀測(cè)；預(yù)警；系統(tǒng)

0 引言

山東省所轄海域各類(lèi)海洋災(zāi)害頻發(fā)，每年都有不同程度的海洋災(zāi)害發(fā)生，給山東省的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人民群眾生命財(cái)產(chǎn)安全等造成了巨大損失。其中2010年山東省因海洋災(zāi)害造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)27.31億元[1]，居全國(guó)第四位。統(tǒng)計(jì)表明，近年來(lái)全省沿海地區(qū)的海洋災(zāi)害呈現(xiàn)出發(fā)生頻率越來(lái)越高、造成損失越來(lái)越大的趨勢(shì)[2]。

在海洋災(zāi)害觀測(cè)和預(yù)警方面，沿海各省都取得一定的成果。例如，福建省在臺(tái)灣海峽及福建近海構(gòu)建了業(yè)務(wù)化運(yùn)行的海洋環(huán)境立體實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)，同時(shí)研發(fā)了海面風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)、溫鹽流場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以及風(fēng)暴潮漫堤預(yù)警輔助決策等海洋防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)用系統(tǒng)；并形成區(qū)域性海洋環(huán)境實(shí)時(shí)觀測(cè)、數(shù)據(jù)接收與處理、信息服務(wù)、防災(zāi)減災(zāi)決策支持，完整一體化的業(yè)務(wù)鏈。針對(duì)浙江省災(zāi)害頻發(fā)的臺(tái)州，國(guó)家海洋局東海分局研發(fā)了臺(tái)州海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)，并從2014年8月開(kāi)始進(jìn)行潮汐、浪高常規(guī)預(yù)報(bào)和漁業(yè)保障、濱海旅游等專項(xiàng)預(yù)報(bào)。上海市除了常規(guī)預(yù)報(bào)外還開(kāi)展海水浴場(chǎng)濱海旅游區(qū)、赤潮發(fā)生條件預(yù)測(cè)、航線預(yù)報(bào)、長(zhǎng)江口咸潮入侵速報(bào)、海流海浪數(shù)值預(yù)報(bào)等。山東省根據(jù)所轄海域海洋環(huán)境和災(zāi)害的特點(diǎn)，通過(guò)與國(guó)家海洋局北海分局的緊密結(jié)合，經(jīng)過(guò)多年的努力，已基本建立了由山東省立體海洋觀測(cè)網(wǎng)、海洋精細(xì)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)和防災(zāi)減災(zāi)綜合信息平臺(tái)構(gòu)成的較為完善的山東省海洋災(zāi)害觀測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)在海洋防災(zāi)減災(zāi)工作中得到廣泛應(yīng)用，為山東省港口安全生產(chǎn)、漁船海上作業(yè)、石油開(kāi)發(fā)及應(yīng)急指揮決策、風(fēng)暴潮災(zāi)害輔助決策、沉船及落水人員搜救等提供了有力的支持，有效促進(jìn)了山東省海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

1 山東省海洋災(zāi)害觀測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

海洋防災(zāi)減災(zāi)工作正向綜合性、多元化、高時(shí)效性等方向發(fā)展，對(duì)山東省海洋災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)提出了更高的要求，因此，針對(duì)山東省海洋災(zāi)害特點(diǎn)，國(guó)家海洋局北海預(yù)報(bào)中心(山東省海洋預(yù)報(bào)臺(tái))已構(gòu)建了立體海洋觀測(cè)網(wǎng)和預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)，并以北海預(yù)報(bào)中心的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)為數(shù)據(jù)支撐，采用GIS技術(shù)研發(fā)了山東省海洋防災(zāi)減災(zāi)綜合信息化平臺(tái)。

1.1 山東省立體海洋觀測(cè)網(wǎng)構(gòu)建

觀測(cè)資料是有效開(kāi)展預(yù)報(bào)預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)工作的基礎(chǔ)。過(guò)去幾十年海洋觀測(cè)存在海洋觀測(cè)站點(diǎn)少、分布不夠合理、離岸觀測(cè)能力不足、海洋觀測(cè)資料信息傳輸保障能力不足等方面的問(wèn)題。針對(duì)這些問(wèn)題，北海預(yù)報(bào)中心在山東省附近海域構(gòu)建了由海洋站、浮標(biāo)、海床基、志愿船、地波雷達(dá)、衛(wèi)星遙感、應(yīng)急監(jiān)測(cè)車(chē)及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)組成的立體海洋觀測(cè)網(wǎng)。海洋站在水文(海溫、鹽度、潮位、海浪等)和氣象(風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫、濕度、氣壓等)傳統(tǒng)觀測(cè)要素的基礎(chǔ)上增加了CO2觀測(cè)要素，并實(shí)現(xiàn)所有觀測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)專線進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。觀測(cè)浮標(biāo)是海上外岸觀測(cè)資料的重要獲取手段之一，具備定點(diǎn)連續(xù)、實(shí)時(shí)、全天候、無(wú)人值守的海洋環(huán)境要素(海流、海浪、水質(zhì)和氣象等)在線觀測(cè)監(jiān)測(cè)的能力，具有其它觀測(cè)方式不可比擬的優(yōu)勢(shì)。地波雷達(dá)可獲得全場(chǎng)數(shù)據(jù)，已在青島沿岸和渤海海峽布設(shè)，其主要觀測(cè)要素為海面流、波浪?？梢?jiàn)光和SAR衛(wèi)星遙感主要用于溢油、海冰、綠潮、赤潮的監(jiān)測(cè)。陸岸調(diào)查擁有多支專業(yè)的調(diào)查隊(duì)，負(fù)責(zé)海冰等災(zāi)害的實(shí)地調(diào)查。迄今為止，山東省的立體監(jiān)測(cè)網(wǎng)中包括15個(gè)海洋站、近10個(gè)浮標(biāo)、2套地波雷達(dá)，形成覆蓋近岸到遠(yuǎn)海不同層面的海洋立體觀測(cè)網(wǎng)，為業(yè)務(wù)化海洋觀測(cè)預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)等提供實(shí)時(shí)的綜合海洋環(huán)境觀測(cè)資料。通過(guò)上述多種觀測(cè)方式的有機(jī)結(jié)合和多源數(shù)據(jù)融合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)山東省海洋災(zāi)害的立體、實(shí)時(shí)、全天候觀測(cè)，并通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)觀測(cè)資料的實(shí)時(shí)傳輸，通過(guò)北海區(qū)海洋觀測(cè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)監(jiān)控平臺(tái)對(duì)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理[3]。

1.2 山東省海洋精細(xì)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)建設(shè)

山東省海洋精細(xì)化預(yù)報(bào)系統(tǒng)在一系列重大課題的支持下，突破制約海洋災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)建設(shè)的一系列技術(shù)瓶頸，研制了一批自主創(chuàng)新海洋預(yù)警報(bào)子系統(tǒng)，主要包括海洋常規(guī)預(yù)警報(bào)子系統(tǒng)、海洋動(dòng)力環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)子系統(tǒng)、海洋災(zāi)害數(shù)值預(yù)測(cè)子系統(tǒng)和海洋突發(fā)事件應(yīng)急數(shù)值預(yù)測(cè)子系統(tǒng)。

1.2.1 海洋常規(guī)預(yù)警報(bào)子系統(tǒng)

基于海洋環(huán)境實(shí)況、數(shù)值預(yù)報(bào)和經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)等方法，通過(guò)人機(jī)交互平臺(tái)制作和發(fā)布預(yù)警報(bào)產(chǎn)品。預(yù)警報(bào)產(chǎn)品主要包括山東省海浪、潮汐、海溫、海冰的短期、中長(zhǎng)期預(yù)報(bào)以及海洋災(zāi)害的年度趨勢(shì)預(yù)測(cè)。對(duì)于海浪預(yù)報(bào)要素包括波高和波向，預(yù)報(bào)時(shí)效為24小時(shí)、48小時(shí)和72小時(shí)；潮汐預(yù)報(bào)要素包括潮位和高低潮時(shí)，預(yù)報(bào)時(shí)效為24小時(shí)和72小時(shí)；海冰預(yù)報(bào)要素包括最大外緣線離岸距離、一般冰厚和最大冰厚，預(yù)報(bào)時(shí)效為1周、1旬和1個(gè)月；風(fēng)暴潮、海浪、海冰災(zāi)害根據(jù)發(fā)生發(fā)展情況和相應(yīng)的災(zāi)害應(yīng)急預(yù)案發(fā)布不同級(jí)別的警報(bào)。同時(shí)增加專項(xiàng)服務(wù)內(nèi)容，如重點(diǎn)保障目標(biāo)，漁船保障系統(tǒng)，浴場(chǎng)預(yù)報(bào)、主要城市預(yù)報(bào)等。海洋災(zāi)害年度趨勢(shì)預(yù)測(cè)內(nèi)容包括風(fēng)暴潮、海浪、海冰、赤潮、綠潮以及熱帶氣旋等海洋災(zāi)害的出現(xiàn)幾率，預(yù)報(bào)時(shí)效為1年。

1.2.2 海洋動(dòng)力環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)子系統(tǒng)

(1)海面氣象業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)

采用美國(guó)大氣研究中心開(kāi)發(fā)的 Weather Research and Forecasting Model(WRF)大氣模式研發(fā)山東近海高分辨率海面氣象要素業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)模型。利用三重網(wǎng)格嵌套技術(shù)，大區(qū)為東中國(guó)海，空間分辨率27km；中區(qū)為黃、渤海，空間分辨率9km；小區(qū)為山東近海，模式水平分辨率為3km。大區(qū)模式所采用的初始場(chǎng)和邊界條件為美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)提供的全球預(yù)報(bào)資料(GFS)；此外研發(fā)了WRF－3DVAR業(yè)務(wù)化同化模塊，實(shí)現(xiàn)高空站、地面站、船舶、海洋站、浮標(biāo)、ASCAT風(fēng)場(chǎng)等資料24小時(shí)同化時(shí)間窗的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)同化。該模型在北海預(yù)報(bào)中心的高性能集群上并行運(yùn)算，為海浪、溫鹽流、風(fēng)暴潮等海域模型提供風(fēng)、熱通量、降水、長(zhǎng)短波輻射等大氣強(qiáng)迫資料，每日2次運(yùn)行，實(shí)時(shí)發(fā)布未來(lái)72h預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果。

(2)海浪業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)

基于第三代海浪數(shù)值模式WAVEWATCHⅢ(WWⅢ)研發(fā)全球和中國(guó)近海浪模型；基于多重嵌套技術(shù)和近岸海浪模式SWAN研發(fā)山東省海浪業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)子系統(tǒng)。模式中的多重嵌套技術(shù)既能充分考慮大區(qū)波浪對(duì)小區(qū)的影響，對(duì)重點(diǎn)關(guān)注海域進(jìn)行精細(xì)刻畫(huà)，又節(jié)省計(jì)算量。該子系統(tǒng)在山東省重點(diǎn)關(guān)注海域分辨率為0.5′×0.5′，并在北海預(yù)報(bào)中心的高性能集群上并行運(yùn)算，每日1次運(yùn)行，實(shí)時(shí)發(fā)布未來(lái)72h預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)結(jié)果(圖1a)。

(3)三維水動(dòng)力業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)模型

采用國(guó)際先進(jìn)的三維全動(dòng)力海洋ROMS模式模擬大區(qū)域西北太平洋、東中國(guó)海和北海區(qū)等海區(qū)的海流、海溫等水動(dòng)力環(huán)境要素。對(duì)于山東省重點(diǎn)關(guān)注海域，采用無(wú)結(jié)構(gòu)化的三角形網(wǎng)格的FVCOM模式，局部加密，最小分辨率可達(dá)10m，并在邊界上采用M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1等8個(gè)分潮和大區(qū)域的數(shù)值模擬結(jié)果驅(qū)動(dòng)，并利用海洋動(dòng)力環(huán)境實(shí)時(shí)同化預(yù)報(bào)技術(shù)同化流場(chǎng)和溫度場(chǎng)，如利用集合Kalman濾波同化方法同化地波雷達(dá)海流數(shù)據(jù)[4]，最終得到重點(diǎn)關(guān)注海域的流場(chǎng)(包括風(fēng)海流、溫鹽流和潮流，圖1b、c)。

圖1 山東省附近海域有效波高(a)和表層環(huán)流(b)以及山東石島附近海域精細(xì)化表層潮流(c)和海溫(d)數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果Fig.1 Numericalforecastresultsofsignificantwaveheight(a)andsurfacecirculation(b)near thecoastwatersofShandongProvince，forecastofsurfacetidalcurrent(c)andtemperature(d)withhighresolutionnearthecoastwatersofShidao

1.2.3 海洋災(zāi)害數(shù)值預(yù)測(cè)子系統(tǒng)

(1)風(fēng)暴潮業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)

風(fēng)暴潮是一種全海域的強(qiáng)迫響應(yīng)，所以山東省風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)模型需要包括整個(gè)渤、黃、東海。基于FVCOM模式，在山東省關(guān)注海域局部加密，最小分辨率可達(dá)10m(圖2a)，建立山東省風(fēng)暴潮預(yù)報(bào)模型。利用實(shí)際調(diào)查資料、衛(wèi)星遙感資料和DEM高程數(shù)據(jù)，基于地理信息系統(tǒng)技術(shù)，建立風(fēng)暴潮漫灘模型[5]，進(jìn)行漫灘試驗(yàn)(圖2c)，為風(fēng)暴潮災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供依據(jù)。

圖2 山東省附近海域網(wǎng)格設(shè)置(a)青島近海8509臺(tái)風(fēng)過(guò)程最大增水分布(b)風(fēng)暴潮漫灘試驗(yàn)(c)Fig.2 GridstructureofmodeldomainforcoastalwatersofShandong(a)，maximumelevationinQingdaocoastal watersinducedbyTyphoon8509(b)，floodingsimulationofstormsurge(c).

(2)海冰業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)

基于冰－海洋耦合模式CIOM(Coupled Ice-Ocean Model)建立黃渤海海冰模型，其水平分辨率為2′×2′。該模式是以動(dòng)力－熱力海冰模式為基礎(chǔ)，應(yīng)用多類(lèi)冰厚分布函數(shù)和“粘－塑”性本構(gòu)關(guān)系來(lái)描述海冰特性。模式中采用了10類(lèi)冰厚度分布函數(shù)，對(duì)于每一個(gè)種類(lèi)的冰都由冰厚方程進(jìn)行計(jì)算。該預(yù)報(bào)系統(tǒng)已業(yè)務(wù)化運(yùn)行，其結(jié)果應(yīng)用于海冰預(yù)報(bào)中。圖3為2012年2月17日實(shí)測(cè)冰速和范圍與衛(wèi)星反演結(jié)果的對(duì)比。

圖3 2012年2月17日11時(shí)～12時(shí)模擬與衛(wèi)星反演實(shí)測(cè)冰速對(duì)比(a)11時(shí)模擬與衛(wèi)星反演實(shí)測(cè)海冰范圍對(duì)比(b，灰白為GOCI影像冰范圍、藍(lán)色線為模擬冰范圍)Fig.3 Comparisonofseaicevelocitybetweenobservationbysatelliteandsimulation(a)andthesame ircumstanceforseaiceextent(b)withthegrayrepresentingimagefromGOCIandthebluelineforsimulation

(3)綠潮、水母漂移預(yù)測(cè)和溯源數(shù)值模擬

基于黃海海洋和大氣環(huán)境動(dòng)力數(shù)值模擬結(jié)果，利用綠潮斑塊海上漂移實(shí)驗(yàn)，分析漂移軌跡與影響因素的相關(guān)關(guān)系，修正了海流和風(fēng)力系數(shù)的比值，并考慮風(fēng)拖曳角度變化因素，實(shí)現(xiàn)了對(duì)黃海綠潮斑塊精細(xì)化漂移路徑快速的模擬預(yù)測(cè)和溯源[6，11]。該模型同時(shí)在綠潮漂移預(yù)測(cè)模式中設(shè)置不同的標(biāo)志使綠潮大部分被阻擋在圍油欄和流網(wǎng)外，而海水可以通過(guò)圍油欄和流網(wǎng)，有效模擬了障礙物對(duì)綠潮粒子阻攔作用[7]。根據(jù)多年綠潮首次監(jiān)測(cè)位置，對(duì)綠潮進(jìn)行溯源數(shù)值模擬，結(jié)果顯示雖然每年綠潮早期分布的時(shí)間、位置和形狀以及漂移路徑都有所不同，但總體都是由南向北漂移[8]。利用多年基于集合預(yù)報(bào)思想，考慮水母垂直運(yùn)動(dòng)等自主運(yùn)動(dòng)，基于ROMS三維全動(dòng)力海洋模式，建立青島近海、北戴河和廈門(mén)近海等三大典型海域大型水母的生態(tài)—?jiǎng)恿W(xué)模型，集合預(yù)測(cè)和追溯水母漂移軌跡，并在2012—2013年水母災(zāi)害中示范應(yīng)用[9]。

1.2.4 海洋突發(fā)事件應(yīng)急數(shù)值預(yù)測(cè)子系統(tǒng)

海洋突發(fā)事件應(yīng)急預(yù)測(cè)子系統(tǒng)主要包括溢油應(yīng)急漂移預(yù)測(cè)和溯源數(shù)值模擬、海上搜救漂移預(yù)測(cè)、臺(tái)風(fēng)預(yù)警和路徑分析、污染物(危險(xiǎn)品和核輻射)擴(kuò)散預(yù)測(cè)等。以下主要介紹溢油和搜救方面。

(1)溢油應(yīng)急漂移預(yù)測(cè)和溯源數(shù)值模擬

在海洋環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)模式的基礎(chǔ)上，參考國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)和海上示蹤物立體跟蹤監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定動(dòng)力和蒸發(fā)、乳化等非動(dòng)力參數(shù)，自主研發(fā)了溢油模型[10]，主要包括溢油快速應(yīng)急漂移模型、二維溢油模型、三維溢油模型、集合溯源、溯源模型?？梢栽谀Ｐ椭休斎胍缬驮吹奈恢谩⒁缬驮此幧疃?、溢油量大小、溢油持續(xù)時(shí)間(可判斷是否為持續(xù)性溢油)、油品密度及粘性、油粒子直徑等信息，模擬油膜在水體中的輸運(yùn)和在水體表面的溢油漂移路徑、濃度分布、擴(kuò)展面積、掃海區(qū)域和殘存油量等相關(guān)信息；也可以根據(jù)發(fā)現(xiàn)溢油位置，進(jìn)行單一或集合溯源，追溯溢油的源頭[11]。

(2)海上搜救漂移預(yù)測(cè)模式

研究遇險(xiǎn)人員、船舶海上漂浮特征，并通過(guò)海上試驗(yàn)和落水人員、船舶的漂浮狀態(tài)確定海流和風(fēng)的相對(duì)作用比例[12]。基于拉格朗日質(zhì)子追蹤方法，建立落水人員、船舶的搜救模式。以遇險(xiǎn)人員、船舶位置和時(shí)間作為模型粒子的初始位置和初始時(shí)間，預(yù)測(cè)漂移軌跡和方向。

1.3 山東省防災(zāi)減災(zāi)綜合信息化平臺(tái)

北海預(yù)報(bào)中心研發(fā)了PC版、網(wǎng)頁(yè)版和手機(jī)版山東省防災(zāi)減災(zāi)綜合信息平臺(tái)，采用同一套數(shù)據(jù)庫(kù)體系和模塊架構(gòu)，提高了信息化手段的多樣性，能夠在辦公環(huán)境、公眾互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境、便攜式環(huán)境下全方位地服務(wù)于海洋預(yù)報(bào)減災(zāi)(圖4a)。該平臺(tái)采用智能客戶端框架和最新的網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)，以北海預(yù)報(bào)中心的綜合數(shù)據(jù)庫(kù)、FTP數(shù)據(jù)服務(wù)器、GIS數(shù)據(jù)庫(kù)以及地圖服務(wù)為數(shù)據(jù)支撐，采用GIS平臺(tái)研發(fā)集實(shí)時(shí)觀測(cè)信息、遙感影像災(zāi)害監(jiān)測(cè)信息(溢油、滸苔、海冰)、常規(guī)預(yù)報(bào)信息、預(yù)警報(bào)信息、數(shù)值預(yù)報(bào)信息、臺(tái)風(fēng)路徑信息以及預(yù)報(bào)網(wǎng)站、溢油決策系統(tǒng)、搜救系統(tǒng)、海冰風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃系統(tǒng)等的綜合信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了山東省海洋觀測(cè)預(yù)報(bào)核心業(yè)務(wù)的信息化大匯集(圖4b)。以下針對(duì)山東省致災(zāi)比較嚴(yán)重的風(fēng)暴潮、綠潮和突發(fā)性海洋災(zāi)害進(jìn)行展示。

圖4 山東省防災(zāi)減災(zāi)綜合信息平臺(tái)演示界面(a)和框架圖(b)Fig.4 Interface(a)andflowchart(b)forintegratedinformationplatformofdisaster preventionandmitigationinShandongProvince.

1.3.1 風(fēng)暴潮災(zāi)害應(yīng)急輔助決策子系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)、風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模塊、地理信息系統(tǒng)模塊、應(yīng)急信息管理模塊和災(zāi)害損失評(píng)價(jià)模塊等基本內(nèi)容。基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)包括風(fēng)暴潮調(diào)查內(nèi)容和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃內(nèi)容和防護(hù)區(qū)精確的空間地理數(shù)據(jù)信息等；風(fēng)暴潮數(shù)值預(yù)報(bào)模塊實(shí)現(xiàn)了風(fēng)暴潮淹沒(méi)范圍和淹沒(méi)過(guò)程的海洋動(dòng)力模式的計(jì)算；地理信息系統(tǒng)模塊主要基于GIS實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)信息、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和決策結(jié)果的2D/3D實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)展示；應(yīng)急信息管理模塊主要實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸、通訊指揮網(wǎng)絡(luò)分配、應(yīng)急救援物資動(dòng)態(tài)管理、應(yīng)急預(yù)案查閱、應(yīng)急救援方案制訂和基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫(kù)搜索等功能。風(fēng)暴潮災(zāi)害損失評(píng)估模塊建立災(zāi)害損失評(píng)價(jià)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)災(zāi)害損失的動(dòng)態(tài)評(píng)估。

圖5 綠潮監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)自動(dòng)化提取(a)未來(lái)三天綠潮外圍線漂移預(yù)測(cè)圖(b)和預(yù)警產(chǎn)品輸出(c)Fig.5 Automaticextractionofmonitoringdata(a)driftforecastingofGreenTidefor nextthreedays(b)andoutputofforecastingproduct(c).

1.3.2 綠潮災(zāi)害應(yīng)急遙感監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)是在綠潮應(yīng)急遙感監(jiān)測(cè)和快速漂移預(yù)測(cè)技術(shù)研究基礎(chǔ)上，基于GIS技術(shù)實(shí)現(xiàn)了黃海綠潮應(yīng)急遙感信息解譯、多源數(shù)據(jù)融合、應(yīng)急漂移預(yù)測(cè)和預(yù)警產(chǎn)品制作和發(fā)布[13](圖5)。本子系統(tǒng)服務(wù)于國(guó)家海洋局和政府防災(zāi)減災(zāi)應(yīng)急部門(mén)，為海上運(yùn)動(dòng)、濱海旅游、交通運(yùn)輸、漁業(yè)生產(chǎn)等涉?；顒?dòng)和海洋管理提供科學(xué)可靠的技術(shù)保障。

1.3.3 海上溢油遠(yuǎn)程應(yīng)急指揮決策子系統(tǒng)

該子系統(tǒng)以地理信息系統(tǒng)為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，采用SQL Server2005關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)建立溢油應(yīng)急基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)溢油業(yè)務(wù)化監(jiān)視監(jiān)測(cè)情況，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程調(diào)用業(yè)務(wù)化運(yùn)行的海洋環(huán)境要素?cái)?shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品和溢油漂移數(shù)值模式，實(shí)現(xiàn)溢油模擬的動(dòng)態(tài)和可視化預(yù)測(cè)預(yù)警(圖6a)，并綜合應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)資源、應(yīng)急資源、環(huán)境敏感資源、現(xiàn)場(chǎng)石油設(shè)施，事故現(xiàn)場(chǎng)自然環(huán)境，以及業(yè)務(wù)管理信息系統(tǒng)等相關(guān)資源，輔助指揮人員合理調(diào)配應(yīng)急資源(內(nèi)部及外部設(shè)備和人員)，最終制定溢油應(yīng)急輔助決策方案。

圖6 海上溢油遠(yuǎn)程應(yīng)急指揮決策子系統(tǒng)中溢油漂移預(yù)測(cè)(a)海上落水人員及沉船搜救保障子系統(tǒng)中落水人員漂移預(yù)測(cè)(b)Fig.6 Driftpredictionwithremoteemergencydecisionsupportsystemofoilspillatsea(a)and theonewithremoteGISsystemofdriftingpredictionforsearchandrescueemergency(b)

1.3.4 海上搜救應(yīng)急漂移預(yù)測(cè)遠(yuǎn)程GIS子系統(tǒng)

該系統(tǒng)針對(duì)目前搜救應(yīng)急漂移預(yù)測(cè)工作中，工作程序繁瑣、響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)和計(jì)算范圍不能覆蓋全海區(qū)等不足之處，基于北海預(yù)報(bào)中心業(yè)務(wù)化運(yùn)行的海洋動(dòng)力環(huán)境預(yù)報(bào)結(jié)果和搜救漂移預(yù)測(cè)模型，采用GIS、ArcEngine、Web Services等技術(shù)，進(jìn)行“搜救系統(tǒng)”的研發(fā)，在保障系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性和界面友好性的前提下，實(shí)現(xiàn)搜救應(yīng)急漂移預(yù)測(cè)任務(wù)的遠(yuǎn)程、交互式、自動(dòng)化的高效工作流程(圖6b)。

2 山東省海洋防災(zāi)減災(zāi)服務(wù)典型案例

2.1 綠潮災(zāi)害預(yù)警保障工作

黃海綠潮從2008年開(kāi)始連年大規(guī)模暴發(fā)，各級(jí)政府和國(guó)家海洋局每年動(dòng)用大量的人力和物力進(jìn)行綠潮災(zāi)害應(yīng)急處置，造成了數(shù)十億元的經(jīng)濟(jì)損失，破壞了我國(guó)近海海洋生態(tài)環(huán)境。本系統(tǒng)為政府、社會(huì)和相關(guān)行業(yè)提供具有針對(duì)性、高精確度的綠潮災(zāi)害預(yù)警報(bào)產(chǎn)品，為各級(jí)政府和企事業(yè)部門(mén)制定防災(zāi)減災(zāi)規(guī)劃和災(zāi)害防御決策提供科學(xué)依據(jù)，極大的預(yù)防和減輕綠潮災(zāi)害損失。

2.1.1 2008年北京奧帆船賽綠潮預(yù)警保障工作

2008年5月底黃海暴發(fā)國(guó)內(nèi)罕見(jiàn)的綠潮災(zāi)害。北海預(yù)報(bào)中心開(kāi)展了綠潮(滸苔)專項(xiàng)監(jiān)視和預(yù)報(bào)預(yù)警工作。從6月23日開(kāi)始開(kāi)展“衛(wèi)星數(shù)據(jù)滸苔信息解譯技術(shù)”應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)解譯技術(shù)從無(wú)到有，從有到優(yōu)；基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和“拉格朗日粒子追蹤”方法，第一時(shí)間自主研發(fā)了考慮流網(wǎng)和圍欄的綠潮應(yīng)急快速漂移預(yù)測(cè)模型，進(jìn)行未來(lái)三天漂移趨勢(shì)預(yù)測(cè)，并向相關(guān)單位及時(shí)發(fā)布預(yù)測(cè)預(yù)警簡(jiǎn)報(bào)，為綠潮的打撈工作提供了精細(xì)化的指導(dǎo)產(chǎn)品(圖7a)。另外，2008年共發(fā)布綠潮(滸苔)應(yīng)急預(yù)測(cè)和專項(xiàng)預(yù)測(cè)簡(jiǎn)報(bào)90余期。

2.1.2 2012年第三屆亞洲沙灘運(yùn)動(dòng)會(huì)綠潮預(yù)警保障工作

(1)綠潮衛(wèi)星加密監(jiān)測(cè)工作。北海預(yù)報(bào)中心在原有的每天利用光學(xué)衛(wèi)星進(jìn)行綠潮監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)上，定制COSMO-SAR和RADAR-SAR等微波衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)在青島和海陽(yáng)附近海域加密監(jiān)測(cè)。保證在多云和陰雨天氣情況下對(duì)綠潮有效監(jiān)測(cè)。同時(shí)采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)、數(shù)值模擬技術(shù)和疑似區(qū)偵判技術(shù)等方法，進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合，為綠潮應(yīng)急提供必要的數(shù)據(jù)支持[13]。(2)精細(xì)化綠潮漂移預(yù)測(cè)工作。針對(duì)應(yīng)急指揮組打撈和圍網(wǎng)需求，研發(fā)海陽(yáng)海域精細(xì)化海流預(yù)報(bào)模型和漂移預(yù)測(cè)模型，開(kāi)展海陽(yáng)和青島附近海域24小時(shí)的精細(xì)化綠潮漂移預(yù)測(cè)工作。(3)設(shè)計(jì)打撈方案。為了有效實(shí)施打撈，分析海陽(yáng)海域的海洋環(huán)境和綠潮漂移特征，為指揮部設(shè)計(jì)了“亞沙會(huì)建議打撈區(qū)域設(shè)計(jì)方案”，將打撈區(qū)分為4個(gè)級(jí)別(圖7b)，為綠潮及時(shí)打撈提供可靠的技術(shù)支撐。

圖7 2008年綠潮漂移預(yù)測(cè)(a)和2012年亞沙會(huì)綠潮打撈區(qū)域設(shè)計(jì)方案(b)Fig.7 TrajectoryforecastingofGreenTidein2008(a)andthedesignschemeof refloatationforAsianBeachGamein2012(b).

2.2 海冰災(zāi)害預(yù)測(cè)預(yù)警工作

2009年年末，冷空氣活動(dòng)頻繁，渤海海上出現(xiàn)重于前幾年的冰情。北海預(yù)報(bào)中心立即召開(kāi)了專題會(huì)議，對(duì)海冰監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)以及應(yīng)急預(yù)警報(bào)發(fā)布工作及時(shí)進(jìn)行了部署，利用衛(wèi)星遙感、航空遙感、應(yīng)急監(jiān)測(cè)車(chē)、陸岸監(jiān)測(cè)、海洋站監(jiān)測(cè)以及船舶監(jiān)測(cè)等手段，全面獲取海冰監(jiān)測(cè)信息(圖8a)。先后派出11支隊(duì)伍30余人進(jìn)行海冰應(yīng)急監(jiān)測(cè)，行程18000余公里，獲取了大量的照片、錄像、雷達(dá)觀測(cè)數(shù)據(jù)、衛(wèi)星遙感解譯圖、航空遙感解譯圖、氣象水文以及災(zāi)情等監(jiān)測(cè)資料。結(jié)合經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)和數(shù)值模式結(jié)果，于2009年12月27日和2010年1月1日分別發(fā)布海冰消息，提醒相關(guān)涉海部門(mén)密切關(guān)注冰情發(fā)展，提前采取預(yù)防措施，有效減輕了海冰造成的影響和危害。2010年1月12日通過(guò)傳真、短信、網(wǎng)站、電話等多種形式對(duì)外發(fā)布了第1期海冰警報(bào)。2009年至2010年發(fā)布海冰警報(bào)11期，海冰速報(bào)11期，共1760余份，共組織和參加了18次海冰視頻會(huì)商，會(huì)商討論海冰的冰情變化及預(yù)報(bào)。

圖8 2010年1月23日萊州灣海冰分布(a)和2013年11月24日利用COSMO衛(wèi)星遙感解譯結(jié)果模擬的溢油最大掃海面積圖(b)Fig.8 SeaiceinLaizhouBayonJanuary23rd，2010(a)andthesimulatedmaximumsweptareaofoilspillbased onCOSMOobservationaldataonNovember24th，2013(b)

2.3 海上突發(fā)溢油事件預(yù)測(cè)工作

2013年11月22日青島黃島發(fā)生輸油管道爆燃溢油事故，北海預(yù)報(bào)中心第一時(shí)間組織海洋衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)和數(shù)值預(yù)測(cè)工作。利用COSMO衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)解譯分析發(fā)現(xiàn)在膠州灣中部海域出現(xiàn)了海面油膜，并利用溢油行為與歸宿模型進(jìn)行溢油精細(xì)化漂移預(yù)測(cè)，模擬溢油的漂移路徑，最大掃海面積等相關(guān)信息，為了解溢油漂移擴(kuò)散的軌跡和方向，以及溢油應(yīng)急處置提供了科學(xué)的依據(jù)(圖8b)。

3 結(jié)論與展望

山東省海洋災(zāi)害觀測(cè)預(yù)警系統(tǒng)在山東省防災(zāi)減災(zāi)工作中得到廣泛應(yīng)用，并取得了明顯的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益，為山東省港口安全生產(chǎn)、漁船海上作業(yè)、石油開(kāi)發(fā)及應(yīng)急指揮決策、風(fēng)暴潮災(zāi)害輔助決策、沉船及落水人員搜救等提供了廣泛、有力的支持，有效促進(jìn)了山東省海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。但也存在一些不足，需要在觀測(cè)方面逐步建成立體綜合的海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)岸基觀測(cè)網(wǎng)、離岸觀測(cè)網(wǎng)和綜合保障系統(tǒng)的有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)北海區(qū)管轄海域的覆蓋觀測(cè)；建設(shè)與發(fā)展海洋觀測(cè)綜合保障系統(tǒng)，建立與完善海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)共享機(jī)制，形成海洋觀測(cè)網(wǎng)持續(xù)、高效運(yùn)行的保障與服務(wù)能力。在海洋預(yù)報(bào)系統(tǒng)方面，進(jìn)一步發(fā)展數(shù)據(jù)同化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)關(guān)注海域精細(xì)化預(yù)報(bào)；研究和分析海洋災(zāi)害特征，通過(guò)海上和數(shù)值試驗(yàn)，確定相關(guān)參數(shù)，提高海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)精度；在綜合信息化平臺(tái)方面，需要建設(shè)數(shù)據(jù)采集、集成處理和多維度展示的信息化預(yù)警報(bào)服務(wù)綜合平臺(tái):完善多種采集功能，開(kāi)發(fā)高效的后臺(tái)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)獲取軟件，為平臺(tái)提供穩(wěn)定豐富的數(shù)據(jù)源。

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Operational System of M onitoring，F(xiàn)orecasting and W arning on M arine Disaster for Shandong Province

Wu lingjuan1，2，Gao Song1，2，Liu Aichao1，2，Zhong Shan1，2，Cao Yajing1，2
(1.North China Sea Forecasting Center of State Oceanic Administration；2.Shandong Provincial Key Laboratory ofMarine Ecological Environment and Disaster Prevention and Mitigation，Qingdao，266061)

In recent years，Shandong Province has been suffering from various kinds ofmarine disasters，which have caused huge economic losses to its social development and people's life and property safety.This paper introduces the operational system of monitoring，forecasting and warning on marine disasters for Shandong Province，which is developed by North China Sea Marine Forecasting Center of State Oceanic Administration.This system is based on three－dimensionalmarinemonitoring sub－system，high－resolution marine forecasting and warning sub－system and integrated information platform for disaster prevention and mitigation.This system has been widely used and provided scientific support for port safety guarantee，fishery at sea，oil development and emergency decision support，action plan for storm surge disaster，search and rescue for sunken ships and overboardman.Hence，ithas significant social，economic and ecological benefit.

Shandong Province；marine disasters；monitoring；forecasting and warning；system

X

:A

:1673－8047(2015)02－0061－09

2015－01－05

中科院海洋環(huán)流與重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金(KLOCAW1403)；北海分局海洋科技項(xiàng)目(2014B10)

吳玲娟(1979—)，女，博士，高級(jí)工程師，主要從事海洋預(yù)報(bào)研究及防災(zāi)減災(zāi)工作。