山东省海洋灾害观测预警系统

吴玲娟，高 松，刘爱超，钟 山，曹雅静

(1.国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266061；2.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266061)

山东省海洋灾害观测预警系统

吴玲娟1，2，高 松1，2，刘爱超1，2，钟 山1，2，曹雅静1，2

(1.国家海洋局北海预报中心，山东青岛 266061；2.山东省海洋生态环境与防灾减灾重点实验室，山东青岛 266061)

山东省所辖海域海洋灾害种类繁多、发生频率高，给山东省的社会经济发展及人民群众生命财产安全带来巨大压力。介绍了国家海洋局北海预报中心(山东省海洋预报台)基于山东省立体海洋观测网、海洋精细化预报系统和防灾减灾综合信息平台构建的山东省海洋灾害观测预警系统。该系统在海洋防灾减灾工作中得到广泛应用，并取得了明显的社会、经济、生态效益，为山东省港口安全生产、渔船海上作业、石油开发及应急指挥决策、风暴潮灾害辅助决策、沉船及落水人员搜救等提供了有力的支持。

山东省；海洋灾害；观测；预警；系统

0 引言

山东省所辖海域各类海洋灾害频发，每年都有不同程度的海洋灾害发生，给山东省的社会经济发展及人民群众生命财产安全等造成了巨大损失。其中2010年山东省因海洋灾害造成的直接经济损失就达27.31亿元[1]，居全国第四位。统计表明，近年来全省沿海地区的海洋灾害呈现出发生频率越来越高、造成损失越来越大的趋势[2]。

在海洋灾害观测和预警方面，沿海各省都取得一定的成果。例如，福建省在台湾海峡及福建近海构建了业务化运行的海洋环境立体实时观测网，同时研发了海面风场、浪场、温盐流场数值预报系统，以及风暴潮漫堤预警辅助决策等海洋防灾减灾应用系统；并形成区域性海洋环境实时观测、数据接收与处理、信息服务、防灾减灾决策支持，完整一体化的业务链。针对浙江省灾害频发的台州，国家海洋局东海分局研发了台州海洋预报系统，并从2014年8月开始进行潮汐、浪高常规预报和渔业保障、滨海旅游等专项预报。上海市除了常规预报外还开展海水浴场滨海旅游区、赤潮发生条件预测、航线预报、长江口咸潮入侵速报、海流海浪数值预报等。山东省根据所辖海域海洋环境和灾害的特点，通过与国家海洋局北海分局的紧密结合，经过多年的努力，已基本建立了由山东省立体海洋观测网、海洋精细化预报系统和防灾减灾综合信息平台构成的较为完善的山东省海洋灾害观测预警系统。该系统在海洋防灾减灾工作中得到广泛应用，为山东省港口安全生产、渔船海上作业、石油开发及应急指挥决策、风暴潮灾害辅助决策、沉船及落水人员搜救等提供了有力的支持，有效促进了山东省海洋经济的发展。

1 山东省海洋灾害观测预警系统

海洋防灾减灾工作正向综合性、多元化、高时效性等方向发展，对山东省海洋灾害监测预警系统提出了更高的要求，因此，针对山东省海洋灾害特点，国家海洋局北海预报中心(山东省海洋预报台)已构建了立体海洋观测网和预报预警系统，并以北海预报中心的综合数据库为数据支撑，采用GIS技术研发了山东省海洋防灾减灾综合信息化平台。

1.1 山东省立体海洋观测网构建

观测资料是有效开展预报预警和防灾减灾工作的基础。过去几十年海洋观测存在海洋观测站点少、分布不够合理、离岸观测能力不足、海洋观测资料信息传输保障能力不足等方面的问题。针对这些问题，北海预报中心在山东省附近海域构建了由海洋站、浮标、海床基、志愿船、地波雷达、卫星遥感、应急监测车及现场观测组成的立体海洋观测网。海洋站在水文(海温、盐度、潮位、海浪等)和气象(风向、风速、气温、湿度、气压等)传统观测要素的基础上增加了CO2观测要素，并实现所有观测数据通过专线进行实时传输。观测浮标是海上外岸观测资料的重要获取手段之一，具备定点连续、实时、全天候、无人值守的海洋环境要素(海流、海浪、水质和气象等)在线观测监测的能力，具有其它观测方式不可比拟的优势。地波雷达可获得全场数据，已在青岛沿岸和渤海海峡布设，其主要观测要素为海面流、波浪。可见光和SAR卫星遥感主要用于溢油、海冰、绿潮、赤潮的监测。陆岸调查拥有多支专业的调查队，负责海冰等灾害的实地调查。迄今为止，山东省的立体监测网中包括15个海洋站、近10个浮标、2套地波雷达，形成覆盖近岸到远海不同层面的海洋立体观测网，为业务化海洋观测预报、防灾减灾等提供实时的综合海洋环境观测资料。通过上述多种观测方式的有机结合和多源数据融合，实现了对山东省海洋灾害的立体、实时、全天候观测，并通过实时数据传输系统实现观测资料的实时传输，通过北海区海洋观测系统动态监控平台对监测网的运行状况进行实时监控和数据管理[3]。

1.2 山东省海洋精细化预报系统建设

山东省海洋精细化预报系统在一系列重大课题的支持下，突破制约海洋灾害预警系统建设的一系列技术瓶颈，研制了一批自主创新海洋预警报子系统，主要包括海洋常规预警报子系统、海洋动力环境数值预报子系统、海洋灾害数值预测子系统和海洋突发事件应急数值预测子系统。

1.2.1 海洋常规预警报子系统

基于海洋环境实况、数值预报和经验预报等方法，通过人机交互平台制作和发布预警报产品。预警报产品主要包括山东省海浪、潮汐、海温、海冰的短期、中长期预报以及海洋灾害的年度趋势预测。对于海浪预报要素包括波高和波向，预报时效为24小时、48小时和72小时；潮汐预报要素包括潮位和高低潮时，预报时效为24小时和72小时；海冰预报要素包括最大外缘线离岸距离、一般冰厚和最大冰厚，预报时效为1周、1旬和1个月；风暴潮、海浪、海冰灾害根据发生发展情况和相应的灾害应急预案发布不同级别的警报。同时增加专项服务内容，如重点保障目标，渔船保障系统，浴场预报、主要城市预报等。海洋灾害年度趋势预测内容包括风暴潮、海浪、海冰、赤潮、绿潮以及热带气旋等海洋灾害的出现几率，预报时效为1年。

1.2.2 海洋动力环境数值预报子系统

(1)海面气象业务化数值预报

采用美国大气研究中心开发的 Weather Research and Forecasting Model(WRF)大气模式研发山东近海高分辨率海面气象要素业务化数值预报模型。利用三重网格嵌套技术，大区为东中国海，空间分辨率27km；中区为黄、渤海，空间分辨率9km；小区为山东近海，模式水平分辨率为3km。大区模式所采用的初始场和边界条件为美国国家环境预报中心(NCEP)提供的全球预报资料(GFS)；此外研发了WRF－3DVAR业务化同化模块，实现高空站、地面站、船舶、海洋站、浮标、ASCAT风场等资料24小时同化时间窗的实时数据同化。该模型在北海预报中心的高性能集群上并行运算，为海浪、温盐流、风暴潮等海域模型提供风、热通量、降水、长短波辐射等大气强迫资料，每日2次运行，实时发布未来72h预测预报结果。

(2)海浪业务化数值预报

基于第三代海浪数值模式WAVEWATCHⅢ(WWⅢ)研发全球和中国近海浪模型；基于多重嵌套技术和近岸海浪模式SWAN研发山东省海浪业务化数值预报子系统。模式中的多重嵌套技术既能充分考虑大区波浪对小区的影响，对重点关注海域进行精细刻画，又节省计算量。该子系统在山东省重点关注海域分辨率为0.5′×0.5′，并在北海预报中心的高性能集群上并行运算，每日1次运行，实时发布未来72h预测预报结果(图1a)。

(3)三维水动力业务化数值预报模型

采用国际先进的三维全动力海洋ROMS模式模拟大区域西北太平洋、东中国海和北海区等海区的海流、海温等水动力环境要素。对于山东省重点关注海域，采用无结构化的三角形网格的FVCOM模式，局部加密，最小分辨率可达10m，并在边界上采用M2，S2，N2，K2，K1，O1，P1，Q1等8个分潮和大区域的数值模拟结果驱动，并利用海洋动力环境实时同化预报技术同化流场和温度场，如利用集合Kalman滤波同化方法同化地波雷达海流数据[4]，最终得到重点关注海域的流场(包括风海流、温盐流和潮流，图1b、c)。

图1 山东省附近海域有效波高(a)和表层环流(b)以及山东石岛附近海域精细化表层潮流(c)和海温(d)数值预报结果Fig.1 Numericalforecastresultsofsignificantwaveheight(a)andsurfacecirculation(b)near thecoastwatersofShandongProvince，forecastofsurfacetidalcurrent(c)andtemperature(d)withhighresolutionnearthecoastwatersofShidao

1.2.3 海洋灾害数值预测子系统

(1)风暴潮业务化数值预报

风暴潮是一种全海域的强迫响应，所以山东省风暴潮预报模型需要包括整个渤、黄、东海。基于FVCOM模式，在山东省关注海域局部加密，最小分辨率可达10m(图2a)，建立山东省风暴潮预报模型。利用实际调查资料、卫星遥感资料和DEM高程数据，基于地理信息系统技术，建立风暴潮漫滩模型[5]，进行漫滩试验(图2c)，为风暴潮灾害风险评估提供依据。

图2 山东省附近海域网格设置(a)青岛近海8509台风过程最大增水分布(b)风暴潮漫滩试验(c)Fig.2 GridstructureofmodeldomainforcoastalwatersofShandong(a)，maximumelevationinQingdaocoastal watersinducedbyTyphoon8509(b)，floodingsimulationofstormsurge(c).

(2)海冰业务化数值预报

基于冰－海洋耦合模式CIOM(Coupled Ice-Ocean Model)建立黄渤海海冰模型，其水平分辨率为2′×2′。该模式是以动力－热力海冰模式为基础，应用多类冰厚分布函数和“粘－塑”性本构关系来描述海冰特性。模式中采用了10类冰厚度分布函数，对于每一个种类的冰都由冰厚方程进行计算。该预报系统已业务化运行，其结果应用于海冰预报中。图3为2012年2月17日实测冰速和范围与卫星反演结果的对比。

图3 2012年2月17日11时～12时模拟与卫星反演实测冰速对比(a)11时模拟与卫星反演实测海冰范围对比(b，灰白为GOCI影像冰范围、蓝色线为模拟冰范围)Fig.3 Comparisonofseaicevelocitybetweenobservationbysatelliteandsimulation(a)andthesame ircumstanceforseaiceextent(b)withthegrayrepresentingimagefromGOCIandthebluelineforsimulation

(3)绿潮、水母漂移预测和溯源数值模拟

基于黄海海洋和大气环境动力数值模拟结果，利用绿潮斑块海上漂移实验，分析漂移轨迹与影响因素的相关关系，修正了海流和风力系数的比值，并考虑风拖曳角度变化因素，实现了对黄海绿潮斑块精细化漂移路径快速的模拟预测和溯源[6，11]。该模型同时在绿潮漂移预测模式中设置不同的标志使绿潮大部分被阻挡在围油栏和流网外，而海水可以通过围油栏和流网，有效模拟了障碍物对绿潮粒子阻拦作用[7]。根据多年绿潮首次监测位置，对绿潮进行溯源数值模拟，结果显示虽然每年绿潮早期分布的时间、位置和形状以及漂移路径都有所不同，但总体都是由南向北漂移[8]。利用多年基于集合预报思想，考虑水母垂直运动等自主运动，基于ROMS三维全动力海洋模式，建立青岛近海、北戴河和厦门近海等三大典型海域大型水母的生态—动力学模型，集合预测和追溯水母漂移轨迹，并在2012—2013年水母灾害中示范应用[9]。

1.2.4 海洋突发事件应急数值预测子系统

海洋突发事件应急预测子系统主要包括溢油应急漂移预测和溯源数值模拟、海上搜救漂移预测、台风预警和路径分析、污染物(危险品和核辐射)扩散预测等。以下主要介绍溢油和搜救方面。

(1)溢油应急漂移预测和溯源数值模拟

在海洋环境数值预报模式的基础上，参考国内外文献和海上示踪物立体跟踪监测实验来确定动力和蒸发、乳化等非动力参数，自主研发了溢油模型[10]，主要包括溢油快速应急漂移模型、二维溢油模型、三维溢油模型、集合溯源、溯源模型。可以在模型中输入溢油源的位置、溢油源所处深度、溢油量大小、溢油持续时间(可判断是否为持续性溢油)、油品密度及粘性、油粒子直径等信息，模拟油膜在水体中的输运和在水体表面的溢油漂移路径、浓度分布、扩展面积、扫海区域和残存油量等相关信息；也可以根据发现溢油位置，进行单一或集合溯源，追溯溢油的源头[11]。

(2)海上搜救漂移预测模式

研究遇险人员、船舶海上漂浮特征，并通过海上试验和落水人员、船舶的漂浮状态确定海流和风的相对作用比例[12]。基于拉格朗日质子追踪方法，建立落水人员、船舶的搜救模式。以遇险人员、船舶位置和时间作为模型粒子的初始位置和初始时间，预测漂移轨迹和方向。

1.3 山东省防灾减灾综合信息化平台

北海预报中心研发了PC版、网页版和手机版山东省防灾减灾综合信息平台，采用同一套数据库体系和模块架构，提高了信息化手段的多样性，能够在办公环境、公众互联网环境、便携式环境下全方位地服务于海洋预报减灾(图4a)。该平台采用智能客户端框架和最新的网络通讯技术，以北海预报中心的综合数据库、FTP数据服务器、GIS数据库以及地图服务为数据支撑，采用GIS平台研发集实时观测信息、遥感影像灾害监测信息(溢油、浒苔、海冰)、常规预报信息、预警报信息、数值预报信息、台风路径信息以及预报网站、溢油决策系统、搜救系统、海冰风险区划系统等的综合信息平台，实现了山东省海洋观测预报核心业务的信息化大汇集(图4b)。以下针对山东省致灾比较严重的风暴潮、绿潮和突发性海洋灾害进行展示。

图4 山东省防灾减灾综合信息平台演示界面(a)和框架图(b)Fig.4 Interface(a)andflowchart(b)forintegratedinformationplatformofdisaster preventionandmitigationinShandongProvince.

1.3.1 风暴潮灾害应急辅助决策子系统

该系统主要包括基础信息数据库、风暴潮数值预报模块、地理信息系统模块、应急信息管理模块和灾害损失评价模块等基本内容。基础信息数据库包括风暴潮调查内容和风险区划内容和防护区精确的空间地理数据信息等；风暴潮数值预报模块实现了风暴潮淹没范围和淹没过程的海洋动力模式的计算；地理信息系统模块主要基于GIS实现基础信息、实时数据和决策结果的2D/3D实时动态展示；应急信息管理模块主要实现实时现场数据传输、通讯指挥网络分配、应急救援物资动态管理、应急预案查阅、应急救援方案制订和基础信息数据库搜索等功能。风暴潮灾害损失评估模块建立灾害损失评价模型，实现对灾害损失的动态评估。

图5 绿潮监测数据的准自动化提取(a)未来三天绿潮外围线漂移预测图(b)和预警产品输出(c)Fig.5 Automaticextractionofmonitoringdata(a)driftforecastingofGreenTidefor nextthreedays(b)andoutputofforecastingproduct(c).

1.3.2 绿潮灾害应急遥感监测和预测子系统

该子系统是在绿潮应急遥感监测和快速漂移预测技术研究基础上，基于GIS技术实现了黄海绿潮应急遥感信息解译、多源数据融合、应急漂移预测和预警产品制作和发布[13](图5)。本子系统服务于国家海洋局和政府防灾减灾应急部门，为海上运动、滨海旅游、交通运输、渔业生产等涉海活动和海洋管理提供科学可靠的技术保障。

1.3.3 海上溢油远程应急指挥决策子系统

该子系统以地理信息系统为开发平台，采用SQL Server2005关系型数据库建立溢油应急基础数据库，根据溢油业务化监视监测情况，通过网络远程调用业务化运行的海洋环境要素数值预报产品和溢油漂移数值模式，实现溢油模拟的动态和可视化预测预警(图6a)，并综合应用网络资源、应急资源、环境敏感资源、现场石油设施，事故现场自然环境，以及业务管理信息系统等相关资源，辅助指挥人员合理调配应急资源(内部及外部设备和人员)，最终制定溢油应急辅助决策方案。

图6 海上溢油远程应急指挥决策子系统中溢油漂移预测(a)海上落水人员及沉船搜救保障子系统中落水人员漂移预测(b)Fig.6 Driftpredictionwithremoteemergencydecisionsupportsystemofoilspillatsea(a)and theonewithremoteGISsystemofdriftingpredictionforsearchandrescueemergency(b)

1.3.4 海上搜救应急漂移预测远程GIS子系统

该系统针对目前搜救应急漂移预测工作中，工作程序繁琐、响应时间较长和计算范围不能覆盖全海区等不足之处，基于北海预报中心业务化运行的海洋动力环境预报结果和搜救漂移预测模型，采用GIS、ArcEngine、Web Services等技术，进行“搜救系统”的研发，在保障系统的安全性、稳定性和界面友好性的前提下，实现搜救应急漂移预测任务的远程、交互式、自动化的高效工作流程(图6b)。

2 山东省海洋防灾减灾服务典型案例

2.1 绿潮灾害预警保障工作

黄海绿潮从2008年开始连年大规模暴发，各级政府和国家海洋局每年动用大量的人力和物力进行绿潮灾害应急处置，造成了数十亿元的经济损失，破坏了我国近海海洋生态环境。本系统为政府、社会和相关行业提供具有针对性、高精确度的绿潮灾害预警报产品，为各级政府和企事业部门制定防灾减灾规划和灾害防御决策提供科学依据，极大的预防和减轻绿潮灾害损失。

2.1.1 2008年北京奥帆船赛绿潮预警保障工作

2008年5月底黄海暴发国内罕见的绿潮灾害。北海预报中心开展了绿潮(浒苔)专项监视和预报预警工作。从6月23日开始开展“卫星数据浒苔信息解译技术”应用研究，实现解译技术从无到有，从有到优；基于监测数据和“拉格朗日粒子追踪”方法，第一时间自主研发了考虑流网和围栏的绿潮应急快速漂移预测模型，进行未来三天漂移趋势预测，并向相关单位及时发布预测预警简报，为绿潮的打捞工作提供了精细化的指导产品(图7a)。另外，2008年共发布绿潮(浒苔)应急预测和专项预测简报90余期。

2.1.2 2012年第三届亚洲沙滩运动会绿潮预警保障工作

(1)绿潮卫星加密监测工作。北海预报中心在原有的每天利用光学卫星进行绿潮监测的基础上，定制COSMO-SAR和RADAR-SAR等微波卫星遥感数据在青岛和海阳附近海域加密监测。保证在多云和阴雨天气情况下对绿潮有效监测。同时采用数据融合技术、数值模拟技术和疑似区侦判技术等方法，进行多源数据融合，为绿潮应急提供必要的数据支持[13]。(2)精细化绿潮漂移预测工作。针对应急指挥组打捞和围网需求，研发海阳海域精细化海流预报模型和漂移预测模型，开展海阳和青岛附近海域24小时的精细化绿潮漂移预测工作。(3)设计打捞方案。为了有效实施打捞，分析海阳海域的海洋环境和绿潮漂移特征，为指挥部设计了“亚沙会建议打捞区域设计方案”，将打捞区分为4个级别(图7b)，为绿潮及时打捞提供可靠的技术支撑。

图7 2008年绿潮漂移预测(a)和2012年亚沙会绿潮打捞区域设计方案(b)Fig.7 TrajectoryforecastingofGreenTidein2008(a)andthedesignschemeof refloatationforAsianBeachGamein2012(b).

2.2 海冰灾害预测预警工作

2009年年末，冷空气活动频繁，渤海海上出现重于前几年的冰情。北海预报中心立即召开了专题会议，对海冰监测预报以及应急预警报发布工作及时进行了部署，利用卫星遥感、航空遥感、应急监测车、陆岸监测、海洋站监测以及船舶监测等手段，全面获取海冰监测信息(图8a)。先后派出11支队伍30余人进行海冰应急监测，行程18000余公里，获取了大量的照片、录像、雷达观测数据、卫星遥感解译图、航空遥感解译图、气象水文以及灾情等监测资料。结合经验预报和数值模式结果，于2009年12月27日和2010年1月1日分别发布海冰消息，提醒相关涉海部门密切关注冰情发展，提前采取预防措施，有效减轻了海冰造成的影响和危害。2010年1月12日通过传真、短信、网站、电话等多种形式对外发布了第1期海冰警报。2009年至2010年发布海冰警报11期，海冰速报11期，共1760余份，共组织和参加了18次海冰视频会商，会商讨论海冰的冰情变化及预报。

图8 2010年1月23日莱州湾海冰分布(a)和2013年11月24日利用COSMO卫星遥感解译结果模拟的溢油最大扫海面积图(b)Fig.8 SeaiceinLaizhouBayonJanuary23rd，2010(a)andthesimulatedmaximumsweptareaofoilspillbased onCOSMOobservationaldataonNovember24th，2013(b)

2.3 海上突发溢油事件预测工作

2013年11月22日青岛黄岛发生输油管道爆燃溢油事故，北海预报中心第一时间组织海洋卫星遥感监测和数值预测工作。利用COSMO卫星遥感数据解译分析发现在胶州湾中部海域出现了海面油膜，并利用溢油行为与归宿模型进行溢油精细化漂移预测，模拟溢油的漂移路径，最大扫海面积等相关信息，为了解溢油漂移扩散的轨迹和方向，以及溢油应急处置提供了科学的依据(图8b)。

3 结论与展望

山东省海洋灾害观测预警系统在山东省防灾减灾工作中得到广泛应用，并取得了明显的社会、经济、生态效益，为山东省港口安全生产、渔船海上作业、石油开发及应急指挥决策、风暴潮灾害辅助决策、沉船及落水人员搜救等提供了广泛、有力的支持，有效促进了山东省海洋经济的发展。但也存在一些不足，需要在观测方面逐步建成立体综合的海洋观测网络，实现岸基观测网、离岸观测网和综合保障系统的有机结合，实现北海区管辖海域的覆盖观测；建设与发展海洋观测综合保障系统，建立与完善海洋观测数据共享机制，形成海洋观测网持续、高效运行的保障与服务能力。在海洋预报系统方面，进一步发展数据同化技术，实现重点关注海域精细化预报；研究和分析海洋灾害特征，通过海上和数值试验，确定相关参数，提高海洋灾害预报精度；在综合信息化平台方面，需要建设数据采集、集成处理和多维度展示的信息化预警报服务综合平台:完善多种采集功能，开发高效的后台实时数据获取软件，为平台提供稳定丰富的数据源。

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Operational System of M onitoring，Forecasting 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

中科院海洋环流与重点实验室开放基金(KLOCAW1403)；北海分局海洋科技项目(2014B10)

吴玲娟(1979—)，女，博士，高级工程师，主要从事海洋预报研究及防灾减灾工作。