沿海风暴潮预警预报与灾情评估系统研究

夏达忠，黄依之，张行南

（河海大学水文水资源学院，江苏 南京 210098）

0 引言

台风是严重的自然灾害之一，登陆沿海城市会造成不同程度的财产损失和人口伤亡[1]。风暴潮是指由于强烈的大气扰动，如强台风和气压骤变所招致的海面异常升高的现象[2]，是世界海洋灾害之首。据《中国海洋灾害公报》统计，2008—2018 年期间，由于风暴潮造成的死亡（含失踪）人口数达 149 人，直接经济损失 1 026.67 亿元[3]。其中广东省所受风暴潮损失在沿海 11 个省和直辖市中最甚，人口和经济损失各占总损失的 67.8% 和 49.1%。因此对广东省沿海风暴潮进行有效准确的预警预报显得尤为重要。

经多年台风期的实况观测，各研究机构虽然积累了大量的、多层次的数据，但由于发布模式单一，这些数据或是效率低下，或是不能及时为台风预警建设服务，不能有效发挥多源数据综合利用的优势。此外，传统的风暴潮预报结果多以大量的数据反映风暴潮变化的规律，虽然数量上满足预报要求，但不够直观，无法满足预报成果的有效分析和快速表达，不能高效率地投入生产实践中。

因此，如何快速准确地预报风暴潮，并进行高效地可视化表达是近年来的研究热点。洪文渊等[4]在 Visual Studio 2010 平台下，采用 C++ 编程语言开发了二维并行数值预报的可视化软件 ；林愿等[5]基于 GIS 空间信息技术，构建了福建省海洋防灾减灾地理信息系统；张建东等[6]基于市、县级海洋防灾减灾工作需求，以 GIS 技术为支撑，开发了海洋防灾减灾综合管理系统；蒋娟等[7]在风暴潮二维数值模型 FBM 的基础上开发了具有可视化界面的数值计算程序，能直观反映风暴潮发展过程；曹莉等[8]基于气象信息综合分析处理系统 MICAPS4 开发了台风及海洋气象一体化平台；楼茂园等[9]基于 Silverlight 和 SQL 数据库技术框架，开发了浙江省新一代海洋气象业务平台。

基于以上研究，本研究以备受风暴潮困扰的广东沿海为研究对象，从业务部门的实际需求出发，提出针对广东省的沿海风暴潮预警预报与灾害评估系统（以下简称为预报与评估系统）的总体架构及主要功能，以满足不同层次的技术和防洪决策等人员计算分析、信息查询的需要。

1 预报与评估系统总体架构

预报与评估系统以网络数据库为各类信息的存储仓库，以地理信息系统为可视化平台，以风暴潮数值预报模型为核心，根据作业预报的业务流程，采用C/S和B/S混合体系搭建应用系统平台。

预报和评估系统按业务组成可分为信息发布平台，天文潮、台风暴潮增水、台风暴潮耦合、河口三碰头潮位等预报子系统，以及灾害评估子系统等部分。按类型可分为基于C/S和B/S2种模式的系统，以及服务器端组件和系统数据库等4个部分，这4个部分是有机的整体，相互间的联系以系统数据库为纽带，主要是数据的相互传输，具体架构如图1所示。

对于实际的预报与评估系统，各部分都具有自身明确的功能，以满足实际作业预报和实时决策支持的需要。在软件系统开发中，相互间应具有相对的独立性。

2 预报与评估系统主要功能

2.1 基于C/S模式的系统功能

基于C/S模式的系统是一专业化平台，采用松散集成的方法，建立在局域网基础之上，部署于服务器，为客户端的浏览提供服务，主要服务对象是技术开发人员。5个子系统具体功能分析如下：

1）天文潮预报子系统。主要完成对沿海各潮位站的天文潮预报，可选择所属片区、站点，显示该站的调和参数，根据预报开始和结束时间进行天文潮预报，预报完成后将通过预报过程线和潮汐表的形式对结果进行查询。

2）台风暴潮增水预报子系统。主要完成对沿海各潮位站的增水预报与后报，与天文潮预报子系统预报得到的天文潮位线性叠加后得到综合潮位。用户选择某一年份，再选择某场台风，可显示实际与预报的路径信息。使用者可人工给定预报路径进行计算，计算完成后，可对各站的预报或后报结果进行查询，并可对结果进行动态演示。

3）台风暴潮耦合预报子系统。主要完成对沿海各潮位站的潮位预报与后报。与台风暴潮增水预报子系统不同之处在于，后台数值计算模型中考虑了天文潮与风暴潮的非线性耦合作用，直接计算得到综合潮位。

4）河口三碰头潮位预报子系统。主要完成河口区潮位站在上游洪水、天文大潮和风暴潮共同组合作用下的潮位预报。

5）灾害评估子系统。主要包括溃堤淹没、淹没图和风险图浏览等功能。通过对溃口形成过程中各参数的设置，实现溃口进水量的计算，通过耦合淹没演进模型获得对应溃口流量下的淹没范围和水深；通过淹没图浏览功能，将仿真获取的各种淹没方案以幻灯片播放的形式展现；在风险图浏览功能中，将洪水风险和损失制作为专题信息图，以图片形式供使用者浏览或打印。

2.2 基于B/S模式的系统功能

预报与评估系统信息发布平台采用B/S模式开发，主要完成台风信息、实测潮位、天文潮位预报、台风暴潮预报的查询，以及潮位预警等功能。在客户端通过浏览器，基于信息发布平台，可进行相关信息的查询，主要服务对象是预报和决策人员。主要功能模块组成如图2所示。

图2 B/S系统功能模块组成

其中最为重要的功能为以下 3 个功能：

1）台风信息查询。主要包括以下 2 种查询：a. 台风路径查询。能显示台风实际路径和信息（包括中心气压、最大风速、风圈范围等），同时基于每个实际路径节点可动态显示各预报部门的预报路径。在实时状态下，预报和评估系统能自动扫描台风数据表和路径信息表，实时显示最新的台风、实际路径及各预报部门的预报路径。离线模式下，背景采用图片方式；在线模式下，背景采用网络地图方式。b. 云图查询。能对各类卫星云图进行查询，云图类型包括水汽、红外线和可见光等。根据不用时间段的查询准则，预报和评估系统将从服务器端获取该时间段中的所有云图数据，设定演示延迟时间后，可动态显示云图的变化过程。

2）台风暴潮预报查询。主要包括以下 3 种查询：a. 增水预报结果查询。能对沿海各潮位站的风暴潮增水预报进行查询，该预报潮位由天文潮预报结果与风暴潮增水模型计算结果经线性叠加而成。b. 耦合预报结果查询。能对沿海各潮位站的耦合预报潮位进行查询，该预报潮位经风暴潮耦合预报模型计算得到。c. 潮位组合图。能对沿海各潮位站的各类潮位进行组合查询，具体包括实测和天文潮位、增水、耦合等预报结果，是一个综合分析的功能。

3）潮位预警。预报和评估系统能对沿海各潮位站进行潮位预警，主要显示当前实时、预报最高、警戒和历史最高的潮位，并对预报最高潮位超过警戒潮位的差值进行分级显示。风暴潮预警启动标准按照国家海洋局发布的《风暴潮、海浪、海啸、海冰灾害应急响应预案》和 GB/T 19721.1—2017《海洋预报和警报发布第 1 部分：风暴潮预报和警报发布》的有关规定确定。进行沿海片区选择后，预报和评估系统将显示选择片区的所有潮位网站信息，并以图表方式显示，这大大节省了预报员人工判断和选择预警区的时间，同时也为决策人员提供高效直观的判断支持，可为抢险救灾争取宝贵时间。

3 预报与评估系统服务器端组件

预报与评估系统服务器端组件由多个功能组件构成，组件清单如表 1 所示。预报与评估系统在线时，能基于网络共享资源实时获取卫星云图，最新的台风及其实际路径，各预报台的预报路径和相关台风信息等，并完成各类数据的入库。当监测到台风中心移动时，将启动风暴潮预报模型进行计算，根据当前台风位置与预报台风路径，计算沿海各潮位站的潮位及区域增减水，并实时动态生成增减水等值线，提供给其它子系统，此为服务器端的核心功能。各组件间协同工作流程如图 3 所示，虚线框中为核心功能。

表 1 功能组件清单

4 结语

本研究从业务部门的实际需求出发，提出了针对沿海风暴潮预警预报与灾害评估系统的总体架构，根据实际业务需求，开发了应用系统平台，具有如下特点：

1）各子系统间以数据库为纽带，充分发挥了多种数据综合利用的优势，提高了数据利用效率，能及时为台风预警服务；

2）预报与评估系统应用界面简洁大方，直观反映了风暴潮变化的规律，满足结果的有效分析和快速表达，能够为预报员提供有力的专业支撑；

图 3 组件协同工作流程

3）预报与评估系统信息服务全面，能快速灵活地以图、文、声、像等方式，提供水文情势、历史数据等信息，为防洪决策人员提供有效依据。

预报与灾害评估系统开发完成后，作为广东省三防指挥系统工程的重要组成部分进行了实际应用，对沿海潮位站进行了正常天气下的高精度潮位及台风期的风暴增水的预报，为沿海防汛部门在台风期的防台会商决策提供了强有力的技术支撑。