基于C/S架構的業(yè)務化赤潮漂移擴散預報

楊靜，蔡文博，李海

（國家海洋環(huán)境預報中心，北京 100081）

1 引言

近年來，我國近海赤潮發(fā)生的頻率和面積均居高不下。2010年我國沿海共發(fā)現(xiàn)赤潮69次，累計面積10892 km2，赤潮災害造成直接經(jīng)濟損失達2.06億元【1】。赤潮已成為頻繁侵害我國的主要海洋災害之一。目前業(yè)務化的赤潮預測工作主要應用經(jīng)驗、統(tǒng)計或統(tǒng)計結合數(shù)值的方法來對赤潮發(fā)生的可能性進行判斷，但由于赤潮的發(fā)生是物理、化學、生物等多種因素綜合作用的結果，直接對赤潮的發(fā)生時間和范圍進行預測往往不能滿足赤潮災害預警的要求。赤潮爆發(fā)后常伴有一定范圍轉移、擴散的發(fā)生，例如2000年5月12—16日，浙江中部臺州列島附近海域發(fā)生面積為1000 km2的赤潮，18日再次發(fā)現(xiàn)赤潮面積約4560 km2，赤潮生物以具齒原甲藻為主，20日赤潮區(qū)域擴展至5800 km2，24日赤潮區(qū)域較5月20日有所北移，面積進一步擴大[2]。2012年5月17日平潭島附近海域發(fā)現(xiàn)帶狀、塊狀赤潮，5月18—26日漂移至福鼎、霞浦近岸，最大發(fā)生面積約130 km2。通過衛(wèi)星遙感或現(xiàn)場觀測確定其藻種及分布特征，然后在觀測的基礎上由數(shù)值模式對赤潮的可能影響位置及范圍提前進行判斷，能最大程度地減輕赤潮災害可能造成的損失。

本文將赤潮漂移預報模式與業(yè)務化海面風場和中國海流數(shù)值預報相結合，基于C/S架構建立赤潮漂移預報系統(tǒng)，通過數(shù)值計算對赤潮漂移軌跡和擴散狀況進行預測，將會進一步完善現(xiàn)有的赤潮預報系統(tǒng)，更有效地服務于赤潮減災工作，為赤潮災害的損失評估提供參考和依據(jù)。

2 赤潮漂移擴散預報系統(tǒng)介紹

2.1 模塊功能組成

從圖1上看，赤潮漂移擴散預報系統(tǒng)由赤潮發(fā)生區(qū)域提取模塊，赤潮預報輸入輸出模塊，赤潮漂移數(shù)值計算模塊和赤潮預報可視化模塊四部分組成。

圖1 赤潮漂移擴散數(shù)值預報系統(tǒng)模塊組成

赤潮發(fā)生區(qū)域提取模塊用于加載衛(wèi)星觀測資料，通過遙感解析、人機交互等方式確定赤潮發(fā)生的多邊形區(qū)域；赤潮預報輸入輸出模塊使用戶通過交互配置輸入輸出數(shù)據(jù)文件路徑等參數(shù)，同時提供讀取輸入示范海域的海流、風場和赤潮發(fā)生區(qū)域等數(shù)據(jù)，并將預報產品輸出為指定的文件格式；赤潮漂移數(shù)值計算模塊是赤潮漂移擴散預報的核心，主要應用數(shù)值方法計算赤潮漂移的軌跡、區(qū)域范圍等數(shù)值預報結果；赤潮預報可視化模塊基于GIS開發(fā)圖形顯示系統(tǒng)，實現(xiàn)赤潮漂移擴散預報結果的展示。

2.2 赤潮漂移擴散預報模式簡介

利用衛(wèi)星遙感、航空遙感、船舶觀測等手段確定監(jiān)測海域赤潮發(fā)生位置和范圍等初始信息，通過赤潮信息數(shù)字化處理輸入赤潮漂移路徑預報模塊。模型不考慮赤潮的生態(tài)繁殖擴展過程，而只考慮動力環(huán)境對赤潮漂移的影響，由國家海洋環(huán)境預報中心現(xiàn)有業(yè)務化運行系統(tǒng)和資料同化分析系統(tǒng)提供風場、海流等動力環(huán)境，利用獲取的風速、風向和流速、流向等數(shù)據(jù)計算赤潮生物團的漂移過程，應用粒子拉格朗日隨機游走模式來模擬計算赤潮生物團的擴散過程。

赤潮藻團在風和流共同作用下，只考慮其在水平方向的物理過程，運動方程如下所示：

式中，va為海流速度，包括潮流、環(huán)流，vd為風速，R為經(jīng)驗系數(shù)，R×vd(xi,t)為風對赤潮藻團的拖拽速度。方程求解方法采用了一階求解，公式如下：

圖2 赤潮漂移擴散預報業(yè)務流程圖

3 業(yè)務運行流程

赤潮漂移擴散預報模塊是基于C/S架構建立的，其流程見圖2。C/S即Client/Server（客戶機/服務器），是較為流行和通用的軟件架構。其原理是通過將任務合理分配到Client端和Server端，大大降低了系統(tǒng)的通訊開銷。C/S架構服務器端程序主要提供數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)共享，而用戶的程序則部署在客戶端，主要完成用戶的各種具體的數(shù)據(jù)處理任務。

客戶端：預報員用客戶端程序加載研究區(qū)遙感影像，通過人機交互的方式勾出赤潮發(fā)生區(qū)域矢量信息。同時，通過客戶端程序界面配置風場、海流等初始場數(shù)據(jù)文件的網(wǎng)絡地址和相關參數(shù)信息。赤潮發(fā)生區(qū)域矢量信息和初始化配置參數(shù)信息存放在xml文件中，并通過ftp服務上傳到服務器端。通過服務器端的高性能計算機計算赤潮漂移擴散數(shù)值預報結果后，下載標準的GIS柵格數(shù)據(jù)，實現(xiàn)赤潮漂移擴散可視化并生成圖片、動畫等預報產品。

服務器端：響應預報員客戶端的預報服務請求。首先解析上傳的xml文件獲取風場、海流初始場的網(wǎng)絡地址相關參數(shù)信息；獲取赤潮發(fā)生的空間信息，并以多組多邊形的形式表示。加載必要的輸入數(shù)據(jù)，在服務器端完成赤潮漂移擴散的數(shù)值模式計算，并生成netcdf格式的預報結果。通過數(shù)值預報后處理功能，將netcdf格式的預報結果轉換為標準的GIS柵格數(shù)據(jù)。

圖3 2007年7月24—27日長江口附近海域發(fā)生赤潮的連續(xù)遙感監(jiān)測衛(wèi)星圖

表1 赤潮藻團24 h和48 h的漂移擴散預測

4 模型的后報試驗

以2007年7月22日—8月6日長江口附近發(fā)生赤潮為例，進行后報試驗。利用建立的赤潮漂移與擴散數(shù)值預報模型，根據(jù)衛(wèi)星遙感影像選取赤潮藻團位置點，組成赤潮范圍包絡線，在不考慮赤潮的生物、化學轉化過程的前提下，通過模型計算對赤潮藻團未來24－48 h的漂移軌跡和分布范圍進行預測。

根據(jù)東海海洋環(huán)境保護通報，2007年7月24日上午，發(fā)現(xiàn)在 29°54′N 、122°28.92′E，29°54.42′N 、122°36.83′E ，30°02′N 、122°37′E，30°1.92′N 、122°29.17′E四點連線范圍內均有赤潮發(fā)生，面積200多平方公里，海水呈紅褐色，呈大面狀分布。同日，經(jīng)現(xiàn)場采樣分析，赤潮生物主要優(yōu)勢種為扁面角毛藻，無毒性，密度為5.08×106個/升，次優(yōu)勢種為膝溝藻屬，無毒性，密度為5.12×105個/升，另外伴有旋鏈角毛藻、中肋骨條藻、圓篩藻等。7月26日，發(fā)現(xiàn)該海域赤潮依然存在，估計面積超過200 km2，赤潮位置在朱家尖島東部一側（122°26′E以東海域），與前幾日相比，赤潮更接近朱家尖島東部沿岸。7月27日，發(fā)現(xiàn)在29°56′N 、122°38′E—29°51′N 、122°46′E，29°34′N 、122°21′E—29°27′N 、122°21′E沿線范圍內均有赤潮，累計面積約400 km2，近海海域顏色為深褐色，離岸海域為淡褐色。赤潮海域已接近朱家尖島東部岸線，等步島、桃花島及普陀山海濱浴場等沿岸海域已受到赤潮影響。同日，對朱家尖東部海域的赤潮進行應急跟蹤監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)大面積赤潮依然存在，面積超過200 km2。衛(wèi)星遙感反演得到的赤潮發(fā)生范圍見圖3，圖中紅色部分表示監(jiān)測到的赤潮區(qū)域。

圖4顯示了赤潮藻團24 h和48 h漂移擴散的位置，黑色實線表示衛(wèi)星遙感赤潮發(fā)生的位置，紅色虛線表示24 h預報位置，藍色虛線表示48 h預報位置。根據(jù)2007年7月24日衛(wèi)星遙感赤潮發(fā)生位置預測，24 h漂移方向為偏北方向，漂移距離為9.61 km，漂移速度0.40 km/h，48 h漂移距離為8.19 km，漂移速度0.34 km/h。與7月25日衛(wèi)星遙感圖對比，由于計算沒有考慮赤潮藻種的生物化學變化，預報結果無法完全刻畫藻類生長繁殖導致赤潮藻團的面積增加，預報落區(qū)與觀察結果還存在一定差異，這有可能是赤潮藻在海域內增殖所致，但總體上預報赤潮藻團的主要漂移擴散方向與衛(wèi)星圖片反映的實際情況是一致的。從2007年7月25—27日的衛(wèi)星遙感圖可知，如短時間內忽略赤潮藻類繁殖生長，赤潮的漂移擴散趨勢是逐漸向北方向，與各時刻起報的預報結果一致，且24 h與48 h預測的漂移距離和速度相對較小，不利于赤潮藻團的消散，故赤潮面積有進一步發(fā)展趨勢。據(jù)東海海洋環(huán)境保護通報，7月28日，跟蹤監(jiān)測發(fā)現(xiàn)朱家尖東部海域赤潮依然存在，顏色為紅褐色、深褐色，赤潮生物優(yōu)勢種仍為扁面角毛藻。7月29日的跟蹤監(jiān)視顯示，舟山朱家尖-普陀山東部海域以及桃花島東南部海域的赤潮依然存在，赤潮區(qū)主要位于29°59′N 、122°24′E與29°51′N 、122°25′E兩點連線以東海域，觀測所及的赤潮海域面積超過200 km2，顏色為紅色、褐色。另外，監(jiān)測飛機在朱家尖東北方向發(fā)現(xiàn)大面積赤潮，赤潮主要位于距離朱家尖20 km以內的海域，其中近岸海域附近顏色為褐色，較遠海域為淡褐色。由此可見，從不同時刻遙感圖選定赤潮范圍，進行24 h和48 h變化趨勢預報是可行的。

5 總結

在結合實例進行準業(yè)務化應用預報試驗中，能在較短時間內實現(xiàn)赤潮藻團的漂移擴散預報，提供赤潮藻團24—72 h的主要漂移擴散方向、距離和速度等信息，具備數(shù)據(jù)預處理、數(shù)值模式計算及預報結果可視化的功能，預測結果與實際情況吻合。

圖4 2007年7月24日起預報赤潮藻團24 h和48 h的漂移擴散位置

圖5 2007年7月25日起預報赤潮藻團24 h和48 h的漂移擴散位置

圖6 2007年7月26日起預報赤潮藻團24 h和48 h的漂移擴散位置

模塊基于C/S架構，具有響應速度快的優(yōu)點，在客戶端的設計上，可以根據(jù)客戶的需求進行個性化的設計，滿足客戶復雜的個性化需求。同時，C/S架構充分利用服務器端硬件資源，將大量的數(shù)據(jù)處理工作在服務器端完成，，數(shù)據(jù)處理能力比較強大，在很大程度上提高了赤潮災害的應急處置能力。目前該模塊還在不斷完善中，數(shù)值模擬將赤潮的發(fā)生發(fā)展過程與環(huán)境條件進行耦合計算，最終形成赤潮漂移擴散預測預警系統(tǒng)，該系統(tǒng)的業(yè)務化應用將進一步完善現(xiàn)有條件下的赤潮預測系統(tǒng)，為赤潮防災減災及災害的損失評估提供參考和依據(jù)。

[1]國家海洋局.2010年中國海洋災害公報[R].2011.

[2]國家海洋局.2000年中國海洋環(huán)境質量公報[R].2001.

[3]周為峰，樊偉.應用MODIS進行赤潮遙感監(jiān)測的研究進展[J].遙感技術與應用，2007，22(6):768-772.

[4]齊雨藻.中國沿海赤潮[M].北京:科學出版社，2003.

[5]唐峰華,伍玉梅,樊偉,等.長江口浮游植物分布情況及與徑流關系的初步探討[J].生態(tài)環(huán)境學報,2010,19（12）：2934-2940.

[6]范麗,程金平,郭光勇.我國東海海域赤潮發(fā)生年際變化趨勢及其影響因素分析[J].上海環(huán)境科學,2009,28(1):15-17.

[7]申力,徐惠平,吳平.長江口及東海赤潮海洋環(huán)境特征綜合研討[J].海洋環(huán)境科學,2010,29(5):631-635.