福建省赤潮預警系統研究與應用

李雪丁，曾銀東，任在常，張春桂，郭民權

福建省赤潮預警系統研究與應用

李雪丁1，曾銀東1，任在常1，張春桂2，郭民權1

（1.福建省海洋預報臺，福建福州350003；2.福建省氣象科學研究所，福建福州350001）

考慮赤潮預警的業務需求，基于GIS平臺、C/S（Client/Server）架構和2D web GIS服務平臺，研發了赤潮預警系統，該系統由赤潮監測數據庫、赤潮藻種庫、赤潮預警模型、赤潮動態、赤潮歷史資料和系統管理六大模塊組成?？蓪崿F生態浮標監測、常規現場監測、應急監測、衛星遙感監測數據的實時采集入庫、查詢、顯示、分析；能夠開展基于天氣模型的赤潮預警，赤潮漂移軌跡預報，對赤潮周邊海水養殖、海水浴場休閑旅游進行示警。該系統為業務人員快速制作、發布赤潮預警，赤潮防災減災輔助決策支持等方面提供了支撐平臺。

赤潮；預警系統；GIS

1 引言

福建省是海洋大省，海岸線曲折漫長，海灣眾多，沿海島嶼星羅密布。因其特殊的海灣環境、氣候條件及沿海海洋環境污染的加劇[1]，平均每年發生赤潮16.1起[2]，是我國赤潮頻發的省份之一。赤潮嚴重威脅福建省漁業生產、濱海旅游甚至公眾健康，尤以有毒赤潮的危害為甚，2012年發生在福州連江到泉州杜厝一帶沿岸海域的米氏凱倫藻赤潮造成了漁業直接經濟損失20.11億元[3]。面對這一日益突出的海洋生態問題，如何進行有效預測和防災減災迫在眉睫。

赤潮的發生是生物、化學、水文、氣象等因子綜合影響的結果[4-7]，各影響因子在不同海域和不同季節差異很大，不同赤潮優勢藻種發生時各因子的變化也各異，因此，難以建立通用的赤潮預報模型，建立區域性赤潮預警系統較為可行，近年來已有相關研究。張濤等[8]利用已有赤潮監測技術和浮標監測及船載快速監測技術，開發了赤潮監控預警系統。馮劍豐等[9]基于實例推理機制(CBR)，綜合運用人工神經網絡、知識發現、模糊邏輯及赤潮生態動力學模型庫，開發了智能赤潮預測預警系統。謝贊福等[10]研發了基于Web的赤潮預報專家系統。盧志永等[11]開發了集預測預警信息系統、預測預警決策系統和預測預警應急系統的赤潮綜合集成預警系統。前人研究成果多關注赤潮預警的一個或幾個環節，沒有涉及從多元監測數據采集與分析、預警模型、預警制作與發布、輔助決策與一體赤潮綜合應用系統，特別是具有長期穩定數據支撐的業務化赤潮預警系統較為少見。

2000年，福建省啟動了赤潮監控區監測工作，對赤潮頻發的四大海域進行定期定點監測，有效提升了福建省赤潮發現率。但因監測頻率較低，難以對赤潮的發生進行有效預警。福建省赤潮預警工作始于2007年，其主要手段是利用海上生態浮標實時監測和赤潮監控區常規定點、應急監測資料，結合高、低空大氣環流形勢變化進行分析，對福建沿海赤潮進行預警。因缺乏赤潮預警平臺，無法開展基于單個或多個海洋環境因子變化的定量預警，也沒有建立赤潮天氣預警模型和赤潮漂移模型，難以就赤潮對養殖海區、海水浴場、濱海旅游等產業的影響進行預警，為政府部門防災輔助決策提供科學依據。本文在前人研究的基礎上，針對福建省赤潮預警業務化工作的需求，重點研究適合福建海域的赤潮天氣預警模型，建立赤潮監測數據分析模塊，研究赤潮漂移預警模型，開發了赤潮預警系統，系統基于GIS平臺、C/S（Client/Server）架構和2D web GIS服務平臺，實現了赤潮預警的制作與發布，赤潮漂移軌跡預測，分析赤潮對周邊海水養殖、海水浴場、濱海旅游區的影響，為業務人員開展業務化赤潮預警提供平臺，為政府部門防御赤潮災害提供決策支持。

2 系統運行環境

以Windows操作系統的PC電腦作為本軟件運行平臺，客戶端硬件要求CPU至強2.6GHz，內存2.0G；服務端硬件要求CPU至強2.8GHz，內存4.0G；軟件基于Microsoft.NET平臺開發，使用C＃語言，SQL Server2005數據庫工具，Microsoft Visual Studio 2010 IDE開發工具，通過winform桌面應用技術，調用操作系統的Framework 3.5類庫，客戶端與服務端通過socket協議方式建立握手連接進行通信。

3 系統主要特點

（1）基于二維地理信息系統（2D web GIS）平臺?？臻g數據庫的管理與分析具有高效、便捷、可靠、易于移植、便于維護等優點；

（2）響應速度快?？蛻舳伺c服務器直接相連，大量數據處理在服務器端完成，響應速度快；客戶端承擔部分數據處理、算法運行任務，降低服務器負擔；

（3）操作界面個性化設計。系統界面具有直觀、美觀、形式多樣，簡潔、方便等特點，而且能滿足客戶個性化操作的要求；

（4）采用Microsoft.NET反射機制。系統廣泛使用遠程調用技術，拓展了通過任何設備隨時隨地操作數據和進行通訊的能力，增強了數據傳輸網透明度，并利用多線程方式實現了多數據源并發處理；

（5）可擴展性強。系統設計了擴展接口和功能插件配置機制，有新增模塊需求時，能獨立研發，插件式集成到系統菜單以及地圖平臺上。

4 系統模塊與功能

赤潮預警系統采用二維地理信息系統技術，支持各種圖層疊加、比例縮放、地圖查詢、距離面積測量等通用GIS功能，支持疊加高比例尺電子地圖等基礎地理信息數據，提供了點、線、多邊形、圓形四種基本圖元類型，直觀展現赤潮發生的時空分布、影響區域等。系統包括監測信息、赤潮預警、赤潮動態、歷史查詢、赤潮資料和系統管理等六大模塊，具體框架圖如圖1所示。

4.1監測信息模塊

監測信息可以查詢氣象、浮標、衛星遙感和天氣圖數據信息（見圖2），查看單個要素時間序列曲線，及在同一窗口查看多個要素時間序列曲線。鼠標移至曲線內，可查看曲線對應時間和要素的數值。

（1）氣象監測信息：福建省沿海各市、縣氣象站數據，監測要素為氣壓、氣溫、風速、風向等；

（2）浮標監測信息：臺灣海峽中線附近5個大浮標數據，福建省沿海14個生態浮標數據，監測要素為風速、風向、氣溫、氣壓、葉綠素-a、濁度、水溫、鹽度、溶解氧、溶解氧飽和度、pH、流速、流向、有效波高、最大波高等；

（3）遙感監測信息：臺灣海峽及其周邊海域海洋水色遙感產品，監測要素為葉綠素、海表水溫、葉綠素熒光、葉綠素異常、懸浮泥沙、透明度、海面風等；

（4）天氣圖信息：歷史天氣實況圖和預報圖，預報機構為中國、韓國、美國等，包括地面天氣圖和高空天氣圖，其中地面天氣圖上填有氣溫、濕度、風向、風速、能見度和海平面氣壓等，同時還包含了一部分高空不同層次的云和降水，也有過去6 h內的天氣現象，高空天氣圖有850、700、500 hPa等層次，可以分析不同高度層中的氣壓場、溫度場和濕度場。

4.2赤潮預警模塊

該模塊由赤潮預警天氣模型、赤潮漂移模型、赤潮預警制作和發布組成。

赤潮預警天氣模型的原理是利用NCEP的500 hPa再分析氣象資料，研究天氣形勢與福建沿海赤潮發生之間的相關關系，建立統計預測模型。本文取氣象和赤潮資料的年限為2001—2010年，以赤潮面積大于10 km2的116個赤潮個例作為研究樣本，研究分為4—5月、6—7月、8—9月三個時間段，分析過程包括計算季節天氣平均場、赤潮個例天氣相關場、初始天氣典型場和赤潮天氣典型場。

圖1 赤潮預警系統框架圖

圖2 監測信息功能模塊界面

（1）季節天氣平均場：采用固定時間段內對每個網格點上的位勢高度進行時間平均，得出平均場數據；

（2）赤潮個例天氣相關場：分別將三個時間段內赤潮生成時的天氣形勢場與相應季節天氣平均場作距平場，對距平場進行兩兩相關計算，輸出相關場矩陣；

（3）初始天氣典型場：對赤潮個例天氣相關場中相關系數大于等于0.7的所有赤潮個例對應的天氣場進行平均，作為初始天氣典型場；

（4）赤潮天氣典型場：利用初始天氣典型場對NCEP再分析資料進行各月逐日相關計算，取相關系數大于等于0.7，且有赤潮發生時的天氣場再進行平均，得到新平均場。采用同樣的方法，利用新平均場對歷史各月逐日天氣場進行相關計算，經過反復篩選，直至赤潮發生日期不再變化時，得到三個時間段的赤潮天氣典型場。相關關系的計算見公式（1）：

式（1）中，i表示時間序列，j表示格點序列，n表示所選典型場區域的格點數，ρixy表示變量x、y的相關系數，x變量表示個別典型場與氣候場的距平場，y變量表示所求季節內每日天氣形勢場與氣候場的距平場，xˉi、yi分別表示第i天距平場的平均值。

利用數值預報天氣形勢場與赤潮天氣典型場進行相關性分析，就可以預測赤潮發生的概率。例如，2013年5月8日，赤潮預警天氣模型計算相關系數為0.6，表明出現了有利于赤潮發生的天氣形勢，5月9日平潭龍王頭海水浴場附近海域發生了夜光藻赤潮。

赤潮漂移模型是在風場-浪場-溫鹽流場數值模型的基礎上，結合拉格朗日水質點漂移理論而建立。其基本原理是赤潮的漂移軌跡和速度主要受控于潮流、海面風及表層海流作用，將赤潮視為水質點，可利用赤潮漂移模型預測其漂移軌跡。

本研究基于ROMS（Regional Ocean Modeling System）建立海流模型，該模型采用不可壓縮流體靜力學平衡方程，模式水平方向選用曲線正交坐標系，使用“Arakawa C”交錯網格，邊界潮位由全球大洋潮波模式（TPXO7）的輸出結果插值得到，使用大洋溫、鹽、流氣候態數據World OceanAtlas（WOA2009）作為側邊界控制條件，海表風使用福建省海洋預報臺業務化運行的WRF（Weather Research Forecast）風場驅動。假定赤潮初始位置為s→0，經過一定的時間步長Δt后漂移到新的位置s→，可以用公式（2）計算赤潮的漂移軌跡：

式中，V→t為t時刻的赤潮漂移速度，它是時間和空間的函數，Δα為湍流渦動造成的隨機移動距離。此外從公式上看，時間步長dt的選取對漂移軌跡的模擬也是要考慮的重要因素，dt太大可能會導致誤差隨時間逐漸放大。

赤潮預警制作是預報員開展赤潮預警工作的平臺，預報員利用實時獲取的氣象、水文、生態、化學、遙感和天氣圖等資料，結合赤潮預警天氣模型預測結果，進行綜合分析，開展赤潮發生條件預測，存儲入庫。

赤潮預警發布實現利用FTP、傳真、網站、電子郵件等通訊方式，快速發布赤潮預警信息。

4.3赤潮動態模塊

赤潮動態由赤潮信息報告、赤潮公告、赤潮動態信息和海水浴場示警等子模塊組成。

赤潮信息報告模塊實現面向省政府的赤潮信息報告制作；赤潮公告模塊實現面向公眾的赤潮公告的制作。赤潮動態信息子模塊實現赤潮現場監測資料（包括水溫、鹽度、氣溫、氣壓、風速、風向、赤潮優勢種及密度、是否毒性等）、照片、影像等資料的存儲與發布。海水浴場示警模塊用于赤潮防災減災輔助決策。該子模塊自動判斷赤潮所在位置，測算與海水浴場距離，通過設定某一個警示距離，對距赤潮小于警示范圍內的海水浴場進行報警。例如，2013年5月21日發生在平潭龍鳳頭至限山海域的赤潮，經系統自動分析顯示，赤潮距平潭龍王頭海水浴場僅1.31 km，系統自動報警。業務人員利用該系統預測赤潮漂移方向，分析對海水浴場的影響，建議政府部門適時關閉海水浴場，實現了赤潮防災減災輔助決策。

4.4歷史查詢模塊

歷史查詢模塊提供對歷史赤潮事件的檢索分析，可按地域（發生海區、沿海城市、經緯度范圍）、時間（發生或結束時間、年份、某一個月份的所有年份、某個時間段內某個月份）和其他（赤潮面積、優勢種和毒性等）查詢等三種形式進行單獨查詢，也可以進行組合查詢，以及對查詢結果的再查詢（見圖3、4），這對于掌握歷史赤潮時空分布特征、藻種信息等具有重要意義。

圖3 赤潮歷史查詢功能模塊界面

圖4 時間查詢界面和其他查詢界面

4.5赤潮資料模塊

赤潮資料模塊由赤潮藻種信息、赤潮文檔檢索等子模塊組成。赤潮藻種信息模塊可查詢赤潮優勢藻種中文名稱、拉丁文名稱、毒性、赤潮基準密度、照片等信息；赤潮文檔模塊提供以文獻名、出版機構、作者、出版時間等關鍵字的赤潮文獻查詢，以及相關法律法規的查詢，查詢可包括單一或組合查詢。

4.6系統管理模塊

系統管理模塊提供用戶管理、數據管理和設置管理3個子模塊，實現對用戶的新增、編輯、刪除、權限設置進行維護管理，對更新、維護監測數據進行管理，對修改系統配置文件進行管理。

5 系統應用

業務人員利用赤潮預警系統，分析生物、水文、氣象和水質的變化，結合赤潮預警天氣模型的概率預報，開展赤潮發生條件分析、制作和發布。以2013年5月9日平潭沿海赤潮為例介紹系統的應用。

5.1監測信息模塊

高空上，2013年5月7日08時我國沿海受高壓脊主體控制，9日東南沿海受脊后槽前的西南暖濕氣流控制（見圖5a、b）。地面上，7日內陸西南地區有明顯的倒槽發展，9日內陸發展形成的氣旋影響福建（見圖5c、d），沿海氣流偏南，氣溫、濕度上升明顯，此種天氣條件有利于福建沿海赤潮的發生。

氣溫從6日起持續升高，從18.6℃上升至赤潮發生時20.5℃，日上升幅度達0.8℃；氣壓于6日起持續下降，從1016.3 hPa下降到1005.1 hPa，10日下午又快速上升（見圖6），這種升溫降壓天氣過程有利于赤潮的發生[4]。

水溫在8日起有明顯上升過程，3 h升高了0.4℃，赤潮消亡前維持在19.9℃的高位，為赤潮暴發創造了良好的水溫條件；鹽度在7日和8日有兩次較大幅度的跳躍下降，有利于促進赤潮生物的迅速增殖[5-6,12]；有效浪高在8日迅速減小至1.0 m以下，為赤潮的發生創造了穩定的水體環境（見圖7）。

圖5 高空天氣圖（a、b），地面天氣圖（c、d）

圖6 2013年5月6—10日氣象條件

5.2赤潮預警天氣模型模塊

赤潮預警天氣模型顯示（見圖8），7日前天氣形勢與赤潮天氣形勢典型場相關系數小于0.3；8日起相關系數達到了0.6，指示赤潮發生的概率較大。

綜合上述分析，平潭海域持續多日的陰天，并伴有一定降水，前期鹽度明顯下降，氣溫、水溫快速回升，風浪非常小，赤潮預警天氣模型顯示赤潮發生概率達0.6，發生赤潮可能性較大，我們利用該系統制作發布了赤潮預警信息。5月9日平潭龍王頭海水浴場附近海域發現夜光藻（Noctiluca scintillans）赤潮，面積約20 km2，10日后期赤潮消亡，水體恢復正常。

圖7 2013年5月6—10日水文條件

圖8 赤潮預警天氣模型預測結果

6 結語

本研究基于C/S架構與2D web GIS服務平臺，使用C＃語言，SQL Server2005數據庫工具，開發了赤潮預警系統，該系統具有響應速度快、客戶操作界面設計個性化、采用.NET反射機制、可擴展性等優點，能夠提供便捷的赤潮監測數據顯示分析，開展基于天氣模型的赤潮預警，實現快速制作發布赤潮預警信息，有效提高赤潮預警能力和赤潮資料的規范化管理水平，為赤潮防災減災決策提供技術支撐。

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Application of red tide forecasting system of Fujian

LI Xue-ding1,ZENG Yin-dong1,REN Zai-chang1,ZHANG Chun-gui2,GUO Min-quan1
(1.Fujian Marine Forcasts,Fuzhou,350003 China;2.Meteorological Institute of Fujian Province,Fuzhou 350001,China)

This study considered the requirement of red tide forecasting,designed and implementated red tide forecasting system,which was based on GIS perform,C/S framework and the 2D web GIS system.The system consists of six function modules,concluding monitoring information,red tide algae database,forecasting model, dynamic of red tide,query history red tide data and system management.This system could realize the automatic acquisition and storage of historical data and real-time monitoring data of red tide,manual editing,query and display,integration of red tide forecasting model and drift model.When the red tide occurs in the sea,the drift model can be used to forecast the drift direction of red tide,alarm and calculate the distance between red tide and surrounding seawater bathing,cultivation and tourism area.The establishment of this system can improve the ability of red tide forecasting,provide scientific and reasonable technical support for red tide disaster prevention.

red tide；forecasting system；GIS

X55

A

1003-0239（2014）04-0077-08

10.11737/j.issn.1003-0239.2014.04.011

2013-03-08

福建省自然科學基金（2011J01260）；福建省科技計劃重點項目（2011Y0004）；福建省科技計劃重點項目（2011Y0009）

李雪丁（1982-），男，助理研究員，主要從事海洋預報工作。E-mail:lxd007@xmu.edu.cn

曾銀東（1978-），男，高級工程師，主要從事海洋預報工作。E-mail:zydzyd100@163.com