國外業務化海洋觀測與預報進展及對我國的啟示

李慧青，葉穎，李燕，王強

（國家海洋技術中心 天津 300112）

業務化海洋觀測與預報技術，是包含了長期觀測海洋，傳遞觀測數據，建立海洋模型，用海洋模型處理觀測數據，最后得到業務化數值預報的全套海洋數據觀測、采集與處理技術。這套技術為相關用戶提供持續、及時和有效的信息支持，在海上作業的高效與避險中發揮重要作用。

隨著人類對海洋資源開發活動的不斷深入，多種獲取海洋數據的技術不斷得到發展，尤其是衛星的多波段、多角度掃描，開辟了業務化海洋學的新天地。觀測技術的進步和數據處理能力的提升推動著海洋觀測業務化體系的不斷升級。21世紀后，眾所周知的業務化系統有美國海岸帶和海洋觀測整合系統（IOOS）［1］、歐洲的波羅的海業務化海洋系統（BOOS）［2］、全球海洋觀測系統中的地中海海洋網（MONGOOS）［3］、英國國家海洋預報中心（NCOF）［4］、日本氣象廳［5］的海洋觀測與預報系統，許多海洋國家已形成了固定成熟的海洋業務化觀測與預報系統的管理模式。

我國的業務化海洋數值預報體系已基本成型并快速發展，但在規模、服務項目和分辨率等方面與國外還有一定差距［6］。因此對近年來國外業務化運行的海洋觀測與預報體系的升級服務、保障機制以及預業務化觀測系統（pre－operational coastal prediction system）進行對比研究，對完善我國海洋預報的基礎結構、提高業務化服務水平、加快業務化進程都有一定益處。

1 歐洲的一體化業務化觀測網系統

MONGOOS作為地中海海洋業務化的協調組織，整合了歐盟第五、六、七框架計劃下支持的業務化系統：地中海志愿船觀測系統，地中海Argo浮標，科里奧利觀測系統，地中海Gloss系統，希臘Poseidon觀測系統，海表面溫度、水色以及海面高度衛星遙感系統，克里特海、亞德里亞海以及利古里亞海的海上浮標系統，Puertos del Estado實時觀測系統，地中海表面漂流浮標觀測系統，有13個國家的36個單位參與其中。其目標為：①鞏固與擴展地中海監測與預報系統，充分整合以提高歐洲的全球海洋業務化能力；②協調、改善以及統一觀測系統和信息系統；③高質量完成通用化業務化產品、發展新客戶、拓展業務化海洋信息產品、發展與聯合國環境署組織的保護地中海行動項目以及其他相關項目的區域性合作等任務；④提高和豐富海事使用者和環保人士需要的服務；⑤鼓勵地中海監測／預報方面的科學活動，鼓勵科研與業務化海洋服務的關聯。

只有保證了觀察網中數據安全順暢，才能發布有規律的、系統的地中海區域產品。因此，所有參加方均簽署了數據交換協約（data exchange agreement），成立了數據共享系統。該系統的決策機構為理事會，執行機構包括主席、管理小組、科學指導委員會和業務優化咨詢小組。理事會由所有會員國選出的代表組成，職能之一就是評估各項決定以及過去一年中業務優化咨詢小組、管理小組和主席所做的工作。

MONGOOS下的重要機構——污染應急響應中心幫助地中海沿岸會員國審查簽署的國際海事協約，以預防船只海洋污染造成的損失。污染應急響應中心與會員國達成了合作協議：①在一些活動中（如培訓應急反應、制定應急規劃），可使用會員國的知識、經驗；②會員國遇到應急事件時，一旦提出要求，中心立即提供幫助；③在防止地中海船只經常性污染所涉及的項目上進行合作；④為升級系統，在需要高分辨率預報數據的海域開展合作；⑤在繪制地中海石油風險圖（oil risk maps）上進行合作。

事實證明，數據交換協約下的共享系統和會員國組成的專業服務隊伍顯著提高了觀測與預報系統的效率。

2 全美業務化體系及其專業服務

IOOS是在美國各地已建立的上百個近海觀測系統基礎上建成的全國主干系統和地區子系統，其目標是進行海洋現場觀測、數據管理和信息服務。其協調管理的重任歷經3次機構變遷，2011年起，落在美國海洋與大氣管理局（NOAA）肩上。與海洋觀測有關的部委組成“跨部門海洋觀測委員會”［7］，目前參加者是：NOAA、國家基金委、國家航空航天局、環保部、海洋能源管理局、哺乳動物委員會、國防部參謀長聯席會、海軍研究所、陸軍工程兵團、海岸警衛隊、地質調查局和國務院。

IOOS有效地與地區、全國和國際觀測網及數據管理和分析網相連接，為更好地認識和預報全球變化以及全球變化對美國海域、海岸、河口和五大湖的影響提供信息，為生活、工作、休閑在海岸帶的人們提供涉海信息。

NOAA 下屬單位——業務化海洋產品與服務司負責提供海洋公益性信息產品［8］。這一司的下屬部門分為：①工程部。負責規范和升級觀測系統與技術。②觀測系統運行部。負責觀測系統的選址、運行維護、上崗培訓等。③信息系統部。負責數據存儲和處理用計算機軟、硬件系統的建立與升級，軟件開發，制定實時數據發布模式等。④海洋部。下分兩支，一支為計劃部，負責設計觀測與分析系統模式，保障系統具備環境評價意義，確定預測模型，開發各種系統應用價值，包括訴訟法律依據；另一支為數據監控與服務部，負責觀測系統收集數據的質量，報告偏差狀況，建立數據傳輸系統，提供數據用戶界面，發布實時數據等。

以得克薩斯州為例［9］，在網上除可看到35個海岸觀測站實測的海洋信息，還可以看到7個點的海平面變化趨勢，36個點的水平面報告，35個點的潮汐調和系數，24個點的洪澇分析，以及春夏季每周兩次、秋冬季每周1次的赤潮報告。

美國海洋信息產品中享有盛譽的是物理海洋環境要素實時監測與預報系統（PORTS）［10］。由港口處的多普勒流量儀（ADCP）、氣象、水位等數據開發的PORTS信息產品不僅可有效減少船舶擱淺的風險，提高港口的吞吐量，還可以高效控制大型船舶抵離港口的時間；PORTS 還能幫助碼頭工人和船只在對接和轉移貨物時提供決策，確保操作安全，減少不必要的航道疏浚。船長在船舶進入港口之前，就可以得到PORTS所提供的信息，對未來的航程做出計劃和安排。一旦發生石油泄漏，PORTS 系統提供的數據可以預測石油在海水上的浮動情況，提高處理這類突發事件的效率。這套系統還可以為區域航運提供公共服務，例如為小型娛樂或商用船只提供環境數據、協助海岸警衛隊管理海上交通安全事務等。PORTS每年僅在海事保險上就節省上千萬美元的航運事故賠償。

美國浮標信息還可以通過自動電話獲得［11］。1997年建立了語音播報浮標信息系統（Dial－ABuoy），并在2007 年對其進行了改進，使系統操作性更好。Dial－A－Buoy 面向全民。在沿海地區，根據Dial－A－Buoy的觀測報告，漁民或沖浪者對是否可以安全出航進行判斷。有報道稱，這些浮標數據報告挽救了無數生命。

另外，美國墨西哥灣信息庫中有大量ADCP數據［12］，一旦出現溢油，可在短時間內，對溢油流向做出預測，以便及時采用減災措施。

3 主要國家的海洋生態業務化

歐洲在海洋生態的監測與預報方面做了大量工作，水平達到區域性，個別生態參數有預報產品。但和美國、日本等國家一樣，歐洲的大部分海洋生態信息是以定期報告的形式發放。

生態信息的業務化主要歸功于衛星遙感，即通過衛星資料反演葉綠素濃度、水色、水溫等參數。其次是近岸的生態監測，大部分是取樣測量，只有溶解氧、葉綠素等少數參數是自動觀測。自動觀測平臺為岸基臺站和海上浮標。半自動觀測平臺是移動的觀測船或志愿船。

3．1 赤潮監測與預報

相對其他生態狀況預報，赤潮預報優先得到發展。一些國家已實現赤潮業務化預報，以定期報告的形式發放赤潮信息。

美國的墨西哥灣預報產品網頁上有利用衛星MODIS、Aqua和SeaWiFS探測的遙感水色／葉綠素數據，還有原位細胞計數和定期健康報告［13］。生態健康數據提供者是佛羅里達州漁業與野生動物研究所、Mote海洋研究所、Sarasota縣健康部門、Collier縣環保部門等多家衛生與健康機構，Texas A＆M 大學也提供生態健康報告。

NOAA 以咨詢通報的形式提供赤潮信息以及評價當前赤潮的規模是否有必要進一步取樣、監測。經過收集在各觀測站的數據、衛星觀測的葉綠素濃度影像信息以及現場浮標數據后，經專家分析、整合以確定赤潮藻在現今和未來的位置和密度，然后以赤潮通報的形式由國家和地方的管理部門發布赤潮預報。系統每天收集一次信息，每周在互聯網上發布兩次預報。

NOAA 預報系統已成功預測了墨西哥灣的米氏凱倫藻赤潮、北美五大湖區的藍藻水華、緬因灣和新英格蘭海岸的亞歷山大藻赤潮、切薩皮克灣的劇毒卡爾藻赤潮以及華盛頓沿岸的擬菱形藻赤潮。

歐盟在第五框架計劃里資助了地中海赤潮觀測與預報系統，第七框架計劃里資助了歐洲北海和波羅的海的赤潮監測與預報，讓整個歐洲國家沿海的赤潮都處在觀察中。

地中海赤潮信息重點在地中海北部幾個旅游區海岸［14］。信息獲取需要會員密碼。會員進入信息系統后，獲得來自79個站點的數據，包括衛星的以及預報模型的葉綠素數據，水文氣象、營養鹽、溶解氧等監測數據，赤潮藻PCR 分析的發展階段與豐度信息。波羅的海［15］和北海［16］的網頁可以免費獲得葉綠素和漫射衰竭的衛星實測值和模型推算值，還有每周1次的赤潮報告。

3．2 生態參數監測與預報

除衛星遙感監測外，英國的自動生態監測數據主要是溶解氧、濁度、熒光（葉綠素）、有色溶解有機物、硝酸鹽。現產生的生態預報參數有葉綠素、硝酸鹽、水體透光度、鞭毛蟲豐度等［17］。

日本氣象廳調查船定期進行生態方面的監測，監測參數有營養物質、葉綠素、汞等重金屬以及海水與海－氣中二氧化碳和其他溫室氣體的濃度，并以定期報告的形式發放信息［18］。

美國并沒有在所有海濱開展常用生態參數監測，而在曾經發生過海洋生態健康爭議的河口處常年進行總磷、總氮等參數的定期取樣監測，如哥倫比亞河口［19］、紐斯河口［20］。哥倫比亞河口已經有鹽度預報產品，為保護當地鮭魚等生物發揮了重要作用。

4 對我國海洋業務化的啟示

4．1 業務化的高效運行取決于相近區域一體化

從歐洲國家在海洋信息上的合作可以看出，實現區域數據的一體化，從而獲得大面積信息，可提高預報產品的性價比。從海洋強國布放Argo浮標的數量也可看到其區域數據一體化整合的努力。考慮到東南亞海域還有大量觀察站空白，因此在整合我國區域海洋信息的同時，如何擴大我國的海洋業務化范圍，為東南亞國家提供海洋信息服務，也是我國對外政策應考慮的問題。

4．2 經濟社會的發展亟須提供新型的業務化服務

隨著海洋經濟的發展和海洋強國的建設，海上作業、海上娛樂活動頻繁，迫切需要社會化的海上服務新產業。目前我國的業務化產品還只是最基礎的，專業服務的水平和能力還不能滿足發展需求。因此，有必要在現有的基礎上開發更專業化的航海、海上環保和海上搜救等產品。

4．3 生態監測與預報的業務化還任重道遠

生態監測與水文氣象監測不同，水文氣象觀測不足會導致海事決策失誤，但水質監測能力不足并不會導致水源污染，因為水質污染的根源是污染源管理不善。有了詳細的水文氣象數據，海上作業決策人可以確定正確的措施；而即使有了實時生態數據，環境保護者也不能高枕無憂，因為只有自然災害是有可能預測的，而人為災害是無法通過實時數據預測的。

國際上海洋生態保護較好的國家，都是建立在嚴格的環保法律之上的。我國2014年4月24日宣布經過4年爭議的《中華人民共和國環境保護法》（修訂案）將于2015年1月1日起實行，彼時可作為執法依據的生態參數的快速監測會得到發展。因此，當務之急是多發展生態污染應急監測技術，以保護生命與海上財產、懲罰肇事者。我國應該分清輕重緩急，積極研發赤潮藻發展階段與豐度現場監測技術，整合已有的生態研究成果，提升現有產品的針對性和實用性，穩步推進生態監測網建設。

［1］National Ocean Service，National Oceanic and Atmospheric Administration，Department of Commerce，et al．U．S．IOOS data［EB／OL］．（2014－02－27）［2014－04－27］．http：／／www．ioos．noaa．gov／data／welcome．html．

［2］Baltic Operational Oceanographic System．The boos vision［EB／OL］．［2014－04－27］．http：／／www．boos．org／．

［3］Mediterranean Operational Oceanography Network．Overview［EB／OL］．［2014－04－27］．http：／／www．moon－oceanforecasting．eu／．

［4］National Centre for Ocean Forecasting．Operational ocean forecasting［EB／OL］．（2011－11－17）［2014－04－27］．http：／／www．ncof．co．uk／Operational－Ocean－Forecasting．html．

［5］Japan Meteorological Agency．Data of oceanographic and marine meteorological observation［EB／OL］．［2014－04－27］．http：／／www．data．kishou．go．jp／kaiyou／db／vessel＿obs／data－report／html／index＿e．html．

［6］馬毅．我國海洋觀測預報系統概述［J］．海洋預報，2008，25（1）：31－40．

［7］Interagency Ocean Observation Committee．National partners［EB／OL］．［2014－04－27］．http：／／www．iooc．us／about／national－partners／．

［8］Center for Operational Oceanographic Products and Services．CO－OPS organizational Chart［EB／OL］．（2013－10－15）［2014－04－27］．http：／／www．co－ops．nos．noaa．gov／org．html．

［9］Center for Operational Oceanographic Products and Services．Texas coastal ocean observation network（TCOON）［EB／OL］．（2013－10－15）［2014－04－27］．http：／／www．co－ops．nos．noaa．gov／tcoon．html．

［10］Center for Operational Oceanographic Products and Services．PORTS? （physical oceanographic real－time system）［EB／OL］．（2013－10－15）［2014－04－27］．http：／／www．co－ops．nos．noaa．gov／ports．html．

［11］U．S．Dept．of Commerce，National Oceanic and Atmospheric Administration，National Weather Service．Dial－A－Buoy［EB／OL］．（2012－01－23）［2014－04－27］．http：／／www．ndbc．noaa．gov／dial．shtml．

［12］U．S．Dept．of Commerce，National Oceanic and Atmospheric Administration，National Weather Service．Western gulf of Mexico oil and gas industry ADCP recent marine data［EB／OL］．（2013－06－19）［2014－04－27］．http：／／www．ndbc．noaa．gov／maps／ADCP＿WestGulf．shtml．

［13］Center for Operational Oceanographic Products and Services．NOAA harmful algal bloom operational forecast system （HABOFS）［EB／OL］．（2013－10－15）［2014－04－27］．http：／／www．co－ops．nos．noaa．gov／hab／．

［14］New strategy of monitoring and management of HABs in the Mediterranean Sea．Database［EB／OL］．［2014－04－27］．http：／／www．icm．csic．es／bio／projects／strategy／．

［15］Swedish Meteorological and Hydrological Insitition．The Algae situation［EB／OL］．［2014－04－27］．http：／／www．smhi．se／en／Weather／Sweden－weather／the－algae－situation－1．11631．

［16］Coastal Biomass Observatory Services．Observed and modelled water quality parameters in the North Sea［EB／OL］．［2014－04－27］．http：／／www．cobios．eu／viewer／ns／．

［17］National Centre for Ocean Forecasting．Ecosystems forecast［EB／OL］．［2014－04－27］．http：／／www．ncof．co．uk／Ecosystems－Model－Forecast．html．

［18］Japan Meteorological Agency．Publications／periodicals［EB／OL］．［2014－04－27］．http：／／www．jma．go．jp／jma／en／Publications／publications．html．

［19］Center for Coastal Margin Observation ＆Prediction．Overview［EB／OL］．［2014－04－27］．http：／／www．stccmop．org／about＿cmop．

［20］North Carolina Department of Environment and Natural Resources．About DWR water quality programs［EB／OL］．［2014－04－27］．http：／／portal．ncdenr．org／web／wq／home／about．