福建省海洋生態災害防控輔助決策支持系統的實現和應用

李雪丁

(福建省海洋預報臺 福州 350003)

0 引言

海洋生態災害是指由自然變異和人為因素造成的損害近海生態環境和海岸生態系統的災害[1]，通常具有突發性、不確定性、破壞性、衍生性和擴散性[2]，比較典型的類型包括赤潮、綠潮、海洋污染、海上溢油和生物入侵等[3]。近年來，隨著我國沿海地區社會經濟的飛速發展以及人類活動的不斷加劇，近岸海域水體污染和富營養化等問題日益凸顯，海洋生態災害多發[2，4-11]，對海洋經濟和海洋生態構成嚴重威脅。

福建省是我國的海洋大省，海域面積約為13.6萬km2，海岸線曲折漫長，海灣眾多，海島星羅棋布。近年來，在全球氣候變化和人類活動的影響下，福建省近岸海域環境污染日益加劇[12]，由赤潮、養殖水體水環境異常和溢油等引發的海洋生態災害時有發生。①赤潮是指海洋中的微藻、原生動物或細菌在一定環境條件下暴發性增殖或聚集達到一定水平，引起水體變色或對海洋中的其他生物產生危害的生態異常現象，是影響海洋生態環境的主要災種之一，不僅破壞海洋生態平衡和危害海洋資源環境，而且其毒素還會通過食物鏈危害人體健康[13]。2012年福建省中北部海域發生10起以米氏凱倫藻為優勢藻種的有毒赤潮，導致養殖鮑魚大量死亡，造成直接經濟損失約20.11億元，同時對當地的漁業生產、濱海旅游和居民健康造成嚴重影響，是我國近海赤潮造成經濟損失最嚴重的記錄[14-16]。②養殖水體水環境異常包括水體富營養化、有毒物質輸入污染和水體黑臭等，可能導致水體缺氧、pH值異常、營養鹽含量異常和有毒物質超標等，從而導致海洋生態災害的發生。自20世紀60年代以來,全球近海低氧區的面積呈指數級增長,低氧的暴發頻率和持續時間日益增加,已成為威脅海洋生態健康的重要因素。當水體中的溶解氧低于臨界值時，底棲動物將大量死亡，魚、蝦等漁業生物的生存也將受到威脅[17-19]。近年來，福建省連江縣至南日島周邊海域水環境異常事件時有發生，給當地的海水養殖業造成嚴重損失，尤其是2009年羅源灣海域因水體局部缺氧導致約50%的養殖鮑魚死亡，2014年連江縣海域因水體持續高溫導致8.42億只養殖鮑魚死亡。③溢油災害主要是指海上作業和船舶航行過程中的溢油造成的海上污染[20]，2012—2016年福建省南日島至連江縣黃岐鎮附近海域發生多次貨輪或商船觸礁擱淺造成溢油的突發事故，海水污染對海水養殖區造成嚴重的經濟損失和生態災害。可見，海洋生態災害的破壞性較大，衍生和擴散范圍不可預估，對沿海地區社會經濟發展的影響不容小覷。

本研究建立針對赤潮、養殖水體水環境異常和溢油等主要海洋生態災害的應急管理流程，實現對福建省近岸海域主要海洋生態災害的預警和預測以及科學化和智能化的防控輔助決策支持，有效降低海洋生態災害損失和保障海洋生態安全，為福建省海洋防災減災工作提供科學依據。

1 系統設計思路

海洋生態災害防控輔助決策支持系統的設計原則是堅持先進性、穩定性、可操作性、實用性、易擴展性、靈活性和可維護性。總體設計思路為:基于GIS技術，采用基于微軟的.NET開發平臺，在B/S架構上開發集海洋生態環境數據庫、多源海洋生態在線監測、海洋生態災害預測、海洋生態災害影響評估、海洋生態災害防控技術、海洋生態災害應急輔助決策和海洋生態災害信息發布等模塊于一體的海洋生態災害防控輔助決策支持系統(圖1)。

圖1 系統總體設計思路

.NET開發平臺可通過通用語言運行環境(CLR)控制應用程序的運行，采用面向對象的程序設計方法，可使海洋生態災害防控的業務邏輯和數據存取邏輯在不同的技術層面上實現，便于海洋生態災害防控輔助決策的快速部署和靈活調整，并充分保證系統訪問的安全性和可靠性。利用GIS技術強大的數據處理和分析功能，實現多源海洋生態在線監測數據的展示和分析。為滿足海洋生態災害防控輔助決策支持系統對模式的調用需求，利用Web service技術集成并封裝海洋生態災害統計預報模式、海洋生態動力預報模式和海洋生態災害漂移軌跡預測模式，實現對計算結果的實時應用，主要包括實時監測數據在線查詢、海洋生態災害動態預測、預報產品可視化和多渠道信息發布，為管理部門實時掌握海洋生態災害動態信息、開展海洋生態災害影響評估和采取海洋生態災害防控措施等提供快捷和便利的系統支持。

2 系統框架結構

海洋生態災害防控輔助決策支持系統采用跨平臺程序設計，可與軟件系統和設備無縫對接；采用B/S系統架構，免去安裝和升級客戶端的煩瑣操作；采用自主研發的Web GIS應用框架，包括運行支撐層、數據資源層、應用支撐層、業務應用層和用戶層。①運行支撐層構建系統的網絡環境和運行環境，是支撐系統運行的基礎；②數據資源層是系統的核心部件，主要對各類數據進行采集、分析、存儲和管理以及提供對外通信接口，通過建設數據環境實現對不同來源的結構化與非結構化數據的有機集成、科學管理和有序共享；③應用支撐層可有效整合和管理各類應用組件，使各子系統快速搭建相關功能模塊；④業務應用層包括赤潮預警、水環境異常預警、溢油預警和綜合查詢等功能；⑤用戶是系統的服務目標，用戶層對不同用戶提供各類信息服務(圖2)。

圖2 系統框架結構

3 系統核心業務流程

海洋生態災害防控輔助決策支持系統的核心業務流程包括生態環境數據庫、模式預測、災害事件防控決策和信息發布(圖3)。

圖3 系統核心業務流程

系統集成多源數據，每日在后臺運行模式預測，判斷是否可能發生海洋生態災害，并形成日常監測報告。當達到海洋生態災害預警標準時啟動加密監測，實時顯示現場應急監測數據，利用漂移軌跡預測模式并結合附近承災體數據開展災害影響評估。根據災害影響評估等級及其影響類型，從數據庫中智能提取對應的防控方法，輔助決策，自動生成災害防控報告，并通過多種渠道發布。

3.1 生態環境數據庫

生態環境數據庫包括觀測數據和監測數據等實時數據以及預測數據、承災體數據和防控方法等業務數據。①觀測數據的來源渠道廣(浮標、漁排基和海床基等)且數據格式不一致，須根據不同的數據源設計不同的數據訪問方式和數據解析手段，采用插件式數據服務方式對原始數據進行采集、質控和入庫。②監測數據分為日常監測數據和應急監測數據:日常監測數據為通過定期開展的海上定點采樣和實驗室檢測所獲得的數據；應急監測數據為在海洋生態災害發生期間，通過派出無人艇、船載走航和無人機等進行現場監測和人工采樣，經實驗室檢測所獲得的數據。③預測數據包括統計預報模式計算的數據、生態動力預報模式計算的數值預報數據(包括溶解氧、葉綠素a、硝酸鹽、水溫和鹽度等)以及漂移軌跡預測模式預測的漂移軌跡和擴散范圍數據。④承災體數據集成全省海水養殖區、濱海旅游區、海洋保護區和工業用海區4類受海洋生態災害影響最大的重要海洋承災體信息，同時包括通過典型海洋生態災害影響等級劃分算法在線評估海洋生態災害對承災體的影響的數據。⑤根據海洋生態災害的類別制定不同的防控方法，并經數據結構化整編入庫，系統可在海洋生態災害發生時自動快速釋用。

3.2 模式預測

集成統計預報模式、生態動力預報模式和漂移軌跡預測模式。①統計預報模式利用Fisher判別方法，對水體的生物、化學、水文和氣象等要素進行多元逐步回歸分析。②生態動力預報模式以ROMS為原型，利用全球模型提供的邊界條件，運用曲線正交變網格技術，建立具有港灣分辨率的三維海洋動力模式；在此基礎上，建立臺灣海峽ROMS-CoSiNE 15耦合海洋生態動力預報模式，通過參數化數值試驗選定不同狀態變量、變化過程和生態模式的參數化方案，不斷優化模式，可輸出主要海洋生態要素的數值預報結果。③漂移軌跡預測模式對海洋生態災害核心區的數據進行分析，集成漂移軌跡數學模型，展示赤潮和溢油等海洋生態災害漂移軌跡的最新預測結果并實現人-機交互；在海洋生態災害發生后，根據監測的日期和發生的地點，利用漂移軌跡預測模式每日對海洋生態災害核心區進行水質點跟蹤，預測漂移軌跡并生成報告。

3.3 災害事件防控決策

系統通過分析實時監測數據、常規監測生態要素數據和模式預測結果，采用閾值判斷方法判斷海洋生態環境是否異常，自動判斷是否觸發預警機制，并自動向值班人員發送預警信息。如果系統判斷海洋生態環境沒有異常，則不觸發預警，并自動生成日常監測報告，內容包括觀測數據和監測數據。如果系統判斷海洋生態環境發生異常，則觸發預警，判斷潛在的海洋生態災害類型，同時通知應急監測部門啟動海上加密監測，經模式預測并結合加密監測結果進一步分析海洋生態災害是否會暴發；如果得到進一步的確認，則立即啟動無人艇、無人機、應急浮標和船載走航等應急監測，獲取海洋生態災害的第一手數據資料；通過漂移軌跡預測結果評估海洋生態災害對附近承災體的影響，提出防控措施并形成防控決策報告；在整個海洋生態災害過程中，系統將持續追蹤監測和應急響應，直到災害過程結束。

3.4 信息發布

可定制信息推送方式，包括FTP、郵箱、LED顯示屏、網站、傳真、微信和短信等，實現一鍵轉化多種格式發布，為用戶實時掌握海洋生態災害動態信息提供便捷方式。

4 系統應用

海洋生態災害防控輔助決策支持系統實現對福建省海域赤潮、養殖水體水環境異常和溢油3種主要海洋生態災害的應急監視監測、模式預測、應急處置和輔助決策支持的信息化全流程管理，目前已部署在福建省海洋預報臺并穩定業務化運行。系統后臺每日自動分析實時監測數據，并通過統計預報模式和生態動力預報模式對海洋生態環境進行預測。

以2019年5月13—17日發生在連江縣黃岐鎮至北茭海域的赤潮災害為例，該赤潮的生物優勢藻種為夜光藻。5月12日前，系統每日分析監測數據，結合赤潮預測模式(統計預報模式和生態動力預報模式)自動生成日常監測報告。5月12日，根據實時監測數據和赤潮預測模式，系統預測在連江縣海域發生赤潮的可能性較大，且水溫、葉綠素濃度和溶解氧含量均將達到預警條件，于是自動生成《福建沿海赤潮監測預警報告》并發送應急管理部門。5月13日，系統啟動連江縣海域的赤潮加密監測，包括無人艇、無人機和船測走航系統，在加密監測期間確認海域已發生赤潮；啟動每日應急監測，包括水樣采集和無人機拍攝，利用赤潮漂移軌跡預測模式預測赤潮核心區的漂移軌跡和發展趨勢；開展赤潮災害影響評估，確定赤潮災害影響等級以及可能影響的范圍和承災體，逐一提取并形成防控方法，自動生成《福建沿海赤潮災害防控報告》；系統支持人-機交互對報告進行編輯，同時實現多渠道的一鍵式發布，為管理部門實時掌握赤潮動態信息提供有力的技術支撐。

5 結語

海洋生態災害防控輔助決策支持系統運用GIS和數據庫等技術，基于.NET開發平臺構建 B/S系統框架，集業務功能和GIS功能于一體，實現海洋生態災害防控輔助決策的可視化管理；根據實時監測數據對海洋生態環境進行分析，并結合模式進行預測和判斷，可快速和準確地為海洋生態災害防控提供數字化、信息化和智能化的輔助決策支持。該系統目前僅針對福建省沿海3種主要海洋生態災害，未來將集成越來越多的海洋生態災害種類信息和輔助決策方案，使系統更加完善。相信在不久的將來，該系統將得到越來越廣泛的應用和發展，不斷滿足政府部門、涉海行業和社會公眾的各種服務需求。