福建省赤潮预警系统研究与应用

李雪丁，曾银东，任在常，张春桂，郭民权

福建省赤潮预警系统研究与应用

李雪丁1，曾银东1，任在常1，张春桂2，郭民权1

（1.福建省海洋预报台，福建福州350003；2.福建省气象科学研究所，福建福州350001）

考虑赤潮预警的业务需求，基于GIS平台、C/S（Client/Server）架构和2D web GIS服务平台，研发了赤潮预警系统，该系统由赤潮监测数据库、赤潮藻种库、赤潮预警模型、赤潮动态、赤潮历史资料和系统管理六大模块组成。可实现生态浮标监测、常规现场监测、应急监测、卫星遥感监测数据的实时采集入库、查询、显示、分析；能够开展基于天气模型的赤潮预警，赤潮漂移轨迹预报，对赤潮周边海水养殖、海水浴场休闲旅游进行示警。该系统为业务人员快速制作、发布赤潮预警，赤潮防灾减灾辅助决策支持等方面提供了支撑平台。

赤潮；预警系统；GIS

1 引言

福建省是海洋大省，海岸线曲折漫长，海湾众多，沿海岛屿星罗密布。因其特殊的海湾环境、气候条件及沿海海洋环境污染的加剧[1]，平均每年发生赤潮16.1起[2]，是我国赤潮频发的省份之一。赤潮严重威胁福建省渔业生产、滨海旅游甚至公众健康，尤以有毒赤潮的危害为甚，2012年发生在福州连江到泉州杜厝一带沿岸海域的米氏凯伦藻赤潮造成了渔业直接经济损失20.11亿元[3]。面对这一日益突出的海洋生态问题，如何进行有效预测和防灾减灾迫在眉睫。

赤潮的发生是生物、化学、水文、气象等因子综合影响的结果[4-7]，各影响因子在不同海域和不同季节差异很大，不同赤潮优势藻种发生时各因子的变化也各异，因此，难以建立通用的赤潮预报模型，建立区域性赤潮预警系统较为可行，近年来已有相关研究。张涛等[8]利用已有赤潮监测技术和浮标监测及船载快速监测技术，开发了赤潮监控预警系统。冯剑丰等[9]基于实例推理机制(CBR)，综合运用人工神经网络、知识发现、模糊逻辑及赤潮生态动力学模型库，开发了智能赤潮预测预警系统。谢赞福等[10]研发了基于Web的赤潮预报专家系统。卢志永等[11]开发了集预测预警信息系统、预测预警决策系统和预测预警应急系统的赤潮综合集成预警系统。前人研究成果多关注赤潮预警的一个或几个环节，没有涉及从多元监测数据采集与分析、预警模型、预警制作与发布、辅助决策与一体赤潮综合应用系统，特别是具有长期稳定数据支撑的业务化赤潮预警系统较为少见。

2000年，福建省启动了赤潮监控区监测工作，对赤潮频发的四大海域进行定期定点监测，有效提升了福建省赤潮发现率。但因监测频率较低，难以对赤潮的发生进行有效预警。福建省赤潮预警工作始于2007年，其主要手段是利用海上生态浮标实时监测和赤潮监控区常规定点、应急监测资料，结合高、低空大气环流形势变化进行分析，对福建沿海赤潮进行预警。因缺乏赤潮预警平台，无法开展基于单个或多个海洋环境因子变化的定量预警，也没有建立赤潮天气预警模型和赤潮漂移模型，难以就赤潮对养殖海区、海水浴场、滨海旅游等产业的影响进行预警，为政府部门防灾辅助决策提供科学依据。本文在前人研究的基础上，针对福建省赤潮预警业务化工作的需求，重点研究适合福建海域的赤潮天气预警模型，建立赤潮监测数据分析模块，研究赤潮漂移预警模型，开发了赤潮预警系统，系统基于GIS平台、C/S（Client/Server）架构和2D web GIS服务平台，实现了赤潮预警的制作与发布，赤潮漂移轨迹预测，分析赤潮对周边海水养殖、海水浴场、滨海旅游区的影响，为业务人员开展业务化赤潮预警提供平台，为政府部门防御赤潮灾害提供决策支持。

2 系统运行环境

以Windows操作系统的PC电脑作为本软件运行平台，客户端硬件要求CPU至强2.6GHz，内存2.0G；服务端硬件要求CPU至强2.8GHz，内存4.0G；软件基于Microsoft.NET平台开发，使用C＃语言，SQL Server2005数据库工具，Microsoft Visual Studio 2010 IDE开发工具，通过winform桌面应用技术，调用操作系统的Framework 3.5类库，客户端与服务端通过socket协议方式建立握手连接进行通信。

3 系统主要特点

（1）基于二维地理信息系统（2D web GIS）平台。空间数据库的管理与分析具有高效、便捷、可靠、易于移植、便于维护等优点；

（2）响应速度快。客户端与服务器直接相连，大量数据处理在服务器端完成，响应速度快；客户端承担部分数据处理、算法运行任务，降低服务器负担；

（3）操作界面个性化设计。系统界面具有直观、美观、形式多样，简洁、方便等特点，而且能满足客户个性化操作的要求；

（4）采用Microsoft.NET反射机制。系统广泛使用远程调用技术，拓展了通过任何设备随时随地操作数据和进行通讯的能力，增强了数据传输网透明度，并利用多线程方式实现了多数据源并发处理；

（5）可扩展性强。系统设计了扩展接口和功能插件配置机制，有新增模块需求时，能独立研发，插件式集成到系统菜单以及地图平台上。

4 系统模块与功能

赤潮预警系统采用二维地理信息系统技术，支持各种图层叠加、比例缩放、地图查询、距离面积测量等通用GIS功能，支持叠加高比例尺电子地图等基础地理信息数据，提供了点、线、多边形、圆形四种基本图元类型，直观展现赤潮发生的时空分布、影响区域等。系统包括监测信息、赤潮预警、赤潮动态、历史查询、赤潮资料和系统管理等六大模块，具体框架图如图1所示。

4.1监测信息模块

监测信息可以查询气象、浮标、卫星遥感和天气图数据信息（见图2），查看单个要素时间序列曲线，及在同一窗口查看多个要素时间序列曲线。鼠标移至曲线内，可查看曲线对应时间和要素的数值。

（1）气象监测信息：福建省沿海各市、县气象站数据，监测要素为气压、气温、风速、风向等；

（2）浮标监测信息：台湾海峡中线附近5个大浮标数据，福建省沿海14个生态浮标数据，监测要素为风速、风向、气温、气压、叶绿素-a、浊度、水温、盐度、溶解氧、溶解氧饱和度、pH、流速、流向、有效波高、最大波高等；

（3）遥感监测信息：台湾海峡及其周边海域海洋水色遥感产品，监测要素为叶绿素、海表水温、叶绿素荧光、叶绿素异常、悬浮泥沙、透明度、海面风等；

（4）天气图信息：历史天气实况图和预报图，预报机构为中国、韩国、美国等，包括地面天气图和高空天气图，其中地面天气图上填有气温、湿度、风向、风速、能见度和海平面气压等，同时还包含了一部分高空不同层次的云和降水，也有过去6 h内的天气现象，高空天气图有850、700、500 hPa等层次，可以分析不同高度层中的气压场、温度场和湿度场。

4.2赤潮预警模块

该模块由赤潮预警天气模型、赤潮漂移模型、赤潮预警制作和发布组成。

赤潮预警天气模型的原理是利用NCEP的500 hPa再分析气象资料，研究天气形势与福建沿海赤潮发生之间的相关关系，建立统计预测模型。本文取气象和赤潮资料的年限为2001—2010年，以赤潮面积大于10 km2的116个赤潮个例作为研究样本，研究分为4—5月、6—7月、8—9月三个时间段，分析过程包括计算季节天气平均场、赤潮个例天气相关场、初始天气典型场和赤潮天气典型场。

图1 赤潮预警系统框架图

图2 监测信息功能模块界面

（1）季节天气平均场：采用固定时间段内对每个网格点上的位势高度进行时间平均，得出平均场数据；

（2）赤潮个例天气相关场：分别将三个时间段内赤潮生成时的天气形势场与相应季节天气平均场作距平场，对距平场进行两两相关计算，输出相关场矩阵；

（3）初始天气典型场：对赤潮个例天气相关场中相关系数大于等于0.7的所有赤潮个例对应的天气场进行平均，作为初始天气典型场；

（4）赤潮天气典型场：利用初始天气典型场对NCEP再分析资料进行各月逐日相关计算，取相关系数大于等于0.7，且有赤潮发生时的天气场再进行平均，得到新平均场。采用同样的方法，利用新平均场对历史各月逐日天气场进行相关计算，经过反复筛选，直至赤潮发生日期不再变化时，得到三个时间段的赤潮天气典型场。相关关系的计算见公式（1）：

式（1）中，i表示时间序列，j表示格点序列，n表示所选典型场区域的格点数，ρixy表示变量x、y的相关系数，x变量表示个别典型场与气候场的距平场，y变量表示所求季节内每日天气形势场与气候场的距平场，x¯i、yi分别表示第i天距平场的平均值。

利用数值预报天气形势场与赤潮天气典型场进行相关性分析，就可以预测赤潮发生的概率。例如，2013年5月8日，赤潮预警天气模型计算相关系数为0.6，表明出现了有利于赤潮发生的天气形势，5月9日平潭龙王头海水浴场附近海域发生了夜光藻赤潮。

赤潮漂移模型是在风场-浪场-温盐流场数值模型的基础上，结合拉格朗日水质点漂移理论而建立。其基本原理是赤潮的漂移轨迹和速度主要受控于潮流、海面风及表层海流作用，将赤潮视为水质点，可利用赤潮漂移模型预测其漂移轨迹。

本研究基于ROMS（Regional Ocean Modeling System）建立海流模型，该模型采用不可压缩流体静力学平衡方程，模式水平方向选用曲线正交坐标系，使用“Arakawa C”交错网格，边界潮位由全球大洋潮波模式（TPXO7）的输出结果插值得到，使用大洋温、盐、流气候态数据World OceanAtlas（WOA2009）作为侧边界控制条件，海表风使用福建省海洋预报台业务化运行的WRF（Weather Research Forecast）风场驱动。假定赤潮初始位置为s→0，经过一定的时间步长Δt后漂移到新的位置s→，可以用公式（2）计算赤潮的漂移轨迹：

式中，V→t为t时刻的赤潮漂移速度，它是时间和空间的函数，Δα为湍流涡动造成的随机移动距离。此外从公式上看，时间步长dt的选取对漂移轨迹的模拟也是要考虑的重要因素，dt太大可能会导致误差随时间逐渐放大。

赤潮预警制作是预报员开展赤潮预警工作的平台，预报员利用实时获取的气象、水文、生态、化学、遥感和天气图等资料，结合赤潮预警天气模型预测结果，进行综合分析，开展赤潮发生条件预测，存储入库。

赤潮预警发布实现利用FTP、传真、网站、电子邮件等通讯方式，快速发布赤潮预警信息。

4.3赤潮动态模块

赤潮动态由赤潮信息报告、赤潮公告、赤潮动态信息和海水浴场示警等子模块组成。

赤潮信息报告模块实现面向省政府的赤潮信息报告制作；赤潮公告模块实现面向公众的赤潮公告的制作。赤潮动态信息子模块实现赤潮现场监测资料（包括水温、盐度、气温、气压、风速、风向、赤潮优势种及密度、是否毒性等）、照片、影像等资料的存储与发布。海水浴场示警模块用于赤潮防灾减灾辅助决策。该子模块自动判断赤潮所在位置，测算与海水浴场距离，通过设定某一个警示距离，对距赤潮小于警示范围内的海水浴场进行报警。例如，2013年5月21日发生在平潭龙凤头至限山海域的赤潮，经系统自动分析显示，赤潮距平潭龙王头海水浴场仅1.31 km，系统自动报警。业务人员利用该系统预测赤潮漂移方向，分析对海水浴场的影响，建议政府部门适时关闭海水浴场，实现了赤潮防灾减灾辅助决策。

4.4历史查询模块

历史查询模块提供对历史赤潮事件的检索分析，可按地域（发生海区、沿海城市、经纬度范围）、时间（发生或结束时间、年份、某一个月份的所有年份、某个时间段内某个月份）和其他（赤潮面积、优势种和毒性等）查询等三种形式进行单独查询，也可以进行组合查询，以及对查询结果的再查询（见图3、4），这对于掌握历史赤潮时空分布特征、藻种信息等具有重要意义。

图3 赤潮历史查询功能模块界面

图4 时间查询界面和其他查询界面

4.5赤潮资料模块

赤潮资料模块由赤潮藻种信息、赤潮文档检索等子模块组成。赤潮藻种信息模块可查询赤潮优势藻种中文名称、拉丁文名称、毒性、赤潮基准密度、照片等信息；赤潮文档模块提供以文献名、出版机构、作者、出版时间等关键字的赤潮文献查询，以及相关法律法规的查询，查询可包括单一或组合查询。

4.6系统管理模块

系统管理模块提供用户管理、数据管理和设置管理3个子模块，实现对用户的新增、编辑、删除、权限设置进行维护管理，对更新、维护监测数据进行管理，对修改系统配置文件进行管理。

5 系统应用

业务人员利用赤潮预警系统，分析生物、水文、气象和水质的变化，结合赤潮预警天气模型的概率预报，开展赤潮发生条件分析、制作和发布。以2013年5月9日平潭沿海赤潮为例介绍系统的应用。

5.1监测信息模块

高空上，2013年5月7日08时我国沿海受高压脊主体控制，9日东南沿海受脊后槽前的西南暖湿气流控制（见图5a、b）。地面上，7日内陆西南地区有明显的倒槽发展，9日内陆发展形成的气旋影响福建（见图5c、d），沿海气流偏南，气温、湿度上升明显，此种天气条件有利于福建沿海赤潮的发生。

气温从6日起持续升高，从18.6℃上升至赤潮发生时20.5℃，日上升幅度达0.8℃；气压于6日起持续下降，从1016.3 hPa下降到1005.1 hPa，10日下午又快速上升（见图6），这种升温降压天气过程有利于赤潮的发生[4]。

水温在8日起有明显上升过程，3 h升高了0.4℃，赤潮消亡前维持在19.9℃的高位，为赤潮暴发创造了良好的水温条件；盐度在7日和8日有两次较大幅度的跳跃下降，有利于促进赤潮生物的迅速增殖[5-6,12]；有效浪高在8日迅速减小至1.0 m以下，为赤潮的发生创造了稳定的水体环境（见图7）。

图5 高空天气图（a、b），地面天气图（c、d）

图6 2013年5月6—10日气象条件

5.2赤潮预警天气模型模块

赤潮预警天气模型显示（见图8），7日前天气形势与赤潮天气形势典型场相关系数小于0.3；8日起相关系数达到了0.6，指示赤潮发生的概率较大。

综合上述分析，平潭海域持续多日的阴天，并伴有一定降水，前期盐度明显下降，气温、水温快速回升，风浪非常小，赤潮预警天气模型显示赤潮发生概率达0.6，发生赤潮可能性较大，我们利用该系统制作发布了赤潮预警信息。5月9日平潭龙王头海水浴场附近海域发现夜光藻（Noctiluca scintillans）赤潮，面积约20 km2，10日后期赤潮消亡，水体恢复正常。

图7 2013年5月6—10日水文条件

图8 赤潮预警天气模型预测结果

6 结语

本研究基于C/S架构与2D web GIS服务平台，使用C＃语言，SQL Server2005数据库工具，开发了赤潮预警系统，该系统具有响应速度快、客户操作界面设计个性化、采用.NET反射机制、可扩展性等优点，能够提供便捷的赤潮监测数据显示分析，开展基于天气模型的赤潮预警，实现快速制作发布赤潮预警信息，有效提高赤潮预警能力和赤潮资料的规范化管理水平，为赤潮防灾减灾决策提供技术支撑。

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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

福建省自然科学基金（2011J01260）；福建省科技计划重点项目（2011Y0004）；福建省科技计划重点项目（2011Y0009）

李雪丁（1982-），男，助理研究员，主要从事海洋预报工作。E-mail:lxd007@xmu.edu.cn

曾银东（1978-），男，高级工程师，主要从事海洋预报工作。E-mail:zydzyd100@163.com