基于 GIS 的海洋灾害预报预警系统应用研究

徐盼盼 ，梅元勋 ，赵庆庆

（1.宁波市海曙区规划与地理信息中心，浙江 宁波 315000；2.宁波市测绘和遥感技术研究院，浙江 宁波 315000）

0 引言

作为中国最早开放的沿海城市之一，宁波市海洋灾害频发，自然灾害主要包括台风和暴雨，两者往往同时出现，灾害发生时间多集中在每年夏秋季节，具有明显的海洋灾害特征，各类海洋灾害严重威胁着沿海地区人民群众的生命和财产安全[1]。近年来，各级政府部门高度重视海洋防灾减灾工作，海洋灾害预报预警工作有了较好发展。但宁波市海洋灾害防御非工程措施方面仍存在实时数据存储分散独立、预报产品颗粒度小、预报精细化不够、缺乏 GIS 动态可视化呈现等不足。目前不少国内外学者对海洋风暴潮、海浪进行了一些预报研究，但专门针对宁波市沿海风暴潮、海浪进行预报模拟分析的研究较少。

在风暴潮预报方面，金秋等[2]利用增水预报模型实现逐时潮位预报，但未叠加天文潮数值，预报精度受限。李欢等[3]基于 ADCIRC 模式对宁波市沿海风暴潮进行预报，但仅能对少量水位站进行预报，无法对海洋要素进行全面预报预警。罗智丰等[4]基于 ADCIRC 建立了广州市风暴潮精细化预报模型并进行验证，为广州市风暴潮精细化预警预报工作提供参考，但未对预报结果进行 GIS 动态空间场景可视化。刘克强等[5]利用 ADCIRC 水动力模型建立台风风暴潮预报模型并进行验证，但由于缺乏区域性研究，并未实现预报自动化。高佳等[6]研究了基于ADCIRC+SWAN 耦合模型的风暴潮数值模拟，但台风过程波浪增水并不十分明显。罗锋等[7]建立了江苏海域的精细化风暴潮数值预报模型，但涉及站点较少，不足以验证模型的准确性。

在海浪预报方面，李雪丁等[8]研发了福建省智能网格海洋预报业务系统，实现网格海洋预报产品的及时、高效和智能化制作，在时空上预报精细化程度更优，但适用区域受限，不完全适用于宁波市。刘凡等[9]研究了海浪预报方法的进展情况，分析了半经验半理论、经验统计、数值等海浪预报方法，但模型建立困难，且对实时性数据要求较高。张永垂等[10]在全球业务化海洋预报系统进展中重点介绍了基于混合坐标海洋、欧洲海洋核心、模块化海洋等模式开发的全球海洋环流业务预报系统的组成和参数配置，但无区域针对性预报。邵建等[11]研发了智能网格预报时空协调一致关键技术，目前该项技术仅通过数学手段实现协调一致，虽然可以满足业务需求，但仍有较大改进余地。

因此，本研究围绕海洋灾害防御精准化、一体化和智能化等目标，聚焦宁波市沿海海洋灾害防御的薄弱环节，以数据为底座，平台为载体，利用不少学者提出的基于 ADCIRC 模式的风暴潮预报技术方法和浙江省统一下发的智能网格预报海浪预报技术方法，并结合 GIS 实现海洋灾害预警信息动态化、预报精准化、管控科学化和业务协同化。

1 技术方法

本研究涉及的海洋灾害预报类型包括海浪和风暴潮预报 2 种，其中海浪预报采用智能网格预报方法预报海浪浪场变化情况，风暴潮预报采用 ADCIRC技术方法对潮位进行预报，实现海洋灾害的动态评估和预报预警。

1.1 海浪预报方法

智能网格预报利用云计算、“互联网+”、人工智能等现代信息和气象大数据应用等技术，改造传统预报业务，实现业务技术客观智能，业务流程扁平高效，以及滚动制作、实时同步、协同一致的网格预报制作[12]。为规范浙江省海洋智能网格预报业务，有效提高海洋预报准确率和精细化水平，浙江省研发出针对沿海区域特点的海洋智能网格预报业务产品，各市、县统一采用。先由浙江省级预报中心统一制作预报指导产品下发到各市，宁波市级预报中心接收指令并从省级云平台获取海洋智能网格预报指导产品，预报员结合宁波市海浪实际影响情况运用本地智能订正技术方法，对本责任区网格预报指导产品进行定时订正并传回云平台，再由省级平台审核并共享最终预报成果，成果数据以 NetCDF 格式分发，通过数据解析将海浪预报数据成果存储至预报数据库，结合海浪预警指标，实现海浪预报预警，流程如图 1 所示。本研究提到的海浪预报方法基本控制方程如下：

图1 预报预警流程图

式中：波作用量N（σ，θ）与能谱密度E（σ，θ）的关系为N（σ，θ）=E（σ，θ）/σ，其中σ为相对频率，θ为波向；为波作用量随时间的局地变化项代表波作用量在地理空间上的传播，其中Cx和Cy分别为波作用量在x和y方向上的传播速度为频移项，主要由水深和流速的变化产生，Cσ为波作用量在频率空间中的传播速度代表由水深和流引起的折射，Cθ为波作用量在波向空间中的传播速度；S表示能量的输入、耗散，具体形式为

式中：S1表示风能输入项；S2表示三波相互作用；S3表示四波相互作用；S4表示白帽耗散；S5表示底摩擦；S6表示波浪破碎。

海浪预报产品要素包括有效波高、波向、波周期。采用最后订正的预报结果进行海浪预报预警工作，利用开源软件 ncdump 将海浪预报结果 NetCDF 文件转换为 JSON 格式，使用 Turf.js（用于地理空间计算的 JavaScript 库）将 JSON 数据转换为格网数据，结合GIS 技术与海浪预警指标体系，实时绘制海浪未来预报大面浪场，实现海浪预报预警的动态空间可视化展现。预报要素的预报时效分别为 24，48，72，96，144和 168 h。预警等级分为 6 个等级：0～1 m 为淡蓝色，1～2 m 为浅蓝色，2～3 m 为深蓝色，3～4 m 为黄色，4～6 m 为橙色，6～9 m 为红色。

1.2 风暴潮预报方法

针对宁波市近岸、近海区域，基于 ADCIRC 技术方法[13]，采用大范围网格为区域精细化网格提供边界条件的方式，建立高分辨率的风暴潮耦合数值预报模型，对影响宁波市沿海有代表性的台风风暴潮过程进行模拟计算，预报沿海各潮位站的逐时和高低潮潮位。

ADCIRC 技术方法采用垂向平均的二维计算方式，在笛卡尔坐标系下求解自由表面起伏高度、二维流速等变量，其中海水连续方程为

海水原始动量方程为

式中：ζ为自由表面起伏高度；t为时间；L为纬度和网格计算区域中心点纬度的余弦值之比；（x，y）为笛卡尔坐标；vx，vy分别为x，y方向的海水平均流速；U，V分别代表自由表面起伏高度和二维流速；H=ζ+h，为海水水柱的总水深，h为未扰动海洋水深，即平均海平面至海底的距离；R为地球半径；f=2ωsinϕ，为科氏参数，其中ω为地球自转角速度，ϕ为计算水域的地理纬度；g为重力加速度；ρ0为海水密度，为1 025 kg/m3；ps为海水自由表面的大气压强；η为牛顿引潮势；τsx，τsy分别为海表面风切应力x和y方向的分量；Fbx，Fby分别为海底摩擦力x和y方向的分量；Dx，Dy为动量方程的水平扩散项。

基于 GIS 结合风暴潮预报成果实时动态绘制未来岸段预警变化图，风暴潮预报预警流程如图 2 所示。以宁波市 56 个沿海岸段为预警对象，部分岸段与潮位核定站点预警关系如表 1 所示。

表1 部分岸段与潮位核定站点预警关系表

图2 风暴潮预报预警流程

1.3 海洋灾害数据底座构建方法

数据库作为数据支持层，是海洋灾害预报预警的信息源头和基础。基于宁波市海洋灾害风险普查和海洋灾害防御三年行动成果，收集整理宁波市海洋重点防御区分布区域、所属乡镇、重要承灾体、历史灾害信息和海堤等数据资料，建立相应的海洋灾害数据库。数据类型主要包括物联感知、空间、预报和其他等 4 类数据：物联感知数据主要来自现有 3 类实时监测数据，包括潮位实况、海浪实况、视频监控等数据；空间数据主要包括海洋灾害风险普查数据、行政区划图、海域图、浪场图等；预报数据包括海浪和风暴潮预报 2 类数据；其他数据包括业务和基础等数据。

本研究涉及的数据来源和形式较多，数据分散独立，如 Excel、文本、接口或数据库等形式，数据获取或更新困难，须将数据进行清洗、融合、规范、同步，将所有相关数据归集到一起，建立相应的数据子库，包括海洋灾害风险普查、观测实时、视频监控、模型、地理空间和系统业务等数据库。海洋灾害数据库相关数据如表 2 所示。

2 预报预警系统应用

2.1 系统架构

根据上述技术方法，初步构建了宁波市海洋灾害预报预警系统（以下简称系统），系统架构如图 3 所示。

具体内容包括：1）采集层。根据数据来源情况分为在线自动采集、人工录入数据及数据接入。在线自动采集数据包括海浪、潮位、视频实时监测等数据；人工录入数据包括海洋灾害普查、潮位、海浪基本信息及业务系统其他录入数据；数据接入涉及海浪预报、其他跨部门等数据。2）数据层。在采集层的基础上建立专题数据库，包括视频监控、海洋灾害风险普查、模型、地理信息、业务和实时监测等数据库。3）应用支撑层。包括视频、风险普查、模型数据、实时监测及预报等服务，为业务应用层提供统一、安全、可靠、高效的数据服务和管理。4）业务应用层。海洋灾害预警的核心，依托各类数据资源和应用支撑平台环境，提供各种应用功能。

表2 海洋灾害数据库相关数据表

图3 系统架构图

2.2 实例应用

宁波市是热带气旋频发区，选取近 5 年影响宁波市的几场台风，即“202211 号轩岚诺”“202212号梅花”“202106 烟花”“202114 灿都”“202014 灿鸿”“201909 利奇马”“201918 米娜”“201814 摩羯”，利用本研究提出的海浪和风暴潮预报方法对海浪、风暴潮进行模拟预报，验证预报方法的合理性，并进行应用分析展示，具体功能如下：

1）实时监测。基于物联感知体系建设的海洋灾害实时监测内容，由物联网感知设备将数据实时传输至终端服务器，经过信号解析、数据预处理等操作将数据接收至实时监测数据库，供系统查询展示，包括海浪、潮位、视频等实况监测。其中：海浪实况监测内容为近岸、近海浮标实时观测浪高；潮位实况监测内容为海洋观测潮位站实时监测潮位、高潮、低潮等；视频监控是对海浪、潮位等站点实况的现场情况展示。潮位实况监测如图 4 所示。

2）海浪预报预警。结合GIS 地图，利用智能网格预报技术，通过接入海浪预报数据，展示近岸、近海的海浪预报数据和预警等级信息，实现近海海域大面海浪预报场等动态空间可视化，提供未来预报浪场的预演、播放功能，自动模拟未来海浪浪场动态空间预警变化情况。

由于海浪网格点较多，本研究主要选取“202212 号梅花”台风对海浪预报进行详细验证，分别模拟 2022年 9 月14日 12：00和9月15日00：00 的海浪浪场变化情况，如图 5和6 所示。台风于 2022年9 月14 日晚 20：00 登录浙江舟山附近，14日12：00 海浪预警程度明显比 15日00：00 强，随着台风过境，预警程度降低，预报结果符合台风期间海浪预警变化。

图4 潮位实况监测

图5 2022年9月14日12：00 海浪预报

图6 2022年9月15日00：00 海浪预报

3）风暴潮预报预警。利用 ADCIRC 技术方法计算宁波市沿海各潮位站风暴潮预报潮位，预报合格情况如表 3 所示。预报合格次数为 247 次，总次数为319 次，合格率为 77.4%，预报结果符合台风现势实际，满足风暴潮预报要求。根据 GB/T 22482—2008《水文情报预报规范》，合格率达到 70% 以上为预报精度较好，说明本研究宁波市沿海精细化风暴潮预报方法是可靠的。

表3 风暴潮位预报合格情况表

通过系统接入潮位预报结果，结合 GIS 地图，展示宁波市沿海岸段的风暴潮精细化预报数据、预警等级和信息，动态空间可视化展示沿海岸段风暴潮预警变化等。可以时间轴形式查询各时间点的岸段预警情况，支持播放功能，预演岸段预警变化情况，功能界面如图 7 所示。

4）预警发布。结合海浪、潮位预报预警等级情况，利用 GIS 技术自动分析周边影响区域的相关责任人、渔民、海上作业人员等，调出影响区域相关人员的姓名、地址、联系方式、联系电话等信息，自动或手动向影响区域相关人员发送海洋灾害预警信息，同时支持编辑预警模板，快速发布，提醒相关人员转移等功能。

3 结语

图7 风暴潮预报预警演变过程功能界面

本研究开展了宁波市海洋灾害数据的整合工作，对当前不同来源的各类实时数据进行处理、清洗、融合等，解决了数据不通、共享困难等难题，同时利用智能网格预报和 ADCIRC 技术方法分别对海浪和风暴潮进行预报，基于 GIS 建立了宁波市海洋灾害预报预警系统，并结合历年影响宁波市较大的多场台风验证了预报方法的科学性和合理性，实现了海洋灾害监测、预报、预警、预演等功能。系统建成后运行良好，海浪、风暴潮预报结果符合台风现势实际，在一定程度上为宁波市沿海应急指挥决策、海洋灾害辅助决策、港口安全生产、渔船海上作业等提供有力的技术支撑，促进了海洋灾害预报向智能化、一体化、精细化发展。

但预报结果对内陆区域的淹没程度尚未可知，如防御区、学校、医院、工厂等，整体缺乏承灾体风险的预警研判，后续将根据一定的风暴潮风险评估方法，计算区域网格淹没水深，结合土地脆弱性等级和风暴潮风险预警等级，分析研究区域淹没范围和程度，实现沿海区域承灾体的风险预警，进一步提升海洋灾害防御和治理能力。