渤海海域溢油應急預測預警系統(tǒng)研究Ⅱ.系統(tǒng)可視化及業(yè)務化應用

牟林，武雙全，宋軍，李歡，劉首華，李琰，高佳

（國家海洋信息中心，天津 300171）

渤海海域溢油應急預測預警系統(tǒng)研究Ⅱ.系統(tǒng)可視化及業(yè)務化應用

牟林，武雙全，宋軍，李歡，劉首華，李琰，高佳

（國家海洋信息中心，天津 300171）

本系統(tǒng)基于.NET平臺，采用C#作為開發(fā)語言，對ArcEngine 9.3進行二次開發(fā)，融.NET平臺的可移植性與ArcEngine 9.3的可視化和空間顯示分析功能于一體，實現(xiàn)了溢油行為與歸宿預測模塊與GIS平臺的統(tǒng)一。把溢油漂移的計算結(jié)果與地理信息系統(tǒng)等平臺相結(jié)合，建立了渤海海域應急預測預警系統(tǒng)。也集成了環(huán)境敏感資源信息數(shù)據(jù)庫、應急設備、隊伍信息數(shù)據(jù)庫和溢油漂移模型，為溢油應急提供溢油敏感資源及應急資源的日常管理，實現(xiàn)溢油漂移預測結(jié)果與敏感資源圖的疊加耦合，達到對環(huán)境敏感資源的快速預警，形成了溢油敏感資源及應急資源管理系統(tǒng)。作為該系統(tǒng)研制中的第二部分，主要介紹了系統(tǒng)的可視化、系統(tǒng)的預報流程、系統(tǒng)案例驗證以及業(yè)務化應用的研究工作。

預測預警系統(tǒng)；業(yè)務化應用；溢油行為

1 引 言

通過第一部分的描述，可以看出，溢油預報需要高分辨率高精度的海面風、表層流的數(shù)值預報和完善的溢油漂移擴散數(shù)值預報模式[1]，并將預報結(jié)果與GIS平臺相結(jié)合，建立可視化的溢油預報預警系統(tǒng)。為此，國家海洋信息中心基于FVCOM、WRF等高分辨率數(shù)值預報結(jié)果實現(xiàn)了對溢油污染物快速準確的模擬預報及溯源回推，并通過與.NET平臺和GIS平臺相結(jié)合，實現(xiàn)了溢油行為、歸宿預測模塊與GIS平臺的統(tǒng)一。本文就溢油預報預警系統(tǒng)中的可視化工作、以及業(yè)務化工作等研究工作進行了介紹、分析[2-6]。

2 系統(tǒng)的可視化與預報流程

2.1 系統(tǒng)的可視化

本系統(tǒng)基于.NET平臺，采用C#作為開發(fā)語言，對ArcEngine 9.3進行二次開發(fā)，融.NET平臺的可移植性與ArcEngine 9.3的可視化和空間顯示分析功能于一體。因此，本系統(tǒng)具有流暢、友好的交互式操作界面，具有強大的數(shù)據(jù)管理、分析功能，實現(xiàn)了溢油行為與歸宿預測模塊與GIS平臺的整合。

2.2 預報流程

該系統(tǒng)將海流模塊、海浪模塊以及大氣模塊集成為預報系統(tǒng)，并在計算服務器上進行無人值守自動業(yè)務化運行，每天0時開始可自動從下載美國GFS背景場數(shù)據(jù)、GTS觀測數(shù)據(jù)等，并處理這些數(shù)據(jù)約需25 min；運行WRF模式，需要2～3 h左右；將計算出來的預報風場數(shù)據(jù)輸送給FVCOM和SWAN進行未來48 h的流場與浪場的預報，大約需2～3 h，完成時間為早上7點之前。也就是說工作人員每天上班后可以看到未來2天海上的氣象、流場和浪場情況，一旦有溢油發(fā)生，可以馬上投入預報預警。同時該系統(tǒng)建立了6個月的模擬結(jié)果數(shù)據(jù)庫，可實現(xiàn)對溢油的溯源回推。（預報流程如圖1所示）。

圖 1 業(yè)務化預報流程Fig.1 Operational forecasting proces

3 系統(tǒng)案例驗證及業(yè)務化應用

本系統(tǒng)在研發(fā)完成后多次對海上溢油事故進行應用，在緊急情況下，利用最短的時間便得到了較為可信的預測結(jié)果，為事故的處理提供了重要的參考價值。

3.1 “4.19”事故中業(yè)務化系統(tǒng)的應用

2010年，根據(jù)衛(wèi)星圖片顯示，在遼東半島和北隍城島之間存在一條清晰的異常帶，經(jīng)過辨識認為很可能是溢油污染物。圖2是根據(jù)衛(wèi)星圖片得到的衛(wèi)星相關(guān)監(jiān)視信息。

圖 2 4月20日06:56 Radarsat衛(wèi)星影像異常區(qū)域分布圖Fig.2 Regional distribution of Radarsat satellite at 06:56 of 20th April

根據(jù)衛(wèi)片上得到的信息，利用“渤海海域溢油應急預測預警系統(tǒng)”對污染物的來源進行回推。從2010年4月20日07時溯源9小時至2010年4月19日 22時后，結(jié)果顯示污染物可能在從老鐵山水道北偏西方向而來。如圖3所示。

圖 3 系統(tǒng)溯源回推結(jié)果Fig.3 Results of traced back to the push system

根據(jù)山東海事局接到的事故報告，2010年4月19日21時35分，“盛洲5”與“NEW VENTURE”輪碰撞后沉沒，船載2噸輕質(zhì)柴油溢出。溢油溯源得到的結(jié)果與碰撞位置相差約1海里左右。

溯源結(jié)果雖有一定的偏差，但總體來說合理準確。分析認為產(chǎn)生偏差的來源原因可能有：（1）船舶沉沒的具體位置并不清楚（回推起始點以碰撞位置為準）；（2）船舶溢油的確切時間并不清楚（回推起始時間建議在碰撞后30 min）；（3）風場、流場與實際情況存在偏差。

3.2 “4.16”膠州灣口溢油事故中回推溯源的業(yè)務化應用

2010年4月16日14時，膠州灣口發(fā)現(xiàn)海上溢油，通過本系統(tǒng)對溢油污染源預測溯源，結(jié)果顯示溢油點為黃島油碼頭（圖4）。經(jīng)事后調(diào)查確定為黃島油碼頭的油輪偷排油艙洗油水。此次回推應用的成功再一次驗證了本系統(tǒng)的可靠性。

圖 4 2010年4月16膠州灣口溢油回推圖Fig.4 Oil spill traced back over Kiaochow Bay on 16th April,2010

3.3 “BTRIGHT CENTURY”輪與“SEA SUCCESS”輪碰撞溢油預測

2010年5月1日，在威海成山頭海域兩船發(fā)生碰撞，其中裝載15萬噸鐵礦砂的好望角型散貨船“Bright Century” 號碰撞后沉沒；另一艘載貨3萬噸卷剛的靈便型雜貨船碰撞后船頭受損嚴重。碰撞發(fā)生后，溢油出現(xiàn)，為了更好的配合溢油清理工作，此系統(tǒng)對溢油的漂移路徑進行了預測。該事故溢油點位于37°38′30″N / 123°09′00″E，溢油量為100噸，油種為燃料油，預測時段為5月2日7時至5月3日19時。預測所用的風場來源于WRF實時預報風場（分辨率為10 km），流場來源于FVCOM業(yè)務化預報的潮流和風海流（最高分辨率小于50 m）。

(5)打開活塞,將裝置D中含Br2的少量溶液加入裝置E中,發(fā)生反應Br2+2KI==2KBr+I2,碘單質(zhì)溶于苯呈紫紅色,振蕩后靜置,觀察到的現(xiàn)象是裝置E中溶液分為兩層,上層(苯層)為紫紅色。

系統(tǒng)預測結(jié)果顯示如圖5，在溢油發(fā)生36 h后，污染物漂移至（38°02′57″N；123°23′20″E）附近（撞船點北偏東方向26海里處）。其漂移軌跡為圖中實線所示：首先溢油向東北方向漂移，到一定程度轉(zhuǎn)向后主要向東漂，而后又轉(zhuǎn)向西北，最后在相當長的距離內(nèi)都保持漂向東北，從初始位置來看，36 h后溢油漂移到的位置位于溢油發(fā)生位置的東北方向26海里處。

3.4 大連“7.16”溢油事件中的業(yè)務化應用

2010年7月16日18時左右，位于遼寧省大連新港附近的大連中石油國際儲運有限公司原油罐區(qū)輸油管道發(fā)生爆炸，引起火災，并導致部分原油泄漏入海。初步估計此次爆炸導致1 500噸原油流入海洋，到19日13時30分中國海監(jiān)船監(jiān)視結(jié)果顯示，受污染海域多達430 km2，重創(chuàng)了當?shù)貪O業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)和旅游業(yè)，經(jīng)濟損失十分嚴重，僅清污費就超過十億，可以說此次爆炸案為中國海上溢油事故之最。經(jīng)過調(diào)查，交通部表示，30萬噸原油船“宇宙寶石”號在大連新港中石油原油儲備庫卸油過程中，在原油儲備罐陸地管線加催化劑作業(yè)時發(fā)生爆炸。

圖 5 36小時后溢油污染物漂移的位置Fig.5 Location of oil spill pollutants drift about thirty six hours later.

大連“7.16”重大溢油事故發(fā)生時，“渤海海域溢油應急預測預警系統(tǒng)”已投入到業(yè)務化運行達半年，交通部海事局利用該系統(tǒng)模擬出了7月19日18時（約72 h后）大窯灣和大連灣溢油分布的情況（圖6），模擬結(jié)果與衛(wèi)星圖像吻合較好（圖7），為該重大溢油事故的應急響應提供了有力的預測預警技術(shù)支撐。

圖 6 系統(tǒng)模擬出的大連“7.16”重大溢油事故72 h后的大窯灣和大連灣溢油分布Fig.6 Simulated oil distributions over Dayao Bay and Dalian Bay of Dalian “7.16” major oil spill accident about seventy two hours later

圖 7 大連“7.16”重大溢油事故72 h后相應的衛(wèi)星圖像Fig.7 Satellite images of Dalian “7.16” major oil spill accident about seventy two hours later

4 溢油敏感資源及應急資源管理系統(tǒng)

4.1 溢油對環(huán)境敏感資源的影響

溢油環(huán)境敏感資源是指所有可能受到溢油影響的資源，包括：生態(tài)資源、水產(chǎn)資源、旅游資源、濱海工礦企業(yè)等。環(huán)境敏感資源的具體內(nèi)容和范圍在不同的要求下有一定的標準。

溢油對環(huán)境敏感資源的危害主要有物理作用和化學作用2種形式，物理作用是指溢油的物理性質(zhì)導致了溢油在與環(huán)境敏感資源接觸后，使環(huán)境敏感資源的外部形態(tài)、景觀或構(gòu)成發(fā)生了變化，從而破壞了環(huán)境敏感資源的正常功能，降低了環(huán)境敏感資源的原有價值；化學作用是指溢油的化學成分導致其在與環(huán)境敏感資源接觸后對其中的生物體產(chǎn)生毒害作用，進而導致生物的死亡，使原有資源遭受破壞。對不同類型和功能的環(huán)境敏感資源，其危害方式也不相同。溢油對環(huán)境敏感資源的危害性直接決定了資源的敏感性，一般而言，危害性越大，該類資源的溢油敏感性越高。

4.2 溢油敏感資源及應急資源管理系統(tǒng)研究

溢油敏感資源及應急資源管理系統(tǒng)（Oil Spill Emergency Response System 2.0， OSERS2.0）為應急反應人員提供基礎地理信息、環(huán)境敏感資源的空間分布和環(huán)境敏感資源的敏感性分級和建議的優(yōu)先保護次序，提供應急設施、設備、各類應急反應隊伍的分布情況，為日常應急培訓、演習演練提供基礎環(huán)境；系統(tǒng)集成了泄漏油品水上漂移模型，為事故發(fā)生時，應急反應人員準確把握溢油動向，并基于環(huán)境敏感資源和應急隊伍、設備情況，制定應急處置方案提供技術(shù)支持。

圖 8 OSERS2.0全貌Fig.8 OSERS2.0 overal profile

系統(tǒng)功能：統(tǒng)利用先進的NAVIGIS 平臺，實現(xiàn)了S57海圖、常規(guī)海圖、常規(guī)陸域電子地圖、衛(wèi)星遙感影像的同步分圖層顯示；基于NAVIGIS，建立了溢油環(huán)境敏感資源多媒體信息管理系統(tǒng)，包括環(huán)境敏感資源原始技術(shù)和影像資料數(shù)據(jù)、環(huán)境敏感資源敏感性和優(yōu)先保護次序技術(shù)指標等；系統(tǒng)建立了溢油應急資源信息管理系統(tǒng)，包括應急設備庫分布、應急隊伍分布等；集成了溢油漂移模型。

圖 9 OSERS2.0系統(tǒng)組成圖Fig.9 OSERS2.0 system components

該系統(tǒng)所解決的關(guān)鍵技術(shù)問題

（1）研究建立黃渤海海域溢油敏感資源管理系統(tǒng)：①研究確定敏感資源分類方法、標準和數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)；②資料調(diào)研與岸線信息、數(shù)據(jù)現(xiàn)場采集；③建立基于GIS系統(tǒng)的溢油敏感資源數(shù)據(jù)庫。包括岸線資源、人類活動相關(guān)資源等基礎信息和NOAA ESI岸線指數(shù)，有限保護次序等技術(shù)參數(shù)。

（2）建立基于GIS系統(tǒng)的溢油應急資源管理系統(tǒng)，包括應急資源的類型、分布和管理。

（3）溢油漂移預測結(jié)果與敏感資源圖的疊加耦合技術(shù)開發(fā)，達到對環(huán)境敏感資源的快速預警。

5 結(jié) 語

在上述幾個案例中，本系統(tǒng)都在短時間內(nèi)高效地預測或回推得到了比較合理、準確的結(jié)果，是一個可信度比較高的環(huán)境預測系統(tǒng)，能夠為海上溢油的防治和應急處理提供有價值的參考信息，以節(jié)省人力物力，盡量減小溢油污染對海洋和人類社會的損害。

目前該系統(tǒng)仍在不斷完善，其最終將構(gòu)建針對重點油港和主要航道的中國近海溢油污染預測預警系統(tǒng)，打造中國近海溢油污染預警決策信息服務平臺，為最大化降低溢油危害和保持海洋經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展提供信息服務。

[1]劉欽政, 張存智.渤海溢油數(shù)值預報研究 [J].海洋預報, 2005, 22(增刊): 70-76.

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Numerical model research on Emergency Warning and Predicting of ocean oil spill in Bohai Sea: Ⅱ.The visualization and the research on application

MU Lin, WU Shuang-quan, SONG Jun, LI Huan, LIU Shou-hua, LI Yan, GAO Jia

（National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China）

Based on the .NET platform, our system secondarily develops the ArcEngine 9.3 adopting with C# language.The transplantability of .NET platform and the visualization & spatial analysis function of the ArcEngine 9.3 are combined together, which unifies the oil spilling events, the final-location predicting module and the GIS platform.The Bohai Sea Emergency Prediction and Alarm System is established on the computed results of oil excursion and several platforms like GIS, and also integrates the environmental sensitive resource database, the contingency equipments, the work group database and the oil excursion model for the ordinary emergency management of the oil spilling sensitive resources and the contingency resources.The coupling of the oil excursion predicted results and the sensitive resource figures leads to a fast pre-alarm for environmental sensitive resources, which forms our Oil Spilling Sensitive Resource and Emergency Resource Management System.As the second part of our system research, this paper briefly introduces the visualization, the prediction flow, the case verification of this system, and the research on application is also involved.

Emergency Prediction and Alarm System; research on application; oil spilling events

P731.2

A

1001-6932(2011)06-0713-05

2011-06-15；

2011-09-08

國家發(fā)展與改革委員會高技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展項目( 2008-311-000-035 )；海洋公益性行業(yè)科研專項（200905001）。

牟林 ( 1977－ )，男，博士，副研究員。電子郵箱：moulin1977@hotmail.com。