黃海綠潮應(yīng)急預(yù)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)化研究與應(yīng)用

白濤，黃娟，高松，吳玲娟，曹雅靜，鐘山

（山東省海洋生態(tài)環(huán)境與防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；國家海洋局北海預(yù)報中心，青島，266033）

1 引言

黃海綠潮近四年連續(xù)大規(guī)模暴發(fā)，受其直接影響的區(qū)域主要為從日照到威海的山東半島南岸的近岸海域和沿岸地區(qū)（見圖1）。綠潮災(zāi)害對這一地區(qū)的水產(chǎn)養(yǎng)殖、水上運(yùn)動、濱海旅游、海上交通運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)產(chǎn)業(yè)的影響尤為嚴(yán)重，這些產(chǎn)業(yè)在山東省海洋經(jīng)濟(jì)中具有舉足輕重的地位。近幾年青島和日照兩市先后提出了“帆船之都”、“水上運(yùn)動之都”的城市發(fā)展規(guī)劃，形成以水上運(yùn)動為特色的沿海旅游產(chǎn)業(yè)，該產(chǎn)業(yè)極易受到綠潮災(zāi)害的直接影響，2008年黃海大規(guī)模綠潮威脅青島“奧帆賽”，對賽事的準(zhǔn)備工作造成了諸多困難，并且兩市目前每年舉辦的大型海上運(yùn)動項(xiàng)目多達(dá)十幾項(xiàng)，因此對綠潮防災(zāi)減災(zāi)工作提出了更高的要求。

近年來國外很多科學(xué)家對綠潮的生長機(jī)制、運(yùn)動方向和速度等要素進(jìn)行多方面研究，并得到了初步的成果。Aurousseau等[1]在法國綠潮災(zāi)害比較嚴(yán)重的Brest灣，建立三維生物地球化學(xué)模式，對該海域的漂浮綠潮的生長和腐敗-漂移-沉降進(jìn)行模擬。Cugier等[2]建立的浮游植物三維生態(tài)學(xué)模型和三維水動力模型（Cugier等[3]），建立適應(yīng)于Brest灣的綠潮特征（Me′nesguen等[4]；M′enesguen[5]）的三維生物地球化學(xué)模型，同時開展了潮間帶綠潮的預(yù)報研究。Perrot等[6]發(fā)展了預(yù)報潮間帶海藻的簡單方法，并于2007年5月建立了綠潮在潮間帶生長和漂移的預(yù)報模式。2008年5月31日黃海海域發(fā)現(xiàn)漂浮綠潮后，國內(nèi)研究人員對綠潮的漂移進(jìn)行多方面研究，并得到了初步的成果。北海預(yù)報中心立即啟動高性能計(jì)算機(jī)，利用衛(wèi)星、船舶、飛機(jī)、海洋站等多源觀測和監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用POM（Princeton Ocean Model）三維全動力海流模式的拉格朗日粒子追蹤方法，快速準(zhǔn)確預(yù)報綠潮的漂移方向和路徑。喬方利等[7]根據(jù)7月份綠潮的漂移路徑，提出“綠潮長程輸運(yùn)通道”觀點(diǎn)，認(rèn)為綠潮的長程輸運(yùn)通道會隨著風(fēng)場變化而略有不同，可將監(jiān)測與打撈工作從整個面集中到狹窄通道內(nèi)。喬方利等[8]利用數(shù)值模式對2010年綠潮漂移進(jìn)行了模擬研究，發(fā)現(xiàn)風(fēng)場驅(qū)動下的海洋表層流場年際變化是滸苔漂移路徑變異的主要原因,提出區(qū)域氣候變化是影響海洋生態(tài)系統(tǒng)的一種途徑。

圖1 2008—2011年連續(xù)4年綠潮分布對比圖

圖2 COSMO SAR及MODIS衛(wèi)星遙感綠潮解譯圖

目前，由于一些綠潮監(jiān)測關(guān)鍵技術(shù)尚需完善，以及業(yè)務(wù)化的黃海綠潮業(yè)務(wù)化預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)的缺少，使得綠潮災(zāi)害的預(yù)測預(yù)警難以進(jìn)行業(yè)務(wù)化開展，因此，研究綠潮業(yè)務(wù)化預(yù)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)一套集綠潮監(jiān)測、信息提取與融合、數(shù)據(jù)收集與同化、預(yù)測預(yù)警及產(chǎn)品發(fā)布等功能于一體的綜合業(yè)務(wù)化系統(tǒng)，對黃海周邊地區(qū)海洋經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展和《山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》的順利實(shí)施都具有重要作用。

2 綠潮漂移預(yù)測數(shù)值預(yù)測系統(tǒng)

2.1 綜合要素初始數(shù)據(jù)收集

利用TERRA/AQUA-MODIS、SARCOSMO-1/COSMO-2和HY-1B衛(wèi)星、航空、船舶、岸基等多源監(jiān)測數(shù)據(jù)，開展多源數(shù)據(jù)融合技術(shù)（見圖2—3）。主要包括多源數(shù)據(jù)可信度、準(zhǔn)同步監(jiān)測數(shù)據(jù)訂正技術(shù)研究和模式數(shù)據(jù)融合技術(shù)等，為黃海綠潮預(yù)測預(yù)警提供初始場做基礎(chǔ)。然后對多源監(jiān)測數(shù)據(jù)資料進(jìn)行整理分析和篩選，形成綜合要素?cái)?shù)據(jù)集并數(shù)字化，為綠潮漂移預(yù)測模型提供初始場、邊界場和校驗(yàn)場。

圖3 綠潮岸邊巡視監(jiān)測圖及海監(jiān)飛機(jī)綠潮航拍監(jiān)測圖

2.2 氣象預(yù)報模式建立

WRF(the Weather Research and Forecast)是正在開發(fā)的新一代中尺度非靜力預(yù)報模式和資料同化系統(tǒng)，具有研究和業(yè)務(wù)預(yù)報功能的廣泛的應(yīng)用范圍，具有操作的可移植性、可維護(hù)性、擴(kuò)展性、易讀性、運(yùn)行結(jié)構(gòu)性和互用性等特點(diǎn)。本項(xiàng)目以WRF氣象模式為基礎(chǔ)，針對本研究區(qū)域的特點(diǎn)，采用了嵌套技術(shù)在南黃海海域進(jìn)行加密計(jì)算，水平分辨率為5 km。在物理過程方面，改進(jìn)優(yōu)化海陸風(fēng)現(xiàn)象的刻畫。同時采用3D-Var方法同化GTS、海洋站和浮標(biāo)等實(shí)時觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提高了預(yù)報模式的精確度。

2.3 綠潮漂移預(yù)測模型

圖4 綠潮漂移預(yù)測數(shù)值模擬區(qū)域水深和雙重嵌套區(qū)域

綠潮漂移預(yù)測模型采用三維全動力POM海洋模式，根據(jù)綠潮所在位置、范圍以及政府部門對應(yīng)急預(yù)測的不同需求，建立兩個區(qū)域模式：大區(qū)域是東中國海海域（117°30'—130°E,25°—41°10'N），水平分辨率1/30°，垂向10層；小區(qū)域是青島—江蘇近海海域（119°8.6'—122°E,31°45.6'—37°N），水平分辨率1/120°，垂向6層；模式地形來源于GEBCO（General bathymetric Chart ofOceans）分辨率為1'×1'的數(shù)據(jù)，并采用海圖水深和Google Earth進(jìn)行水深和岸線訂正（見圖4）。大區(qū)域模式采用全球海洋模式（HYCOM+NCODAGlobal 1/12°Analysis）模式的水位、流場、溫鹽場等輸出結(jié)果作為大區(qū)域模式的初值和邊值場，同時在邊界上加上8個分潮（M2,S2,N2,K2,K1,O1,P1,Q1）來驅(qū)動；風(fēng)場采用北海預(yù)報中心業(yè)務(wù)化WRF（Weather Research and Forecasting）大氣模式的風(fēng)場和熱通量場作為大氣強(qiáng)迫場；考慮長江等主要河流徑流的作用，長江的徑流量采用大通站多年月平均徑流量。小區(qū)域模式是采用兩重嵌套技術(shù)，大區(qū)域計(jì)算結(jié)果為小區(qū)模式提供初值和邊值條件；大氣強(qiáng)迫場與大區(qū)域模式相同。海洋模式采用熱啟動，根據(jù)政府需求每天預(yù)報未來3天的綠潮漂移情況。在不考慮綠潮自身生態(tài)特征的情況下，其在海水中的移動，可以看作是質(zhì)點(diǎn)跟隨海流的物理運(yùn)動，所以綠潮應(yīng)急漂移預(yù)測，采用拉格朗日粒子追蹤方法。粒子追蹤方法采用粒子隨機(jī)走動模式來模擬粒子的運(yùn)動。每個粒子的位移變量都可以由Lagrange方程來確定；粒子群的運(yùn)動特性是一個隨機(jī)過程，它的條件概率密度函數(shù)可以由相應(yīng)的Fokker—Planck方程決定。將對流擴(kuò)散方程轉(zhuǎn)化為Fokker—Planck形式，通過數(shù)值求解粒子的Lagrange方程，確定每個粒子的位移，從而實(shí)現(xiàn)了粒子的動態(tài)追蹤，達(dá)到了污染物運(yùn)動過程數(shù)值模擬的目的[9]。

2.4 模式驗(yàn)證

圖5—6是2008年8月19—20日奧運(yùn)1號浮標(biāo)120o24'E，36o2.4'N和2009年3月26—27日董家口傾倒區(qū)附近 A10測流點(diǎn)（120°1.967'E，35°22.3'N）（位置見圖4）表層流速、流向模擬計(jì)算值與實(shí)測值的比較。無論是流速還是流向，模擬值和實(shí)測值的變化基本一致，吻合較好?？傮w來說，該數(shù)值模式能較好再現(xiàn)該海區(qū)的海流狀況。

圖7—8是監(jiān)測站2011年1月、3月0—24 h）風(fēng)速風(fēng)向?qū)Ρ葓D，從以上分析結(jié)果來看，風(fēng)場數(shù)值預(yù)報結(jié)果無論在風(fēng)向的預(yù)報還是風(fēng)速的預(yù)報上面，均有較優(yōu)秀的表現(xiàn)，將其應(yīng)用于業(yè)務(wù)化預(yù)報并為海洋模型提供大氣強(qiáng)迫條件是合理可行的。

圖5 奧運(yùn)1號浮標(biāo)表層流速、流向計(jì)算值與實(shí)測值比較圖

3 綠潮漂移動態(tài)圖和驗(yàn)證

SAR衛(wèi)星成像分辨率為30m，結(jié)合MODIS和HY-1B等衛(wèi)星資料比對，能較好反映綠潮的動態(tài)信息。恰好2011年7月11日SAR COSMO和MODIS分別于06:02和10:59經(jīng)過青島近海（圖像來源于國家衛(wèi)星海洋應(yīng)用中心，圖9），圖9a中綠色代表綠潮（滸苔），SAR成像不受云覆蓋的影響，我們對比SAR COSMO和MODIS兩張影像圖，選取六個綠潮形狀變化不大的區(qū)域中提取有效信息作為綠潮漂移模式的初始場，預(yù)報4小時后綠潮的位置，并與MODIS監(jiān)測結(jié)果（見圖9 b）作比較（見圖10）。受青島近海東北向流的影響，綠潮向東北偏東向漂移。綜合考慮綠潮有可能會沉降、SAR COSMO和MODIS成像也會出現(xiàn)一些差別等因素，綠潮數(shù)值預(yù)報結(jié)果與MODIS監(jiān)測結(jié)果大體一致。

圖6 董家口附近測流點(diǎn)A10表層流速、流向計(jì)算值與實(shí)測值比較

圖7 小麥島監(jiān)測站2011年1月（0—24 h）風(fēng)速風(fēng)向?qū)Ρ葓D（綠色：預(yù)報，黑色：實(shí)測）

圖8 小麥島監(jiān)測站2011年3月（0—24 h）風(fēng)速風(fēng)向?qū)Ρ葓D（綠色：預(yù)報，黑色：實(shí)測）

圖9 2011年7月11日綠潮衛(wèi)星遙感解譯圖（紫色方塊為模擬驗(yàn)證區(qū)域）

圖10 2011年7月11日綠潮漂移模擬結(jié)果與MODIS衛(wèi)星監(jiān)測結(jié)果比較

圖11 未來三天綠潮外圍線漂移預(yù)測圖

4 黃海綠潮應(yīng)急預(yù)測系統(tǒng)業(yè)務(wù)化產(chǎn)品

圖為利用2011年7月11日MODIS-TERRA衛(wèi)星等綜合解譯信息資料，進(jìn)行綠潮應(yīng)急漂移預(yù)測，可以看到未來三天綠潮外沿線所在位置以及未來一天綠潮分布圖，便于政府相關(guān)部門了解綠潮相關(guān)信息，為啟動應(yīng)急預(yù)案提供依據(jù)。數(shù)值模擬結(jié)果（見圖11—12）顯示7月11日06時—14日06時綠潮主要向偏北方向漂移，綠潮最北端到達(dá)36o29′N附近海域。綠潮將影響日照至青島薛家島海域、膠州灣、團(tuán)島至嶗山頭附近海域，并有部分登陸。并根據(jù)青島市2011滸苔災(zāi)害預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)級別發(fā)布預(yù)警區(qū)域綠潮覆蓋面積及分布面積（見圖13及表1），北海預(yù)報中心每天根據(jù)監(jiān)測、預(yù)測結(jié)果向政府及相關(guān)部門及時發(fā)布綠潮預(yù)警信息。

5 討論

圖12 未來一天逐時綠潮分布圖

圖13 青島市滸苔災(zāi)害預(yù)警及應(yīng)急響應(yīng)級別圖

綠潮作為一種新的自然災(zāi)害，當(dāng)其大面積爆發(fā)時，對海洋環(huán)境、海洋漁業(yè)和海洋生態(tài)系統(tǒng)都會造成一定的影響。目前，由于相關(guān)綠潮災(zāi)害監(jiān)測指標(biāo)體系尚未建立，以及業(yè)務(wù)化的黃海綠潮預(yù)測預(yù)警系統(tǒng)和平臺的缺少，使得綠潮災(zāi)害的業(yè)務(wù)化預(yù)測預(yù)警工作難以順利開展。因此，研究黃海綠潮業(yè)務(wù)化預(yù)測預(yù)警關(guān)鍵技術(shù)，建設(shè)一套集黃海綠潮監(jiān)測、信息提取與融合、數(shù)據(jù)收集與同化、預(yù)測預(yù)警及產(chǎn)品發(fā)布等功能于一體的綜合業(yè)務(wù)化平臺，對黃海及周邊地區(qū)海洋經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展和《山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》的順利實(shí)施都具有重要作用。通過黃海綠潮漂移數(shù)值模擬結(jié)果與衛(wèi)星等多源監(jiān)測數(shù)據(jù)的比較，可以看出該模式能夠較好模擬綠潮的漂移軌跡。通過黃海綠潮應(yīng)急預(yù)測業(yè)務(wù)化系統(tǒng)，在綠潮應(yīng)急期間向政府及相關(guān)部門及時提供綠潮相關(guān)信息，為政府及相關(guān)部門防災(zāi)減災(zāi)工作提供了大力的技術(shù)指導(dǎo)，為及時啟動應(yīng)急預(yù)案提供了依據(jù)。當(dāng)然，綠潮的發(fā)生發(fā)展過程非常復(fù)雜，在漂移的過程中會有死亡、生長、沉降等生態(tài)現(xiàn)象，因此黃海綠潮漂移預(yù)測結(jié)果會與監(jiān)測結(jié)果有一定的偏差，下一步我們將繼續(xù)優(yōu)化黃海綠潮漂移數(shù)值模型，結(jié)合生態(tài)過程對綠潮進(jìn)行漂移預(yù)測，從而提高黃海綠潮應(yīng)急預(yù)測系統(tǒng)的精度，更好的為政府及公眾服務(wù)。

表1 預(yù)警區(qū)域綠潮覆蓋面積及分布面積

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