上海近岸海域預警監(jiān)測系統(tǒng)建設探討

陶衛(wèi)國 方今

（上海市海洋監(jiān)測預報中心，上海，210003）

海洋對我國的經(jīng)濟、政治、國防和文化都有極其重要的意義，但同時海洋災害所帶來的人員傷亡及財產(chǎn)損失也極其巨大。據(jù)統(tǒng)計，海洋災害造成的經(jīng)濟損失約占全國自然災害總損失的10%[1]。在上海，引發(fā)海洋災害的主要因素大致有三個方面：一是受大氣的強烈擾動而產(chǎn)生的海洋災害，如臺風、巨浪等；二是受海水的擾動或狀態(tài)的驟變而引發(fā)的海洋災害，如海嘯、風暴潮等；三是由人類活動引發(fā)的海洋災害，如赤潮、海洋污染等。

為了保障城市公共安全，為社會、經(jīng)濟的發(fā)展提供安全的環(huán)境，需要發(fā)展先進的海洋災害探測和預報技術，建設一個裝備先進、覆蓋全海區(qū)的立體化、全天候的海洋監(jiān)測與預警體系。

1 建設原則

（1）因地制宜、統(tǒng)籌兼顧

根據(jù)上海市近岸海域的區(qū)域特點和功能定位，統(tǒng)籌兼顧海洋經(jīng)濟發(fā)展與海洋災害防護的需求，優(yōu)化預警監(jiān)測力量布局與監(jiān)測內(nèi)容設置，初步形成對上海近岸海域高覆蓋、多要素、高頻次的動態(tài)監(jiān)測能力。

（2）試點先行、穩(wěn)步推進

預警監(jiān)測系統(tǒng)涉及面廣、內(nèi)容繁雜、工程量大，為確保項目保質(zhì)保量完成，應分步實施，在典型海域先行開展自動監(jiān)測試點，取得成功經(jīng)驗后穩(wěn)步推進。

（3）統(tǒng)一技術、統(tǒng)一標準

預警監(jiān)測系統(tǒng)建設必須遵循智能化、模塊化、網(wǎng)絡化、多功能化、標準化和規(guī)范化的技術要求，統(tǒng)一技術路線、統(tǒng)一技術指標、統(tǒng)一技術標準、統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、統(tǒng)一分析與評價方法，以實現(xiàn)實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)集成、數(shù)據(jù)處理與信息產(chǎn)品開發(fā)、數(shù)據(jù)共享與信息服務等功能，構建一體化的預警監(jiān)測體系。

（4）制度先行、評價同步

在取得試點監(jiān)測成功經(jīng)驗的同時，開展制度建設，建立統(tǒng)一的預警與評價技術規(guī)范和標準及配套運行管理制度，并在后續(xù)建設過程中加以驗證和不斷改進，為構建有效的預警與動態(tài)評價體系提供技術依據(jù)[2]。

2 系統(tǒng)組成及功能

上海市海洋災害預警系統(tǒng)由預警浮標、岸基自動監(jiān)測站、海床基等自動觀測系統(tǒng)和岸站接收系統(tǒng)組成。預警浮標、岸基自動監(jiān)測站、海床基觀測數(shù)據(jù)實時發(fā)送至岸站接收系統(tǒng)，建立近海海洋環(huán)境災害數(shù)字基礎信息庫，研究海洋災害應急決策技術，建立應急支持決策系統(tǒng)。該系統(tǒng)的海洋災害防御和減災能力達到21世紀初國際先進水平。

2.1 預警浮標

浮標是海洋環(huán)境長期定點實時立體監(jiān)測的基本手段，以其機動靈活、實時、準確度高、測量參數(shù)多、代表性好、全天候、動態(tài)、連續(xù)測量等優(yōu)點，在海洋資源開發(fā)、環(huán)境監(jiān)測、海上運動、防災救災、國防建設和科學研究等領域得到了廣泛應用。預警浮標（見圖 1）用于無人操作狀態(tài)下自動對海洋水質(zhì)、氣象、水文多要素進行長期在線測量。

圖1 預警浮標

預警浮標測量的水文參數(shù)有：波浪（波高、波向、波周期）、表層水溫、鹽度、電導率、pH、濁度、溶解氧、葉綠素；測量的氣象參數(shù)有：風速風向、氣溫、濕度、氣壓、降雨量等其它要素。該型設備分為浮標體及錨系系統(tǒng)、安全防護系統(tǒng)、供電控制系統(tǒng)、采集傳輸系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和岸站接收系統(tǒng)等五部分，通過搭載不同類型的傳感器，可以完成對氣象、海洋動力環(huán)境和水文等的測量。

2.2 岸基自動監(jiān)測站

岸基自動監(jiān)測站由水質(zhì)自動站、傳輸網(wǎng)絡、岸站接收系統(tǒng)三大部分組成。其中，水質(zhì)自動站安裝在監(jiān)測海域現(xiàn)場，現(xiàn)場自動采集水樣，配置五參數(shù)及TP、TN、NH4-N、COD等自動分析儀器對水樣進行自動分析，采集控制系統(tǒng)控制分析儀器、五參數(shù)傳感器、氣象傳感器工作，并采集分析儀器的數(shù)據(jù)后通過傳輸網(wǎng)絡傳輸至岸站接收系統(tǒng)。水質(zhì)自動站同時配置過濾系統(tǒng)、清洗除藻、輔助系統(tǒng)等。系統(tǒng)架構如圖2所示。監(jiān)測站全自動運行，對現(xiàn)場水質(zhì)進行實時監(jiān)測并記錄水質(zhì)的變化，通過專用的通訊系統(tǒng)，將監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至遠程的岸站接收系統(tǒng)，從而實現(xiàn)遠程監(jiān)控功能。監(jiān)控中心也可以直接同子站進行通訊以獲取數(shù)據(jù)。通過在線監(jiān)測系統(tǒng)的建設，可以實現(xiàn)對該區(qū)域海洋污染物實時監(jiān)測、實施評價、即時預警和動態(tài)管控。

圖2 岸基自動監(jiān)測站系統(tǒng)架構

監(jiān)測指標包括溫度、鹽度/電導率、pH、溶解氧、COD（鉻法）、TP、TN、NH4-N、氣溫、氣壓、相對濕度、風速、風向、降雨量等。其中溫度、鹽度/電導率、pH、溶解氧1 h采集一次數(shù)據(jù)；化學需氧量（CODcr）、總氮、總磷、氨氮4 h采集一次數(shù)據(jù)；氣溫、氣壓、相對濕度、風速、風向、降雨量15 min采集一次數(shù)據(jù)。

2.3 海床基

海床基監(jiān)測系統(tǒng)是布放在海底對海洋環(huán)境進行定點、長期、連續(xù)測量的綜合自動監(jiān)測裝置，具有長時間自動監(jiān)測、隱蔽性好等特點，是獲取水下長期綜合觀測資料的重要技術手段。隨著世界范圍內(nèi)對海洋資源的開發(fā)利用、海洋災害的監(jiān)測與預防、海洋環(huán)境保護等工作的重視，許多發(fā)達國家正努力在本國沿海及全球大洋建立海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)[3]。海底成為繼海面、地面觀測、空中遙測遙感之后地球科學的第四個觀測平臺，海底觀測系統(tǒng)正逐步成為海洋技術領域的研究熱點。

通過在上海近岸海域布放海床基監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)立體觀測。系統(tǒng)主要監(jiān)測參數(shù)有海流剖面、水位、海底層溫度、鹽度等。系統(tǒng)采用有纜傳輸工作方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸。

圖3 海床基監(jiān)測系統(tǒng)

2.4 岸站接收系統(tǒng)

數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)（簡稱岸站）是整個預警系統(tǒng)的重要組成部分，其主要功能是實時、準確、可靠的接收和處理預警浮標、岸基自動監(jiān)測站、海床基的觀測數(shù)據(jù)，并具有即時報警、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計及遠程控制等功能，給用戶研究使用相關數(shù)據(jù)信息提供方便。

岸站接收系統(tǒng)配置兩臺數(shù)據(jù)接收服務器和一臺數(shù)據(jù)發(fā)布服務器。其中一臺數(shù)據(jù)接收服務器配置中國移動固定IP，另一臺數(shù)據(jù)接收服務器配置中國電信固定IP，兩臺服務器同時接收數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)接收后存儲到磁盤陣列中；數(shù)據(jù)發(fā)布服務器用于數(shù)據(jù)發(fā)布及轉發(fā)至其它信息平臺。系統(tǒng)可同時采用北斗、CDMA等多種通訊方式接收數(shù)據(jù)，可以保證很高的接收率。軟件可對接收到的數(shù)據(jù)進行實時校驗，只有校驗正確的數(shù)據(jù)才被處理，保證數(shù)據(jù)準確可靠。網(wǎng)絡結構圖如圖4所示。

圖4 岸站接收系統(tǒng)網(wǎng)絡圖

監(jiān)測數(shù)據(jù)通過加密處理后自動輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，并按站點編號、地理坐標和時間存貯。通過人機接口，可對遠程監(jiān)測設備進行實時采集、分析、記錄、監(jiān)視和操作控制，以及在線巡檢、動態(tài)配置等，達到管理與現(xiàn)場分離。

該系統(tǒng)以海洋觀測監(jiān)測數(shù)據(jù)為主線，集合了現(xiàn)代海洋監(jiān)測技術、網(wǎng)絡通信技術、數(shù)據(jù)倉庫技術和數(shù)據(jù)分析技術，對全市近岸海域各類監(jiān)測數(shù)據(jù)進行安全存儲和高效處理，提供多源數(shù)據(jù)資料處理、監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)品網(wǎng)絡應用服務，構建基于虛擬海洋環(huán)境的立體化預警監(jiān)測與信息服務平臺，實現(xiàn)多層次、全方位的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測、傳輸、管理、分析、發(fā)布等功能。各級監(jiān)控平臺和終端授權用戶可通過服務器登錄本系統(tǒng)瀏覽和訪問。岸站接收系統(tǒng)軟件界面見圖5。

圖5 岸站接收系統(tǒng)軟件界面

3 結束語

為了城市的安全與社會經(jīng)濟的可持續(xù)性發(fā)展，上海在加大海洋科技研發(fā)投入的同時，須建立一個切實有效的海洋災害應急防御保障體系，建設適合于上海市海域的業(yè)務化海洋預警系統(tǒng)，加強海洋災害預評估與后評估技術的研究和應用，重點發(fā)展海洋監(jiān)測、海洋災害預警和應急決策的可視化應用系統(tǒng)，建立海洋信息共享服務平臺。