奚子惠,王紫玄,劉 明

(江蘇省海涂研究中心,江蘇 南京 210013)

0 引言

海洋是高質(zhì)量發(fā)展戰(zhàn)略要地,建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)是中國(guó)特色社會(huì)主義事業(yè)的重要組成部分。江蘇作為海洋大省,也是全國(guó)社會(huì)、經(jīng)濟(jì)和文化最為發(fā)達(dá)的省份之一。海洋為江蘇提供了獨(dú)特的區(qū)位優(yōu)勢(shì)和豐富的物產(chǎn)資源,海洋經(jīng)濟(jì)也迅猛發(fā)展。2021年江蘇省海洋生產(chǎn)總值突破9 000億元[1],成為江蘇省國(guó)民經(jīng)濟(jì)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。但同時(shí),由于江蘇省海域地形地貌特殊,海洋環(huán)境脆弱,極易遭受海洋災(zāi)害的侵襲[2-4]。1939年風(fēng)暴潮災(zāi)害造成江蘇死亡失蹤人數(shù)多達(dá)13 000多人;2000年特大風(fēng)暴潮災(zāi)害,導(dǎo)致640多萬人受災(zāi),直接經(jīng)濟(jì)損失56.1億元[5]。江蘇海洋防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)嚴(yán)峻,海洋觀測(cè)預(yù)警報(bào)需求日趨迫切。

海洋觀測(cè)預(yù)警報(bào)作為海洋防災(zāi)減災(zāi)的重要技術(shù)支撐和保障,對(duì)江蘇高質(zhì)量發(fā)展的支撐和保障作用將進(jìn)一步凸顯,是海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略的重要組成部分[6-8]。江蘇省海洋預(yù)警報(bào)業(yè)務(wù)自2006年啟動(dòng)建設(shè),2009年建成并投入運(yùn)行,初步搭建了海洋預(yù)警報(bào)業(yè)務(wù)平臺(tái),較好地完成了各類海洋環(huán)境常規(guī)和專項(xiàng)預(yù)報(bào)。為保障海洋預(yù)警報(bào)業(yè)務(wù)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行和科學(xué)有序發(fā)展,加快江蘇省海洋觀測(cè)預(yù)警報(bào)能力建設(shè),對(duì)現(xiàn)有海洋預(yù)警報(bào)業(yè)務(wù)平臺(tái)進(jìn)行軟硬件升級(jí)改造,研制開發(fā)觀測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng),在江蘇重點(diǎn)海域、港口新建海洋觀測(cè)設(shè)施,以滿足日益增長(zhǎng)的海洋觀測(cè)預(yù)報(bào)發(fā)展需求,有效提升江蘇海域觀測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)保障能力,為海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋防災(zāi)減災(zāi)、海洋環(huán)境保護(hù)、海洋突發(fā)公共事件應(yīng)急處置提供科學(xué)依據(jù),最大限度地保障人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全,對(duì)發(fā)展江蘇海洋經(jīng)濟(jì)、構(gòu)建和諧社會(huì)具有重要作用和深遠(yuǎn)意義。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 建設(shè)目標(biāo)

面向江蘇省海洋防災(zāi)減災(zāi)需求,本文依據(jù)江蘇省海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)發(fā)展和工作流程進(jìn)行系統(tǒng)建設(shè),以江蘇省海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),依托海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模式研發(fā)釋用,利用信息化技術(shù)對(duì)多源觀測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)信息進(jìn)行有效整合,將預(yù)報(bào)技術(shù)、方法與數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行集成,通過統(tǒng)一的軟件平臺(tái),輔助一線預(yù)報(bào)人員開展人工分析、判別和產(chǎn)品制作,并開發(fā)多種渠道向社會(huì)公眾、政府機(jī)構(gòu)、涉海企事業(yè)單位發(fā)布海洋預(yù)報(bào)產(chǎn)品,提供保障服務(wù)。

1.2 總體框架

江蘇省海洋預(yù)報(bào)制作平臺(tái)主要由3個(gè)子系統(tǒng)組成:預(yù)報(bào)資料匯交處理系統(tǒng)、主要城市海洋環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng)、文件傳輸協(xié)議(File Transfer Protocol,FTP)與郵件推送發(fā)布系統(tǒng)。系統(tǒng)模塊依據(jù)海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)流程進(jìn)行功能設(shè)計(jì):預(yù)報(bào)資料匯交處理系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)同步、網(wǎng)格參考資料采集、觀測(cè)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、觀測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)控、數(shù)據(jù)查詢統(tǒng)計(jì)、天文潮數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)入庫(kù)等功能;主要城市海洋環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng)包括觀測(cè)資料查詢顯示、參考資料顯示、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品可視化、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品釋用、交互式分析繪圖、預(yù)報(bào)產(chǎn)品制作、預(yù)報(bào)產(chǎn)品存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì);FTP與郵件推送發(fā)布系統(tǒng)包括FTP推送發(fā)布、郵件推送發(fā)布、發(fā)布查詢與統(tǒng)計(jì)、外部發(fā)送數(shù)據(jù)接口。平臺(tái)建設(shè)依靠基礎(chǔ)設(shè)施的支持,包括硬件環(huán)境、網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、軟件環(huán)境和數(shù)據(jù)庫(kù)等。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.3 建設(shè)內(nèi)容

1.3.1 預(yù)報(bào)基礎(chǔ)資料匯交處理系統(tǒng)

海洋觀測(cè)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)是地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)之一,也是海洋觀測(cè)預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)服務(wù)政府和社會(huì)公眾的一項(xiàng)重要內(nèi)容[9]。以江蘇省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心接收的常規(guī)觀測(cè)數(shù)據(jù)和外部預(yù)報(bào)參考資料為基礎(chǔ),研發(fā)相關(guān)軟件系統(tǒng)完成資料接收、處理、質(zhì)量控制和存儲(chǔ)管理,實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)接收、處理情況的監(jiān)控,并對(duì)匯交的多源數(shù)據(jù)開展有效組織和分類管理,通過數(shù)據(jù)庫(kù)統(tǒng)一存儲(chǔ),并按照業(yè)務(wù)需求向外部提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

預(yù)報(bào)基礎(chǔ)資料匯交處理系統(tǒng)由觀測(cè)數(shù)據(jù)處理與質(zhì)量控制、觀測(cè)數(shù)據(jù)監(jiān)控與查詢統(tǒng)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)參考資料采集、天文潮數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)庫(kù)及外部服務(wù)模塊組成。

1.3.2 主要城市海洋環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng)

依托國(guó)家及海區(qū)發(fā)布的數(shù)值預(yù)報(bào)指導(dǎo)產(chǎn)品和江蘇省自主的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品,結(jié)合江蘇省實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù),建立基于數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的預(yù)報(bào)釋用模型,形成主要城市海洋環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng),為預(yù)報(bào)人員提供多要素、多種類的參考數(shù)據(jù),結(jié)合釋用結(jié)果,輔助預(yù)報(bào)員完成江蘇省所轄連云港市、鹽城市、南通市的沿海潮位、海浪、海溫等要素預(yù)報(bào)產(chǎn)品和風(fēng)暴潮、海浪等災(zāi)害警報(bào)產(chǎn)品的制作、發(fā)布。

主要城市海洋環(huán)境預(yù)報(bào)系統(tǒng)由觀測(cè)數(shù)據(jù)查詢與顯示、參考資料顯示、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品可視化、數(shù)值產(chǎn)品釋用模型、交互式分析繪圖、預(yù)報(bào)產(chǎn)品制作和預(yù)報(bào)產(chǎn)品存儲(chǔ)統(tǒng)計(jì)模塊組成。

1.3.3 FTP與郵件推送發(fā)布系統(tǒng)

江蘇省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心制作海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、警報(bào)產(chǎn)品種類多,每類產(chǎn)品的發(fā)布渠道、方式不盡相同,需建立統(tǒng)一的產(chǎn)品發(fā)布系統(tǒng)進(jìn)行整合、集成,便于維護(hù)管理和擴(kuò)展,提高產(chǎn)品發(fā)布能力和管理效率。

預(yù)報(bào)產(chǎn)品發(fā)布系統(tǒng)由FTP推送發(fā)布、郵件發(fā)布和發(fā)送管理與統(tǒng)計(jì)模塊組成。

1.4 關(guān)鍵技術(shù)

1.4.1 基于地理信息(GIS)平臺(tái)的海洋觀測(cè)資料可視化技術(shù)

地理信息可視化是將可視化技術(shù)與地理信息數(shù)據(jù)相結(jié)合,利用計(jì)算機(jī)圖形軟硬件技術(shù),把地理空間數(shù)據(jù)的圖形顯示與分析作為其基本功能。GIS平臺(tái)可視化技術(shù)包括地圖數(shù)據(jù)的可視化表示、空間數(shù)據(jù)分析結(jié)果可視化表示、查詢數(shù)據(jù)可視化表示、動(dòng)態(tài)可視化表示、空間數(shù)據(jù)的二維可視化表示以及其他技術(shù)與可視化結(jié)合表示等不同的表達(dá)類型?；贕IS平臺(tái)的海洋觀測(cè)資料可視化技術(shù)結(jié)合GIS技術(shù)、遙感技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)等向海洋領(lǐng)域業(yè)務(wù)人員提供可視化服務(wù),提供漫游、瀏覽及數(shù)據(jù)分析等功能[10]。

1.4.2 等值線節(jié)點(diǎn)序列自動(dòng)提取技術(shù)

等值線是一種應(yīng)用極廣的圖形,它是在二維平面上把一種空間分布現(xiàn)象中具有相同數(shù)值的點(diǎn)連接而成的圖形。由于等值線看起來非常直觀、形象,因此在科學(xué)和工程各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,是眾多領(lǐng)域成果表示的重要圖形之一。在海洋環(huán)境預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中,用于生成等值線的海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)一般是離散數(shù)據(jù),這些離散數(shù)據(jù)可能是規(guī)則的網(wǎng)格數(shù)據(jù),也有可能是任意隨機(jī)分布數(shù)據(jù)。

在可視化技術(shù)中,常采用的等值線抽取方法有2種:網(wǎng)格無關(guān)法和網(wǎng)格序列法。網(wǎng)格無關(guān)法的基本思想是首先通過給定等值線的起始點(diǎn)或先求出起始點(diǎn),利用該點(diǎn)附近的局部幾何性質(zhì),計(jì)算該等值線的下一點(diǎn);然后,利用已經(jīng)求出的新點(diǎn),重復(fù)計(jì)算下一點(diǎn),直至到達(dá)區(qū)域邊界或回到原起始點(diǎn)。網(wǎng)格序列法是將原始數(shù)據(jù)構(gòu)成網(wǎng)格,按網(wǎng)格單元的排列次序,逐一處理每一單元,尋找每一單元內(nèi)相應(yīng)的等值線段,在處理完所有單元后,就自然生成了該網(wǎng)格中的全部等值線。

等值線節(jié)點(diǎn)序列自動(dòng)提取技術(shù)對(duì)等值線的生成與再編輯具有重要意義,同時(shí)也能夠輔助對(duì)海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中現(xiàn)有的數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的重新加工和利用。等值線節(jié)點(diǎn)序列自動(dòng)提取借鑒上述2種常用的等值線抽取方法,根據(jù)每一條等值線在其走向上的曲率變化或逐個(gè)網(wǎng)格中等值線的曲率值對(duì)比,判斷等值線拐點(diǎn)并提取拐點(diǎn)位置信息作為初始節(jié)點(diǎn),然后根據(jù)初始節(jié)點(diǎn)按照業(yè)務(wù)需求進(jìn)行等間隔加密,即可完成等值線節(jié)點(diǎn)序列的自動(dòng)提取。

1.4.3 預(yù)報(bào)產(chǎn)品(文檔、報(bào)表)自動(dòng)生成技術(shù)

海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)生產(chǎn)的終端產(chǎn)品,如預(yù)報(bào)單、警報(bào)單、會(huì)商PPT等,多數(shù)是基于通用文檔格式(如doc、pdf、xls等)的,在系統(tǒng)制作中要求能夠根據(jù)既定的模板實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化生成,有效減輕預(yù)報(bào)員的工作壓力。同時(shí),該技術(shù)能支持在不安裝Microsoft Office COM組件的條件下完成產(chǎn)品的自動(dòng)制作,降低對(duì)某一軟件的依賴性。

2 系統(tǒng)主要功能

按照江蘇省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心的海洋預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)流程,系統(tǒng)的主要功能包括多源數(shù)據(jù)采集、交互式預(yù)報(bào)分析和產(chǎn)品制作、預(yù)報(bào)產(chǎn)品外部發(fā)送,系統(tǒng)功能流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能流程

多源數(shù)據(jù)采集主要完成數(shù)據(jù)獲取、預(yù)處理,對(duì)需要共享的預(yù)報(bào)資料,包括海洋觀測(cè)資料、衛(wèi)星遙感資料、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品資料、互聯(lián)網(wǎng)參考資料和本地觀測(cè)資料進(jìn)行同步、采集、解析、解碼、數(shù)據(jù)提取、質(zhì)量控制。

交互式預(yù)報(bào)分析和產(chǎn)品制作階段完成數(shù)據(jù)資料的接收、并在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)平臺(tái)客戶端軟件上開展應(yīng)用,包括數(shù)據(jù)監(jiān)控監(jiān)視、資料顯示、信息預(yù)警、交互式分析等,同時(shí),能夠通過平臺(tái)進(jìn)行預(yù)報(bào)產(chǎn)品交換和語音會(huì)商,完成綜合預(yù)報(bào)分析過程,制作預(yù)報(bào)警報(bào)產(chǎn)品,支持預(yù)報(bào)結(jié)果的審核、訂正、多渠道多手段發(fā)送。

預(yù)報(bào)產(chǎn)品外部發(fā)送階段完成預(yù)報(bào)、警報(bào)產(chǎn)品的外部發(fā)送、訂閱,預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)平臺(tái)以產(chǎn)品接收用戶為核心,對(duì)產(chǎn)品用戶進(jìn)行關(guān)聯(lián)配置,并實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的自動(dòng)化、多渠道、一鍵式推送。

3 江蘇海洋預(yù)報(bào)制作平臺(tái)業(yè)務(wù)應(yīng)用

自江蘇海洋預(yù)報(bào)制作平臺(tái)業(yè)務(wù)化運(yùn)行以來,運(yùn)行穩(wěn)定、操作方便,有效提升了江蘇海域觀測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)保障能力,在各類預(yù)警服務(wù)中發(fā)揮了重要作用。與過去利用多個(gè)外部軟件制作發(fā)布預(yù)報(bào)產(chǎn)品相比,該平臺(tái)具有顯著優(yōu)勢(shì):(1)性價(jià)比高。該平臺(tái)不依賴任何專業(yè)軟件,僅通過Chrome等瀏覽器即可穩(wěn)定運(yùn)行,易維護(hù)易擴(kuò)展,有效降低成本的同時(shí)又提升了平臺(tái)的可操作性。(2)開放性高。該平臺(tái)將各類海洋數(shù)據(jù)資料和服務(wù)功能跨地區(qū)進(jìn)行匯交處理與共享,預(yù)報(bào)員可通過互聯(lián)網(wǎng)在不同地域登錄系統(tǒng),實(shí)時(shí)獲取可視化的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)和預(yù)報(bào)參考資料,為預(yù)報(bào)員提供便捷豐富的預(yù)報(bào)信息與數(shù)據(jù)分析服務(wù),方便決策管理。(3)交互性高。提供交互式預(yù)報(bào)制作,簡(jiǎn)化步驟,支持人工對(duì)預(yù)報(bào)符號(hào)的輸入、歷史預(yù)報(bào)結(jié)果的加載、產(chǎn)品預(yù)覽、輸出,輔助完成江蘇省海浪預(yù)報(bào)圖、江蘇海洋環(huán)境預(yù)報(bào)產(chǎn)品的分析與制作,極大地降低了人工錯(cuò)誤率和預(yù)報(bào)工作量,使預(yù)報(bào)產(chǎn)品的制作發(fā)布更為快速、高效、準(zhǔn)確。

以2022年為例,在海洋常規(guī)預(yù)報(bào)方面,通過江蘇海洋預(yù)報(bào)制作平臺(tái)全年累計(jì)制作發(fā)布江蘇海域海洋環(huán)境預(yù)報(bào)365份、海上絲綢之路環(huán)境保障預(yù)報(bào)365份、南通沿岸海域海洋環(huán)境預(yù)報(bào)365份、連云港海域海洋環(huán)境預(yù)報(bào)365份、鹽城海域海洋環(huán)境預(yù)報(bào)365份。這些預(yù)報(bào)服務(wù)產(chǎn)品通過FTP、郵件、傳真、短信等方式供用戶使用。江蘇海域環(huán)境預(yù)報(bào)圖和預(yù)報(bào)單示例如圖3—4所示。

圖3 江蘇海域環(huán)境預(yù)報(bào)圖制作

圖4 江蘇海域環(huán)境預(yù)報(bào)單制作

在海洋警報(bào)方面,江蘇海洋預(yù)報(bào)制作平臺(tái)可查詢海洋環(huán)境實(shí)時(shí)、延時(shí)觀測(cè)資料,檢索國(guó)家海洋臺(tái)站、浮標(biāo)實(shí)況資料,輔助完成海浪、風(fēng)暴潮等綜合預(yù)報(bào)分析,提供海浪、風(fēng)暴潮警報(bào)等產(chǎn)品的制作和發(fā)送。以2022年為例,通過江蘇海洋預(yù)報(bào)制作平臺(tái)成功應(yīng)對(duì)33次天氣過程,累計(jì)制作發(fā)布海浪消息33期、海浪藍(lán)色警報(bào)35期、海浪黃色警報(bào)7期、海浪橙色警報(bào)1期、解除警報(bào)9期;風(fēng)暴潮消息3期、風(fēng)暴潮藍(lán)色警報(bào)9期、解除警報(bào)3期;共計(jì)發(fā)送海洋警報(bào)傳真3 400份、郵件2 900封、短信13 700人次。警報(bào)圖和警報(bào)單的制作界面如圖5—7所示。

圖5 海浪警報(bào)圖制作

圖6 海浪警報(bào)單制作

圖7 風(fēng)暴潮岸段警報(bào)圖制作

4 結(jié)語

本文系統(tǒng)介紹了江蘇海洋預(yù)報(bào)制作平臺(tái)的設(shè)計(jì)、主要功能及業(yè)務(wù)化應(yīng)用。該平臺(tái)利用GIS平臺(tái)可視化、等值線節(jié)點(diǎn)序列自動(dòng)提取、預(yù)報(bào)產(chǎn)品自動(dòng)生成等技術(shù),對(duì)多源觀測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)報(bào)信息進(jìn)行匯交處理,以實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)采集、交互式預(yù)報(bào)分析和產(chǎn)品制作、推送發(fā)布等一系列功能,有效提升了江蘇海域觀測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)保障能力。

受項(xiàng)目建設(shè)周期和條件限制,該平臺(tái)還具有一定局限性。

(1)江蘇海洋預(yù)報(bào)制作平臺(tái)專業(yè)性較強(qiáng),未來可適當(dāng)提升普及性,部分模塊對(duì)社會(huì)公眾開放,方便社會(huì)公眾通過網(wǎng)絡(luò)訪問該平臺(tái),實(shí)時(shí)了解江蘇海域的實(shí)況數(shù)據(jù)和預(yù)警信息,并針對(duì)特定用戶制定個(gè)性化交互功能,提供更加豐富、易懂易用的產(chǎn)品服務(wù)。

(2)該平臺(tái)缺少視頻監(jiān)視功能,今后可進(jìn)一步開發(fā)視頻監(jiān)視模塊,使預(yù)報(bào)員可以更直觀地對(duì)附近海洋觀測(cè)站點(diǎn)、海面漂浮物等情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化無人值守,保障江蘇海域和儀器觀測(cè)設(shè)備的安全穩(wěn)定。

隨著全國(guó)海洋預(yù)警監(jiān)測(cè)工作的不斷推進(jìn),研究人員將繼續(xù)完善江蘇海洋預(yù)報(bào)制作平臺(tái),不斷豐富預(yù)報(bào)產(chǎn)品,如后期可結(jié)合生物要素(滸苔、赤潮等局部性災(zāi)害),形成觀監(jiān)一體的綜合性預(yù)警監(jiān)測(cè)平臺(tái),進(jìn)一步提高信息化水平,為江蘇海洋預(yù)警監(jiān)測(cè)和防災(zāi)減災(zāi)工作提供更有利的技術(shù)支撐和保障。