馬榮華,范儒彬

(廣州市地質調查院,廣東 廣州550014)

建設海洋強國,離不開對海洋水文、氣象、水質及生態(tài)特征的綜合性觀測。海洋觀測是關心海洋、認識海洋和經略海洋的重要手段[1]。海洋觀測主要分為人工觀測和自動觀測。人工觀測可根據觀測的目的設計觀測方案,具有針對性,一般用于科研項目,但人工觀測耗費人力較大,人員安全保障較低,觀測數據也不能實時或難以連續(xù)獲取,因此建設海洋自動觀測站,獲取實時、連續(xù)的海洋觀測數據是十分必要的。海洋自動觀測是準確掌握海洋實際狀況、科學開展海洋觀測預報的重要手段。建設海洋自動觀測站也是國家海洋觀測規(guī)劃網重要的組成部分。

全國海洋觀測網規(guī)劃(2014-2020年)提出,沿海地方各級人民政府和有關部門要加大對海洋觀測事業(yè)的支持力度,大力發(fā)展及建設海洋觀測網。建設海洋觀測網是提高我國海洋綜合實力、實施海洋強國戰(zhàn)略一項重要的基礎工作,對于促進海洋科學研究、提高海上突發(fā)事件應急響應能力、保障和促進沿海地區(qū)經濟社會發(fā)展、維護國家海洋權益具有重要作用。美國、日本、韓國和加拿大等沿海發(fā)達國家已建立了較完善的海洋觀測系統(tǒng),綜合運用衛(wèi)星、飛機、船舶、水下滑翔器和浮(潛)標等先進技術手段,對海洋動力環(huán)境、海洋生態(tài)、海洋地質、海洋生物資源等進行跨地區(qū)、跨部門、長期、連續(xù)地觀測[1]。我國也正在建設和發(fā)展國家級、省級及市級海洋觀測系統(tǒng),如福建省、廣東省、天津市海洋觀測系統(tǒng)等[2-4]。

珠江河口沿岸地區(qū)經濟發(fā)達、物產豐富,人類活動繁盛,對珠江口海域的水動力、氣象及水質等的綜合觀測對人類的生產生活具有重要的意義。海洋觀測網所采集的觀測數據可用于海洋防災減災、海洋預警預報、海洋及海岸工程建設、海水養(yǎng)殖和海洋環(huán)境保護等方面。

廣州海域位于珠江口伶仃洋灣頂,上起黃埔港,下至橫門水道,東以廣州港航道為界。珠江水系的徑流經東四口門(虎門、蕉門、洪奇門、橫門)流入廣州海域,匯入伶仃洋,廣州海域是連接珠江河網和外海的重要通道,屬于珠江河口的一部分,地理位置極其重要。廣州海域屬于典型的亞熱帶季風氣候,夏秋季臺風活動強烈,海域地形呈喇叭狀,上窄下寬,極易發(fā)生風暴潮災害[5],因此建設廣州市海洋自動觀測網,是廣州市海洋防災減災、海洋預警預報工作的基礎和重要保障。

珠江三角洲經濟發(fā)達,河網縱橫,港口眾多,水路運輸活動繁盛,歷年來進行了大量的海洋工程建設,包括碼頭、航道、港口建設,海岸防護工程、圍海造田工程、海上牧場生產工程和海洋資源開發(fā)工程等,如近年的港珠澳大橋、南沙大橋、深中通道建設等。海岸工程在建設前需進行水動力環(huán)境勘探和模擬,以保障工程建設的安全性和可行性,建設中需密切關注周圍波浪、海流、泥沙等水動力條件的變化狀態(tài),建設完成后需關注水動力條件與海岸工程的相互持續(xù)影響。這些都離不開海岸工程附近水域的水動力、水文條件的連續(xù)觀測。因此水文氣象觀測是海岸工程建設的關鍵,海洋觀測網對海岸工程建設極為重要。

珠江三角洲水系發(fā)達,沿岸人民靠海而生,珠江口海水養(yǎng)殖、漁業(yè)捕撈活動較為普遍,海流、海水溫度、鹽度等要素對海水養(yǎng)殖具有較大的影響,因此海洋觀測網對海水養(yǎng)殖業(yè)也具有重要的意義。人類活動繁盛,帶來的必然后果是海水污染,海洋污染治理、海洋環(huán)境保護更需要海洋觀測網的保障。

綜上所述,建設廣州市海洋自動觀測網,對廣州市海洋防災減災、海洋經濟發(fā)展、海洋科技創(chuàng)新、海洋權益維護和海洋生態(tài)文明建設等各個方面都是十分迫切和必要的。廣州海洋自動觀測網建設是廣東省海洋觀測網建設的重要組成部分,也是國家海洋觀測網建設的一部分。海洋觀測是海洋預報的基礎,海洋預報對海洋防災減災具有重要的意義,海洋觀測對海岸工程建設、海洋環(huán)境保護等也具有重要的意義,因此建設廣州市海洋觀測網是廣州市海洋工作的重點工作之一。

1 廣州市海洋觀測網建設現狀

廣州市海洋觀測網自2014年開始規(guī)劃建設,經過5 a不斷地規(guī)劃及完善,至今已初具規(guī)模,目前共建成9個咸潮觀測站,4個岸基觀測站以及5個浮標觀測站,形成初步的廣州市海洋觀測網。觀測要素涵蓋水文、氣象和水質等各個方面。海洋測站自上而下、自北向南均勻分布于廣州海域(圖1)。

圖1 廣州市海洋綜合觀測站位Fig.1 Location of comprehensive ocean observation stations in Guagzhou

1.1 建成初步的海洋觀測網

1.1.1 咸潮觀測站

咸潮觀測站自2014年開始建設,站位均布設在河流入?？诩昂涌谏嫌?。目前已經建成9個站點,觀測要素涵蓋鹽度、TDS、水溫、電導率和水位等。

1.1.2 岸基海洋觀測站

岸基海洋觀測站從2015年開始建設,目前已經建成4個站位,觀測要素涵蓋潮位、風速風向、氣溫、濕度、能見度、氣壓、雨量等。

1.1.3 浮標觀測站

浮標觀測站從2016年開始建設,目前已經建成5個站位,觀測要素涵蓋剖面流速、水溫、鹽度、風速風向、氣溫、濕度、氣壓、能見度、營養(yǎng)鹽、COD、濁度、PH、溶解氧、葉綠素和藻紅蛋白等。

1.2 建成初步的多學科數據庫

經過長時間的數據采集和積累,目前廣州已建成一個初步的多學科綜合數據庫,主要包括:長達2~4 a咸潮、水文數據,含有水溫和鹽度等要素;長達2~3 a的水動力數據,含有波浪、剖面海流數據;長達2 a的水質數據,含有COD、營養(yǎng)鹽及p H、溶解氧、濁度、葉綠素等;長達4 a的潮位數據,含有對潮時和潮位的觀測;長達4 a氣象數據,含有岸邊及海面的風速風向、氣溫、氣壓、濕度、降雨及能見度等參數。

1.3 建成多個數據接收及分析平臺

目前,已建成多個數據接收展示、統(tǒng)計及分析平臺,包括岸基數據接收平臺,浮標數據接收平臺和咸潮數據接收平臺。數據接收平臺可實現對觀測站狀態(tài)的監(jiān)管和異常狀態(tài)報警、對實時觀測數據進行展示以及對長時間序列觀測數據進行初步統(tǒng)計分析等功能(圖2)。

圖2 數據接收展示、統(tǒng)計及分析平臺Fig.2 Platform for receiving,displaying,counting and analyzing the observation data

2 觀測數據的應用

觀測數據主要應用于海洋災害分析及防治工作,如在臺風期間對近岸海域海洋水文氣象特征進行分析、影響特征變化的海洋動力因素分析;咸潮入侵特征及趨勢分析;對廣州海域各年度、各季度海洋水文氣象特征及其變化進行分析研究等。除此之外,也將觀測數據用于預報結果的檢驗,提高預報數據的準確性。

2.1 臺風期間的應用

風暴潮災害是廣州乃至廣東省最主要的海洋災害之一[6]。為保證臺風登陸過程中各觀測站可以正常運行,在臺風來臨前將對各觀測站進行巡檢、設施加固及故障排查。在近年破壞性較大的臺風期間,大多數觀測站仍能正常運行并采集到寶貴的災害期間觀測數據。

臺風“天鴿”(強臺風級)于2017-08-23T12:50在珠海市金灣區(qū)沿海地區(qū)登陸,登陸時中心附近最大風力14級(45 m/s),中心最低氣壓970 hPa?！疤禅潯笔?965年以來登陸珠江三角洲的最強臺風,具有“快速西移、近海加強、風強雨大”的特點。

“天鴿”為50 a一遇臺風,臺風登陸時間正好為天文大潮期,風暴潮與天文大潮兩個波峰疊加,發(fā)生較強的風暴潮過程。根據HY02觀測站連續(xù)觀測的潮位數據(圖3),8月23日13:00以后潮位陡然上漲,最高超過紅色警戒潮位,超過警戒潮位持續(xù)時間長達3 h。

圖3 臺風“天鴿”登陸過程HY02觀測站潮位過程曲線Fig.3 The tide level changes at station HY02 during the landing of typhoon“Hato”

“天鴿”登陸過程風力較強,8月23日廣州港區(qū)最大出現13~14級瞬時大風,南沙區(qū)出現9~11級瞬時大風,8月23日HY02觀測站日極大風速最高達到26.6 m/s,風速持續(xù)較大時對應的風向多為東北風向(圖4)。

圖4 臺風“天鴿”和“帕卡”登陸過程HY02觀測站風速風向變化Fig.4 Changes of wind speed and direction at station HY02 during the landing of typhoon“Hato”and“Pakhar”

由圖5可見,“天鴿”登陸期間FB05觀測站波浪過程。8月23日11:21左右FB05觀測站測得最大浪高2.58 m,有效波高為1.74 m,1/10大波波高為2.02 m,平均波高為1.2 m,波級為4級(1.25 m≤有效波高<2.5 m,1.5 m≤1/10大波波高<2.5 m),海況為中浪。

從HY02觀測站風速風向數據及FB05觀測站波浪數據可以看出,在臺風“天鴿”之后還有一次由1714號臺風“帕卡”(臺風級)引起的大風大浪過程(圖4和圖5),“帕卡”于8月27日09:00前后在臺山東南部沿海地區(qū)登陸,登陸時中心附近最大風力12級(33 m/s),中心最低氣壓978 hPa。“帕卡”具有登陸區(qū)重疊、移動速度快、登陸前加強、結構不對稱、風雨范圍廣的特點。

圖5 臺風“天鴿”和“帕卡”登陸過程FB05觀測站波浪過程Fig.5 Changes of wave height at station FB05 during the landing of typhoon“Hato”and“Pakhar”

HY02觀測站8月27日測得當日極大風速約26.4 m/s(11級),風速持續(xù)較大時對應的風向多為東北風向。8月27日08:21FB05觀測站測得最大波高2.35 m,有效波高為1.44 m,1/10大波波高為1.73 m,平均波高為0.99 m,波級為4級,海況為中浪。臺風“帕卡”引起的大浪過程相較于臺風“天鴿”期間浪高偏小。

2.2 咸潮入侵分析

廣州河道縱橫交錯,位于珠江河網的中下游區(qū)域,其所在區(qū)域多條河流直接與獅子洋、伶仃洋相連,受潮流和徑流共同影響,易發(fā)生咸潮入侵現象[7]。近年來為監(jiān)測咸潮入侵現象,廣州布設了9個咸潮站位,獲取了較多的咸潮監(jiān)測數據。

河口河水鹽度一般為0.5~30。當河水鹽度超過0.25時,將無法達到生活用水標準;當河水鹽度超過0.5時,將影響農作物生長[8]。選取XC01和XC09觀測站2016年10月至2017年4月枯水期(簡稱“2017年枯水期”)與2015年10月至2016年4月枯水期(簡稱“2016年枯水期”)的觀測數據進行了比較與分析。由圖6可見,2站位在枯水期均存在不同程度的咸潮入侵現象。2016年枯水期,XC01觀測站鹽度均低于0.5,XC09觀測站大部分時間鹽度均高于0.5;2017年枯水期,2個觀測站均出現了4次咸潮上溯過程,2017年枯水期各觀測站位鹽度值均遠遠高于2016年枯水期,2017年枯水期咸潮上溯趨勢遠遠強于2016年枯水期。

圖6 XC01和XC09觀測站咸潮上溯趨勢比較Fig.6 Comparison of tracing trends of salty tide between stations XC01 and XC09

廣州海洋觀測網已頗具規(guī)模,也積累了一定程度的觀測數據,觀測數據在廣州海洋防災減災工作中得到了有效的應用,但在海洋觀測站建設、管理、運行和數據應用方面仍存在一些問題,針對存在的主要問題本文對采用的解決方法進行了探討。

3.1 觀測工作機制及業(yè)務化流程的建立

由于觀測站建設的時間較短,觀測工作的機制和流程正在探索中,尚未制度化及業(yè)務流程化。將觀測工作業(yè)務化,可保證海洋觀測工作的高效率長期運行。觀測工作業(yè)務化流程包括(圖7):1)各站點的儀器保持連續(xù)地對海洋要素進行現場觀測;2)通過各種傳輸方式將現場觀測數據傳輸回服務器,并定時對服務器中原始數據進行備份,至少每月一次;3)對數據進行質量控制;4)根據《地方海洋觀測站點納入國家全球海洋立體觀測網評估技術規(guī)程》①國家海洋技術中心.地方海洋觀測站點納入國家全球海洋立體觀測網評估技術規(guī)程,2019.的要求,數據接收處理系統(tǒng)需能生成符合《海濱觀測規(guī)范》[9]要求的實時數據和延時數據的格式;5)對數據的質量、格式進行審核;6)按要求將數據進行分類存儲并備份,進行數據入庫。

圖7 觀測工作業(yè)務化流程Fig.7 Business workflow of ocean observations

3.2 觀測數據質量控制能力

海洋觀測數據的質量控制一直是海洋工作從業(yè)人員不斷在探索的問題,目前國內尚無統(tǒng)一的質量控制標準和方法。廣州雖已獲取了一定程度的海洋觀測數據,但對觀測數據的質量控制還在探索中,暫未開展質量控制工作。數據的有效性和科學性還未能得到保證。儀器本身故障及外界環(huán)境影響(人為影響及行船碰撞等)均可能導致儀器測量存在粗差,且海洋觀測數據隨時間的變化較為顯著和復雜,因此在對海洋觀測資料進行分析研究前有必要對數據進行質量控制和人工審核[10]。海洋觀測數據的質量控制也分為在儀器投入使用前對儀器的質量控制和在獲取觀測數據后對數據進行的質量控制。

3.2.1 儀器校準及數據比對

為保證儀器的準確性和可靠性,減少儀器本身帶來的系統(tǒng)誤差影響,所有觀測儀器在投入使用前、使用后的每年進行一次檢定及校準,檢定合格方可使用,如因技術原因無法檢定及校準的儀器,需制定科學合理的比測方案,并每年進行一次數據比測,確保所測數據的科學性和有效性。比測方法可參考《海洋環(huán)境監(jiān)測站自動監(jiān)測儀器現場比對方法(暫行)》。

3.2.2 數據質量控制

從儀器初始獲得的觀測數據需要經過一系列的質量控制方能進行應用:1)對錯誤數據進行粗查,剔除異常數據;2)根據質量控制分析方法,刪除不符合水文氣象規(guī)律的數據。目前國內尚無專門對海洋觀測要素的質量控制方法及標準,可參考國外相關的標準進行學習改進,如美國海洋綜合觀測系統(tǒng)(The U.S.Integrated Ocean Observing System,OOS)發(fā)布的QARTOD Project Plan中制定的對海洋觀測26個參數的質量控制方法和標準。

3.3 觀測站布局合理性與觀測環(huán)境代表性

觀測站應科學布設,在滿足觀測預報、防災減災服務效能的基礎上,合理布局,布設密度應均勻,堅持不重復布設的原則。觀測站點應具有代表性,觀測站周圍應盡量滿足2 km范圍內無障礙物及干擾源[11]。

廣州市海洋站應離岸較近,海域范圍不大,觀測站是分批規(guī)劃與建設、連貫性不強,且在選址建站上遇到多方協調上的困難,因此在布局合理性和觀測環(huán)境代表性方面還有需改善的地方,如廣州海域部分區(qū)域的觀測站太密集,如XC03,XC04和XC05咸潮站;部分觀測站涉及重復建設,如FB01浮標站與XC02咸潮站均有溫鹽觀測,站位距離較近;部分站點觀測參數不夠全面,相鄰兩個站位距離較近,觀測參數較為分散,如XC01的咸潮觀測與HY01的潮位觀測,站位及參數設置較為分散;部分咸潮觀測站設置在河口內,常年處于咸水狀態(tài),不能有效地監(jiān)測到咸潮入侵。

經過調研、資料分析以及廣州海域實際情況和水文氣象特點的考慮,可對岸基海洋觀測站以及咸潮觀測站進行重新規(guī)劃,規(guī)劃如下:1)XC02咸潮站調整至增城河段(東江上游),與浮標站FB01保持間距適中;2)咸潮站XC04調整至番禺舊滘涌水閘;3)將咸潮站XC05移動至珠江河段上游,前航道與后航道交匯處,避免珠江河網下游的重復觀測,增加對廣州區(qū)珠江河段上游的咸潮觀測;4)將HY01潮位觀測站調整至XC01觀測站處,將潮位站與咸潮站合并為同一站位,使各站位合理分布;5)在FB02浮標附近增加一個潮位觀測站HY05,為浮標提供同步的潮時潮位信息。位置調整規(guī)劃見圖8。

3.4 數據應用與分析

目前,廣州海洋觀測網建設已頗具成效,也積累了一段時間極具價值的各類觀測數據,對觀測數據除了進行季度、年度分析并編寫報告之外,還進行了詳細分析研究:1)對廣州海域各年度水文、氣象狀況及特征進行研究,如潮汐運動規(guī)律、波浪變化特征、海流變化特征、海水溫鹽變化特征、近岸風速風向特征等,并結合歷年觀測數據研究各季度水文、氣象特征及各季度發(fā)生的各類海洋現象。2)對廣州風暴潮災害狀況特征進行研究,如各年度典型臺風過程期間廣州海域水文、氣象特征,并結合歷年觀測數據研究風暴潮災害影響因素、發(fā)生規(guī)律,提出對風暴潮災害觀測預報的建議及防治對策。3)對廣州海域水質狀況變化特征進行研究,研究廣州海域2017-2019年各季度水質狀況及變化趨勢,總結該海域水質的空間分布特征及隨時間的變化規(guī)律,針對海水的水質特征分析可能的污染物來源,并提出污染防治的措施。4)對廣州海域咸潮入侵狀況及成因進行研究,根據已有觀測數據及查閱資料,研究廣州近年咸潮入侵現象及特征,研究咸潮入侵影響因素、形成機制及咸潮防治對策,并編寫專題研究報告。

總體來講,以上分析均是基于總結、分析及研究的目的,應用到實際防災減災中的還較少,在今后的工作中,還需將觀測數據更好的應用在如下方面:1)海洋防災減災工作:結合已有觀測數據,利用數值預報模型,建立海洋災害風險評估與災害預警系統(tǒng),對廣州海域進行各類海洋災害的風險區(qū)劃工作,為海洋防災減災提供有效的決策依據。2)海洋預警預報工作:在觀測數據的基礎上,建立數值預報模型,為廣州海域海況預報提供基礎數據,為廣州海洋預報提供精細化數值預報結果。3)形成規(guī)范化的觀測制度及工作流程,并按規(guī)范將數據上報給國家,統(tǒng)一管理,建立全國范圍的數據庫,更好地利用這些觀測數據。

4 結 語

廣州海洋觀測網建設既是全國海洋觀測網建設的任務之一,也是廣州海洋觀測預報、海洋防災減災工作的必然需求,海洋觀測工作既基礎又重要。目前,廣州海洋觀測網雖已初步建成,但仍然存在許多待完善、待提高的地方。將目前海洋觀測工作中存在的問題進一步改進與優(yōu)化,展望未來,為了海洋觀測站、海洋觀測數據的價值實現最大化,以下幾個方面也需要提升:

1)觀測站的全面完善。廣州的海洋觀測網主要是基于浮標和岸基平臺,潛標、衛(wèi)星、船舶等的觀測較少,也暫未根據需求開展斷面調查,未來可根據需求完善觀測方式,如:建立雷達測流、雷達測波,增加對海洋場的特征觀測;增加對泥沙、流量等的觀測;目前對溫鹽、水質的觀測均停留在海表觀測上,但對咸潮、溶解氧等參數的底層水體特征較為重要,尚需完善對溫鹽、水質的剖面自動化觀測;完善岸基海洋站,在各個海洋站增加觀測要素,保證對潮位、氣象、水文特征的綜合觀測,確保觀測要素的全面性,海洋站建設的規(guī)范性。

2)強化分析和應用。在分析和應用上面,還拘泥于現有的觀測數據上,未來應拓展至多個方面,結合遙感數據、海洋數值預報模型,對各類現象進行分析研究,如河口鋒現象、底層缺氧現象等。在未來的工作中爭取建立一個多學科的綜合的海洋防災減災觀測數據庫、建立一個永久性的規(guī)范的海洋觀測系統(tǒng)、建立一個綜合性的數據展示與分析平臺,為廣州海洋防災減災工作提供有效的決策建議,做好技術支撐和服務。具體工作包括:(a)利用遙感數據。通過協調及購買的方式,獲取遙感數據,包括遙感風場、海表溫度、葉綠素數據等,結合觀測數據,對各類海洋現象進行分析。(b)建立數值預報模型。海洋觀測無論多么完善,始終不能在時間、空間上全覆蓋的對海洋進行觀測,要對各類現象進行分析,還需借助近岸海洋環(huán)流動力模型、波浪模型和氣象模型等海洋數值模型。觀測數據可為數值模型提供驗證資料、同化資料,有助于數值模型的準確性提升,為海洋預警預報的業(yè)務化工作提供基礎支撐。(c)建設綜合性的數據展示與分析平臺。設計綜合性的數據展示與分析平臺,除了現有的分析之外,實現在地圖的基礎上多圖層展示各站點的觀測信息,將海洋觀測專題信息與地理信息結合,為海洋預報預警工作提供便利。