郭敬,朱業(yè),李婷,王勤,車助鎂

(浙江省海洋監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心 杭州 310007)

0 引言

我國是世界第一水產(chǎn)養(yǎng)殖大國,水產(chǎn)養(yǎng)殖產(chǎn)量超過世界水產(chǎn)養(yǎng)殖總產(chǎn)量的70%[1-2]。近年來,更接近天然環(huán)境的網(wǎng)箱養(yǎng)殖成為新的發(fā)展趨勢(shì),但臺(tái)風(fēng)等海洋災(zāi)害性氣候的頻發(fā)嚴(yán)重阻礙網(wǎng)箱養(yǎng)殖的健康發(fā)展。以溫州市南麂島為例,根據(jù)1949—2016年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,影響該區(qū)域的臺(tái)風(fēng)頻次為3.3次/年,其中0216號(hào)臺(tái)風(fēng)“森拉克”、0608號(hào)臺(tái)風(fēng)“桑美”和1323號(hào)臺(tái)風(fēng)“菲特”均導(dǎo)致南麂島網(wǎng)箱養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)損失慘重。

近年來,我國海洋防災(zāi)減災(zāi)工作積極借鑒國內(nèi)外先進(jìn)理念,建立成熟的海洋災(zāi)害觀測(cè)監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)和防范治理的業(yè)務(wù)體系。然而傳統(tǒng)的海洋災(zāi)害預(yù)警報(bào)主要針對(duì)潮位、浪高和增水等,對(duì)于重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域和主要承災(zāi)體破壞性影響的預(yù)判和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警仍較為缺乏,難以精準(zhǔn)聚焦防護(hù)對(duì)象并有針對(duì)性地采取應(yīng)對(duì)措施。對(duì)海水養(yǎng)殖業(yè)而言,目前養(yǎng)殖海域的致災(zāi)因子、受災(zāi)響應(yīng)和災(zāi)害破壞機(jī)理尚不完全清晰,導(dǎo)致災(zāi)前預(yù)判和應(yīng)對(duì)不足。

已有學(xué)者利用ANSYS有限元軟件對(duì)浮架結(jié)構(gòu)在波浪和水流作用下的水動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值模擬[3],同時(shí)利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建受災(zāi)破壞因子與結(jié)構(gòu)受損的定量關(guān)系,并利用灰色關(guān)聯(lián)度識(shí)別受災(zāi)破壞主控因子[4-6]。本研究在以往研究的基礎(chǔ)上,以浙江省南麂島地區(qū)為試點(diǎn),建立深水網(wǎng)箱受災(zāi)損壞等級(jí),建立海浪與養(yǎng)殖網(wǎng)箱受災(zāi)破壞的定量關(guān)系,建立精細(xì)化海浪-風(fēng)暴潮耦合數(shù)值預(yù)報(bào)模型,開發(fā)深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品,為當(dāng)?shù)鼐W(wǎng)箱養(yǎng)殖應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)等極端天氣過程提供技術(shù)支撐和服務(wù)。

1 數(shù)據(jù)資料

本研究采用的網(wǎng)箱資料來自現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研,數(shù)值模型采用的岸線數(shù)據(jù)為浙江省近海調(diào)查測(cè)量數(shù)據(jù),海洋地形資料來自美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)公布的ETOP 02全球地形數(shù)據(jù)集(分辨率為2'×2'),南麂島附近水深數(shù)據(jù)為溫州市自然資源部門近年的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù),海浪資料為南麂島波浪浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù),臺(tái)風(fēng)資料來自中央氣象局。

2 南麂島網(wǎng)箱養(yǎng)殖

南麂列島位于浙江省東南部海面,由52個(gè)面積大于500 m2的海島組成,其中南麂島為主島,位于列島中央,面積為7.64 km2,岸線長為24.8 km,大沙岙、火焜岙、馬祖岙和國姓岙4個(gè)海灣分置于東南和西北2個(gè)方向。南麂列島海域的東北側(cè)和西南側(cè)為深水通道,水深超過30 m,最深處達(dá)45 m[7-10]。

目前南麂島主要有6家深水網(wǎng)箱養(yǎng)殖企業(yè),其中國姓岙有1家(海派),馬祖岙有4家(鴻運(yùn)、新科、柴嶼和碧海仙山),竹嶼有1家(耕海牧漁)。其中,浙江碧海仙山海產(chǎn)品開發(fā)有限公司的養(yǎng)殖規(guī)模最大,深水網(wǎng)箱約有90口,網(wǎng)箱周長為60 m;其他企業(yè)的養(yǎng)殖規(guī)模均在10口左右,網(wǎng)箱周長為40 m。

深水網(wǎng)箱也被稱為重力式深水網(wǎng)箱,多為圓形,主要布局在平均水深為10～20 m的沿海開放性水域。深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱容量較大,是具有較強(qiáng)抗風(fēng)浪性能的海上養(yǎng)殖設(shè)施,主要由浮架系統(tǒng)、網(wǎng)衣系統(tǒng)、錨碇系統(tǒng)和配重系統(tǒng)構(gòu)成(圖1)。

圖1 重力式深水網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)

本研究的浮架材料為高強(qiáng)度聚乙烯(HDPE),直徑為40～60 m,網(wǎng)衣材料為聚乙烯(PE)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研結(jié)果,深水網(wǎng)箱受災(zāi)主要發(fā)生在災(zāi)害性海浪影響期間。在海浪作用下,網(wǎng)箱的運(yùn)動(dòng)幅值增大,浮架受錨繩拉力和浮架相互之間的擠壓影響,因大變形而出現(xiàn)斷裂;海浪拍打造成錨繩斷裂或走錨,網(wǎng)箱內(nèi)養(yǎng)殖容積受到壓縮,導(dǎo)致養(yǎng)殖魚類缺氧死亡。受災(zāi)損壞的主要形式可概括為浮架變形斷裂、錨繩斷纜脫錨和網(wǎng)箱容積損失過大3個(gè)類型。

3 網(wǎng)箱損壞等級(jí)

有學(xué)者通過構(gòu)建深水網(wǎng)箱的物理模型和數(shù)學(xué)模型,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練,篩選出網(wǎng)箱主要致災(zāi)因子即浪高、浪周期、水深和網(wǎng)箱周長,并建立4種致災(zāi)因子和網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)受損(錨繩張力、容積保持率和浮架應(yīng)力)的定量關(guān)系(圖2)。

圖2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本研究利用網(wǎng)箱水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算結(jié)果,結(jié)合實(shí)地調(diào)研結(jié)果,根據(jù)浮架變形斷裂、錨繩斷纜脫錨和網(wǎng)箱容積損失過大這3種損壞形式,開展深水網(wǎng)箱損壞等級(jí)劃分,并根據(jù)不同受災(zāi)破壞等級(jí)制定深水網(wǎng)箱水動(dòng)力閾值,當(dāng)浮架應(yīng)力、容積保持率和纜繩力中的某項(xiàng)達(dá)到設(shè)定閾值,即會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的破壞情況(表1)。

利用南麂島周邊海域的實(shí)際水文參數(shù)(浪高、浪周期和水深)和網(wǎng)箱結(jié)構(gòu)參數(shù)(周長),并將這些參數(shù)輸入通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立的非線性定量關(guān)系的輸入層,經(jīng)過中間層的處理后,輸出網(wǎng)箱在實(shí)際海況下的錨繩張力最大值、容積保持率最小值以及浮架應(yīng)力最大值,再結(jié)合表1即可確定網(wǎng)箱的損壞等級(jí)。參考海浪災(zāi)害的預(yù)警等級(jí),將4種破壞程度分別對(duì)應(yīng)紅、橙、黃和藍(lán)4種風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等級(jí)。

表1 網(wǎng)箱受災(zāi)損壞等級(jí)和閾值

在實(shí)際抗臺(tái)風(fēng)過程中發(fā)現(xiàn),致災(zāi)因子輸入項(xiàng)過多嚴(yán)重影響風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品的發(fā)布速度。為縮短產(chǎn)品制作和發(fā)布時(shí)間,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化快速發(fā)布,須把輸入項(xiàng)進(jìn)行簡化。在調(diào)研中發(fā)現(xiàn),每家養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖用海范圍都是固定的,網(wǎng)箱錨定和飄浮范圍可基本定為不變,因此各家企業(yè)的水深和網(wǎng)箱周長輸入項(xiàng)都是固定的。通過對(duì)南麂島浮標(biāo)多年觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析,有效浪高的平均浪周期為5.5 s。

通過計(jì)算不同情景下的網(wǎng)箱損壞等級(jí),建立定量化數(shù)據(jù)庫,得出6家養(yǎng)殖企業(yè)的養(yǎng)殖網(wǎng)箱損壞等級(jí)對(duì)應(yīng)的浪高閾值,并通過精細(xì)化海浪-風(fēng)暴潮耦合數(shù)值預(yù)報(bào)模型開展海浪精準(zhǔn)預(yù)報(bào),實(shí)現(xiàn)深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品自動(dòng)化快速制作和發(fā)布(表2)。

表2 南麂島深水網(wǎng)箱不同損壞等級(jí)下的浪高閾值

4 海浪數(shù)值模式

本研究所用數(shù)值模式采用SWAN和ADCIRC耦合模型,用于同一套非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,相同的網(wǎng)格可準(zhǔn)確求解2個(gè)模型中波流相互作用的物理過程。非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格可用于較大區(qū)域,使得深水區(qū)的能量全部傳到淺水區(qū),且不再需要對(duì)結(jié)構(gòu)網(wǎng)格進(jìn)行嵌套和疊加,也不再需要內(nèi)部模型插值,從而顯著減少計(jì)算量,并保證計(jì)算的準(zhǔn)確性。整個(gè)網(wǎng)格系統(tǒng)共有226 137個(gè)三角形,由136 948個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成,整套計(jì)算網(wǎng)格覆蓋19.6°-37.2°N,115.7°-130.7°E。該模型每天運(yùn)行1次,可以提供浙江省海域未來120 h的海浪預(yù)報(bào)結(jié)果,時(shí)間間隔為1 h。

數(shù)值模式選取6次臺(tái)風(fēng)進(jìn)行驗(yàn)證,對(duì)臺(tái)風(fēng)浪的檢驗(yàn)效果較好,模擬值與實(shí)測(cè)值符合較好,平均絕對(duì)誤差在1 m以內(nèi),相對(duì)誤差均不超過13%,基本能反映浙江省臺(tái)風(fēng)浪的分布特征(表3)。

表3 南麂島臺(tái)風(fēng)浪的驗(yàn)證誤差

5 應(yīng)用案例

5.1 1808號(hào)“瑪莉亞”臺(tái)風(fēng)

1808號(hào)“瑪莉亞”臺(tái)風(fēng)于2018年7月4日20時(shí)在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成,于11日9時(shí)10分在福建省黃岐半島登陸,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為14級(jí),中心最低氣壓為960 hPa。根據(jù)海浪模式預(yù)報(bào)結(jié)果制作南麂島網(wǎng)箱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品,結(jié)果顯示:馬祖岙鴻運(yùn)、新科和柴嶼以及竹嶼耕海牧漁的養(yǎng)殖海域?qū)⒂?月11日凌晨達(dá)到或接近橙色預(yù)警,出現(xiàn)網(wǎng)箱Ⅱ級(jí)嚴(yán)重破壞;國姓岙海派和馬祖岙碧海仙山的養(yǎng)殖海域?qū)⑦_(dá)到藍(lán)色預(yù)警,出現(xiàn)網(wǎng)箱Ⅳ級(jí)輕度破壞。

南麂島浮標(biāo)受1808號(hào)臺(tái)風(fēng)影響造成數(shù)據(jù)缺失,但根據(jù)變化趨勢(shì)推斷,海浪模式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在浪高和最大浪高出現(xiàn)時(shí)間等方面基本吻合,海浪模式較好地模擬1808號(hào)臺(tái)風(fēng)期間南麂島海域的浪高變化情況。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和無人機(jī)航拍,國姓岙海派的12口深水網(wǎng)箱未有明顯損失;馬祖岙鴻運(yùn)共有4只周長為40 m的網(wǎng)箱全部損壞,破壞等級(jí)達(dá)到Ⅱ級(jí)嚴(yán)重破壞;馬祖岙新科在12只周長為40 m的網(wǎng)箱中有4只網(wǎng)箱失蹤(其中1只在岸邊發(fā)現(xiàn),破壞等級(jí)為I級(jí)),有3只網(wǎng)箱受損,破壞等級(jí)達(dá)到Ⅱ級(jí)嚴(yán)重破壞;馬祖岙柴嶼在10只周長為40 m的網(wǎng)箱中有5只網(wǎng)箱受損,破壞等級(jí)達(dá)到Ⅱ級(jí)嚴(yán)重破壞;馬祖岙碧海仙山在90只周長為60 m的網(wǎng)箱中只有1只網(wǎng)箱受損,破壞等級(jí)達(dá)到Ⅲ級(jí)中度破壞;竹嶼耕海牧漁在14只周長為40 m的網(wǎng)箱中有9只網(wǎng)箱受損,破壞等級(jí)達(dá)到Ⅱ級(jí)嚴(yán)重破壞。

總體而言,大多數(shù)受損網(wǎng)箱為Ⅱ級(jí)嚴(yán)重破壞,少量網(wǎng)箱為I級(jí)特別嚴(yán)重破壞和Ⅲ級(jí)中度破壞,預(yù)報(bào)的破壞等級(jí)與實(shí)際的受災(zāi)情況一致。

5.2 1909號(hào)“利奇馬”臺(tái)風(fēng)

1909號(hào)“利奇馬”臺(tái)風(fēng)于2019年8月4日14時(shí)在菲律賓以東的西北太平洋洋面上生成,于10日1時(shí)45分在浙江省溫嶺市登陸,登陸時(shí)中心附近最大風(fēng)力為16級(jí),中心最低氣壓為930 hPa。根據(jù)海浪模式的預(yù)報(bào)結(jié)果制作南麂島網(wǎng)箱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品,結(jié)果顯示:馬祖岙鴻運(yùn)、新科和柴嶼以及竹嶼耕海牧漁的養(yǎng)殖海域?qū)⒂?月11日凌晨達(dá)到或接近紅色預(yù)警,出現(xiàn)網(wǎng)箱I級(jí)特別嚴(yán)重破壞;國姓岙海派和馬祖岙碧海仙山的養(yǎng)殖海域?qū)⑦_(dá)到或接近橙色預(yù)警,出現(xiàn)網(wǎng)箱Ⅱ級(jí)嚴(yán)重破壞。

南麂島浮標(biāo)受1909號(hào)臺(tái)風(fēng)影響造成數(shù)據(jù)缺失,但根據(jù)變化趨勢(shì)推斷,海浪模式計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在浪高和最大浪高出現(xiàn)時(shí)間等方面基本吻合,海浪模式較好地模擬1909號(hào)臺(tái)風(fēng)期間南麂島海域的浪高變化情況。

根據(jù)災(zāi)后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況,馬祖岙鴻運(yùn)、新科和柴嶼以及竹嶼耕海牧漁的大多數(shù)網(wǎng)箱均為I級(jí)特別嚴(yán)重破壞,部分網(wǎng)箱為II級(jí)嚴(yán)重破壞;國姓岙海派和馬祖岙碧海仙山的大部分網(wǎng)箱為II級(jí)嚴(yán)重破壞,少量為I級(jí)特別嚴(yán)重破壞。經(jīng)驗(yàn)證,預(yù)報(bào)的破壞等級(jí)與實(shí)際的受災(zāi)情況一致。

6 結(jié)語

本研究聚焦南麂島養(yǎng)殖海域,根據(jù)網(wǎng)箱的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及水文和水深等條件,計(jì)算不同災(zāi)害情景下的網(wǎng)箱損壞等級(jí),建立定量化數(shù)據(jù)庫,得到針對(duì)不同養(yǎng)殖企業(yè)的不同損壞等級(jí)的浪高閾值,結(jié)合精細(xì)化風(fēng)暴潮-近岸浪耦合數(shù)值預(yù)報(bào)模型,構(gòu)建海浪災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判的指數(shù)化和業(yè)務(wù)化體系,實(shí)現(xiàn)在5 min內(nèi)完成深水養(yǎng)殖網(wǎng)箱災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品的自動(dòng)化快速制作和發(fā)布;經(jīng)過1808號(hào)“瑪莉亞”臺(tái)風(fēng)和1909號(hào)“利奇馬”臺(tái)風(fēng)的檢驗(yàn),計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)在浪高和最大浪高出現(xiàn)時(shí)間等方面都基本吻合,預(yù)報(bào)的破壞等級(jí)與實(shí)際的受災(zāi)情況一致。該風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警產(chǎn)品為政府部門和養(yǎng)殖企業(yè)在臺(tái)風(fēng)汛期快速采取防范措施以及減少災(zāi)害損失提供技術(shù)保障。