海域综合水位实时预报的实现方法及系统与流程

本发明涉及海洋环境预报技术领域，具体涉及近岸海域综合水位实时预报的实现方法及系统。

背景技术：

近岸海域的水位变化会直接影响到沿海地区，尤其是在台风和温带气旋等极端天气过程条件下高水位使得沿海地区遭受严重的灾害。综合水位既包含了一般天气条件下以潮汐作用为主导的海洋水位的正常变化，也包含极端天气条件下风暴潮水位的变化。根据国家和地方各级人民政府对海洋预报工作的要求，实现近岸海域综合水位的实时预测预警，将有效提升沿海地区防灾减灾能力。

目前，近岸海域水位预报中潮汐的潮水位和风暴潮水位是分别预报的。潮水位预报方法主要有两种，一种是基于实测数据的调和预报，采用调和分析获得实测站的调和常数，采用调和常数进行预报，这种预报方法基于实测数据精度较高，但实测数据较少，不能进行需要数据较多的大面(大范围海域)的预报；另一种是数值预报方法，主要是采用数学公式离散化的方法，基于理论方程，通过方程的参数化和离散化，根据输入的开边界条件和初始条件，然后求得方程的数值解，这种方法可采用分布不均匀的海洋站实测数据进行验证，而后获取整个预报场的预报结果。风暴潮水位预报主要是基于台风过程或温带天气过程数值模型计算出风暴增水，再将风暴增水值与潮汐预报结果相叠加，形成风暴潮水位，这种方法对气象数据精度要求较高，并且没有考虑潮汐潮流和风暴潮的相互作用。

综上所述，目前现有技术的预报方法主要存在预报要素单一且孤立，潮汐潮水位和风暴潮水位是分开预报的，而且没有考虑两者之间的相互作用，预报结果的综合性程度不高，预报中考虑的影响因素不够全面，并未加入海流的影响，不能满足近岸海域对综合水位预测的需求，影响了综合水位实时预报的效率和精度，存在一定的局限性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种海域综合水位实时预报的实现方法及系统，用于近岸海域综合水位实时预报，以满足对近岸海域对综合水位预测的需求，能够提高综合水位实时预报的效率和精度。

第一方面，本发明实施例提供了一种海域综合水位实时预报的实现方法，包括：

对所述海域进行气象回报，构造第一气象强迫场；

基于第一气象强迫场对所述海域进行水位海流回报，获得水位海流场；

对所述海域进行气象预报，构造第二气象强迫场；

基于第二气象强迫场对所述海域进行余水位预报，构造余水位开边界条件；

基于余水位开边界条件对所述海域进行开边界潮位预报，生成水位预报值；

基于水位海流场、第二气象强迫场、水位预报值对所述海域进行综合水位预报。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，该方法还包括：

输出水位预报结果，制作可视化产品。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，对所述海域进行气象回报，构造第一气象强迫场，具体为：

收集实时和再分析气象资料；

利用所述气象资料构造过去一定时段再分析气象场；

基于所述再分析气象场利用气象模型模拟所述过去一定时段的气象场，构造第一气象强迫场。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，基于第一气象强迫场对所述海域进行水位海流回报，获得水位海流场，具体为：

收集所述海域验潮站实测水位资料和海图资料；

基于所述实测水位资料构建海洋水动力模型初始条件和开边界条件；

基于所述初始条件、开边界条件和第一气象强迫场，利用海洋水动力模型模拟过去一定时段的水位海流场。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，对所述海域进行气象预报，构造第二气象强迫场，具体为：

收集台风路径资料和再分析气象资料；

利用台风路径资料获取台风实时路径；

利用所述气象资料构造过去一定时段再分析气象场；

基于台风实时路径、再分析气象场构造初始条件和边界条件；

利用气象模型预报未来一定时段的气象场，输出气象预报结果，构造第二气象强迫场。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，基于第二气象强迫场对所述海域进行余水位预报，构造余水位开边界条件，具体为，

收集所述海域海图资料；

基于第二气象强迫场，结合海图资料，采用海洋水动力模型模拟未来一定时段的余水位场，输出预测结果；

基于预测结果构造余水位开边界条件。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，基于余水位开边界条件对所述海域进行开边界潮位预报，具体为，

收集所述海域验潮站实测水位资料；

基于所述实测水位资料计算边界网格点潮汐调和常数；

基于所述潮汐调和常数预报开边界网格点未来一定时段的潮位值；

将所述潮位值和余水位开边界条件叠加，生成开边界网格点所述未来一定时段的水位预报值。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，基于水位海流场、第二气象强迫场、水位预报值对所述海域进行综合水位预报，具体为，

基于水位海流场构造初始条件；

基于水位预报值构造开边界条件；

基于第二气象强迫场构造气象强迫条件；

基于所述初始条件、开边界条件和气象强迫条件，利用海洋水动力模型实时预报未来一定时段的水位、海流，获得所述(近岸)海域的综合水位实时预报结果。

第二方面，本发明实施例还提供一种海域综合水位实时预报的实现系统，包括：

气象回报模块，用于对所述海域进行气象回报，构造第一气象强迫场；

水位海流回报模块，用于基于第一气象强迫场对所述海域进行水位海流回报，获得水位海流场；

气象预报模块，用于对所述海域进行气象预报，构造第二气象强迫场；

余水位预报模块，用于基于第二气象强迫场对所述海域进行余水位预报，构造余水位开边界条件；

开边界潮位预报模块，用于基于余水位开边界条件对所述海域进行开边界潮位预报，生成水位预报值；

综合水位预报模块，用于基于水位海流场、第二气象强迫场、水位预报值对所述海域进行综合水位预报。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，该系统还包括制作模块，用于输出水位预报结果，制作可视化产品。

本发明实施例带来了以下有益效果：

本发明实施例提供的海域综合水位实时预报的实现方法中，首先对海域进行气象回报，构造第一气象强迫场，基于第一气象强迫场对海域进行水位海流回报，获得水位海流场；然后对海域进行气象预报，构造第二气象强迫场，基于第二气象强迫场对所述海域进行余水位预报，构造余水位开边界条件，基于余水位开边界条件对所述海域进行开边界潮位预报，生成水位预报值；而后基于水位海流场、第二气象强迫场、水位预报值对所述海域进行综合水位预报，最后输出可视化结果。通过利用实时观测和再分析海洋和气象数据，在对过去一定时段(例如过去96小时)进行回报的基础上，尤其是在灾害天气背景下(如台风过程和温带气旋过程等)，实现对未来一定时段(例如未来36小时)的综合水位进行实时预报。该方法充分考虑到多种天气背景条件和影响因素，能够提供实时、综合的水位预报结果，具有较强的实用性。此外，本发明还具有以下优点：

1、综合水位预报方法的预报过程中加入了极端天气要素和风、气压等气象要素，弥补单要素预报的不足。

2、以实时的海洋台站实时观测数据、台风实时数据和再分析实时气象数据为基础，构建强迫场、初始场和边界条件驱动综合水位预报模型，达到了实时预报效果。

3、一般天气条件下的水位预测和台风、温带气旋等极端天气条件下的水位预测可以在一套方法和系统内完成，避免了对多种水位单独预报的问题，实现综合水位的预报。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的海域综合水位实时预报的实现方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的海域综合水位实时预报的实现方法的详细流程图；

图3为图1中S1的具体流程图；

图4为图1中S2的具体流程图；

图5为图1中S3的具体流程图；

图6为图1中S4的具体流程图；

图7为图1中S5的具体流程图；

图8为图1中S6的具体流程图；

图9为本发明实施例二提供的海域综合水位实时预报的实现系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种海域综合水位实时预报的实现方法，用于近岸海域综合水位实时预报，包括以下步骤：

S1：对海域进行气象回报，构造第一气象强迫场；

具体的，参照图3，包括以下分步骤：

S11：收集实时和再分析气象资料；

气象资料包括台风路径、中心气压、中心风速，温带气旋发生时的温度、气压、湿度、风速、风向等

S12：利用气象资料构造过去一定时段再分析气象场；

利用气象资料构造过去一定时段再分析气象场，本发明实施例利用气象资料构造过去96小时的再分析气象场。

S13：基于再分析气象场利用气象模型模拟过去一定时段的气象场，构造第一气象强迫场。

基于过去96小时的再分析气象场利用气象模型的回报模式模拟过去96小时的气象场(包括风场，如风速、风向等，以及气压场等)，构造第一气象强迫场。第一气象强迫场用于为对海域进行水位海流回报中的海洋水动力模型提供模式气象强迫条件。

需要说明的是，气象模型(包括回报模式和预报模式)主要采用中尺度天气过程模型和台风风场和气压场模型，一般情况下或温带天气系统控制下采用中尺度天气过程模拟模式，台风发生时则采用台风风场和气压场模型。

中尺度天气过程模型选用MM5、WRF等较为成熟的气象数值预报模式，以再分析资料作为背景场，并利用现场观测资料对背景场进行修正。

台风风场和气压场模型需要设置台风域中风场和气压场网格以及台风流入角，台风路径、最大风速半径、台风中心气压、近中心最大风速、台风移动速度等参数，这些参数由中国台风网公布的最优台风路径资料获得。

S2：基于第一气象强迫场对海域进行水位海流回报，获得水位海流场；

具体的，参照图4，包括以下分步骤：

S21：收集海域验潮站实测水位资料和海图资料；

S22：基于实测水位资料构建海洋水动力模型初始条件和开边界条件；

S23：基于初始条件、开边界条件和第一气象强迫场，利用海洋水动力模型模拟过去一定时段的水位海流场。

本发明实施例基于收集的过去96小时的水位资料(作为初始条件和开边界条件)和海图资料(作为模式水深)以及第一气象强迫场，利用海洋水动力模型模拟过去96小时的水位海流场。

水位海流场用于为综合水位预报提供初始条件，具体实施中，采用最后一个小时的水位海流场作为综合水位预报的初始条件。

需要说明的是，海洋水动力模型(包括回报模式和预报模式)选用POM、FVCOM等较为成熟的海洋数值模式，模式水深采用收集的海图资料，模式计算：由验潮站的实测水位作为开边界驱动模式计算，模式气象强迫条件为第一气象强迫场，由气象回报构建的气象场提供风场(风速、风向)和气压场。

S3：对海域进行气象预报，构造第二气象强迫场；

具体的，参照图5，包括以下分步骤：

S31：收集台风路径资料和再分析气象资料；

气象资料包括台风路径、中心气压、中心风速，温带气旋发生时的温度、气压、湿度、风速、风向等。

S32：利用台风路径资料获取台风实时路径；

台风路径资料包括台风域中风场和气压场网格以及台风流入角，台风路径、最大风速半径、台风中心气压、近中心最大风速、台风移动速度等参数，这些参数由中国台风网公布的最优台风路径资料获得。

S33：利用气象资料构造过去一定时段再分析气象场；

本发明实施例利用过去96小时的气象资料构造过去96小时的再分析气象场。

S34：基于台风实时路径、再分析气象场构造初始条件和边界条件；

S35：利用气象模型预报未来一定时段的气象场，输出气象预报结果，构造第二气象强迫场。

本发明实施例利用气象模型的预报模式预报未来36小时的气象场，输出气象预报结果，构造第二气象强迫场。预报的气象场(包括风场，如风速、风向等，以及气压场等)，构造的第二气象强迫场为余水位预报提供气象强迫场以及为综合水位预报提供气象强迫场。

气象预报结果主要为网格点未来36小时的风向、风速和气压；

将预报结果插值到余水位预报网格上，若为台风情况则无需插值，可为余水位预报提供气象强迫场；

将预报结果插值到水位预报网格上，若为台风情况则无需插值，可为综合水位预报提供气象强迫场。

气象模型的预报模式也是主要采用中尺度天气过程模型和台风风场和气压场模型，一般情况下或温带天气系统控制下采用中尺度天气过程模拟模式，台风发生时则采用台风风场和气压场模型。

中尺度天气过程模型选用MM5、WRF等的较为成熟的气象数值预报模式，以再分析资料作为背景场，并利用现场观测资料对背景场进行修正。

台风风场和气压场模型需要设置台风域中风场和气压场网格以及台风流入角，台风路径、最大风速半径、台风中心气压、近中心最大风速、台风移动速度等参数，这些参数由中国台风网公布的最优台风路径资料获得。

S4：基于第二气象强迫场对海域进行余水位预报，构造余水位开边界条件；

具体的，参照图6，包括以下分步骤:

S41：收集海域海图资料；

S42：基于第二气象强迫场，结合海图资料，采用海洋水动力模型模拟未来一定时段的余水位场，输出预测结果；

本发明实施例利用气象预报模拟的第二气象强迫场为海洋水动力模型提供模式气象强迫条件，结合海图资料作为海洋水动力模型的模式水深，采用海洋水动力模型模拟未来36小时的余水位场，输出预测结果；

S43：基于预测结果构造余水位开边界条件。

将预测结果插值到水位预报网格开边界处，为开边界潮汐预报提供开边界条件，需要说明的是，水位海流预报网格与综合水位预报网格是同一种网格，这里统一成水位预报网格。

需要说明的是，本步骤中，海洋水动力模型选用POM、FVCOM等较为成熟的海洋数值预报模式，模式水深采用海图资料，模式初始条件采用零初始条件，模式气象强迫条件为第二气象强迫场提供的风场(风速、风向)和气压场。

S5：基于余水位开边界条件对所述海域进行开边界潮位预报，生成水位预报值；

具体的，参照图7，包括以下分步骤：

S51：收集海域验潮站实测水位资料；

S52：基于实测水位资料计算边界网格点潮汐调和常数；

基于验潮站实测水位采用调和分析计算边界网格点潮汐调和常数。

S53：基于潮汐调和常数预报开边界网格点未来一定时段的潮位值；

本发明实施例基于得到的潮汐调和常数预报开边界网格点未来36小时的潮位值。

S54：将潮位值和余水位开边界条件叠加，生成开边界网格点未来一定时段的水位预报值。

本发明实施例将潮位值和余水位开边界条件叠加，生成开边界网格点未来36小时的水位预报值，水位预报值用于为综合水位预报提供开边界条件。

S6：基于水位海流场、第二气象强迫场、水位预报值对海域进行综合水位预报。

具体的，参照图8，包括以下分步骤：

S61：基于水位海流场构造初始条件；

S62：基于水位预报值构造开边界条件；

S63：基于第二气象强迫场构造气象强迫条件；

S64：基于初始条件、开边界条件和气象强迫条件，利用海洋水动力模型实时预报未来一定时段的水位、海流，获得海域的综合水位实时预报结果。

本步骤中，海洋水动力模型选用POM、FVCOM等的较为成熟的海洋数值预报模式，模式水深采用的海图资料已知，模式计算:开边界由验潮站的潮汐调和常数预报潮位和余水位计算结果(预测结果)共同提供开边界水位驱动，也就是说，由水位预报值作为开边界水位驱动模式计算，模式初始条件由水位海流回报获得的水位海流场提供，模式气象强迫条件由第二气象强迫场提供风速、风向和气压，基于上述条件，利用海洋水动力模型预报未来36小时的水位、海流，获得海域的综合水位实时预报结果。

S7：输出水位预报结果，制作可视化产品。

具体的，将获得的综合水位预报结果处理成可视化产品，例如可以制作成单站过程曲线图和典型时刻水位、流场图等。

本发明实施例提供的海域综合水位实时预报的实现方法中，利用实时观测和再分析海洋和气象数据，在对过去一定时段(例如过去96小时)进行回报的基础上，尤其是在灾害天气背景下(如台风过程和温带气旋过程等)，实现对未来一定时段(例如未来36小时)的综合水位进行实时预报。该方法充分考虑到多种天气背景条件和影响因素，能够提供实时、综合的水位预报结果，具有较强的实用性。具体地说，本发明具有以下优点：

1、综合水位预报方法的构建结合了风暴潮、潮汐和流场预报，预报过程中加入了极端天气要素和风、气压等气象要素，弥补单要素预报的不足。

2、以实时的海洋台站实时观测数据、台风实时数据和再分析实时气象数据为基础，构建强迫场、初始场和边界条件驱动综合水位预报模型，达到了实时预报效果。

3、一般天气条件下的水位预测和台风、温带气旋等极端天气条件下的水位预测可以在一套方法和系统内完成，避免了对多种水位单独预报的问题，实现综合水位的预报。

实施例二：

如图9所示，本发明实施例提供一种海域综合水位实时预报的实现系统，其中包括气象回报模块1、水位海流回报模块2、气象预报模块3、余水位预报模块4、开边界潮位预报模块5和综合水位预报模块6。

气象回报模块1，用于对海域进行气象回报，构造第一气象强迫场，具体包括以下几个方面：

收集实时和再分析气象资料；

利用气象资料构造过去一定时段再分析气象场；

基于再分析气象场利用气象模型模拟过去一定时段的气象场，构造第一气象强迫场。

水位海流回报模块2，用于基于第一气象强迫场对海域进行水位海流回报，获得水位海流场，具体包括以下几个方面：

收集海域验潮站实测水位资料和海图资料；

基于实测水位资料构建海洋水动力模型初始条件和开边界条件；

基于初始条件、开边界条件和第一气象强迫场，利用海洋水动力模型模拟过去一定时段的水位海流场。

气象预报模块3，用于对海域进行气象预报，构造第二气象强迫场，具体包括以下几个方面：

收集台风路径资料和再分析气象资料；

利用台风路径资料获取台风实时路径；

利用气象资料构造过去一定时段再分析气象场；

基于台风实时路径、再分析气象场构造初始条件和边界条件；

利用气象模型预报未来一定时段的气象场，输出气象预报结果，构造第二气象强迫场。

余水位预报模块4，用于基于第二气象强迫场对海域进行余水位预报，构造余水位开边界条件，具体包括以下几个方面：

收集海域海图资料；

基于第二气象强迫场，结合海图资料，采用海洋水动力模型模拟未来一定时段的余水位场，输出预测结果；

基于预测结果构造余水位开边界条件。

开边界潮位预报模块5，用于基于余水位开边界条件对海域进行开边界潮位预报，生成水位预报值，具体包括以下几个方面：

收集海域验潮站实测水位资料；

基于实测水位资料计算边界网格点潮汐调和常数；

基于潮汐调和常数预报开边界网格点未来一定时段的潮位值。

综合水位预报模块6，用于基于水位海流场、第二气象强迫场、水位预报值对海域进行综合水位预报，具体包括以下几个方面：

基于水位海流场构造初始条件；

基于水位预报值构造开边界条件；

基于第二气象强迫场构造气象强迫条件；

基于初始条件、开边界条件和气象强迫条件，利用海洋水动力模型实时预报未来一定时段的水位、海流，获得海域的综合水位实时预报结果。

作为一个优选方案，本发明实施例提供的海域综合水位实时预报的实现系统还包括制作模块7，用于输出水位预报结果，制作可视化产品。具体的，制作模块7将获得的综合水位预报结果处理成可视化产品，例如可以制作成单站过程曲线图和典型时刻水位、流场图等。

上述系统在使用时，本发明实施例中提及的过去一定时段，优选的是，过去96小时，未来一定时段，优选的是，未来36小时。

本发明实施例提供的海域综合水位实时预报的实现系统，与上述实施例提供的海域综合水位实时预报的实现方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。