近日，國家海洋信息中心研究員石綏祥團(tuán)隊聯(lián)合福建省海洋預(yù)報臺研發(fā)的基于海洋大數(shù)據(jù)的赤潮發(fā)生概率預(yù)報系統(tǒng)，將赤潮預(yù)報精度由傳統(tǒng)方法的40%提高至55%。

利用該技術(shù)手段，系統(tǒng)準(zhǔn)確預(yù)測了2020年4月20日福建泉州惠安附近海域和2020年6月1日福建福鼎硤門附近海域等多次赤潮災(zāi)害事件，為地方政府部門災(zāi)害應(yīng)對提供了有效支撐，在赤潮災(zāi)害預(yù)警預(yù)報領(lǐng)域取得顯著成效。

海洋大數(shù)據(jù)的應(yīng)用，不僅成為赤潮監(jiān)測預(yù)警的新方法，也為海洋預(yù)報技術(shù)的發(fā)展提供了新思路和新方向。

“最初一公里”困境待破解

赤潮是在特定的環(huán)境條件下，海水中的某些浮游植物、原生動物或細(xì)菌爆發(fā)性增殖或高度聚集，引起水體變色或?qū)Ｑ笾衅渌锂a(chǎn)生危害的一種生態(tài)異常現(xiàn)象。由于引發(fā)赤潮的生物種類繁多，爆發(fā)機(jī)制各異，赤潮也被稱為“紅色幽靈”。

目前，國際上尚無制止赤潮出現(xiàn)的有效辦法，只能對其進(jìn)行監(jiān)控和預(yù)警。因此，加強(qiáng)赤潮監(jiān)控與預(yù)警成為赤潮防治的“最初一公里”。

福建是我國東南沿海的重要海洋省份，海洋漁業(yè)資源、港口資源、濱海旅游資源和海水化學(xué)資源等十分豐富，海洋經(jīng)濟(jì)已成為福建省國民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分。但不容忽視的是，福建海域也是我國赤潮災(zāi)害的高發(fā)區(qū)之一，在2000年以來的20年間，共發(fā)生赤潮事件233次，累計經(jīng)濟(jì)損失超過200億元。

傳統(tǒng)的海洋污染監(jiān)測主要依靠船只定期調(diào)查和岸濱人工定期觀測。由于條件限制，難以發(fā)現(xiàn)短周期的尤其是像赤潮災(zāi)害等突發(fā)性的變化。近年來，國內(nèi)外監(jiān)測赤潮的主要手段除了船只和沿岸觀測，引入了飛機(jī)或衛(wèi)星遙感監(jiān)測。

然而，常規(guī)船只和人工監(jiān)測赤潮需要采樣進(jìn)行生物、化學(xué)分析，既耗材又費時費力。飛機(jī)和衛(wèi)星監(jiān)測費用高，且受天氣等條限制。赤潮形成機(jī)理復(fù)雜，其暴發(fā)又頗具偶然性，靠傳統(tǒng)的監(jiān)測手段必然無法解決赤潮監(jiān)測與預(yù)警的問題，因此必須通過建設(shè)先進(jìn)的赤潮監(jiān)測預(yù)警體系，準(zhǔn)確預(yù)警海洋赤潮災(zāi)害，以減少赤潮造成的損失。

大數(shù)據(jù)“智”尋“紅色幽靈”

目前該系統(tǒng)已在福建省海洋預(yù)報臺完成部署，并投入業(yè)務(wù)化試運行，每天定時輸出赤潮發(fā)生概率預(yù)報結(jié)果。以2020年4月20日福建海域發(fā)生的赤潮事件為例，該系統(tǒng)于4月19日預(yù)測VI區(qū)發(fā)生赤潮的概率較高，預(yù)報等級為3級。4月20日，福建泉州惠安縣大港灣附近海域（位于預(yù)測海區(qū)VI區(qū)）發(fā)現(xiàn)赤潮，局部海面呈棕褐色分布，面積約為4平方公里，赤潮生物優(yōu)勢種為細(xì)弱海鏈藻。福建省海洋與漁業(yè)局依據(jù)此預(yù)報結(jié)果及時開展應(yīng)急響應(yīng)，有效避免了沿岸群眾的經(jīng)濟(jì)與財產(chǎn)損失。

基于大數(shù)據(jù)分析的赤潮發(fā)生概率預(yù)報系統(tǒng)，是依托科技部“十三五”重點研發(fā)計劃“海洋大數(shù)據(jù)分析預(yù)報技術(shù)研發(fā)”項目開展建設(shè)的。系統(tǒng)面向可能影響赤潮發(fā)生的水文氣象、生物化學(xué)和人類活動等關(guān)聯(lián)因子，構(gòu)建了基于SOM-LSTM融合算法的大數(shù)據(jù)赤潮預(yù)報模型，利用SOM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，對赤潮樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行精確篩選，確保模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；利用LSTM算法，對輸入?yún)⒘拷稻S，提高模型的精度和效率，并對算法的權(quán)值和閾值進(jìn)行優(yōu)化，減少隨機(jī)因素的干擾。

在此基礎(chǔ)上，基于多預(yù)報因子和浮標(biāo)高頻采樣數(shù)據(jù)獲得的大量預(yù)報結(jié)果，開展統(tǒng)計分析，充分利用浮標(biāo)實時高頻采樣數(shù)據(jù)的自相關(guān)優(yōu)勢，減少極端數(shù)據(jù)或極端結(jié)果帶來的誤差；利用過去10年的歷史數(shù)據(jù)和最近15天的數(shù)據(jù)開展模型訓(xùn)練，并使用最近4天的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)報，使模型既學(xué)習(xí)了歷史赤潮事件樣本，又獲取了最新參量信息，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的預(yù)報能力。

為海洋預(yù)報提供新思路

經(jīng)過多年努力，我國已經(jīng)建立起由衛(wèi)星、飛機(jī)、船舶、浮標(biāo)和岸站組成的國家海洋環(huán)境監(jiān)視監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，成立了國家和地方相結(jié)合、專業(yè)和群眾相結(jié)合的全國赤潮立體監(jiān)視監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，“海洋大數(shù)據(jù)分析預(yù)報技術(shù)研發(fā)”項目實施過程中，堅持用數(shù)據(jù)說話，借助大數(shù)據(jù)方法從海量海洋數(shù)據(jù)資源中發(fā)現(xiàn)潛在的因子關(guān)聯(lián)關(guān)系，有效彌補(bǔ)了海洋動力過程參數(shù)化、離散方法和初始條件誤差帶來的不確定性；針對海洋數(shù)據(jù)強(qiáng)專業(yè)性、強(qiáng)關(guān)聯(lián)性和強(qiáng)空間時序性等特點，突破傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)方法，凝練了具有鮮明海洋特色的大數(shù)據(jù)關(guān)鍵技術(shù)；聚焦具體應(yīng)用需求和典型業(yè)務(wù)場景，將海洋大數(shù)據(jù)引入了海洋預(yù)報領(lǐng)域，為海洋預(yù)報技術(shù)發(fā)展提供了新思路和新方向。

“海洋大數(shù)據(jù)分析預(yù)報技術(shù)研發(fā)”項目是科技部“十三五”期間在海洋領(lǐng)域批復(fù)的首個大數(shù)據(jù)項目，由國家海洋信息中心牽頭，自然資源部第二海洋研究所、東海預(yù)報中心和福建省預(yù)報臺等9家單位聯(lián)合承擔(dān)。

此外，項目立足于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在海洋預(yù)報領(lǐng)域的應(yīng)用研究，構(gòu)建了面向海洋分析預(yù)報的大數(shù)據(jù)資源池和適用于海洋領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)挖掘分析模型方法庫，研發(fā)了海面高、海表溫、三維溫鹽和臺風(fēng)等大數(shù)據(jù)分析預(yù)報技術(shù)，并實現(xiàn)了系統(tǒng)集成和應(yīng)用示范，為推動我國海洋事業(yè)的信息化、智慧化進(jìn)程提供了重要的技術(shù)支撐。