海水浴场海洋环境预报技术导则.docx

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海水浴场海洋环境预报技术导则

海水浴场海洋环境预报

技术导则

国家海洋局预报减灾司

2017年6月

一、范围

本导则规定了海水浴场海洋环境预报的术语和定义、预报产品的内容格式和发布要求、结果检验与评分方法等内容。

本导则适用于海水浴场海洋环境预报产品制作发布等相关工作。

二、术语和定义

下列术语和定义适用于本规范。

（一）海水浴场

在沿岸海滩上建成的可进行游泳、日光浴和各种海上运动的场所。

（二）潮汐

海水在天体（主要是月球和太阳）引力的作用下产生的周期性运动。

习惯上把海面在垂直方向上的涨落称为潮汐。

（三）海浪

由风引起的海面波动现象，主要包括风浪和涌浪。

（四）有效波高

将波列中的波高由大到小依次排列，其中最大的1/3部分波高的平均值。

（五）海面水温

海面水体冷热的度量，表示海洋表面水层的海水热状况的物理量。

（六）预报时效

预报的有效期限。

（七）水质等级

针对海水浴场的生物学要素（粪大肠杆菌、肠球菌、赤潮、水母）、物理和化学要素（色、臭、味、漂浮物、溶解氧、pH、盐度、石油类）等水质指标对海水水质进行分级。

（八）海水浴场健康指数

体现海水浴场环境对游泳者人体健康的潜在危害或影响程度。

（九）游泳适宜度

综合水文要素、气象要素和水质要素的等级划分，得出海水浴场是否适宜游泳的最终结论。

三、海水浴场预报资料

对于海水浴场海洋预报产品需有一定的基础资料，并在此基础分析形成预报产品，预报资料主要包括潮汐观测资料和海水浴场观测资料。

（一）潮汐观测资料

1.海洋站潮汐观测数据

在海水浴场附近有潮汐观测站的情况下，搜集不少于1年的连续潮汐观测资料以及验潮基准面与1985国家高程基准的关系。

2.临时观测潮汐数据

在海水浴场周边无长时间潮位观测站的情况下，应建立临时验潮站，获取不少于1年的连续潮位观测资料以及验潮基准面与1985国家高程基准的关系。

（二）海水浴场监测资料

每年4月至10月期间，每天下午由国家海洋局下属海洋环境监测站将各海水浴场监测要素通过传真传输至海水浴场预报承担单位。

具体数据见下表。

各单位将收集到的气象、水文、水质以及海滩环境状况等观测数据进行整理，分析，制作海水浴场预报。

气象、水文数据

2015年月日

08时（北京时）

14时（北京时）

水温

℃

盐度

‰

浪高

涌高

天气现象

风向

度

风速

m／s

总云量

成

降水量

mm（24小时）

mm（6小时）

气温

℃

能见度

水质监测数据（游泳人数最为集中的时间段）

参数

观测/测定结果

危险生物（水母等）

赤潮

色、臭、味

海面漂浮物

（无/少量/较多/大量）

油膜

藻类

垃圾

浮沫

参数

测站1

测站2

测站3

测站4

测站5

测站6

粪大肠杆菌

肠球菌

透明度

溶解氧

微生物

沙滩环境监测数据

粒度

海滩环境状况

（无/少量/较多/大量）

油污

藻类

垃圾

浴场游泳人数

浴场休闲人数

其中，天气现象及对应编码如下表：

天气现象

编码

无下列天气现象

霾

轻雾

雷暴

龙卷风

雾

毛毛雨

雨

阵雨

冰雹

雷雨

海水浴场总云量观测按云量分为10档，具体为数字1-10。

漂浮物质（定性描述）：

“油膜”用代码“1”、“浮沫”用代码“2”、“藻类”用代码“3”、“无”用代码“0”录入。

浴场游泳人数和浴场休闲人数：

具体人数。

（三）数据质量要求

海水浴场环境预报中使用的数据资料，应经过数据分析和质量控制，按照《海滨观测规范》（GB/T19414）、《海洋监测规范》（GB/T17378）中数据分析质量控制的方法和要求、资料处理的方法和要求,处理后方可使用。

四、预报产品的形式内容和预报要求

（一）预报要素

海水浴场预报产品的预报要素为水质、水温、浪高、天文潮高潮潮时、低潮潮时、游泳健康指数、游泳适宜度和提示语。

（二）预报时效

预报时效为不低于24h。

（三）发布频次

每日发布至少一次。

（四）预报产品发布要求

海水浴场预报产品于每日10时之前发布，或根据用户需求而定；发布渠道为网站，也可通过传真、邮件形式直接发送给浴场管理部门。

海水浴场预报产品格式：

XX海水浴场海洋环境预报

有效时间：

YYYY年M月D日H时～YYYY年M月D日H时

XX海水浴场浪高X.X米-X.X米，浪向XX，水温XX.X℃-XX.X℃，高潮时：

XX:

XX和XX:

XX，低潮时：

XX:

XX和XX:

XX，水质优（良/差），适宜（较适宜/不适宜）游泳，提示语（例如海况较好、水温偏低、风大浪高等）。

电话：

XXXXXXXXXXXX

发布单位：

XXXXXXXX

五、预报技术方法

（一）潮汐预报方法

科学的潮汐预报是将潮汐观测曲线分离成许多周期不同、振幅各异的分潮（余弦曲线），这些分潮主要有太阴（月球）半日分潮、太阳半日分潮、太阴太阳合成日分潮、太阳日分潮、浅水分潮等等。

我国早期采用的是达尔文方法，对一个月的潮汐观测资料进行人工潮汐调和分析计算，求出各个分潮的振幅和角速度，用以潮汐预报。

1.潮汐调和分析

潮汐调和分析的目标是从连续的观测资料中分离出各分潮的调和常数，即振幅和迟角。

根据潮汐资料时间长度，可采用长期、中期与短期观测资料调和分析方法，计算分潮调和常数。

长期潮汐调和分析一般需要1年以上的连续潮汐观测数据，中期潮汐调和分析需要半月以上连续潮汐观测数据，短期潮汐调和分析需要25小时以上的连续潮汐观测数据。

长期潮汐调和分析方法确定的分潮数量多，调和常数准确，可直接用于潮汐预报；而中期与短期调和分析方法的计算结果，则需要利用邻近长期站进行订正及扩展处理。

2.潮汐预报

通过调和分析得到各分潮调和常数后，潮汐预报则使用如下公式：

其中，η为水位，Hi、gi为第i个分潮的调和常数，σi为分潮的角速度，t为时间，fi为分潮的交点因子，v0i为分潮的天文初位相，ui为分潮的交点订正角。

3.潮汐预报工具

（1）U-tide潮汐预报工具

U-tide是由罗德岛大学（UniversityofRhodeIsland）物理海洋研究生院（GraduateSchoolofOceanography）的DanielL.Codiga组织编写的一套标准调和分析和预报的工具包，包括m文件程序包和学习手册。

Utide专门处理分布不均匀或缺测值较多的时间序列的水位、潮流数据，给出了精确的节点、卫星修正，还可提供易于使用和全面的诊断来更好地挑选分潮，它集成了T_tide（Matlabfunctions）、r_t_tide（Matlabfunctions）和versatiletidalanalysis（Fortranprogram）的优点，能更准确的对时间序列的水位、潮流进行调和分析和预报。

（2）TMD潮汐预报工具

TMD（TideModelDriver）是一个Matlab工具包，由LanaErofeeva编写，其数据源是来自OTIS（OSUTidalPredictionSoftware）以及各种高度计卫星数据，例如TopexPoseidon,TopexTandem,ERS,GFO，也有一些实测潮汐、船舶的ADCP数据也加入了同化计算。

可以用来获取中国海域及其他海域的调和常数，还可以预报潮汐和潮流，有着可视化的界面。

4.潮汐数值预报

随着计算机的发展，潮汐数值预报成为重要的潮汐预报方法，此方法可以计算出大面的潮汐潮流，对于一些没有建设潮汐观测点的海域，可以给出潮汐和潮流计算结果，弥补了其他方法因没有实测资料而无法预报潮汐的缺憾。

潮汐数值预报所需资料包括：

研究海域的岸线、水深、用于验证模型的连续潮位观测资料等。

成熟海洋模式包括ECOM、FVCOM、POM、ROMS等。

（二）海浪预报方法

1.经验预报方法

（1）Bretschneider经验预报方法

，

式中H，T分别为有效波高和周期，g是重力加速度，F是风区长度，V是10m高度处的风速。

该方法是以Sverdrup-Munk有效波理论为基础，Bretschneider依据观测资料修订的一种经验计算方法，计算结果与实测资料吻合较好，使用较为方便，应用广泛。

（2）井岛经验预报方法

式中H，T分别表示波高和周期，g是重力加速度，F是风区长度，V是10m高度处的风速。

这种方法是井岛等人以Wilson经验方法为基础，提出的台风浪经验计算方法，该方法已被列入日本港湾建筑设计规范。

（3）宇野木经验预报方法

其中H是波高（m），P。

是台风中心气压（hpa），r是离开台风中心的距离（海里），θ是自台风中心移动方向的直线按顺时针方向测得的角度，ε是台风中心到出现最大波高的距离，a、n、α和rо都是常数，它们因不同的台风而异。

该方法虽有不足之处，但有一定实用价值，至今仍是日本气象厅进行日常业务预报采用的方法之一。

2.半经验半理论预报方法

（1）有效波预报方法（也称SMB预报方法）

这是由Sverdroup和Munk最先提出的一种较系统的海浪预报方法，包括深水和浅水风浪与涌浪预报，后经Bretscheider修正，所以简称为SMB方法。

此法主要依据有以下几点：

1）海上风浪大小和周期是由风速、风时和风区决定的，Sverdroup等人把风时和风区分别考虑，即风区充分大时，海浪状态取决于风时；风时充分大时，海浪状态取决于风区；在风区和风时都有限时，上述两种情况都能求出可能的海浪上限，这时从两个预报值中取最小的一个。

2）把有效波高和周期作为海面复杂海浪状态的参数，但其基本方程是对海浪能量求解。

这种假定适应了目测海浪资料的统计规律，这是此方法成功的第一个原因。

3）在能量由风传递给海浪的过程中，不但考虑了垂直海面压力，也考虑了切应力效应。

4）为了预报海浪周期，用经验的方法求出了波陡与波龄的关系,并制成查算图。

图中实线表示SMB方法在实际海浪预报中应用的函数形式。

根据以上得到的结果绘制成风时、风区预报图。

再根据天气图或实测风资料，应用风时、风区预报图,查算出预报区域的风速、风时和风区，最后用这些风速、风时和风区求出有效波的波高和周期。

这种方法由于计算结果与实况吻合较好，至今仍被广泛应用。

（2）波谱预报方法

这种方法是以谱概念为基础，由Pierson、Neumann和James提出的一种预报方法，简称PNJ方法。

其特点是直接通过谱得到海浪要素，而不是通过海浪能量变化的计算求得海浪要素。

这种方法计算波高偏大，特别是大风速风浪达到充分成长所需的时间小得多。

不过这种方法计算涌浪优于其它方法，因此它和SMB方法一样，至今仍被广泛应用。

（3）能量平衡方程导出谱的预报方法

这种方法是国家科委海洋组海浪会战组的研究成果为基础，结合上述两种方法的优点，将谱引入能量平衡方程获得风浪随风区和风时成长关系而建立的，首先计算能量方程：

式中

为单位断面积的水柱内的平均波动能量，

为跨过沿y轴单位宽度的平均能量传播率，

和

分别为单位断面积的水柱内的平均能量传递率和消耗率，

包括平均法向作用力

和平均切向作用力

，

主要指波动中的能量消耗项，计算的是滑动粘性导致的平均能量消耗率。

然后再选取下列风浪谱：

引入能量平衡方程。

式中K是常数，F为风速、风区（或风时）的函数，为圆频率。

最后获得了因子B随风区和风时成长的解析表达式。

此方法已编入国家海洋局出版的“海浪计算手册”和交通部出版的“海港水文设计规范。

3.海浪模式预报方法

至20世纪80年代初，建立在海洋学、流体动力学和计算数学紧密结合基础上的海浪数值预报模式得到了迅速发展。

由于数值模拟能较好的刻画整个浪场的分布情况，目前海浪预报都是数值模拟与经验预报相结合。

较为成熟的海浪模式有WAM、SWAN、WAVEWATCH等。

（三）海温预报技术和方法

1.统计预报

海水运动的规律是不确定的，是随机的，即使观测资料足够多，也不可能把海洋运动规律完全描写出来，因而应用概率论、数理统计的方法预报未来海水温度变化的可能性，这就是概率统计海温预报，简称为统计预报。

（1）回归分析

回归分析是一种统计模型，它包括线性回归和非线性回归。

常用的是线性回归，因为它的模型比简单，在理论上也比较严谨，在海洋水文中不少海洋要素之间可以近似地存在这种关系。

因而可以利用这种方法做出比较符合实际的分析与预报。

非线性回归则考虑预报量与因子之间的非线性关系，在海洋中也有不少应用。

（2）判别分析

在海洋水文预报中，为了使用需要，一些预报量常常分成若干级别或类别。

例如把降水量的资料用经验或使用其它数学方法进行划分，使之变成不同的级别或类别。

然后根据预报量不同类别，选择一些前期因子，利用在不同类别的样本内，寻找因子与预报量的关系，建立针对不同类别的预报量的方程式，选择适当的判别规则，判别某个因子观测样品所属的类别来实现对预报量的预报。

这种方法就称为判别分析，也有称为分辨法。

（3）时间序列分析

时序分析方法的基本思想是认为海洋要素在随时间变化过程中任一时刻的变化和前期要素变化有关，利用这种关系建立适当的模型来描述它们变化的规律性，然后利用所建立的模型作出要素未来时刻的预报值估计，在研究方法上常把时序看成为随时间变化的随机序列。

（4）谱分析

谱分析是时间序列在频域上进行分析的方法，亦称频谱分析或波谱分析。

在海洋水文预报中主要侧重在时间序列波动分析上，谱分析方法除了谐波分析外，还包括交叉谱、时空谱、最大熵谱分析等等。

（5）经验预报方法

根据海温自身变动的持续性、周期性、相似性以及与其它要素的相关性，来做出定性或定量预报。

特别是由于海温变动具有一定的保守性，因此可采用以持续性为基础并考虑到其突变性的经验预报方法。

该公式主要含有预报旬的多年平均项、当旬准距平项、趋势变动项、急剧变动项等。

利用此公式可预报一个水文特征相同的海温场，也可以预报个别站点。

（6）聚类分析

聚类分析是研究多要素（或多个变量）的客观分类方法。

从海洋要素场的分类要求来看，为了进行海温分析，经常要遇到海温图的分型，通常办法是找出一些典型年份，然后利用其余年份与典型年份相似程度来划分不同类型。

聚类分析就是这种做法。

它的聚类原则是根据某些相似性的指标进行聚类，把对象的个体（或样品）进行联合，分裂或添加的方法进行聚类或串组，故也有称为串组分析。

（7）典型相关分析

把两个海洋要素场中每一个网格点看成为一个变量，研究两组多个变量之间关系的典型相关分析是要找出两组变量典型代表的新变量，这两个新变量可以由原两组的多个变量的线性组合构成。

就海洋意义来说，这两个典型代表的新变量可以看成是原两个海洋系统包含的若干海洋或海温指标综合而成的综合指标。

典型相关分析有类似回归分析和主分量分析的地方，但其主要特点则在于典型相关着重研究两组多变量线性组合中最佳的线性关系方面。

这种分析方法给海洋上多变量系统分析或海洋要素场预报提供了一个有力的工具。

（8）主分量分析

主分量分析与回归分析、判别分析不同，它是一种分析方法而不是一种预报方法。

它能够把随时间变化的海洋要素场分解为空间函数部分和时间函数（主分量）部分。

空间函数部分概括场的地域分布特点，这部分是不随时间变化的；而时间函数部分则由空间点（变量）的线性组合所构成，称为主分量，这些主分量的头几个占有原空间点（变量）的总方差的很大部分。

研究主分量随时间变化的规律就可以代替对场的随时间变化的研究。

2.单站单要素统计预报

鉴于海水温度场本身的变化具有一定的保守性，可根据表层水温场自身的演变规律，进行单要素横向和纵向时间序列的外推预报。

3.单站多影响要素统计预报

根据预报要素（水温）与经过筛选的外界影响因子的相关关系，进行单个站点的相关统计预报。

（四）海水浴场水质等级

依据《海水浴场环境监测与评价技术规程（试行）》将海水浴场的水质分为三类：

一类：

水质优良，对人体健康、人体安全风险低、令人感觉舒适、具有很高的游憩价值；

二类：

水质一般，对人体健康、人体安全风险较低，令人感觉较舒适，具有一定的游憩价值；

三类：

水质较差，对人体健康、人体安全风险较高，令人感觉不舒适，不具游憩价值。

分类指标包括生物学要素、物理化学要素、水文要素、气象要素和沙滩环境要素。

具体分类指标值见表1。

表1海水浴场水质等级表

项目

单位

水质分类

一类

二类

三类

生物学要素

粪大肠杆菌

个/100mL

≤200

＞200，且≤400

＞400

肠球菌

个/100mL

≤40

＞40，且≤130

＞130

水母

—

无/零星水母

少量无毒水母

剧毒/大量无毒水母

赤潮

—

无赤潮发生

发生赤潮

物理化学要素

透明度

≥1.2

≥0.5，且＜1.2

＜0.5

溶解氧

mg/L

≥6

≥5，且＜6

＜5

油类

mg/L

≤0.050

＞0.050

漂浮物

—

海面无漂浮油膜、浮沫、藻类a和其他固体漂浮物b

海面有少量藻类或其他固体漂浮物出现

海面有漂浮油膜、浮沫出现或有大量藻类或其他固体漂浮物聚集

色、臭、味

—

海水不应有异色、异臭、异味

海水出现令人厌恶和感到不快的色、臭、味

水文要素

水温c

℃

≥23.0，且≤28.0

≥20.0，且＜23.0；

或＞28.0，且≤33.0

＜20.0，或＞33.0

浪高

≤1.0

＞1.0，且≤1.5

＞1.5

气象要素

天气状况

—

晴天、少云、多云、阴天

轻雾、霾、烟幕和小雨

雾、中等以上强度降水、雷暴、龙卷风

气温

℃

≥25.0

≥20.0，且＜25.0

＜20.0

风力

级

≤3

＞3，且≤5

＞5

能见度

≥10

≥1，且＜10

＜1

沙滩环境要素

油污

—

无油污沉积

少量油污沉积

大面积油污沉积

藻类

—

无藻类聚集

少量藻类聚集

大量藻类聚集

垃圾

—

无明显生活垃圾

少量生活垃圾聚集

大量生活垃圾聚集

a藻类指大型藻类和巨藻。

b其他固体漂浮物包括木头、塑料、橡胶或任何其他固体废物。

c水温为海水浴场用水的表层水体温度。

海水浴场水体与人体直接接触，除表1所列要素外，其它要素应符合GB3097中的相关要求，即海水浴场的海水水质应满足或优于第二类海水水质。

根据水质的类别进行海水浴场水质要素的分级评价：

优：

如果水质参数均为“一类”，则判定海水浴场水质等级为“优”；

良：

如果水质参数有一项或一项以上属“二类”，且未出现“三类”，则判定海水浴场水质等级为“良”；

差：

如果水质参数有一项或一项以上属“三类”，则判定海水浴场水质等级为“差”。

（五）健康指数指标

依据《海水浴场环境监测与评价技术规程（试行）》，按照海水浴场环境对游泳者人体健康产生潜在危害程度，将健康风险的分级分为三类：

——健康指数不低于80，指数等级为优，海水浴场环境对人体健康产生的潜在危害低；

——健康指数低于80且不低于60，指数等级为良，海水浴场环境对人体健康有一定的潜在危害；

——健康指数低于60，指数等级为差，海水浴场环境对人体健康产生的潜在危害高。

根据海水浴场水体中粪大肠菌群数量、肠球菌数量、漂浮物种类、有无水母、赤潮发生与否和总云量等参数，计算海水浴场的健康指数（见表2）。

最终结果按对每项参数求算出的健康指数的最低分值确定。

表2海水浴场健康指数的确定

总云量

（权重0.2）

健康指数

生物学参数（权重0.8）

阴

（赋分100）

多云

（赋分80）

少云

（赋分60）

晴

（赋分40）

粪大肠菌群

（个/100mL）

≤100（赋分100）

100

＞100，且≤200（赋分80）

＞200，且≤400（赋分60）

＞400（赋分40）

肠球菌

（个/100mL）

≤40（赋分100）

100

＞40，且≤70（赋分80）

＞70，且≤130（赋分60）

＞130（赋分40）

水母

无（赋分100）

100

偶尔可见（赋分80）

少量（赋分60）

大量或剧毒水母

（赋分40）

赤潮

无（赋分100）

100

有（赋分40）

漂浮物

（藻类或固体废弃物）

无（赋分100）

100

少量聚集（赋分80）

大量聚集（赋分60）

漂浮物（油膜/浮沫）

无（赋分100）

100

有（赋分40）

（六）游泳适宜度指标

依据《海水浴场环境监测与评价技术规程（试行）》，综合水文要素、气象要素、水质状况、健康指数、沙滩环境等进行游泳适宜度的综合判别，得出海水浴场是否适宜游泳的预报结论。

表3游泳适宜度综合判定表

结论

水文要素

气象要素

水质状况

健康指数

沙滩环境

水母

适宜

优

≥80

优

无

较适宜

水文、气象要素为“较适宜”以上，水质状况、沙滩环境等级为“良”以上，健康指数不小于60，出现零星/少量无毒水母

不适宜

水文、气象要素有一项为“不适宜”，或水质状况、沙滩环境等级有一项为“差”，或健康指数小于60，或出现大量水母，或出现剧毒水母

当游泳适宜度为“较适宜”或“不适宜”时，应增加注意事项，说明导致“较适宜”或“不适宜”游泳的主要原因，提示用语可选择“注意风浪”、“水温较低”、“风浪偏大”、“水温偏低”、“水质较差”或“海滩环境较差”等。

六、预报产品的结果检验和预报评分

（一）检验和评分对象

海水浴场预报产品的检验和评分对象为天文潮的高、低潮潮时、水温、和浪高。

（二）检验方法

1.天文高潮、低潮时检验

每月对海水浴场预报产品中的天文潮高/低潮时进行均方根误差检验。

计算公式为：

其中toi为海水浴场附近海域实测的高（低）潮潮时，tfi为海水浴场附近海域预报的高（低）潮潮时，N为检验样本数。

依据高/低潮潮时预报均方根误差（RT）范围，确定高/低潮的潮时预报得分ST。

其中RT为月高/低潮的潮时预报均方根误差，ST为高/低潮的潮时预报得分，满分为100分。

2.波浪检验（人工观测可信度）

对海水浴场预报产品中的海浪预报结果进行评分。

每日对综合预报产品中的海浪有效波高预报结果进行评分。

令x=A预-B实，其

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