港口氣象服務進展及其效益評估技術研究

錢燕珍 趙昶昱 孔揚 陸鋆 潘婧茹

摘要：為提高港口服務質量和促進港口經濟發展，文章基于國內外港口氣象服務的發展現狀，通過降低災害風險和延長作業時間評估寧波舟山港的港口氣象服務效益，并提出定制式港口氣象服務的必要性和技術路線。研究結果表明：降低災害風險可從致災因子危險性和承災體脆弱性2個方面分析，其中致災因子危險性指數總體呈下降趨勢，承災體脆弱性指數隨重現期的增大而快速上升;提供針對性港口氣象服務后的港口作業時間不斷延長，作業時間延長效益每年可達數億元且會進一步提高;定制式港口氣象服務須關注需求引領、專屬產品、綜合平臺和高效機制。

關鍵詞：港口氣象服務;服務效益;定制式氣象服務;災害風險;作業時間

中圖分類號： P451;P71文獻標志碼： A文章編號：1005-9857（2022）04-0055-07

Research Progress on the Port MeteorologicalService in View of Benefit Assessment

QIAN Yanzhen，ZHAO Changyu，KONG Yang，LU Yun，PAN Jingru

（Ningbo Meteorological Service Center，Ningbo 315012，China）

Abstract：Based on the status of port meteorological service at home and abroad， the benefits of meteorological service for Zhoushan Port， Ningbo， were evaluated through disaster risk reduction and operation time extension， furthermore， the importance of customized meteorological service of ports and technology road map were put forward in this paper in order to improve the quality of meteorological service and promote the development of port economy. Disaster risk reduction was analyzed from the risk of potential disaster-causing factors and the vulnerability of disaster- bearing bodies. The intensity of disaster-causing factors generally showed a decreasing trend，and the vulnerability index increased rapidly with the increase of the return period. The operation time had been continuously extended with targeted meteorological services， generating benefits of up to hundreds of millions of yuan each year. Customized meteorological service should focus on de- mand leading， exclusive products，integrated platform， and efficient mechanism.

Keywords：Meteorological service of ports，Benefits of service，Customized meteorological service， Disaster risk，Operation time

0引言

港口在“一帶一路”建設中發揮重要作用，目前我國亟須提升港口軟實力，這對專業氣象服務提出更高的要求，同時給港口城市的氣象部門帶來巨大的機遇和挑戰。做好港口氣象服務是對接國家發展需求和注重地方特色發展的重要工作[1-2]。

氣象直接影響港口作業，大風、低能見度、雷電和臺風等災害性天氣給正常的航道通行和船舶靠泊等活動帶來安全隱患。不同類型的船舶、貨物、碼頭和港區有不同的通行靠泊大風管制標準和大霧管制標準，港口作業需要更加精準以及有針對性的港口氣象服務[3]。

為更好地推進港口氣象服務，亟須客觀評估港口氣象服務效益。國內學者不斷探索災害風險評估和服務效益預測[4-5]。陳文方等[6]采用主成分分析法計算致災因子強度和承災體脆弱性指數，并基于地區尺度劃分災害風險等級;牛海燕等[7]借助 GIS平臺分析與災害系統相關要素的地理特征，從而獲取災害風險空間格局和動態預測變化規律;劉愛華等[8]以災害鏈為中心建立復雜網絡災害風險評估模型，并計算災害鏈式演化下各承災體承擔的風險值;洪凱等[9]提出臺風對南沙港影響的經濟災損水平與災害重現期呈指數增長關系，尤其須注意百年一遇以上的臺風易形成巨災。已有研究更多的是評估災害風險和可能規避的災害損失，但鮮從港口作業時間縮短造成損失的角度評估港口氣象服務效益。

寧波舟山港是國家綜合運輸體系的重要樞紐，也是服務“一帶一路”、江海聯運和長江經濟帶建設的重要支點，同時是我國深水泊位最多和超大型巨輪進出最多的港口[3]。本研究以寧波舟山港為例，從降低災害風險和延長作業時間2個方面評估港口氣象服務效益，并提出定制式港口氣象服務的必要性和技術路線，以期為現代化港口氣象服務提供參考。

1港口氣象服務的發展現狀

人類對氣象服務的需求始于戰爭和資源爭奪，現代社會的氣象服務是公眾日常生活的基本需求。隨著海洋經濟的發展，自20世紀以來全球許多國家建立海洋氣象預報系統，以滿足搜救、海防、漁業、港口作業、休閑和運輸等方面的需求[10]。海洋氣象預報已被視為氣象預報的關鍵組成部分，港口氣象服務發展也漸上軌道，但針對港口氣象服務體系的研究仍較少。

1.1國際港口氣象服務

以目前最具國際影響力的港口為例。韓國釜山港的氣象服務針對性最強，提供的產品可直接用于指導港口作業;美國洛杉磯港的氣象服務特點是觀測資料較豐富，為業務和科研工作打下良好的基礎，但主觀預報仍以海區為主，精細化程度不足;新加坡港的氣象服務主要依靠客觀模式產品，包括對72h內的海浪、風浪、涌浪和地面風向風速等的預報以及海區的主觀預報和警報;荷蘭鹿特丹港的氣象服務以風暴警告為主。從總體上看，上述港口的氣象服務各有特點，但均存在觀測體系不完善、預報精細化程度不足和產品針對性不強等問題[11-12]。

隨著科學技術的不斷進步，海洋觀測系統和海洋預報系統的科研工作逐漸展開[13-14]。全球海洋資料同化試驗（GODAE）為海洋預報系統的發展和推廣作出重大貢獻[15]。高分辨率計算網格可更好地描述復雜的地形和海岸線地貌等要素特征，在較高分辨率（小于1 km）模擬下，波多黎各、美屬維爾京群島和港口背風面的氣象預報（風向、風速和氣溫）得到改進[16]。新南威爾士港的氣象服務平臺研制高分辨率（0.001°）的大氣海洋預報產品，通過概率模型數據開展實時天氣和強風概率等預報[17]。 1.2國內和寧波舟山港港口氣象服務

隨著我國海洋氣象綜合觀測系統的不斷完善[18]，我國沿海地區陸續開展浮標、海島和激光能見度等方面的觀測[3]。隨著數值預報技術的發展，全國“一張網”的智能網格預報逐漸向海洋拓展，為海洋氣象預報提供客觀條件。國家級和沿海省級氣象部門陸續研發海霧、風速風向、海浪和風暴潮等專業海洋氣象預報模式[19]，并開展數值預報釋用和訂正等方面的研究;利用集合預報的海量信息，提供影響預測和決策支持服務，并建立三級海洋氣象觀測、預報、預警和服務體系[20-21];個別地區開發港口氣象觀測和預報預警系統[22]。然而目前我國的海洋氣象觀測布局和模式輸出產品仍存在針對性不強、分辨率不高（大多約為5km，局部為1km）和覆蓋面有限等問題，無法滿足對精準化港口氣象服務的需求。

在我國沿海港口中，長江三角洲的自然災害風險指數最高[3]。寧波舟山港位于中緯度的東海之濱，進出港航道長達40 n mile， 船舶須行駛約4～5h，船舶航行和港口作業受風、能見度、海浪、海流和潮汐等的影響較大。寧波市氣象局的港口氣象服務經歷3個發展階段：①第一階段（2000年前）基本以公眾服務為主，缺乏專業服務;②第二階段（2000—2015年）開展點對點咨詢和專項電話服務，自2006年開始在港區布設多要素自動氣象站，自2014年開始利用毫米波雷達和激光能見度儀等進行試驗觀測，并實時觀測港區氣象;③第三階段（2016年至今）由于業務需求暴發式增長以及相關技術已有一定積累，開展專業專項有償服務。寧波舟山港的氣象服務技術和機制逐年改進，但仍存在許多新問題亟須研究解決，最主要的2個方面為：①精準化和靶向式氣象預報能力不足;②海事、氣象、港口和引航4方聯動運行機制不足。

2港口氣象服務效益評估

專業專項氣象服務效益可通過投入產出比評估，也可通過降低災害風險和提高經濟效益2個方面評估[23]，本研究采用第二種方法。港口氣象服務的宗旨是降低天氣原因導致的災害風險，同時在確保安全的情況下縮短港口管制時間，從而減少損失并提高效益。因此，本研究從降低災害風險和延長作業時間2個方面評估港口氣象服務效益，前者主要體現為社會效益，后者主要體現為經濟效益[1]。 2.1降低災害風險

借鑒國際減災戰略（ISDR）的自然災害風險評估模型，港口自然災害風險評估須充分考慮致災因子危險性和承災體脆弱性，通過自然災害發生的可能性和影響范圍判斷其風險等級[24]。

2.1.1致災因子危險性

港口的致災因子主要包括大風、低能見度、雷電和暴雨，根據致災機理和表現形式以大風和低能見度為主。其中，可能引起大風的氣象系統復雜多樣，包括臺風、冷空氣、低壓和強對流等[25-26]，而低能見度主要由平流霧、輻射霧和局地出現的團霧[1]引起。根據寧波舟山港氣象服務的工作經驗和管制標準，致災因子危險性評價指標應著重考慮大風和低能見度[27-29]，并以影響時間（天數）評估致災因子對港口作業的危險性（表1）。

通常情況下，大風和低能見度不會同時出現，即大風可能致災時能見度往往較高，而低能見度可能致災時風力往往較低，因此僅評估其中1個致災因子即可，但針對臺風影響時則須同時考慮二者的貢獻。

本研究采用主成分分析法評估致災因子危險性，利用數據降維方式，從原有的多個且相互聯系的變量數據集中提取相互正交且盡可能保留原有信息的重要變量[1，30]。①對指標數據進行標準化處理，采用主成分分析法得到前2個特征根的方差貢獻率分別為65%和30%，累積貢獻率達到95%，表明前2個主成分即大風和低能見度能夠反映致災因子危險性的主要信息;②根據方差貢獻率對前2個主成分的指數進行加權求和，計算致災因子危險性指數。致災因子危險性指數的計算公式為：

H =0.65×PC1+0.30×PC2

式中： PC1和 PC2分別表示前2個主成分的指數。

1974—2019年寧波北侖港附近（炮臺山站）的致災因子危險性指數有下降趨勢，尤其20世紀90年代初和2004年后的下降趨勢最明顯，但2014年后又有上升趨勢;PC1的下降趨勢主要取決于大風影響天數顯著減少，PC2則反映低能見度影響天數波動較大;致災因子危險性指數上升主要與低能見度影響天數增加有關（圖1）。

2.1.2 承災體脆弱性

承災體脆弱性度量承災體在抵御自然災害時可能造成的損失，反映承災體對災害風險的暴露程度和應對能力[31]。根據不同區域、作業種類和船舶類型的安全需求，港口作業對具體天氣的要求不同，因此須更加精細化地評估高影響天氣可能對港口造成的災害損失。

采用基于災損的算法，承災體脆弱性指數的計算公式為：

V=i 1 Pi×Fi

式中： Pi表示不同等級致災因子的重現概率;Fi表示特定等級致災因子下承災體的最大破壞率;m 表示不同等級致災因子的個數，主要包括大風和低能見度[1]。

利用 Pearson-Ⅲ型函數估計各重現期下不同等級大風和低能見度的年極值，并根據海事部門提供的事故破壞率計算各重現期下的承災體脆弱性指數（表2）。承災體脆弱性指數隨重現期的增大而快速上升，表明惡劣天氣對港口的威脅程度較大，須采取特別防范措施。

2.2延長作業時間

在港口作業過程中，大風、海霧、雷電和臺風等可能產生安全隱患甚至導致災害事故，因此當港口作業區域可能出現高影響天氣時，海事部門將對該區域采取管制措施甚至停止相關作業[1]。根據每個港口特殊的地理和航道條件、氣象影響情況以及不

同船舶航行和靠泊的安全需求，海事部門通過調研和科學計算制定管制標準，因此地方管制標準也能客觀反映氣象對港口作業的影響。寧波海事局的港口管制標準如表3所示。

隨著“一帶一路”建設的推進，港口貿易將更加頻繁，港口管制造成的損失將越來越大，并在一定程度上影響港口美譽度。在港口氣象服務產品中，中短期氣象預報有利于港口安排作業和提高效率，具有針對性的臨近氣象預報預警有利于縮短因高影響天氣引起的港口管制時間。根據2013—2020年寧波舟山港的港口管制時間，2016年前的年度管制時間均超過900 h， 其中因低能見度和大風引起的管制時間占比為90%;2016年提供專業港口氣象服務后，除2018年因臺風影響較多導致年度管制時間達到1300 h外，其他年份的年度管制時間均有所縮短，尤其2019—2020年致災因子危險性指數達到最高水平，但年度管制時間仍控制在900h 左右（圖2）。

近年來，在致災因子危險性上升和港口規模擴大的情況下，作業時間延長效益越來越依靠精準化和精細化的專業港口氣象服務。作業時間延長效益主要包括港口碼頭效益和船公司效益，計算公式為：

E=ui×t

式中： ui表示港口碼頭或船公司的單位時間效益;t表示延長作業時間;n 表示評估對象的個數且n=2。

根據2017-2020年寧波舟山港各類碼頭（集裝箱、礦石、原油、液化天然氣和煤炭等）和船公司的單位時間效益以及因港口氣象服務得以延長的作業時間，港口總效益大幅提高，根據災害影響時間和港口氣象服務質量估算的延長作業時間超過100h（表4）。

港口管制對港口碼頭和船公司的經濟影響巨大。近年來寧波舟山港因氣象原因導致的年度管制時間約為1000h，估算因港口管制而減少的效益達數十億元，其中還不包括影響港口相關產業鏈、相關民生和其他經濟活動、船公司滿意度以及船舶轉停其他港口等帶來的間接損失。隨著港口經濟和海洋經濟的發展，作業時間延長效益會進一步提高。

3定制式港口氣象服務

為提供更加精細化和精準化的港口氣象服務，本研究提出定制式港口氣象服務的必要性和技術路線。

3.1需求引領

需求引領是定制式港口氣象服務的前提。不同的港區和作業類型對港口氣象服務的需求不同，因此須了解港口生產方和管理方等特定用戶的影響閾值和精細化需求，并以此為前提布局港口氣象特種觀測和加密觀測，研發定制式港口氣象服務產品和服務機制，做好相關服務工作。

3.2專屬產品

專屬產品是定制式港口氣象服務的基礎。根據氣象對港口作業的影響閾值，將智能網格預報產品進行降尺度和本地化等精細化釋用，研發定制式港口氣象服務產品。通過利用港口特有加密資料、同化優秀短臨模型和應用人工智能技術等，研發港口高影響天氣短臨預報產品;通過利用港口特有觀測資料，同時集成經檢驗在港區應用較好的模型，研發港口高影響天氣中短期預報產品;定制一系列針對不同港區和作業類型的氣象服務產品。

3.3綜合平臺

綜合平臺是定制式港口氣象服務的支撐。信息綜合分析、加工和分發平臺可提高港口氣象服務的水平和效率。將數據可視化技術應用于專業港口氣象服務，用“一張圖”融合顯示氣象、港調和海事等部門的多元數據[32]，在網頁端和移動端等客戶端打造港口氣象預警和決策新平臺[33]，針對不同用戶提供“量身定制”的模塊化服務產品。

3.4高效機制

高效機制是定制式港口氣象服務的保障。推進港口盡快實現設備共建、數據共享、平臺共用和信息共同發布等，應用基于氣象預報預警的應急響應機制，建立高效的多方溝通機制，充分發揮港口氣象服務效益。制定與氣象相關的港口生產管理統一標準，定期評估氣象預報服務效益，以效益評估為基礎提供專業專項有償服務，提升港口氣象服務的價值，促進定制式港口氣象服務的可持續發展。

4結語

本研究分析國內外港口氣象服務的發展現狀，掌握港口氣象服務的個體需求和技術方法，并以寧波舟山港為例，通過降低災害風險和延長作業時間評估港口氣象服務效益。降低災害風險可從致災因子危險性和承災體脆弱性2個方面分析：寧波北侖港的大風影響天數顯著減少，而低能見度影響天數波動較大，致災因子危險性指數總體呈下降趨勢，但2014年后有所回升;承災體脆弱性指數隨重現期的增大而快速上升，表明惡劣天氣對港口的威脅程度較大，須采取特別防范措施。提供針對性港口氣象服務后，寧波舟山港的作業時間不斷延長，作業時間延長效益每年可達數億元;隨著港口經濟和海洋經濟的發展，作業時間延長效益會進一步提高。為提供更加精細化和精準化的港口氣象服務，定制式港口氣象服務須關注需求引領、專屬產品、綜合平臺和高效機制。

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