一种核电温排水浮游生物异常聚集滚动预报方法及系统与流程

本发明涉及海洋环境监测预报，特别涉及一种核电温排水浮游生物异常聚集滚动预报方法及系统。

背景技术：

1、核电站运行过程中，取用大量海水作为冷却水，经热交换后温度升高，以温排水形式排入邻近海域。温排水的持续排放会使局部海域水温明显升高，改变水动力环境。这种热扰动可能诱发特定浮游生物功能群的异常增殖或聚集，例如硅藻、甲藻的短时爆发性增长，或引起中小型浮游动物在温排水锋面处聚集。这些浮游生物群落结构的异常变化，可能堵塞核电站取水口滤网，影响冷却水正常取用，威胁冷源安全。提前准确预测温排水影响下浮游生物群落结构的异常变化，对于保障核电站安全运行具有重要意义。

2、目前，围绕核电冷源生物监测与预报已有相关技术。例如，中国专利“一种核电站致灾海生物爆发预测方法及系统”（申请号202211499491.5）通过构建水动力模型，结合食物网仿真模型和最大熵算法预测致灾生物爆发风险。然而，该方法的生物模型部分侧重于单一物种的分布预测，难以模拟不同浮游植物功能群（如硅藻、甲藻等）对温排水热输入的差异性响应及种间相互作用。

3、现有预报方法还普遍存在以下不足：

4、（1）多数水动力模型未包含核电温排水热排放的实时模拟，难以准确刻画温排水引起的温度异常场及其对浮游生物功能群动态变化的关键驱动作用；

5、（2）即使引入了生态模型，其开边界条件多采用气候态静态场，缺乏对未来时段的动态生态要素边界预报，预报精度受限；

6、（3）水动力模块与生态模块之间的数据传递多为单向、离线方式，无法模拟生态过程变化对物理环境（如水下光场和热收支）的实时反馈，导致物理场与生态响应脱节；

7、（4）现有方案多停留在科研模拟或单次预报阶段，不具备7×24小时无人值守的数据自动获取、模型自动运行、结果智能订正与产品自动发布的滚动迭代能力，难以支撑核电站冷源安全的常态化业务管理。

8、综上所述，亟需一种能够将温排水实时热排放与海洋动力生态模型在线紧密耦合、以多个浮游生物功能群为预报对象、并融合观测订正和滚动业务化运行能力的预报方法及系统。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供了一种核电温排水浮游生物异常聚集滚动预报方法及系统，以达到将温排水实时热排放与海洋动力生态模型在线紧密耦合、实现多个浮游生物功能群生物量的动态预报、并通过滚动订正与自动发布提升预警精度和业务化运行能力的目的。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种核电温排水浮游生物异常聚集滚动预报方法，包括以下步骤：

4、s1：自动获取并预处理多源数据，所述多源数据包括气象强迫场、核电温排水排放源强、大尺度海洋物理背景边界、大尺度海洋生态背景边界、前一日预报初始场以及实时观测与遥感数据；

5、s2：将s1获取的多源数据输入预先构建的动力生态紧密耦合模型，所述模型在每一计算时间步内进行动力模块与生态模块之间的实时双向数据交换，模拟温排水热排放对多个浮游生物功能群生物量的动态驱动，输出包含多个浮游生物功能群生物量和营养盐浓度的原始预报场；

6、s3：利用s1中获取的实时观测与遥感数据，对s2输出的原始预报场进行最优插值订正，得到订正后的分析场；

7、s4：基于s3订正后的分析场，经所述耦合模型重新计算得到浮游生物功能群生物量预报场，基于各浮游生物功能群生物量偏离历史基线值的程度计算浮游生物群落异常指数，并生成温排水诱发的浮游生物异常聚集风险等级空间分布预警图；

8、s5：将当日的预警图和订正后的预报场自动发布，并将订正后的预报场存档作为下一预报周期的初始场，实现滚动迭代预报。

9、上述方案中，所述动力模块基于静力近似和boussinesq近似求解三维原始方程，在每个时间步输出三维温度场、盐度场、流速场及垂向湍流扩散系数。

10、上述方案中，所述生态模块基于所述动力模块输出的水动力要素，求解包含浮游植物光合生长、浮游动物捕食、碎屑沉降与再矿化及营养盐再生的生物地球化学过程，输出各浮游生物功能群生物量和营养盐浓度。

11、上述方案中，所述动力模块与生态模块通过模块间耦合器进行实时双向数据交换：动力模块将温度、盐度、流速及湍流扩散系数传递给生态模块，生态模块将浮游植物生物量反馈给动力模块，动力模块据此动态更新水体光学参数，修正短波辐射的垂向衰减剖面及热收支，形成闭环反馈。

12、上述方案中，所述大尺度海洋物理背景边界由hycom全球预报系统提供，所述大尺度海洋生态背景边界由cmems全球生物地球化学分析与预报产品提供，二者分别作为动力模块和生态模块的开边界条件。

13、上述方案中，所述核电温排水排放源强包括排放流量、排水温度及排放口位置，在动力模块的每个时间步计算中，以动量源项和温盐源项的形式加入排放口所在网格的控制方程。

14、上述方案中，所述最优插值订正按下式进行：

15、；

16、其中，为模式输出的温度、盐度、营养盐、溶解氧及叶绿素的预报场，为订正后的分析场，为有效观测站位数，为第k个观测值，为双线性插值算子，为全局阻尼增益系数，为各向同性高斯型空间相关函数，订正范围限定于观测点周围影响半径内。

17、上述方案中，所述生态模块采用温度依赖性生长函数作为各生态要素的温度修正因子；

18、；

19、其中，为所述动力模块在每一时间步传递的当前温度。

20、上述方案中，所述生态模块在计算浮游植物光合生长时，采用如下光衰减参数化方案计算水下光合有效辐射：

21、；

22、其中，为海面入射太阳辐射，为光合有效辐射占比，为垂向深度坐标，为纯水衰减系数，为盐度相关衰减项，为叶绿素比衰减系数，、、分别为不同浮游植物功能群的叶绿素浓度，为局部水深；为表征近岸水体浑浊度随水深变化的光衰减贡献项，通过三个sigmoid函数平滑构建：

23、。

24、一种核电温排水浮游生物异常聚集滚动预报系统，包括：

25、多源数据汇聚模块，用于自动获取并预处理多源数据，所述多源数据包括气象强迫场、核电温排水排放源强、大尺度海洋物理背景边界、大尺度海洋生态背景边界、前一日预报初始场以及实时观测与遥感数据；

26、动力生态紧密耦合模型运行模块，用于将所述多源数据输入预先构建的动力生态紧密耦合模型，所述模型在每一计算时间步内进行动力模块与生态模块之间的实时双向数据交换，模拟温排水热排放对多个浮游生物功能群生物量的动态驱动，输出包含多个浮游生物功能群生物量和营养盐浓度的原始预报场；

27、最优插值订正模块，用于利用所述实时观测与遥感数据对所述原始预报场进行最优插值订正，得到订正后的分析场；

28、异常聚集预警等级生成模块，用于基于所述订正后的分析场，经所述耦合模型重新计算得到浮游生物功能群生物量预报场，基于各浮游生物功能群生物量偏离历史基线值的程度计算浮游生物群落异常指数，并生成温排水诱发的浮游生物异常聚集风险等级空间分布预警图；

29、滚动优化与产品发布模块，用于将当日的预警图和订正后的预报场自动发布，并将订正后的预报场存档作为下一预报周期的初始场，实现滚动迭代预报。

30、通过上述技术方案，本发明提供的一种核电温排水浮游生物异常聚集滚动预报方法及系统具有如下有益效果：

31、1、实现了温排水热排放与海洋动力-生态过程的在线紧密耦合

32、本发明通过模块间耦合器在每一计算时间步内进行动力模块与生态模块的实时双向数据交换：动力模块将温度、盐度、流速及湍流扩散系数传递给生态模块驱动生态计算，生态模块将浮游植物生物量反馈给动力模块以动态更新水体光学参数并修正热收支，形成完整的闭环反馈，解决了物理环境与生态响应相脱节的技术难题。

33、2、以多个浮游生物功能群为预报对象，突破了单一物种预测的局限

34、本发明预报对象涵盖硅藻、甲藻、颗石藻等多个浮游植物功能群以及小型浮游动物和中型浮游动物功能群，能够更全面地捕捉温排水对浮游生物群落结构的复杂影响，预警的科学内涵更为丰富。

35、3、引入动态生态边界，克服了静态边界条件的精度缺陷

36、本发明以大尺度海洋物理背景边界（hycom全球预报系统）和大尺度海洋生态背景边界（cmems全球生物地球化学分析与预报产品）作为动态开边界条件，实时反映大范围海域的物理和生态变化趋势，显著提升了区域预报的准确性。

37、4、构建了“物理机制紧密耦合+最优插值订正+滚动迭代”的全链条业务化预报体系

38、本发明通过自动获取多源数据、模型自动运行、基于实测数据的最优插值订正、预警产品自动发布以及预报场存档与滚动迭代，形成了“预报-订正-归档-再预报”的完整闭环，能够持续为核电站冷源安全提供决策支持，预报精度随运行迭代不断提升。

39、5、采用针对核电温排水场景定制的生态参数化方案，提升了预报精度

40、本发明在生态模块中引入了温度依赖性生长函数，准确刻画温排水升温对浮游植物生长的非线性促进效应；同时采用精细化的光衰减参数化方案，通过三个sigmoid函数平滑构建近岸水体浑浊度随水深变化的衰减贡献，更真实地模拟水下光场分布及其对浮游植物光合生长的影响。