一、项目概述
目前威海市已建成海洋牧场面积160万亩，创建省级以上海洋牧场示范区33个，其中国家级海洋牧场示范区16个。在海洋牧场的辐射带动下，威海市海产品实现了产量、品质双提升，海水养殖产量达到200万吨以上。
海洋牧场的稳产增收与气象条件息息相关，根据调研，由于地理位置、周边环境差异，各海洋牧场对不同要素的气象因子的关注重点不同，对相同要素的气象因子敏感程度也不尽相同，例如桑沟湾位于海湾南部，东北风对其影响较大，而爱伦湾位于海湾北侧，东南风对其影响较大，小石岛海洋牧场由于地理位置特殊，西北风、西南风等偏西风对其影响很大。
为此利用基于牧场坐标的气象格点数据与海洋预报格点数据，通过数据同化处理与订正，形成“定制化”服务平台，打造全市国家级海洋牧场基于坐标的精细化预报预警服务模式，以数据为基础、以科研为支撑、以平台为载体，为各海洋牧场提供不同需求侧气象服务，统筹发展与安全，为海洋牧场高质量发展保驾护航。
二、解决方案
（一）研究制定《海洋牧场气象风险预警发布标准》。
考虑到大风是对海洋牧场经营影响最大的气象因子，且相同风向的大风对不同位置的海洋牧场带来的影响不同，研究制定《海洋牧场气象风险预警发布标准》。大风风险预警等级确定为不同位置海洋牧场不同级别的临界风向、风速，建立5级风、7级风、9级风和11级风四级预警等级标准，对应海洋牧场气象风险预警等级分为四级，即：有一定气象风险（Ⅳ级）、风险较高（Ⅲ级）、风险高（Ⅱ级）、风险很高（Ⅰ级）。
（二）建立基于格点数据的海洋牧场预报服务。
1、统计分析沿海站点大风分布特征
利用1991-2021年31年间气象数据，对比分析4-10月各沿海站点大风日数，分析大风分布特征。
2、开展地形对风速的影响分析
威海三面环海，海洋牧场风力受地形影响较大，经大量数据研究，找出可以代表各海洋牧场风力的气象观测站，并根据地形进行数据修正。
3、海洋牧场的模式格点数据订正
对模式预报进行逐日和逐月的误差统计，且在业务运行中实现逐日客观订正。在此基础上，以2019-2021年近三年威海市的区域站与相邻大监站的温度差为参考，最终实现对威海市海洋牧场的格点订正。
（三）引进精细化海浪预报数据。
与国家海洋局北海预报中心达成合作意向，北海预报中心每日通过ftp服务推送经纬度范围为36.5°N-37.8°N，121°E-123°E，时空分辨率为1小时、0.004°*0.004°的未来7天SWAN海浪模式制作的有效波高格点预报，数据对接到威海海洋牧场专项气象服务平台进行前端展示。
（四）搭建海洋牧场专项服务平台。
对接实况数据和格点预报，并将项目研究的偏差订正指标和对应站点算法对数据进行二次订正，实现了基于格点的海洋牧场风浪温湿等要素逐3小时精细化预报，并根据《威海市气象局海洋牧场气象风险预警发布标准》实现了自动报警。
1、项目架构设计
本项目采用B/S（Browser/Server）架构，平台由前端的web展示页面和后端的数据服务组成。前端主要负责用户界面展示和交互，后端负责数据处理与服务支撑。具体架构设计如下：
（1）前端部分：Web展示页面：采用HTML、CSS和JavaScript技术进行开发，结合Vue等前端框架，提高开发效率和用户体验。地图浏览和可视化方面采用Leaflet地图引擎实现地图浏览，WebGL技术用于绘制标量场色斑图、风场粒子动画和雷达图，提供实时插值和毫秒级响应刷新效果。
（2）后端部分：后端部分采用Python语言进行开发，基于Flaskweb框架提供接口服务，搭建RESTful API，为前端提供数据接口。数据处理与存储方面采用PostgreSQL关系型数据库存储基础数据。
2、方案功能
本平台旨在为海洋牧场提供直观、便捷的气象服务，主要功能包括：地图浏览：用户可以通过地图界面浏览海洋牧场的地理位置和相关信息；海洋牧场信息查询：提供各海洋牧场的基本信息和实时气象数据查询功能；天气预报查询：用户可以查询指定海洋牧场的未来三天和七天的天气预报信息；未来一天详细格点预报：提供详细的格点预报数据，包括温度、风速、降水量等气象要素；赶海预报：提供威海沿岸各个赶海点的预报信息；风场粒子动画显示：通过拉格朗日场粒子流场动画，直观展示风场流动效果；雷达图显示：实时显示雷达图数据，帮助用户了解降水分布情况；气象要素折线图绘制：支持绘制各气象要素的折线图，提供数据的直观展示。
3、关键技术
（1）前端标量场色斑图绘制：采用WebGL技术，利用GPU并行计算，实现实时插值和实时绘制，确保毫秒级响应刷新。
（2）风场拉格朗日场粒子流场动画：通过WebGL和Canvas技术，模拟风场流动，提供直观真实的风场动态效果。
（3）后端数据处理：多源异构数据接入与管理，将实况数据、雷达数据、网格预报数据等多源数据进行统一存储和集成管理，确保数据的高效利用和存储。
4、数据要素利用方案
平台对接欧洲中期天气预报中心（ECMWF）细网格预报数据，提取预报要素温度，风场，降水，逐24小时最大风、高温、低温、降水预报，云量。并对要素进行要素订正，温度订正精确到各个牧场站点，对高、低温进行订正，风场订正分两步，第一步对可观测的大监站或区域站进行订正，第二步再对有地形影响的站点根据风向预报进行微调，以提供更精确的降水预报。
通过以上设计和方案，海洋牧场专项气象服务平台将为用户提供高效、准确、直观的气象服务，助力海洋牧场的日常管理和生产活动。
三、商业模式
通过海洋牧场气象服务平台可以将基于格点数据的预报服务产品推送到全市每个角落，以此平台为基础可以定制各行业、各气象要素的服务产品，具有广泛的商业价值。
（一）格点实况查询模块。将威海临近各海洋牧场区域站实况信息接入系统，实现了实况查询功能，包括气温、最大风速和小时内最大风速的风向等要素，后端数据通过数据同步脚本同步至实况数据库，供系统前端进行查询。
（二）牧场信息查询模块。用户点击叠加在电子地图上的海洋牧场图标，能够查询海洋牧场的详细信息以及气象预报信息，包括海洋牧场的全称、管理单位、牧场类型、所属县区、海域位置和用海类型等基本信息，以及24小时详细预报、未来三天气象预报和未来七天气象预报，预报要素包括天气现象、气温、风向风速、相对湿度、总云量、能见度和有效波高等，并支持预报信息折线图绘制功能。
（三）气象数据可视化模块。平台支持有效波高、气温的格点数据可视化功能，可以实时绘制有效波高、气温色斑图，并提供风场粒子流线动画绘制功能，可以叠加逐仰角雷达拼图。根据海洋牧场的气象预报信息，以威海市气象局《海洋牧场气象风险预警发布标准》为依据，在平台页面上展示当前的海洋牧场气象风险预警。
海洋牧场气象服务平台可以通过以下几种模式实现商业转化。
1、租赁模式：将服务平台出租给牧场经营者使用，通过租金收入实现盈利。
2. 销售模式：将服务平台销售给牧场经营者，通过销售收入实现盈利。
3. 许可模式：将项目的知识产权等无形资产授权给其他企业使用，并收取许可费用。
4. 合作模式：与上下游相关机构合作，共同开展项目，并按照约定的比例分享收益。
5. 订阅模式：按照月度或年度的周期销售服务，以获取持续的订阅收入。
四、先进性
该项目针对目前常规天气预报服务不能满足海洋牧场对精细化气象预报服务迫切需求的问题，从气象要素特征统计、格点数据处理等方面，进行了预报订正方法、预警发布标准及格点预报到站点预报的要素预报订正指标的研究，取得了《海洋牧场气象风险预警发布标准》制定、格点预报到站点预报的要素预报订正指标库建立和山东半岛海洋牧场气象服务精细化预报及气象风险预警平台开发等成果，主要技术成果创新与应用如下:
（一）创新点
1、研究制定了威海市气象局《海洋牧场气象风险预警发布标准》；
2、建立了大风、气温等气象要素预报技术订正方法，构建了格点预报到站点预报的要素预报订正指标库；
3、开发了山东半岛海洋牧场气象服务精细化预报及气象风险预警平台，在海洋牧场免费试用，为休闲旅游、养殖、赶海、垂钓等海上旅游项目起到了很好的决策参考作用，有利于经济效益的提高。
（二）知识产权及获奖情况
1、海洋牧场气象服务工作获得山东省农林水牧气象系统“乡村振兴杯”争先创优竞赛技术创新三等奖。
2、成功申报山东省气象局面上课题《黄渤海暖季海洋锋对线性对流风暴的影响性分析》，已完成论文一篇。结题验收中国气象局公服中心面上课题《山东半岛海洋牧场气象服务精细化预报及气象风险预警评估研究》，获成果评价良好等次。
3、开发的威海市海洋牧场专项气象服务平台（V1.0）获2021年软件著作权登记，登记号2021SR0195279。
4、通讯作者发表论文《Analysis of a Rare Large-scale Hail Process in Yantai and Weihai》于Meteorological and Environmental Research。
5、课题主持人获得全国五一劳动奖章，享受政府特殊津贴，获评2021年全国优秀预报员，入选2021年度山东省青年气象英才。
（三）成果产生影响或专家应用绩效
该研究成果作为本地客观预报方法已应用到威海市气象局日常的智能网格订正预报和服务中，极大提高了预报准确率和服务效果，2021年11月至2022年7月，威海灾害性大风预报准确率全省排名第一，高低温技巧全省排名第二，特别是对内陆的低温订正预报准确率较高，在2021年11月21-23日的寒潮天气过程中发挥了较好的作用，预报的极端低温强度、落区与实况基本一致，得到了当地农林果业部门肯定。
开发的威海市海洋牧场专项气象服务平台提供给海洋牧场免费试用，实现了实况站点查询、多要素精细化预报、灾害性天气提醒、牧场信息查询等多项功能，包括降水、温度、风、能见度、湿度、雷达回波等实况信息和包括温度、风速、海浪、降水、能见度等多要素逐3小时滚动预报，遇灾害性大风和强对流天气影响，平台提前预警提醒等，为休闲旅游、养殖、赶海、垂钓等海上项目起到了很好的决策参考作用，有利于经济效益的提高。该研究成果能够进一步增强海洋牧场要素预报的预报能力，减少由于灾害性天气造成的人员伤亡和经济损失。相关算法也可应用于其他领域，可在气象、海洋、应急等相关部门进行推广应用，具有广阔应用前景。
五、实效性
现代化海洋牧场建设包括了生境修复、苗种繁育、 初级生产力提升、全过程管理、产品高值化利用、绿色能源利用、休闲渔业等一系列关键环节，气象服务在各个环节不可或缺。
（一）海水养殖：海水养殖主要涉及播种育苗、生长培育、收获打捞三个阶段，每个阶段对气象服务需求不同，育苗和养殖阶段对海洋和大气要素的气候预测、中长期天气预报更为关注，特别是温度和降水预测直接关系到培育的海产品种类，而在收获打捞阶段则更关注短期和短临预报预警信息，有效避开恶劣天气进行海上作业。目前海洋牧场的建设趋向于智能化与信息化，依靠科技管理控制海洋牧场产业链。对海洋牧场区域的苗种投放、成长过程、海底产品存量等数据进行实时掌控。在此项应用场景下，“气象+平台”服务是首选，通过平台式方式，对经营者提供全量的信息，配合服务方式，以数据+产品多种类型供给为主，如气象要素数据、风浪数据、观测数据、船舶数据以及基础数据等，结合气候预测、中长期、短期、短临预警等递进式预报服务产品。全面保障海洋牧场生物多样性和可持续性发展，有效提升海洋牧场的运营质量。
（二）生态安全和环境保障：现代化海洋牧场有赖于健康的海洋生态系统，因此必须重视生境修复和资源恢复，根据承载力确定合理的建设规模，这是海洋牧场可持续发展的前提。因此，海洋牧场技术人员需要将气候预报预测及评估、卫星遥感反演产品融入流场营造技术。利用环流生态特点创新性地形成基于水体交换的工程学改良技术，建立生物、微生物改良技术体系，形成底质环境改良系列方法。
（三）休闲旅游：海洋休闲的具体展示包括游泳、戏水、潜水、帆船、冲浪、沙滩排球、沙滩 足球、钓鱼、捕鱼等。多为室外活动，灾害性天气和突发性天气影响较大，运营者要充分保障游客的安全，需要提前掌握气象预报预警信息，及时疏散游客。此类情况短期预报和短临预报预警提醒更能发挥效果。
（四）紧急应对：如遇突发的恶劣天气或自然灾害，海洋牧场工作人员需要了解最新的气象预警和灾害预报，以便及时采取行动，保障海上平台和水产的安全。例如，如果突发雷暴大风，当风速超过10级时，需要提前疏散游客，将海上养殖平台拖至避风地固定。这时候对短临、预警报级别的信息、天气实况的发展都极其敏感。手机短信或者电话提醒是快速传递信息的关键。
（五）合规监管：2022年1月21日，山东省第十三届人民代表大会常务委员会第三十三次会议经过审查，决定批准《青岛市海洋牧场管理条例》《烟台市海洋牧场管理条例》《潍坊市海洋牧场管理条例》《威海市海洋牧场管理条例》《日照市海洋牧场管理条例》，分别由各市人民代表大会常务委员会公布施行。胶东经济圈五市（青岛、烟台、潍坊、威海、日照）制定的五部海洋牧场管理条例，填补了山东省海洋牧场立法空白。
条例规定“当实时海况达到下列条件之一的，禁止临时登乘人员登乘海洋牧场平台；已登临海洋牧场平台的，应当在确保安全的前提下撤离：
1、风力达到蒲氏风级五级以上的；
2、能见度低于一千米的；
3、浪涌达到大浪级别的。
当气象、海洋部门发布的海上风浪预报等级超过海洋牧场平台设计的抗风浪等级时，所有人员全部撤离。
海洋牧场公司需要了解相关的法规和标准，并确保在符合规定的条件下运营。短期和短临预报服务可以帮助他们满足这些法规和标准的要求。监管机构在决定气象是否能影响运营方面，也需要为其提供专业、稳定、可靠的预报作为支撑。
（六）旅客服务：旅客作为海洋牧场的重要体验者或参与者，在出行前需了解旅途和目的地牧场气象信息，合理安排出行，在出行期间则需要了解牧场周边气象预报预警信息，及时应对突发天气。为此，出行天气、生活指数、牧场周边天气，有无天气警报或海洋警报等，这都为旅客在途和到目的地做好各种准备提供天气支撑。
六、示范性
海洋牧场气象服务是基于格点数据气象服务的应用尝试，格点化预报系统能够实现对特定区域、特定时间段的精细化预报，满足用户对天气预报精度的更高要求，存在广阔的市场需求与广泛的应用场景，对满足细分领域服务需求具有重要意义。
（一）提升城市管理精细化水平。格点气象服务能够提供更为精细化的气象信息，如温度、降水、风向风速等，这些信息在时空上更为精确，由于城市内部不同区域的气象条件可能存在显著差异，格点数据能够为这些区域提供差异化的气象服务，有助于城市管理者制定更加细致的决策和计划，使城市管理更加精准和高效。
（二）精确指导防灾减灾。格点气象服务能够提前预测不同位置可能发生的自然灾害，在灾害发生时，能够实时提供灾害影响区域的详细气象信息，为应急响应提供科学依据，确保救援工作能够迅速、有序地进行，减少因天气灾害造成的人员伤亡和财产损失。
（三）优化城市公共服务。格点气象服务能够为城市交通管理提供重要支持，如根据实时气象信息调整交通信号灯配时、发布道路积水预警等，确保城市交通顺畅和安全。通过监测和分析空气质量、污染物扩散等气象条件，格点气象服务有助于相关部门制定更加有效的环境保护措施，改善城市空气质量。
（四）促进智慧城市建设。格点气象数据可以与城市其他领域的数据进行融合，如交通、环境、能源等，形成综合的城市管理大数据平台，通过云平台等技术手段，可以实现数值预报产品的快速共享和协同应用，提高预报的时效性和准确性，基于格点气象预报的智能化决策系统能够自动分析气象数据和其他相关信息，为城市管理者提供科学的决策建议，提高城市管理的智能化水平，为智慧城市建设提供有力支撑。
综上所述，基于格点数据的气象服务在社会需求方面具有广泛的应用和重要意义。随着技术的不断进步和应用场景的不断拓展，格点数据气象服务将发挥更加重要的作用。