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                    “海上絲綢之路”·海洋環境與新能源數據集 II 區論文(已發表) ? 版本 ZH5 Vol 5 (4) 2020
                    下載
                    2018–2019年東海站三錨式浮標綜合觀測平臺剖面觀測數據集
                    A dataset of profile observation on the three-anchor buoy integrated observation platform of the East China Sea Observation Station in 2018–2019
                    ?>>
                    : 2019 - 12 - 25
                    : 2020 - 11 - 19
                    : 2020 - 01 - 02
                    : 2020 - 12 - 27
                    极速快三
                    2374 25 0
                    摘要&關鍵詞
                    摘要:海洋剖面觀測是實現“透明海洋”對海洋全尺度觀測的重要環節。中國科學院近海海洋觀測研究網絡東海海洋研究站研制的國內首套直徑15米超大型三錨式浮標綜合觀測平臺,可實現對海表氣象–水下淺層水質水文–水下剖面數據的實時觀測。對布放海域(30°27′32.6″N,120°14′25.22″E)已經進行了為期12個月的連續觀測并獲取到該區域寶貴的實時連續觀測數據。本圖集對其中最為重要的剖面數據進行整理,為了更好地利用這些觀測數據,我們采用規范的數據處理方法和質量控制體系對這些剖面觀測數據進行處理和質量控制,為建立涵蓋海洋大氣、海洋表層、水體剖面和海底的全尺度觀測體系彌補了關鍵一環,為我國海洋科學基礎研究、防災減災等提供更加豐富、完備的數據支撐。
                    關鍵詞:東海;三錨式;浮標觀測;剖面觀測
                    Abstract & Keywords
                    Abstract:?The work of Ocean profile observation is an important step to realize the “transparent ocean” observation on the ocean at full scale. The huge three-anchor buoy integrated observation platform with a diameter of 15 meters developed by the East China Sea Ocean Observation and Research Station developed can realize the real-time observation on the sea surface meteorology, underwater shallow water quality and hydrology and underwater profile environment. The target area (30°27 '32.6 "N, 120°14' 25.22" E) has been continuously observed for 14 months and valuable real-time continuous observation data have been obtained in this area. We sorted out in this dataset the most important part in it—the profile data. In order to make better use of these observation data, we adopted standard data processing methods and quality control system to process and control them. This dataset makes up for a crucial step for the establishment of a full-scale observation system covering oceanic atmosphere, oceanic surface layer, water profile and seabed. Moreover, it can provide richer and more complete data support for the basic research on Marine science and disaster prevention and reduction in China.
                    Keywords:?East China Sea, three-anchor type, observation buoy, profile observation
                    數據庫(集)基本信息簡介
                    數據庫(集)名稱2018–2019年東海站三錨式浮標綜合觀測平臺剖面觀測數據集
                    數據作者王旭、王春曉、劉長華、賈思洋、王彥俊
                    數據通信作者劉長華(lch@qdio.ac.cn)
                    數據時間范圍2018年8月15日至2019年7月31日
                    地理區域舟山附近海域(30°27′32.6″N,120°14′25.22″E)
                    數據量31740條,3.67MB
                    數據格式*.xlsx, *.fig
                    數據服務系統網址http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/926
                    基金項目國家自然科學基金(41876102);中國科學院戰略性先導科技專項(XDA1906020303);中國科學院科研儀器設備研制項目(YJKYYQ20170010)。
                    數據庫(集)組成本數據集包含兩部分:其一為表格型原始數據,其二為時間尺度的數據圖形。表格型數據集名稱為“2018–2019年東海站三錨式浮標綜合觀測平臺剖面觀測數據集.xlsx”,共計31740條觀測數據,主要觀測參數包含剖面水溫、剖面鹽度、水深、剖面pH、剖面葉綠素5個參數。數據圖形為“2018–2019年東海站三錨式浮標綜合觀測平臺剖面觀測數據集.zip”,包括16張不同水深位置時間序列圖形,格式為fig矢量圖,數據量為2.29 MB。
                    Dataset Profile
                    TitleA dataset of profile observation on the three-anchor buoy integrated observation platform of the East China Sea Observation Station in 2018–2019
                    Data corresponding authorLiu Changhua (lch@qdio.ac.cn)
                    Data authorsWang Xu, Wang Chunxiao, Liu changhua, Jia Siyang, Wang Yanjun
                    Time rangeAugust 15, 2018 to October 28, 2019
                    Geographical scopeYangtze estuary - zhoushan archipelago(30°27′32.6″N,120°14′25.22″E)
                    Data volume41,037 entries, 5.97MB
                    Data format*.xlsx, *.fig
                    Data service system<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/926>
                    Sources of fundingThe National Natural Science Foundation of China (No. 41876102); The Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (No. XDA1906020303); Research Equipment Development Project of Chinese Academy of Sciences (No. YJKYYQ20170010).
                    Dataset compositionThe dataset consists of two parts: the tabular original data and the time-scale data graphs. The tabular dataset is named “A dataset of profile observation on the three-anchor buoy integrated observation platform of the East China Sea Observation Station in 2018-2019.xlsx”, with a total of 31,740 entries. These data include depth, watertemp, salinity, pH, chlorophyll. The image data was renamed “A dataset of profile observation on the three-anchor buoy integrated observation platform of the East China Sea Observation Station in 2018-2019.zip”, including 16 time series graphs of different water depth positions in the format of FIG vector graph. And the data volume is 2.29 MB.
                    引 言
                    海洋科學的創新發展很大程度上依賴于海洋觀測能力的提升,海洋觀測是海洋科學發展的基礎和重要支撐[1-2],當前海洋觀測科學發展已經呈現由水面、海底向全水層的剖面觀測趨勢,觀測范圍的拓展、觀測數據的實時性準確性更是越來越受到海洋科學界的關注[3-4]。
                    中國科學院在創新三期部署建設的“中國科學院近海海洋觀測研究網絡”是兼顧區域特色和學科背景、兼具全面調查功能與專項研究功能的開放性海洋科學觀測研究網絡,為闡明中國近海的長期變化規律,發現新的海洋現象,揭示和預測在自然與人類活動雙重作用下海洋動力環境、水體環境、地質條件、生態系統的響應,為原創性理論的創立提供實測依據。
                    中國科學院近海海洋觀測研究網絡東海海洋觀測研究站(以下簡稱“東海站”)作為中國科學院近海海洋觀測研究網絡骨干臺站始建于2007年,一直致力于東海水文、海洋氣象和環境要素的長期、連續、同步、實時監測,提供滿足東海大生態系統對氣候變異響應研究需求的長期觀測數據,在精細時間尺度上記錄極端天氣過程和主要洋流對東海典型生境的作用。經過10余年的建設與發展,基本上形成在水平尺度上覆蓋范圍廣闊的東海觀測浮標陣列,在空間尺度上涵蓋海洋大氣、海洋表層、剖面水體和海底的全尺度觀測體系,構建成為我國東海海域海洋科學研究領域重要的海洋綜合研究與技術支撐平臺[5-6]。
                    我國東海舟山群島附近海域作為長江水進入東海的過渡區域,生態環境和水文特征均受河流與海洋的共同影響,產生相對活躍且復雜的水動力環境,該區域涉及的長江沖淡水、臺灣暖流、沿岸上升流以及黑潮入侵等均是海洋科學研究者關注的熱點[7]。再加上近年來日益加重的赤潮給舟山群島附近海域的資源環境帶來了極大災害,嚴重影響海洋資源利用與可持續發展的需要[8]。海洋水體剖面實時觀測數據的獲取,對明確舟山群島附近海域海洋生態環境特點及營養化形成機理具有重要作用,在近海海域實現剖面水體實時觀測是明確且迫切的國家需求。
                    本數據集基于2018年8月15日至2019年7月31日舟山群島衢山島以西2.5海里位置的剖面水體的觀測數據,采用國內首套三錨式浮標綜合觀測平臺進行剖面數據實時采集,主要觀測參數包含深度、剖面水溫、剖面鹽度、剖面pH、剖面葉綠素5個參數。本圖集包含原始數據表格1個,共計31740條剖面水體數據;還包含16張不同水深位置水溫和鹽度時間序列曲線圖形,圖形格式為.fig矢量圖。本數據集主要為研究長江口–舟山群島海洋生態系統結構及演變、赤潮形成機理的深入研究等提供基礎數據支撐,也可以為生態災害預報模式、政府決策等提供數據支撐。
                    1 ? 數據采集和處理方法
                    1.1 ? 觀測浮標信息
                    東海站通過多年經驗積累,歷時近5年成功研制了直徑15米的超大型三錨式浮標綜合觀測平臺(以下簡稱“三錨平臺”,如圖1),該平臺是目前國內首套直徑最大、觀測參數最全、智能化程度最高的海上綜合觀測和試驗平臺,在觀測形式上具有集海氣界面觀測、通量觀測、水面觀測、水體觀測、海底觀測等多項綜合觀測功能于一體的特點;為解決我國近海海域獲取長期、定點、實時、連續的剖面水體數據,建立涵蓋海洋大氣、海洋表層、剖面水體和海底全尺度觀測體系彌補了關鍵一環,是一種適應目前我國近海海洋觀測需求的創新性海洋綜合觀測平臺[5]。三錨平臺布放于長江口偏南、舟山群島中部海域(30°27′32.6″N,120°14′25.22″E,如圖2),水深約為12米,距離平臺最近的島嶼為衢山島,平臺位于該島以西2.5海里處。


                    圖1 ? 三錨式浮標綜合觀測平臺在海上運行照片


                    圖2 ? 三錨式浮標綜合觀測平臺布放位置
                    1.2 ? 數據采集流程
                    三錨平臺的數據獲取主要經過浮標端數據采集、數據采集器初處理、傳輸、轉換、處理、入庫等流程。首先由浮標端搭載的各參數傳感器進行原始觀測數據采集,浮標上的數據采集器讀取各傳感器數據并經過初步處理,將處理后的數據按照邏輯字段傳輸至岸站數據中心,數據中心按照規定的字段協議進行數據解析,解析出可讀觀測數據,再進行顯示、分析、入庫存儲等。
                    三錨平臺的數據獲取和傳輸方面較傳統浮標有較大創新改良。海表氣象數據和水下淺層常規觀測數據仍然采用目前普遍用于海洋浮標的常規數據采集器進行控制采集,并由CDMA、GPRS和北斗三種無線通信方式,實現海上浮標與地面陸基站的觀測數據傳輸。本數據集中的剖面觀測數據由于水深和剖面層數設置影響導致數據結構復雜、數據量龐大,所以獨立于常規數據采集器,采用局域組網的方式實現,通過路由器和網管交換機將數據直接發送至岸基剖面數據接收系統(如圖3)。絞車控制器通過訪問局域網的方式實現對三錨平臺絞車遠程遙控,控制水下剖面觀測單元下降和上升并獲取數據,獲取的數據經過水下觀測單元的數控模塊初步處理后,通過無線數傳模塊和無線路由器將其發送至岸基水下剖面數據接收系統,岸基的數據接收軟件按照規定的網絡協議對數據包進行解析,得到可讀的科學數據。


                    圖3 ? 三錨平臺剖面數據傳輸方案
                    1.3 ? 數據處理
                    本圖集中涉及三錨平臺對水體剖面數據的獲取,剖面觀測數據采集采用SBE 19 PlusV2,配合外接電池艙和數據采集傳輸筒組合為剖面觀測單元(如圖4)。三錨平臺水下剖面觀測單位的維護周期為每兩個月進行一次,具體操作為更換整套剖面觀測單元。每次布放前,將SBE 19 PlusV2進行參數校驗,水溫、電導率、壓力、葉綠素和濁度均由計量中心進行校驗標定。pH參數由于穩定周期短,所以計量中心校核后每次布放現場再進行校驗,采用pH=6.86和9.18的標定液進行現場校驗?,F場換下的SBE 19 PlusV2中pH玻璃電極貯存在pH=7的緩沖液中用以保護。


                    圖4 ? 三錨平臺水體剖面觀測單元
                    數據接收軟件收到的原始數據首先通過可視化界面進行實時顯示(如圖5),以方便數據管理人員實時掌握傳感器工作狀態和海洋環境信息,并提供歷史數據查看等功能。原始數據同時上傳至中國科學院近海海洋觀測研究網絡數據中心,數據中心根據參數類別建立數據庫,對原始數據進行分類管理,并對其進行數據質量控制,剔除明顯有悖事實的錯誤數據,最后通過審核流程向數據申請者提供數據服務。


                    圖5 ? 水下剖面數據接收與處理系統
                    2 ? 數據樣本描述
                    本數據集包含表格型數據(xlsx格式)和圖形數據壓縮包(zip格式)。表格型數據首先按照時間序列排序,每個相同點次的時間內的數據再按照深度序列排序,共計31740條觀測數據。剖面觀測數據采集采用SBE 19 PlusV2, 觀測數據表內容見表1,各項觀測參數的技術指標見表2。。三錨平臺剖面觀測單位按照設定的時間時序向下開始進行剖面數據采集工作,每下降1米即進行一次數據采集,每次采集10個數值,并自動進行平均值計算獲取一條觀測數據,到達最深位置后再進行上升動作,上升過程中同樣按照每上升1米為單位進行數據采集。剖面數據采集是按照一定時序進行,每次采集工作一般持續時間為8分鐘,具體操作為絞車上電10秒鐘后啟動下放剖面觀測采集命令,按照3m/min的速度下放至預設深度后,停留10秒后隨即上升并進行上升階段的數據采集工作。當剖面觀測單元完成下放、回收工作后,將獲取數據經無線數傳模塊發至浮標端進而發送至岸站,考慮到數據量和各參數數據的精度,所以將數據剖面采集時間均默認為絞車啟動時間。
                    表1 ? 三錨平臺剖面觀測數據表內容
                    表內容序號字段名稱量綱數據類型
                    1采集時間-文本型
                    2水溫數值型
                    3鹽度-數值型
                    4水深m數值型
                    5pH-數值型
                    6葉綠素μg/L數值型
                    表2 ? 剖面觀測設備技術指標
                    序號觀測參數觀測范圍準確度分辨率
                    1水溫?5~35℃±0.005°C0.0001℃
                    2電導率0~9S/m±0.0005S/m0.00005S/m
                    3深度0~600m±0.1%0.002%
                    4濁度0~1000FTU±0.02FTU±2%
                    5葉綠素0~250μg/L±1%0.01μg/L
                    6pH0~14±0.10.01
                    zip圖形壓縮文件包含按照層深統計的12個月的水溫和鹽度指標長時間序列圖形,共計16張曲線圖,圖形格式為.fig,示例圖如圖6。




                    圖6 ? 第一層和第七層水溫數據曲線
                    3 ? 數據質量控制和評估
                    由于平臺布放于站位進行全天候長期觀測,多變復雜的海洋環境、傳感器自身的問題以及天氣造成的平臺供電短缺問題等均會對數據質量產生重大影響。例如本數據集中2018年9月17日12:00開始數據出現缺失,由于天氣海況原因一直無法出海進行維護,直到10月11日技術人員到達浮標現場進行故障排除,11:00數據才得到恢復。這種由于傳感器造成的數據缺失現象普遍存在于數據集中,因此數據管理人員對數據進行了初步質量控制,剔除了確定無效的數據,并結合周圍海島氣象站、其他浮標站多年的統計數據,剔除明顯有悖事實的數據,但同時為最大程度的保留數據完整性,未剔除部分存在疑義的數據。
                    自2018年8月15日14:00至16:00,人員登陸浮標試驗將采集頻率設為每1小時進行一次,2018年8月15日16:00至8月31日12:00為每4個小時一次,8月31日12:00至9月1日12:00為每小時一次,2018年9月1日12:00至2019年7月31日24:00均為每3小時一次。按照上述時間推算,應該接收數據量為2778組,每組數據應該包含16條數據,所以按照時間序列三錨平臺應該獲取44448條數據,而我們只獲取到31740條,其中有效數據只有31729條,數據接收率為71.40%,接收到的數據有效率為99.97%。
                    造成數據接收缺失的原因主要有三方面因素:一是三錨平臺智能控制功能起到作用,智能控制功能是三錨平臺的核心技術手段,為保障剖面系統運行的安全性,對風速、波高、流速設定一定閾值。如有任何一個參數超過該閾值則認定為不安全狀態,則剖面系統不工作。表3列舉了數據集所描述的工作周期內比較典型的智能控制情況,又列舉了兩次典型的臺風期間的智能控制情況。二是當底層流速相對活躍時,剖面系統下降到最底層還未來得及采集數據則隨不穩定流偏移測量深度,當壓力達不到測量深度時該組參數不進行采集;第三類原因則是由于連續陰雨天氣導致剖面絞車系統供電不足停止工作或絞車故障而造成的數據缺失,還有工作人員每兩個月到達平臺現場將剖面系統提出水面進行例行檢查,主要包含更換電池、清理傳感器等,也會影響一定時序剖面參數的采集;經統計,三個因素造成的數據缺失比例大致為7.8 : 0.3 : 1.9。
                    表3 ? 通過智能判斷閾值停止絞車工作的部分案例
                    序號絞車不工作時刻(年-月-日 T時:分)極大風速/
                    (m/s)
                    最大波高/
                    m
                    最大流速/
                    (cm/s)
                    海況分析備注
                    12019-06-17 21:006.800.20171.00流速≥1.6大潮汛期間
                    22019-07-10 03:0011.700.30164.70流速≥1.6大潮汛期間
                    32019-07-15 21:005.300.10167.70流速≥1.6大潮汛期間
                    42019-07-16 21:005.700.10170.00流速≥1.6大潮汛期間
                    52019-07-19 18:0012.100.50200.00流速≥1.6臺風“丹娜絲”過境期間
                    62019-07-21 00:004.400.20172.00流速≥1.6大潮汛期間
                    72019-07-31 21:009.400.20190.00流速≥1.6大潮汛期間
                    82019-08-10 12:0031.701.8090.00風速≥14.4
                    波高≥1.6
                    臺風“利奇馬”過境期間
                    92019-09-06 21:0019.901.90160.00風速≥14.4
                    波高≥1.6
                    流速≥1.6
                    臺風“玲玲”過境期間
                    注:表中加黑下劃線的數據即為超過設定閾值的數據。
                    4 ? 數據價值
                    本數據集展示的是國內首套三錨式浮標綜合觀測平臺的實時剖面觀測數據。該平臺為目前國內觀測數據最全、智能化程度最高的海上綜合觀測和試驗平臺,可對水體剖面環境的各項參數進行在線觀測并實時傳輸到岸站接收系統進行曲線展示和原始數據備份。該平臺的應用解決了我國近海獲取實時、長期和連續的剖面水體數據的觀測技術難點,為建立涵蓋海洋大氣、海洋表層、剖面水體和海底的全尺度觀測體系彌補了關鍵一環,是一種適應目前我國近海海洋觀測需求的創新性海洋綜合觀測平臺,提升了中國近海海洋觀測研究網絡的觀測能力,為我國海洋科學基礎研究、防災減災等提供了更加豐富、完備的數據支撐。
                    5 ? 數據使用方法和建議
                    為了方便數據使用和查詢,本數據集的表格型數據首先按照時間序列排序,每個相同時間點次內進行一次剖面觀測,所以在相同時間點次內需按照深度由淺入深再到淺的深度序列進行排序。
                    致 謝
                    感謝中國科學院近海海洋觀測研究網絡黃海站、東海站所有工作人員的大力支持和付出。
                    [1]
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                    數據引用格式
                    王旭, 王春曉, 劉長華, 等. 2018–2019年東海站三錨式浮標綜合觀測平臺剖面觀測數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2020-11-30). DOI: 10.11922/sciencedb.926.
                    稿件與作者信息
                    論文引用格式
                    王旭, 王春曉, 劉長華, 等. 2018–2019年東海站三錨式浮標綜合觀測平臺剖面觀測數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2020, 5(4). (2020-11-30). DOI: 10.11922/csdata.2019.0079.zh.
                    王旭
                    Wang Xu
                    主要承擔工作:數據處理、曲線圖繪制和數據集編制等。
                    (1990—),男,山東煙臺人,碩士,工程師,研究方向為海洋環流與氣候環境變化。
                    賈思洋
                    Jia Siyang
                    主要承擔工作:原始數據獲取和質量控制。
                    (1981—),男,山東平陰人,碩士,高級工程師,研究方向為海洋觀測技術。
                    劉長華
                    Liu Changhua
                    主要承擔工作:主要承擔工作:本數據集技術流程設計。
                    lch@qdio.ac.cn
                    (1977—),男,山東臨邑人,博士,正高級工程師,研究方向為海洋觀測技術。
                    王春曉
                    Wang Chunxiao
                    主要承擔工作:原始數據獲取和整理。
                    (1981—),男,內蒙古烏蘭察布人,碩士,工程師,研究方向為海洋環境監測。
                    王彥俊
                    Wang Yanjun
                    主要承擔工作:本數據集曲線繪制程序的編寫和調試。
                    (1988—),男,山東萊陽人,碩士,工程師,研究方向為海洋大數據分析、處理和可視化。
                    出版歷史
                    I區發布時間:2020年1月2日 ( 版本ZH2
                    II區出版時間:2020年12月27日 ( 版本ZH5
                    參考文獻列表中查看
                    中國科學數據
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