楊遠(yuǎn)征，徐超，李莎，何云開

1. 中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所，廣州 510301

數(shù)據(jù)庫(kù)（集）基本信息簡(jiǎn)介

引 言

中國(guó)南海不僅具有跨越熱帶和亞熱帶、毗鄰粵港澳大灣區(qū)和海上絲綢之路貿(mào)易的重要通道等優(yōu)越的地理位置，而且具有油氣能源和生物資源等豐富的資源。南海典型斷面科學(xué)考察，在科學(xué)研究方面可為南海水文、氣象、生態(tài)、化學(xué)、地質(zhì)等海洋學(xué)科的科學(xué)研究提供可靠的科學(xué)數(shù)據(jù)，在海洋環(huán)境保護(hù)方面可在科學(xué)合理開發(fā)利用該海域各類資源及海洋生態(tài)文明建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。因此，開展南海海洋斷面科學(xué)考察具有重要意義[1]。2009-2012年南海海洋斷面科學(xué)考察遵照國(guó)家科技基礎(chǔ)性專項(xiàng)“南海海洋斷面科學(xué)考察”任務(wù)要求在南海設(shè)置18°N、10°N和6°N斷面，并設(shè)置沿東經(jīng)113°一直到南沙群島（6-18°N）縱向斷面，在南海內(nèi)部構(gòu)建三橫一縱為主的觀測(cè)系統(tǒng)。圖1為2009-2012年南海海洋斷面科學(xué)考察站位圖。

圖1 2009-2012年南海海洋斷面科學(xué)考察站位圖

海流觀測(cè)是南海海洋斷面科學(xué)考察作業(yè)的重要內(nèi)容之一，2009-2012年南海海洋斷面科學(xué)考察海流觀測(cè)采用的測(cè)量設(shè)備是聲學(xué)多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profilers，以下簡(jiǎn)稱ADCP）。ADCP是利用聲波在流動(dòng)液體中的多普勒頻移來(lái)測(cè)流的海流觀測(cè)儀器，具有準(zhǔn)確率高、分辨率高和操作方便的特點(diǎn)，并且得到了廣泛的應(yīng)用，特別是許多國(guó)際性大型海洋調(diào)查研究項(xiàng)目都把ADCP作為觀測(cè)儀器[2]。近年來(lái)，中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所逐年增加了南海海洋科學(xué)考察航次，除了南海海洋斷面科學(xué)考察航次外，南海北部海洋觀測(cè)開放航次自2004年以來(lái)累積了大量的ADCP現(xiàn)場(chǎng)海流觀測(cè)數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)采集時(shí)間上，南海北部海洋觀測(cè)開放航次ADCP海流觀測(cè)數(shù)據(jù)集是從2004年起每年夏末秋初（8-9月）常態(tài)化進(jìn)行觀測(cè)[3-4]。雖然南海海洋斷面科學(xué)考察ADCP海流觀測(cè)數(shù)據(jù)集只有四年的數(shù)據(jù)積累，但南海的環(huán)流具有明顯的季節(jié)性特征[5]，因此具有 4個(gè)不同季節(jié)的南海海洋斷面科學(xué)考察ADCP海流觀測(cè)數(shù)據(jù)集為深入開展季風(fēng)氣候控制下的熱帶海洋環(huán)境演變過(guò)程的科學(xué)研究提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。在觀測(cè)區(qū)域上，南海北部海洋觀測(cè)開放航次ADCP海流觀測(cè)數(shù)據(jù)集主要是在南海海洋北部海域獲取，而南海海洋斷面科學(xué)考察ADCP海流觀測(cè)數(shù)據(jù)集是在南海海洋斷面區(qū)域內(nèi)獲取，觀測(cè)區(qū)域更廣，并且南海海洋斷面科學(xué)考察在南沙海域獲取了大量寶貴的連續(xù)的ADCP海流觀測(cè)數(shù)據(jù)，為南沙海域物理海洋的特征變化及環(huán)流結(jié)構(gòu)等科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)采集

2009-2012年南海海洋斷面科學(xué)考察ADCP海流觀測(cè)4個(gè)航次都由中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所“實(shí)驗(yàn)3”號(hào)科學(xué)考察船實(shí)施。各航次數(shù)據(jù)采集時(shí)間見表1。

表1 2009-2012年南海海洋斷面科學(xué)考察各航次數(shù)據(jù)采集時(shí)間表

（1）2009年4月28日至6月20日?qǐng)?zhí)行春季航次考察，由于需返航三亞接第二階段考察隊(duì)員上船，5月4日至5月17日沒(méi)有執(zhí)行考察作業(yè)；此次科考春季航次主要航行路線：113°E斷面從北到南，6°N斷面從東到西，由于KJ57站較靠近陸地，被取消考察，10°N斷面從KJ58站位開始由西到東考察，18°N斷面從西到東。

（2）2010年10月27日至11月28日?qǐng)?zhí)行秋季航次考察，由于強(qiáng)東北季風(fēng)南下，10月27日至11月5日無(wú)法執(zhí)行考察，11月6日才開始作業(yè)至11月23日結(jié)束；此次科考秋季航次主要航行路線：113°E斷面從北到南，6°N斷面從東到西，10°N斷面從西到東，由于外國(guó)船只干擾，KJ59站被取消考察，18°N斷面從東到西。

（3）2011年11月28日至2012年1月12日?qǐng)?zhí)行冬季航次考察，由于受天氣影響，2011年12月24日至12月29日沒(méi)有進(jìn)行考察作業(yè)，并在2012年1月2日提前結(jié)束；此次科考冬季航次主要航行路線：113°E斷面從北到南穿越南海，由于天氣原因，未考察113°E斷面上的KJ22站位至KJ28站位；6°N斷面從東到西，由于天氣原因，未考察此斷面上的KJ56站位；10°N斷面放棄KJ57站位考察從KJ58站位開始由西到東，由于天氣原因，未考察此斷面上的KJ62站位至KJ65站位及KJ68站位至KJ75站位；18°N斷面只考察了KJ20站位就結(jié)束了冬季考察航次。

（4）2012年8月7日至9月12日?qǐng)?zhí)行夏季航次考察，由于受熱帶氣旋影響，8月16日至8月18日中斷了數(shù)據(jù)采集作業(yè)；此次科考夏季航次主要航行路線：18°N斷面從東到西至KJ17站位時(shí)，由于西太平洋有臺(tái)風(fēng)生成，先到10°N斷面的東面KJ75站開始由東往西調(diào)查；6°N斷面從KJ56站由東往西；113°E斷面從南到北完成此斷面調(diào)查后到KJ18站完成18°N斷面最后三站的調(diào)查。

每個(gè)航次采樣使用美國(guó)TRDI公司OS38型和VM300型ADCP，OS38 型ADCP工作頻率為38 kHz，寬帶工作方式，最大觀測(cè)深度1000 m。VM300型ADCP工作頻率為300 kHz，窄帶工作方式，最大觀測(cè)深度200 m。

1.2 資料整理

ADCP原始觀測(cè)數(shù)據(jù)參考《GB/T12763-2007海洋調(diào)查規(guī)范 第 7部分海洋調(diào)查資料交換》[6]第6.2.3節(jié)的方法以及通過(guò)ADCP自帶軟件WinADCP[7]設(shè)置相關(guān)參數(shù)導(dǎo)出整個(gè)斷面所有剖面的數(shù)據(jù)后，并進(jìn)一步處理得到各航次海流觀測(cè)的經(jīng)緯度、觀測(cè)層、東分量、北分量、流速、流向、探頭溫度等信息，整理2009-2012年南海海洋科學(xué)斷面考察ADCP海流觀測(cè)數(shù)據(jù)集。具體步驟如下：

（1）通過(guò)ADCP自帶軟件WinADCP設(shè)置相關(guān)參數(shù)將ADCP原始二進(jìn)制數(shù)據(jù)導(dǎo)出MAT文件格式的數(shù)據(jù)，用于數(shù)據(jù)后處理和質(zhì)量控制。首先，公共參數(shù)主要是在“WinADCP Chart Options”菜單下的“Profile”、“Series”、“Ancillary”和“Processing”功能模塊下進(jìn)行設(shè)置；其次，導(dǎo)出參數(shù)主要通過(guò)“Export”菜單下的“Series/Ancillary”選項(xiàng)設(shè)置，其中“File Type”選“MAT”、“Bins”選“All”、“Series Data Types”下的“Velocity”選項(xiàng)全選、“Anc Data Types”選“Temperature”和“Depth”、“Bottom Track”選“Mag”和“Dir”和“Navigation”選“Lat/Lon”等。

（2）將導(dǎo)出的MAT文件進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成ASCLL數(shù)據(jù)格式文件，并對(duì)資料的各要素進(jìn)行初步的質(zhì)量控制，主要是剔除航跡經(jīng)緯度數(shù)值為30000的資料，以及剔除流速或流向的數(shù)值為-32768的資料；ASCII標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式文件中，剔除不符合編碼規(guī)定的可疑數(shù)據(jù)，詳見第3章。

（3）ADCP數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化處理，主要是將數(shù)據(jù)統(tǒng)一轉(zhuǎn)換成doc格式，并規(guī)范文件命名。文件命名由每個(gè)年份航次及相應(yīng)型號(hào)ADCP數(shù)據(jù)組成，如文件“2009年南海海洋科學(xué)斷面考察OS38型ADCP海流觀測(cè)數(shù)據(jù)集”指2009年南海海洋科學(xué)斷面考察OS38型ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)，該文件是由數(shù)據(jù)記錄年月、記錄間隔時(shí)間和觀測(cè)層深度命名的數(shù)據(jù)組成，如“200905_LTA_30min_38”，指2009年05月調(diào)查航次OS38型ADCP觀測(cè)數(shù)據(jù)，“38”指38 m層觀測(cè)的數(shù)據(jù)，“LTA”是記錄間隔標(biāo)識(shí)，“30min”指記錄間隔為30分鐘。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

本數(shù)據(jù)集是國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專項(xiàng)南海海洋斷面科學(xué)考察項(xiàng)目通過(guò)2009年春季、2010年秋季、2011年冬季、2012年夏季4個(gè)航次采集并經(jīng)過(guò)處理的ADCP海流觀測(cè)數(shù)據(jù)集。本數(shù)據(jù)集有2種型號(hào)ADCP海流觀測(cè)數(shù)據(jù)：（1）OS38型ADCP觀測(cè)60層，層間隔16 m，第一層深度38 m，記錄間隔30 min；（2）VM300型ADCP觀測(cè)54層，層間隔4 m，第一層深度10 m，記錄間隔30 min。數(shù)據(jù)集參數(shù)包括日期、時(shí)間、緯度、經(jīng)度、觀測(cè)層、東分量、北分量、流速、流向、探頭溫度。表2列出了數(shù)據(jù)集中各參數(shù)的名稱、單位和樣例數(shù)據(jù)等信息。

表2 ADCP數(shù)據(jù)參數(shù)和樣例數(shù)據(jù)

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評(píng)估

在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，會(huì)受到船速、儀器、海況以及ADCP參數(shù)設(shè)定等因素的影響[8]。為確保ADCP觀測(cè)資料的質(zhì)量，使用了系統(tǒng)誤差訂正和常規(guī)檢驗(yàn)等質(zhì)量分析和控制方法。ADCP數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制方面主要是對(duì)速率誤差和方向誤差（即為系統(tǒng)誤差）進(jìn)行修正[9]。

（1）方向誤差主要是采集的數(shù)據(jù)由 ADCP觀測(cè)儀器坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為地理坐標(biāo)系過(guò)程中引入旋轉(zhuǎn)角度誤差（主要來(lái)源于ADCP傳感器安裝角度偏差和羅經(jīng)測(cè)量的航向誤差）[10]。為了避免方向誤差，在每個(gè)航次考察初期，考察船以固定10節(jié)的航速走閉合圈進(jìn)行走航ADCP自檢觀測(cè)，圖2為OS38型走航ADCP在54 m水層自檢觀測(cè)海流圖，圖3為VM300型走航ADCP在50 m水層自檢觀測(cè)海流圖。從海流觀測(cè)圖分析，2臺(tái)走航ADCP傳感器在考察船上的安裝角度及羅經(jīng)校對(duì)理想，認(rèn)為使用這2臺(tái)ADCP觀測(cè)的海流數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，數(shù)據(jù)可以使用。若自檢的海流觀測(cè)圖的海流流向在閉合圈上基本不一致，那么ADCP傳感器安裝角度存在偏差，需通過(guò)用ADCP自帶軟件VmDas[11]軟件的Reprocess Data功能設(shè)置Transform菜單中的ADCP Alignment Correction參數(shù)對(duì)觀測(cè)資料進(jìn)行安裝角度訂正處理。另外，由于考察船突然轉(zhuǎn)向、加速與減速時(shí)會(huì)導(dǎo)致羅經(jīng)產(chǎn)生所謂的沖擊誤差，這個(gè)誤差在資料處理中是不能訂正的[12]。因此，為了確保觀測(cè)資料的質(zhì)量，在數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，盡量避免了考察船突然轉(zhuǎn)向、急加速和減速。

圖2 OS38走航ADCP自檢觀測(cè)（54 m水層）

圖3 VM300走航ADCP自檢觀測(cè)（50 m水層）

（2）剔除沒(méi)有記錄到同步GPS資料以及由于水深超出底跟蹤深度范圍導(dǎo)致測(cè)得船速為0的資料。2011年冬季航次由于VM300型ADCP的GPS損壞，沒(méi)有記錄到同步的GPS資料，不能夠處理出實(shí)際海流流速、流向數(shù)據(jù)，造成該航次的VM300型ADCP的海流觀測(cè)數(shù)據(jù)空缺。

（3）南海海洋斷面科學(xué)考察ADCP海流觀測(cè)是ADCP在底跟蹤和GPS跟蹤模式下進(jìn)行作業(yè)的。ADCP測(cè)得流速是海水相對(duì)于船體的速度，因此船速的準(zhǔn)確度影響數(shù)據(jù)的質(zhì)量。底跟蹤模式下測(cè)得船速是通過(guò)跟蹤水底的“運(yùn)動(dòng)”測(cè)量的，精度可達(dá)到1 cm/s[13]，而且該誤差在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中能被消除，因此底跟蹤模式測(cè)得船速無(wú)需進(jìn)行系統(tǒng)誤差校正。GPS跟蹤模式下測(cè)得船速受海況等環(huán)境因素和人為操縱船只因素等影響[8]，因此GPS跟蹤模式下必須要進(jìn)行系統(tǒng)誤差的校正和船速的訂正。本數(shù)據(jù)集最大觀測(cè)深度為982 m，符合OS38型ADCP最大測(cè)量底跟蹤深度（OS38型ADCP最大測(cè)量底跟蹤深度理論值為2 km，實(shí)際只有1 km左右）。因此，為了提高海流流速精度，采用底跟蹤觀測(cè)的船速數(shù)據(jù)，這樣無(wú)需進(jìn)行船速誤差修正，利用ADCP自帶軟件WinADCP[7]的processing功能處理出實(shí)際的海流數(shù)據(jù)。

（4）常規(guī)檢驗(yàn)主要包括范圍檢驗(yàn)、非法碼檢驗(yàn)和連續(xù)性檢驗(yàn)等。范圍檢驗(yàn)：經(jīng)度范圍超過(guò)108-122°E，緯度范圍超過(guò)4-24°N，水深小于0或大于1000 m，該數(shù)據(jù)錯(cuò)誤；流速范圍超過(guò)-5～9 m/s，探頭溫度（水溫）超過(guò)-40～40℃，該數(shù)據(jù)可疑。非法碼檢驗(yàn)：ASCII標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式文件中，每一位編碼規(guī)定了可以出現(xiàn)的屬性有符號(hào)、字符和數(shù)字（包括空格），若文件中的編碼出現(xiàn)了不符合上述規(guī)定的屬性，該數(shù)據(jù)可疑。

另外，除了通過(guò)上述所描述的技術(shù)手段外，還結(jié)合該調(diào)查海域的歷史研究成果，對(duì)轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)校驗(yàn)。

4 數(shù)據(jù)使用方法和建議

本數(shù)據(jù)集是歷經(jīng)4年共計(jì)4個(gè)不同季節(jié)的航次數(shù)據(jù)積累，為我國(guó)南海海洋的動(dòng)力過(guò)程和海洋物理的特征變化等海洋科學(xué)研究提供了寶貴的現(xiàn)場(chǎng)資料。

為方便使用，我們提供了數(shù)據(jù)集doc電子資料，用戶可以直接采用Microsoft Word程序?yàn)g覽。

致 謝

本數(shù)據(jù)集的獲取得到中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所海洋科學(xué)考察船隊(duì)及“實(shí)驗(yàn) 3”號(hào)科學(xué)考察船隊(duì)所有成員的大力支持和幫助，在此表示感謝。