韓國(guó)海洋浮標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集與比對(duì)分析

2022-05-05 08:50:38盧勇奪高志一王朝陽(yáng)劉喜惠

海洋預(yù)報(bào) 2022年2期

盧勇奪，高志一，王朝陽(yáng)，劉喜惠

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.國(guó)家海洋信息中心，天津 300171；3.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012）

1 引言

作為認(rèn)知海洋、保護(hù)海洋和經(jīng)略海洋的重要基礎(chǔ)，海洋觀測(cè)一直是人類(lèi)從事海洋活動(dòng)以及開(kāi)發(fā)利用海洋的首選項(xiàng)，其對(duì)海洋科學(xué)技術(shù)、海洋防災(zāi)減災(zāi)和海洋資源開(kāi)發(fā)等具有非常重要的推動(dòng)作用。自20 世紀(jì)70 年代起，美國(guó)、日本和歐盟等相繼建立了以重點(diǎn)沿海和海域?yàn)橹饕采w對(duì)象的海洋立體觀測(cè)網(wǎng)，在全球海洋經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和氣候變化研究中發(fā)揮了不可或缺的作用[1-3]。近年來(lái)，我國(guó)通過(guò)實(shí)施全球海洋立體觀測(cè)網(wǎng)工程，建立了以覆蓋我國(guó)管轄海域?yàn)橹?、西北太平洋為重點(diǎn)的海洋立體觀測(cè)網(wǎng)，為提升我國(guó)海洋災(zāi)害應(yīng)對(duì)和生態(tài)保護(hù)能力，以及氣候變化研究等提供了重要的基礎(chǔ)和支撐，推進(jìn)了我國(guó)認(rèn)識(shí)、開(kāi)發(fā)和保護(hù)海洋等領(lǐng)域的研究進(jìn)程。

韓國(guó)是我國(guó)的海上鄰國(guó)，位于亞洲大陸朝鮮半島南端，我國(guó)渤海和黃海東側(cè)。韓國(guó)三面環(huán)海，臺(tái)風(fēng)（溫帶氣旋）通常經(jīng)過(guò)海洋到達(dá)其陸上國(guó)土。海洋水產(chǎn)、旅游和造船等是韓國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要產(chǎn)業(yè)支柱，涉海海洋活動(dòng)與海洋環(huán)境狀況密切相關(guān)，因此臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)和海洋氣象觀測(cè)是韓國(guó)氣象局（Korea Meteorological Administration，KMA）主要的業(yè)務(wù)組成部分。KMA 通過(guò)其網(wǎng)站等媒介對(duì)公眾發(fā)布臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)信息、海洋環(huán)境預(yù)報(bào)以及準(zhǔn)實(shí)時(shí)海洋環(huán)境觀測(cè)信息等（網(wǎng)址：https://www.weather.go.kr/w/index.do.），為其國(guó)民和涉海單位提供大量海洋信息服務(wù)，在韓國(guó)海洋防災(zāi)減災(zāi)中發(fā)揮了重要作用。

我國(guó)是世界上遭受海洋災(zāi)害影響最嚴(yán)重的國(guó)家之一，沿海地區(qū)海洋災(zāi)害日益突出，海洋防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)十分嚴(yán)峻。據(jù)2019 年《中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)》數(shù)據(jù)，2019 年僅山東省受海洋災(zāi)害影響造成的直接經(jīng)濟(jì)損失就達(dá)到21.63 億元；1909 號(hào)超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“利奇馬”在浙江省溫嶺首次登陸后，穿過(guò)江蘇進(jìn)入黃海海域，于11 日20 時(shí)（北京時(shí)）在山東省青島市二次登陸，造成了重大經(jīng)濟(jì)損失。海浪對(duì)海上船舶航行至關(guān)重要，2019 年我國(guó)近海共發(fā)生有效波高4.0 m（含）以上的災(zāi)害性海浪過(guò)程39 次，損毀船只14艘，死亡（含失蹤）22 人。因此，增強(qiáng)海洋觀測(cè)能力，提升海洋監(jiān)測(cè)水平，對(duì)提高海浪和風(fēng)暴潮等海洋預(yù)警報(bào)能力與海洋防災(zāi)減災(zāi)具有非常重要的意義。

本文采用C++和Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了KMA 網(wǎng)站海洋浮標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并進(jìn)行了浮標(biāo)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與處理；在此基礎(chǔ)上，利用與韓國(guó)西海170 浮標(biāo)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)西海170 浮標(biāo)）距離相近的我國(guó)海洋浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)中的MF03007 浮標(biāo)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)MF03007 浮標(biāo)）的同步觀測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展比對(duì)，對(duì)相關(guān)結(jié)果進(jìn)行分析，為KMA 海洋浮標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在我國(guó)黃海及其他海域的數(shù)據(jù)處理與應(yīng)用提供參考。

2 數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)

數(shù)據(jù)采集是指通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)采集KMA 發(fā)布的韓國(guó)海域20 余個(gè)浮標(biāo)站點(diǎn)的觀測(cè)資料，對(duì)其進(jìn)行解析后存儲(chǔ)到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)中。數(shù)據(jù)采集流程如圖1所示。

圖1 韓國(guó)海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.1 The data collection process chart of Korean marine buoys

數(shù)據(jù)共享是指定時(shí)導(dǎo)出數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的韓國(guó)海域浮標(biāo)數(shù)據(jù)，以文本格式存儲(chǔ)到國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心局域網(wǎng)中，并通過(guò)甚小口徑衛(wèi)星終端站（Very Small Aperture Terminal，VSAT）數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)分發(fā)數(shù)據(jù)，供相關(guān)預(yù)報(bào)員和研究人員等應(yīng)用。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程如圖2所示。

圖2 韓國(guó)海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程圖Fig.2 The data sharing process chart of Korean marine buoys

數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)是使用C++開(kāi)發(fā)語(yǔ)言在Visual Studio 2019 下完成的，并在Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)中建立實(shí)時(shí)庫(kù)用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)采集規(guī)則、數(shù)據(jù)網(wǎng)頁(yè)地址、海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)和采集日志等均采用字符型，采集日志與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用文本格式，便于數(shù)據(jù)的應(yīng)用與處理。數(shù)據(jù)文件格式說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 韓國(guó)海洋浮標(biāo)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)格式說(shuō)明Tab.1 The data storage format of Korean marine buoys

利用手工測(cè)試的方式對(duì)數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)程序進(jìn)行測(cè)試，需要輸入的數(shù)據(jù)有：數(shù)據(jù)采集規(guī)則和數(shù)據(jù)來(lái)源，采取查看數(shù)據(jù)采集日志和實(shí)時(shí)庫(kù)來(lái)測(cè)試程序的主要性能，包括采集的成功率和時(shí)效性。通過(guò)測(cè)試，數(shù)據(jù)采集成功率≥95%，信息準(zhǔn)確率≥98%，漏采和信息錯(cuò)誤主要發(fā)生在風(fēng)向和波向上，程序的請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間≤1 s。

3 數(shù)據(jù)比對(duì)與方法

海洋浮標(biāo)能夠自動(dòng)獲取海洋水文、氣象和生態(tài)等參數(shù)并傳輸給岸上數(shù)據(jù)中心，是一種較為理想的海洋觀測(cè)平臺(tái)，具有長(zhǎng)期性、連續(xù)性和全天候等特點(diǎn)，是離岸觀測(cè)中最重要的手段之一[4-6]。KMA 網(wǎng)站的海洋氣象觀測(cè)主要通過(guò)海上浮標(biāo)、波浪計(jì)和觀測(cè)船等實(shí)施，其中，韓國(guó)海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)由23處浮標(biāo)、6 處雷達(dá)式波浪計(jì)、1 艘觀測(cè)船和1 處無(wú)人基地組成，浮標(biāo)主要站位信息見(jiàn)表2。通過(guò)衛(wèi)星通信網(wǎng)可將海洋觀測(cè)資料實(shí)時(shí)傳送到陸地，用于災(zāi)害性海洋監(jiān)測(cè)、海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、海洋警報(bào)及海洋科學(xué)研究等。我國(guó)在黃海海域布放了10余個(gè)大型錨系浮標(biāo)，形成了布局合理且運(yùn)行穩(wěn)定的浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)，通過(guò)岸上數(shù)據(jù)中心實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、傳輸、接收和處理等，為我國(guó)黃海、對(duì)馬海峽和日本海西部的海浪和氣象預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)提供了重要的數(shù)據(jù)支撐。

表2 KMA海洋浮標(biāo)站位信息簡(jiǎn)表Tab.2 The location information table of Korean marine buoys

因受大陸影響，黃海海域的臺(tái)風(fēng)（溫帶氣旋）相對(duì)較少，給臺(tái)風(fēng)（熱帶氣旋）預(yù)警報(bào)工作以及海洋環(huán)境預(yù)警報(bào)能力的提升增加了難度，因此，實(shí)時(shí)的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)顯得更加珍貴。通過(guò)采集并分析韓國(guó)海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)，可以評(píng)估該數(shù)據(jù)是否能有效補(bǔ)充我國(guó)在此海域的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，是否可用于進(jìn)一步研究和認(rèn)知此海域的海洋環(huán)境。針對(duì)西海170 浮標(biāo)，我們選取了距其最近的我國(guó)黃海海域浮標(biāo)MF03007，對(duì)2021年2月5日—3月8日（共計(jì)739個(gè)時(shí)次）期間的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，為韓國(guó)海洋浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理應(yīng)用提供一定參考[7-11]。

為檢驗(yàn)分析結(jié)果，本文選取了西海170 浮標(biāo)與MF03007 浮標(biāo)數(shù)據(jù)的平均偏差（Bias）、均方根（Root Mean Square，RMS）、相關(guān)系數(shù)（Corr）等作為評(píng)價(jià)因子。平均偏差、均方根和相關(guān)系數(shù)的具體形式如下：

式中，xi表示西海170 浮標(biāo)要素觀測(cè)值；yi表示與之對(duì)應(yīng)的MF03007浮標(biāo)要素觀測(cè)值；n表示數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

4 分析結(jié)果與討論

為了方便對(duì)比分析研究，我們以MF03007 浮標(biāo)與西海170浮標(biāo)兩者同期相同的觀測(cè)要素為研究對(duì)象，其中風(fēng)速、氣壓、有效波高、波周期、最大波高和水溫等要素的匹配數(shù)據(jù)為739 個(gè)，而風(fēng)向要素由于缺測(cè)得到的匹配數(shù)據(jù)較少，為574 個(gè)。以MF03007浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo)，西海170 浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，做出兩者觀測(cè)數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖，具體結(jié)果見(jiàn)圖3。與此同時(shí)，為了定量分析韓國(guó)海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)的基本情況，我們計(jì)算了西海170 浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)于MF03007浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)的平均偏差、RMS和相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)表3。

從圖3和表3中可以看出2021年2月5日—3月8 日MF03007 浮標(biāo)與西海170 浮標(biāo)之間主要要素的散點(diǎn)分布。氣壓要素散點(diǎn)分布非常集中且均勻，相關(guān)性非常好，相關(guān)系數(shù)約為0.99，從其一次擬合函數(shù)來(lái)看，系數(shù)近似為1，常數(shù)約為23，擬合曲線基本與對(duì)角線平行，西海170 浮標(biāo)氣壓相對(duì)較大。風(fēng)速散點(diǎn)分布相對(duì)集中且均勻，主要位于對(duì)角線兩側(cè)，離散點(diǎn)較為零星，相關(guān)系數(shù)約為0.89，西海170 浮標(biāo)風(fēng)速觀測(cè)相對(duì)準(zhǔn)確有效。風(fēng)向分布較為離散，尤其是在0°和360°附近時(shí)，這有可能是風(fēng)向測(cè)量比較敏感造成時(shí)，對(duì)風(fēng)向0°或360°存在一定的測(cè)不準(zhǔn)的情況，但風(fēng)向相關(guān)系數(shù)依舊達(dá)到了0.63。有效波高散點(diǎn)基本均勻分布于擬合曲線兩側(cè)，相關(guān)度較好，相關(guān)系數(shù)約為0.92，總體RMS為0.42 m，與我國(guó)浮標(biāo)波高觀測(cè)允許誤差0.3 m 基本相當(dāng)，但波高≤2.5 m 時(shí)，西海170浮標(biāo)有效波高相對(duì)MF03007浮標(biāo)略小。波周期散點(diǎn)分布較為集中且均勻，散點(diǎn)分布于對(duì)角線上方，西海170浮標(biāo)波周期相對(duì)MF03007浮標(biāo)偏大。最大波高散點(diǎn)集中且均勻地分布于擬合曲線兩側(cè)，相關(guān)系數(shù)約為0.90，RMS 為0.77 m；與有效波高相比，盡管其相關(guān)系數(shù)略小，但當(dāng)最大波高≤6 m 時(shí)，其分布更為集中且均勻。對(duì)于相對(duì)風(fēng)速、氣壓和波高等海洋氣象觀測(cè)要素來(lái)說(shuō)，外海海域水文要素常年變化較小，海域水溫集中在7～11℃，其散點(diǎn)分布較為離散，相關(guān)度較小，相關(guān)系數(shù)約0.56，且集中分布于對(duì)角線下方，西海170 浮標(biāo)相對(duì)MF03007 浮標(biāo)變化偏小，平均偏差為-1.40 ℃，這主要是兩浮標(biāo)布放海域不同造成的?？傮w來(lái)說(shuō)，西海170 浮標(biāo)觀測(cè)結(jié)果與MF03007 浮標(biāo)結(jié)果的相關(guān)性較高，誤差較小，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可有效補(bǔ)充我國(guó)黃海海域的浮標(biāo)觀測(cè)，在該海域海洋觀測(cè)預(yù)警報(bào)和海洋科學(xué)研究等方面具有重要價(jià)值。

表3 MF03007浮標(biāo)與西海170浮標(biāo)主要要素觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果Tab.3 Comparison of the main observed variables between MF03007 and West Sea 170

圖3 MF03007浮標(biāo)與西海170浮標(biāo)主要要素觀測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)散點(diǎn)圖Fig.3 The scatter diagram of main observed variables between MF03007 and West Sea 170

5 結(jié)論與展望

針對(duì)KMA 網(wǎng)站發(fā)布的海洋浮標(biāo)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，采用C++語(yǔ)言和Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)，開(kāi)展了海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)；在此基礎(chǔ)上，利用我國(guó)海洋浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)的黃海海域MF03007 浮標(biāo)和韓國(guó)西海170 浮標(biāo)2021年2月5日—3月8日的觀測(cè)數(shù)據(jù)，開(kāi)展了主要觀測(cè)要素?cái)?shù)據(jù)的對(duì)比工作。結(jié)論如下：

（1）兩個(gè)浮標(biāo)的風(fēng)速、氣壓、有效波高、最大波高和波周期等氣象要素?cái)?shù)據(jù)散點(diǎn)分布相對(duì)集中且均勻，相關(guān)系數(shù)較大，尤其是有效波高和最大波高達(dá)到0.9，說(shuō)明韓國(guó)與我國(guó)的浮標(biāo)觀測(cè)性能相近，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好且準(zhǔn)確性高，可較好地服務(wù)于黃海及韓國(guó)周邊海洋預(yù)警報(bào)業(yè)務(wù)和相關(guān)涉海研究。

（2）韓國(guó)浮標(biāo)數(shù)據(jù)采集與共享程序運(yùn)行穩(wěn)定，建立國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心局域網(wǎng)數(shù)據(jù)共享文件夾，供預(yù)報(bào)員在海洋預(yù)警報(bào)業(yè)務(wù)和海洋科學(xué)研究等工作中調(diào)取和使用，為進(jìn)一步認(rèn)識(shí)研究我國(guó)周邊海域的海洋環(huán)境狀況提供支撐。