寧春林，薛 蕾，姜 龍，李 超，高 峰，于衛(wèi)東

(1.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061； 2.青島海洋科學與技術試點國家實驗室，山東 青島 266237；3.自然資源部海洋環(huán)境科學與數(shù)值模擬重點實驗室，山東 青島 266061； 4.國家氣象信息中心，北京 100081；5.世界氣象組織，瑞士 日內瓦 1202； 6.中山大學大氣科學學院，廣東 珠海 519082)

白龍浮標[1-2]是自然資源部第一海洋研究所自主研發(fā)的國內首個深海氣候觀測浮標[3-4]，是深海氣候觀測支撐平臺[5-9]，能夠搭載多要素傳感器，實現(xiàn)對海表氣象、海洋要素以及海洋內部要素的高頻采樣，同時使用銥星通信，實時將觀測數(shù)據傳輸?shù)轿挥谇鄭u的岸站數(shù)據中心[10-13]。目前，白龍浮標的5個站位分別與印度尼西亞、澳大利亞、馬來西亞、泰國、肯尼亞等合作布放在印度洋，其中布放在非洲-亞洲-澳大利亞季風分析和預測研究錨系浮標陣列(research moored array for African-Asian-Australian monsoon analysis and prediction，RAMA)中的(8°S，100°E)站位被世界氣象組織(World Meteorological Organization，WMO)分配編號5300041。

WMO的全球通信系統(tǒng)(Global Telecommunication System，GTS)是其通信和數(shù)據管理的組成部分，由成員國的國家氣象和水文局以及歐洲中期天氣預報中心(ECMWF)和歐洲氣象衛(wèi)星組織(EUMETSAT)等國際組織實施和運營。GTS是一個由點對點電路和多點電路組成、集地面和衛(wèi)星通信鏈路為一體的綜合網絡，連接各國的氣象通信中心，全天候可靠并近乎實時地收集、分發(fā)所有氣象及相關數(shù)據。目前，WMO正在建立一個更加全面的信息系統(tǒng)(WIS 2.0)，使所有數(shù)據和信息能夠系統(tǒng)地無縫獲取、檢索、傳播和交換，支持減災、氣候服務、可持續(xù)發(fā)展等全球戰(zhàn)略[14]。

GTS包括3個層次結構：①骨干通信網絡(MTN)。MTN連接墨爾本、莫斯科和華盛頓的3個世界氣象中心(WMC)和阿爾及爾、北京、布拉克內爾、巴西利亞、布宜諾斯艾利斯、開羅、達喀爾、吉達、內羅畢、新德里、奧芬巴赫、圖盧茲、布拉格、索非亞、東京的15個區(qū)域通信樞紐(RTH)。這一核心網絡為RTH之間提供了高效、快速和可靠的通信服務。②區(qū)域氣象通信網絡(RMTNs)。RMTNs覆蓋WMO的非洲、亞洲、南美洲、北美洲、中美洲和加勒比、西南太平洋、歐洲、南極8個區(qū)域的綜合通信網絡。該網絡通過連接本區(qū)域內的氣象通信中心，進行觀測數(shù)據的收集，并有選擇地向成員國分發(fā)氣象及其他相關信息。③國家氣象通信網絡(NMTNs)。使各國能夠在國家一級收集觀測數(shù)據，接收和分發(fā)氣象信息[14]。

北京是GTS亞洲區(qū)域通信樞紐，國家氣象信息中心作為該樞紐的業(yè)務運行單位，依托我國自建的國際通信系統(tǒng)承擔了國際氣象數(shù)據交換業(yè)務，具體負責全球資料收集、國內全球交換資料的對外分發(fā)，越南、朝鮮等責任區(qū)國家的氣象數(shù)據傳輸，以及與德國、日本、法國、俄羅斯、韓國、印度、泰國、越南、朝鮮、蒙古及歐洲氣象衛(wèi)星組織等國家和國際組織進行氣象數(shù)據交換。國際通信系統(tǒng)是中國氣象局收集國外氣象資料和產品，以及對外提供國內氣象資料、全球交換資料和雙邊交換資料的核心業(yè)務平臺；同時，通過Internet線路與澳大利亞、巴基斯坦、美國等國家進行資料交換共享，作為GTS系統(tǒng)的補充[14]。

本文針對(8 °S，100 °E)站位的白龍浮標設計了一套解決方案，實現(xiàn)了數(shù)據從浮標端到岸站端進而共享數(shù)據到GTS，從而實現(xiàn)白龍浮標數(shù)據的全球共享，特別是利用拉依達準則，實現(xiàn)了實時數(shù)據質量控制。

1 方 案 概 述

白龍浮標作為深海布放的海氣相互作用錨系平臺，實時采集氣象、海氣界面和剖面水下數(shù)據，并通過通信衛(wèi)星把采集的數(shù)據實時發(fā)送到岸站接收系統(tǒng)，在岸站接收系統(tǒng)對數(shù)據進行質量控制。中國氣象局國際通信系統(tǒng)作為我國唯一的GTS入口，從岸站接收系統(tǒng)接收浮標數(shù)據后，根據WMO規(guī)定的數(shù)據編碼和交換規(guī)則，對原始數(shù)據進行格式轉換、重新編報和封裝后向GTS分發(fā)，實現(xiàn)數(shù)據與國外的交換共享。

2 數(shù)據采集及質量控制

白龍浮標主要由數(shù)據采集、氣象觀測、耦合傳

輸水文觀測、控制、衛(wèi)星通信、錨系、浮標體、能源、獨立定位通信和岸站等分系統(tǒng)組成。

數(shù)據采集分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)每10 min采集氣象觀測分系統(tǒng)的氣溫、氣壓、雨量、相對濕度、風速風向、長波輻射和短波輻射數(shù)據，同時耦合傳輸水文觀測分系統(tǒng)使用感應耦合技術每10 min獲取水下13個溫度、電導率、深度和溶解氧傳感器采集的溫度、電導率、深度和溶解氧數(shù)據，每1 h獲取水下4個海流傳感器采集的海水流速、流向數(shù)據，每8 h獲取GPS的定位數(shù)據。衛(wèi)星通信分系統(tǒng)每3 h把采集的數(shù)據打包發(fā)送到岸站分系統(tǒng)，岸站分系統(tǒng)中的數(shù)據服務程序接收、解析、實時數(shù)據質量控制后自動保存數(shù)據到云服務器的數(shù)據庫中，同時把(8°S,100°E)站位的數(shù)據以文件的形式通過FTP協(xié)議自動發(fā)送到國家氣象信息中心，整個流程如圖1所示。

圖1 白龍浮標數(shù)據上傳中國氣象局流程Fig.1 Flow chart of uploading Bailong buoy data to CMA

圖2 拉依達準則判斷氣溫數(shù)據流程Fig.2 Flow chart of air temperature judgement with Pauta criterion

3 數(shù)據編碼和交換

隨著氣象觀測數(shù)據和產品的種類迅猛增加，時空分辨率、數(shù)據質量和精度越來越高，WMO建議在全球范圍內逐步實現(xiàn)由字符碼向具有自描述、靈活擴展性和壓縮能力的表格驅動碼過渡。

在表格驅動碼格式中，BUFR(binary universal form of the representation of meteorological data)是用連續(xù)的二進制數(shù)據流表示氣象數(shù)據的一種格式，該格式于1988年被WMO基本系統(tǒng)委員會(CBS)批準試驗運行，并于2005年發(fā)布第4版(即現(xiàn)行版本)[15-16]。目前，全球越來越多的氣象、海洋等觀測數(shù)據開始以BUFR格式進行編碼和交換。通過GTS系統(tǒng)，我國每日可接收來自全球約170個不同編報中心的表格驅動碼數(shù)據，其中采用BUFR格式編報的地面觀測、探空觀測、船舶觀測、浮標觀測和飛機觀測的氣象數(shù)據每日已多達幾十萬份，我國的地面觀測、探空觀測、風云衛(wèi)星觀測等資料也均采用了BUFR格式參與國際交換[17-19]。

WMO為常規(guī)資料制定了通用的標準模板，如地面資料標準模板為TM307080，探空資料的標準模板為TM309052，而錨定浮標資料的標準模板為TM315008。鑒于BUFR格式具有自描述性，各個數(shù)據中心也可根據自身的觀測特點，靈活制定編碼模板。白龍浮標氣象和海洋觀測序列可較好適配于標準模板，因此國家氣象信息中心對原始數(shù)據進行解碼后，按照TM315008模板進行BUFR格式轉換，并按照GTS的規(guī)則進行封裝和編發(fā)。

3.1 封裝規(guī)則

參與GTS交換的數(shù)據需要遵循GTS手冊進行封裝，以便WMO成員國在收到數(shù)據后進行初步識別、完整性判定和路由轉發(fā)等操作，封裝過程中需要確定白龍浮標資料的GTS報頭。報頭是一份公報在GTS上傳輸?shù)奈ㄒ粯俗R，用于標識資料類型、所屬地理區(qū)域和編報中心等，白龍浮標的報頭是IOBK01BABJ YYGGgg[BBB]，其中，I為格式標識，表示BUFR數(shù)據；O為資料類型，表示海洋資料；B為資料子類型，表示浮標觀測；K為資料所屬地理區(qū)域，表示南半球180°E～90°E；BABJ表示編報中心為北京；YYGGgg為資料時次，分別表示資料觀測的日期(2位)和時間(小時和分鐘各2位)；BBB為可選項，可用于編發(fā)更正報(CCx)或延遲報(RRx)，x代表A～X，如第一份更正報BBB編報“CCA”，第二份編“CCB”，依次類推，“CCX”之后仍有更正報編發(fā)時，BBB繼續(xù)使用“CCX”。

3.2 編碼構成

編碼數(shù)據由指示段、標識段、選編段、數(shù)據描述段、數(shù)據段和結束段構成[14]，其結構如圖3所示。

圖3 BUFR編碼數(shù)據結構Fig.3 BUFR coded data structure

a.指示段。指示段由8個八比特組組成，包括BUFR數(shù)據的起始標志、BUFR數(shù)據長度和BUFR版本號。

b.標識段。標識段由23個八比特組組成，包括標識段段長、主表號、數(shù)據加工中心、數(shù)據加工子中心、更新序列號、選編段指示、數(shù)據類型、數(shù)據子類型、本地數(shù)據子類型、主表版本號、本地表版本號、數(shù)據編碼時間等信息。

c.選編段。白龍浮標資料未編發(fā)選編段。

d.數(shù)據描述段。數(shù)據描述段由9個八比特組組成，包括數(shù)據描述段段長、保留字段、觀測記錄數(shù)、數(shù)據性質和壓縮方式以及描述符序列。其中，描述符序列采用WMO標準模板TM315008，表示錨定浮標觀測數(shù)據的要素序列。

e.數(shù)據段。包括數(shù)據段段長、保留字段和模板為TM315008的描述符信息。其中，數(shù)據段段長根據編碼時實際包含的要素確定。觀測內容包括標準海面氣象觀測數(shù)據、輻射觀測數(shù)據、溫鹽廓線觀測數(shù)據和洋流觀測數(shù)據。

f.結束段。由4個八比特組組成，分別編碼為“7777”。

4 數(shù) 據 下 載

BUFR格式的白龍浮標數(shù)據與其他數(shù)據共同打包后，通過國際通信系統(tǒng)分發(fā)至GTS，德國、日本、法國等國家通過本國的GTS系統(tǒng)收集數(shù)據并進行分揀后，按照報頭識別出中國發(fā)送的浮標數(shù)據并進行解碼后，得到白龍浮標數(shù)據。

國際浮標組織把全球共享GTS的浮標數(shù)據上傳到www.jcommops.org網站，用戶可以查到白龍浮標站位并下載數(shù)據，同時中國氣象局作為全球信息系統(tǒng)中心之一，制作并發(fā)布了BUFR格式白龍浮標數(shù)據的元數(shù)據，國內外用戶可以通過北京全球信息系統(tǒng)門戶(WIS Portal)檢索并下載白龍浮標元數(shù)據，檢索報頭IOBK01BABJ，如圖4所示。

圖4 北京全球信息系統(tǒng)門戶白龍浮標元數(shù)據下載Fig.4 Bailong buoy data downloading from Beijing WIS Portal

5 結 語

白龍浮標是在印度洋投放的、國內目前唯一業(yè)務化運行在RAMA的深海錨系浮標，也是國內目前唯一與美國TAO浮標開展比對的深海錨系浮標。白龍浮標數(shù)據按照標準格式全要素參與國際交換是國內外氣象和海洋部門的迫切需求，通過將白龍浮標數(shù)據共享到GTS，貫通我國錨系浮標數(shù)據從浮標端到GTS的整個數(shù)據鏈路，表明我國深海氣候浮標數(shù)據提供能力達到世界先進水平，將極大提高白龍浮標在全球深海海洋氣候觀測領域的國際影響力，有助于我國全球深海海洋氣候觀測系統(tǒng)的國際化進程。期待越來越多的中國浮標，結合自身能力和需要，參考本文的解決方案，將數(shù)據共享到GTS，為全球海洋、氣象、水文、氣候等公共服務貢獻力量，推動減災和氣候服務目標的實現(xiàn)。