盧勇奪，陳劍橋，周東旭，劉喜惠，高志一

（1.國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心，北京 100081；2.福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)，福建 福州 350003；3.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266001；4.中國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，北京 100012）

1 引言

開源海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)是指涉海單位或個(gè)人將擁有的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)或公共平臺(tái)發(fā)布，供他人或機(jī)構(gòu)免費(fèi)共享的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)源。目前我國(guó)的開源海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)以科學(xué)數(shù)據(jù)為主，其獲取和積累主要靠政府資助和推動(dòng)，如國(guó)家各類科技計(jì)劃或?qū)ｍ?xiàng)計(jì)劃涉海項(xiàng)目產(chǎn)生的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)，涉海高校和科研院所等機(jī)構(gòu)的海洋觀測(cè)科學(xué)數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)以互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站或公共服務(wù)平臺(tái)等方式共享，例如我國(guó)國(guó)家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心為國(guó)內(nèi)外社會(huì)公眾、科研人員和部門等提供的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、方便快捷的海洋科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)[1-5]。

美國(guó)、日本、韓國(guó)及我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)等早在20 世紀(jì)80年代起就逐步開展了海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)共享，如美國(guó)國(guó)家浮標(biāo)數(shù)據(jù)中心（National Data Buoy Center，NDBC），除危害國(guó)家安全和影響政務(wù)等數(shù)據(jù)外，公益性海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)都可公開或共享。對(duì)我國(guó)而言，開源海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)是對(duì)我國(guó)政府實(shí)施的全球海洋立體觀測(cè)網(wǎng)工程的有益補(bǔ)充，提升海洋觀測(cè)覆蓋海域的范圍、密度和頻次等對(duì)提高我國(guó)海洋災(zāi)害應(yīng)急能力、促進(jìn)我國(guó)海洋科學(xué)和氣候變化研究等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義[6-8]。開源海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)中的實(shí)時(shí)或近實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)我國(guó)海洋環(huán)境預(yù)報(bào)和預(yù)警能力的提升也有非常重要的意義，例如為海洋實(shí)況分析、災(zāi)害預(yù)警、數(shù)據(jù)同化、預(yù)報(bào)檢驗(yàn)和數(shù)據(jù)校準(zhǔn)等提供更豐富的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

臺(tái)灣是我國(guó)最大的島嶼，位于中國(guó)東南沿海的大陸架上，東臨太平洋，西隔臺(tái)灣海峽與福建省相望，北瀕東海，南界巴士海峽與菲律賓群島相對(duì)。臺(tái)灣海上運(yùn)輸、涉海旅游和科技等比較發(fā)達(dá)，但也是我國(guó)遭受海洋災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一。臺(tái)灣氣象局負(fù)責(zé)臺(tái)灣及周邊海域的臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)和海洋觀測(cè)等業(yè)務(wù)，并通過(guò)網(wǎng)站對(duì)公眾發(fā)布臺(tái)風(fēng)預(yù)警、海洋預(yù)警報(bào)和近實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)信息等。

近年來(lái)，我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，但沿海地區(qū)海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)也日益突出，海洋防災(zāi)減災(zāi)形勢(shì)十分嚴(yán)峻[9]。據(jù)《中國(guó)海洋災(zāi)害公報(bào)》數(shù)據(jù)，2019 年各類海洋災(zāi)害給我國(guó)沿海地區(qū)造成直接經(jīng)濟(jì)損失約117億元，死亡（含失蹤）22 人；風(fēng)暴潮是造成直接經(jīng)濟(jì)損失最嚴(yán)重的海洋災(zāi)害，占總直接經(jīng)濟(jì)損失的99%，而人員死亡（含失蹤）全部是由海浪災(zāi)害造成的。福建—臺(tái)灣海域是我國(guó)受海洋災(zāi)害最嚴(yán)重的地區(qū)之一，據(jù)《福建海洋災(zāi)害公報(bào)》（2019）[10]，近五年海洋災(zāi)害造成直接經(jīng)濟(jì)損失約65 億元，死亡（含失蹤）合計(jì)65人。據(jù)《2018年福建省海洋災(zāi)害公報(bào)》數(shù)據(jù)[11]，2018 年08 號(hào)臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”和22 號(hào)臺(tái)風(fēng)“山竹”引發(fā)的風(fēng)暴潮災(zāi)害損失達(dá)11.4 億元，占當(dāng)年海洋災(zāi)害直接經(jīng)濟(jì)損失的98.83%，而冷空氣或強(qiáng)對(duì)流天氣引發(fā)的海浪則是造成人員傷亡或失蹤的重要原因，受冷空氣影響，10 月11 日漁船“閩東漁61648”遭遇大風(fēng)浪傾覆后沉沒(méi)，造成11 人失蹤。因此，增強(qiáng)海洋觀測(cè)能力，進(jìn)一步補(bǔ)充福建—臺(tái)灣海域的海洋立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)提升該海域的海洋災(zāi)害應(yīng)對(duì)能力具有非常重要的意義。

本文通過(guò)分析臺(tái)灣氣象局網(wǎng)站發(fā)布的近實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源和提供方式，采用Web service 方式獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后將站點(diǎn)信息、觀測(cè)時(shí)間和要素觀測(cè)值等信息存入數(shù)據(jù)中，為海洋預(yù)警報(bào)產(chǎn)品制作和評(píng)估提供數(shù)據(jù)支撐；以臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)數(shù)據(jù)為例，利用海洋觀測(cè)網(wǎng)的福建NO4 浮標(biāo)開展數(shù)據(jù)比對(duì)工作，評(píng)估所獲取數(shù)據(jù)的可用性，為浮標(biāo)數(shù)據(jù)在海洋環(huán)境預(yù)報(bào)和涉?？茖W(xué)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

2 數(shù)據(jù)采集對(duì)象概況

獲取臺(tái)灣氣象局發(fā)布的海洋浮標(biāo)實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)需進(jìn)入三級(jí)專題網(wǎng)頁(yè)——即時(shí)海況。臺(tái)灣海洋浮標(biāo)站位共26 個(gè)，公開信息包括浮標(biāo)位置、所屬機(jī)構(gòu)、觀測(cè)時(shí)間、觀測(cè)要素和位置描述等，其中位置描述包括離岸距離和所處水深等，觀測(cè)要素包括有效波高、波周期、波向、風(fēng)速風(fēng)向、最大風(fēng)速、水溫、氣溫以及表層流速、流向等，以1 h為時(shí)間間隔。

3 數(shù)據(jù)采集策略

根據(jù)網(wǎng)站發(fā)布的實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的來(lái)源和提供方式，我們需要采取相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集和處理方法。

臺(tái)灣氣象局即時(shí)海況專題網(wǎng)頁(yè)提供Web service 接口，我們采用此接口采集所需的海洋數(shù)據(jù)，并對(duì)其進(jìn)行抽取、清理和轉(zhuǎn)換后寫入本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)包含基礎(chǔ)信息表和觀測(cè)數(shù)據(jù)表。基礎(chǔ)信息表用于存儲(chǔ)相關(guān)機(jī)構(gòu)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的基本信息，關(guān)鍵字段包括站點(diǎn)類型、所屬機(jī)構(gòu)、經(jīng)緯度位置、觀測(cè)要素和觀測(cè)時(shí)間等；觀測(cè)數(shù)據(jù)表用于存儲(chǔ)采集到的相關(guān)海洋數(shù)據(jù)，關(guān)鍵字段包括站位編號(hào)、觀測(cè)時(shí)間、有效波高、波周期、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫和水溫等。

4 浮標(biāo)數(shù)據(jù)處理與分析

我們以采集到的臺(tái)灣氣象局馬祖浮標(biāo)數(shù)據(jù)為對(duì)象，利用相近海域的福建NO4 浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析研究。兩浮標(biāo)都位于臺(tái)灣北部海域，相距僅約40 km，可視為同一海域，以觀測(cè)時(shí)間相同為條件進(jìn)行匹配，對(duì)2021年5月1日—7月31日（共計(jì)2208個(gè)時(shí)次）期間的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，探討臺(tái)灣海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和在我國(guó)海浪預(yù)警報(bào)和科學(xué)研究中的可用性。

為檢驗(yàn)分析結(jié)果，本文選取臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)與福建NO4 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）作為評(píng)價(jià)因子[12]。各因子具體計(jì)算如下：

式中，xi表示臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)要素觀測(cè)值；yi表示與之對(duì)應(yīng)的福建NO4浮標(biāo)要素觀測(cè)值；n表示數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)。

以福建NO4 浮標(biāo)與臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)同步的相同觀測(cè)要素為研究對(duì)象，利用浮標(biāo)監(jiān)測(cè)行業(yè)規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量判別[13]，剔除兩浮標(biāo)缺測(cè)的時(shí)次數(shù)據(jù)，包括兩者都缺測(cè)和單個(gè)浮標(biāo)缺測(cè)的情況，得到風(fēng)速、最大風(fēng)速、氣溫、氣壓、氣溫、水溫、有效波高和波周期的匹配數(shù)據(jù)。

以福建NO4 浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)為橫坐標(biāo)，以臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，做出兩浮標(biāo)匹配數(shù)據(jù)的散點(diǎn)圖，具體結(jié)果見圖1。為了定量分析臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)數(shù)據(jù)質(zhì)量，我們計(jì)算了兩個(gè)浮標(biāo)數(shù)據(jù)的平均偏差、均方根和相關(guān)系數(shù)，結(jié)果見表1。

從圖1 和表1 可以看出，2021 年5 月1 日—7 月31 日福建NO4 浮標(biāo)與臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)主要要素的散點(diǎn)分布。風(fēng)速散點(diǎn)分布相對(duì)集中而均勻，主要集中于對(duì)角線上側(cè)，離散點(diǎn)較為零星，相關(guān)系數(shù)約為0.89，臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)風(fēng)速觀測(cè)相對(duì)福建NO4偏小，偏差為1.23 m/s；最大風(fēng)速散點(diǎn)則集中分布在對(duì)角線兩側(cè)，平均偏差僅為0.14，相關(guān)系數(shù)與風(fēng)速相當(dāng)，說(shuō)明兩浮標(biāo)最大風(fēng)速觀測(cè)比風(fēng)速更為一致。氣壓要素散點(diǎn)分布非常集中而均勻，相關(guān)性非常好，相關(guān)系數(shù)接近1，從其一次擬合函數(shù)來(lái)看，系數(shù)為1，常數(shù)僅為0.072 6，擬合曲線基本與對(duì)角線重合，可有效說(shuō)明兩者氣壓觀測(cè)一致。氣溫散點(diǎn)分布集中，基本位于擬合曲線兩側(cè)，其中在小于25 ℃時(shí)，臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)偏小，大于25 ℃時(shí)，觀測(cè)較為一致，相關(guān)系數(shù)約為0.97。海表水溫與氣溫散點(diǎn)分布特點(diǎn)大體相同，但分布點(diǎn)更為集中，這是由于水溫比氣溫變化更小。有效波高散點(diǎn)基本均勻分布于對(duì)角線兩側(cè)，尤其是小于3 m時(shí)分布更為集中，相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)約為0.97，均方根為0.21，在我國(guó)浮標(biāo)波高觀測(cè)允許誤差0.3 m范圍以內(nèi)；有效波周期散點(diǎn)分布較為集中而均勻，散點(diǎn)分布于對(duì)角線上方，福建NO4浮標(biāo)相對(duì)偏大。

圖1 福建NO4浮標(biāo)與臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)比對(duì)散點(diǎn)圖Fig.1 The scatter diagram of observation data between the NO4 buoy in Fujian Province and the buoy in Mazu of Taiwan Province

表1 福建NO4浮標(biāo)與臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)果Tab.1 Comparison results of observation data between the NO4 buoy in Fujian Province and the buoy in Mazu of Taiwan Province

圖2 是福建NO4 浮標(biāo)與臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)在202106 號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”過(guò)境此海域的同步觀測(cè)結(jié)果，可以較好地展示兩浮標(biāo)在臺(tái)風(fēng)期間的觀測(cè)性能。臺(tái)風(fēng)“煙花”過(guò)境期間，馬祖浮標(biāo)觀測(cè)的海表風(fēng)速總體小于福建NO4 浮標(biāo)，這與圖1a 和表1 的結(jié)果基本一致，但兩者曲線走向較為一致。海表最大風(fēng)速的同步觀測(cè)結(jié)果一致。曲線走向也較為一致，這說(shuō)明在臺(tái)風(fēng)“煙花”期間兩浮標(biāo)對(duì)海表最大風(fēng)速的監(jiān)測(cè)更為有效。海表氣壓同步觀測(cè)曲線近乎重合，說(shuō)明兩浮標(biāo)在此海域可相互替代或備份。臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)的海表氣溫和海表水溫比福建NO4 浮標(biāo)變化起伏更大，甚至存在部分奇異值，而福建NO4 浮標(biāo)曲線平滑而無(wú)奇異值，從物理意義上，我們認(rèn)為福建NO4 浮標(biāo)的海表氣溫和海表水溫監(jiān)測(cè)更為可信。圖2f 很好揭示了臺(tái)風(fēng)“煙花”過(guò)境此海域時(shí)有效波高的變化過(guò)程，兩浮標(biāo)曲線走向一致且結(jié)果相近，其中臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)在有效波高較大時(shí)震蕩更大。兩浮標(biāo)有效波周期曲線走向一致但相互分離無(wú)交叉，臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)觀測(cè)結(jié)果更小。這是由于臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)呈圓形，直徑約3.7 m，福建NO4 浮標(biāo)呈圓形，直徑約10 m，浮標(biāo)直徑的不同使得其隨海面起伏不同，這種情況在高海況時(shí)更為明顯，臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)波高觀測(cè)由于臺(tái)風(fēng)過(guò)境而震蕩更大。

圖2 （續(xù)）Fig.2 （Continued）

圖2 福建NO4浮標(biāo)（）與臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)（）對(duì)臺(tái)風(fēng)“煙花”（202106）的同步觀測(cè)曲線圖Fig.2 The simultaneous observation curve of the NO4 buoy（）in Fujian Province and the buoy in Mazu（）of Taiwan Province during the typhoon"Fireworks"（202106）

總體來(lái)說(shuō)，臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)的觀測(cè)結(jié)果與福建NO4浮標(biāo)的觀測(cè)結(jié)果相關(guān)性高，相關(guān)系數(shù)基本在0.9以上，誤差較小，同時(shí)，202106 號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”過(guò)境期間兩浮標(biāo)同步觀測(cè)結(jié)果也較為一致，說(shuō)明臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可以有效補(bǔ)充我國(guó)福建—臺(tái)灣海域的浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步提升此海域的海洋觀測(cè)預(yù)警報(bào)和海洋科學(xué)研究能力。

5 結(jié)論與展望

本文針對(duì)臺(tái)灣氣象局網(wǎng)站發(fā)布的海洋實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過(guò)Web service 方式開展數(shù)據(jù)采集與存儲(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，利用2021 年5 月1 日—7 月31 日海洋浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)的福建NO4 浮標(biāo)和臺(tái)灣氣象局的臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，開展了主要觀測(cè)要素的對(duì)比工作。結(jié)論如下：福建NO4 浮標(biāo)和臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)的風(fēng)速、最大風(fēng)速、氣壓、氣溫、水溫、有效波高和波周期的氣象要素?cái)?shù)據(jù)散點(diǎn)分布相對(duì)集中而均勻，相關(guān)系數(shù)較高，大都在0.9 以上。202106 號(hào)臺(tái)風(fēng)“煙花”期間，兩浮標(biāo)同步觀測(cè)曲線走向較為一致，說(shuō)明臺(tái)灣馬祖浮標(biāo)與福建NO4 浮標(biāo)觀測(cè)性能相近，其數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，準(zhǔn)確性高，具有較好的可用性，可服務(wù)于東海海域尤其是福建—臺(tái)灣海域的海洋預(yù)警報(bào)業(yè)務(wù)及相關(guān)涉海研究。

在下一步研究中，我們將針對(duì)更長(zhǎng)時(shí)間序列，尤其是臺(tái)風(fēng)過(guò)程的臺(tái)灣海洋浮標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效對(duì)比研究，分析探討其數(shù)據(jù)在我國(guó)海浪預(yù)警報(bào)業(yè)務(wù)中的適用性，為提升我國(guó)及周邊海域的海洋數(shù)據(jù)應(yīng)用處理能力、積極推動(dòng)海洋數(shù)據(jù)融合研究、加強(qiáng)我國(guó)海洋防災(zāi)減災(zāi)能力和海洋科學(xué)研究水平等提供參考。