駱敬新，劉克修，范文靜，祁冬梅，劉振民

(國家海洋信息中心 天津 300171)

1 前言

全球海平面觀測系統(tǒng) (GLOSS)，是由政府間海洋學委員會 (IOC)在1985年成立的一項國際間的合作計劃，由世界氣象組織 (WMO)和政府間海洋學委員會 (IOC)聯合成立的海洋學和海洋氣象學技術聯合委員會 (JCOMM)為其提供技術支持，代表了世界水位觀測技術的前沿。我國水位觀測以海洋站觀測為主，通過對沿岸水位的觀測，獲取觀測數據，開展潮汐潮流預報，風暴潮等海洋災害預警報，海平面與氣候變化研究等一系列的研究和實際應用，在海洋領域發(fā)揮了重要的作用。通過對GLOSS現狀的研究，了解其目前工作的重點、技術現狀、工作中的注意事項和要求，為我國的海洋站觀測提供一些引導性建議，使我國海洋站觀測的資料和成果更加完善，應用領域更加廣闊，應用價值得到更大效能的發(fā)揮。

2 全球海平面觀測系統(tǒng)發(fā)展現狀

2.1 全球海平面觀測系統(tǒng)的發(fā)展階段和目標

全球海平面觀測系統(tǒng)從1985年成立，發(fā)展到今天經歷了幾個主要的發(fā)展階段。GLOSS建立之初，其主要目的是配合科學研究的需要，對全球及區(qū)域的水位觀測進行協(xié)調和管理。1990年，形成了由全球約300個觀測站組成的核心網絡。到1997年，根據科學研究和應用的需要，以及在數據使用中暴露出來的一些問題，確立了下一步的4個工作重點:① 水位觀測要滿足海平面變化的長期趨勢和加速度的研究;②利用水位觀測網數據對衛(wèi)星高度計數據進行校準;③水位觀測盡量滿足大洋環(huán)流研究的需要;④將全球定位系統(tǒng)GPS對陸地高程變化的監(jiān)測納入到計劃中來。

1997年以后網絡和通訊技術快速發(fā)展，并且在此過程中經歷了印度洋海嘯 (2004年)和日本的海嘯 (2011年)全球矚目的災害性事件，GLOSS也不斷地升級和調整，到 2012年，GLOSS強調加強2個方面的工作:① 核心網絡中的各站的水位觀測數據要完成實時/準實時的上報，為滿足這一需要針對驗潮站的供電系統(tǒng)、數據采集平臺和通訊程序包進行升級。GLOSS強調，這樣做最大的好處能夠及時地發(fā)現觀測站點的故障，提高站點運行性能，保障業(yè)務化海洋學的順利運行。②核心網絡的所有驗潮站配備全球導航衛(wèi)星系統(tǒng) (GNSS)，這一升級主要用于配合衛(wèi)星測高數據的校準，更好地確定相對于地心的海平面上升速度以及局地海平面變化［1］。

2.2 GLOSS的資料中心

GLOSS目前主要包含6個全球的資料中心，其中5個，包括持久海平面中心 (Permanent Service For Mean Sea Level)、延時資料中心(Delayed Mode Data Centre)、快速資料中心(Fast Delivery Center)、水位聯合檔案中心(Joint Archive for Sea Level)、水位實時資料監(jiān)控中心 (Sea Level Station Monitoring Facility)已經運行多年，另外一個驗潮站的全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)資料中心 (TIGA)正在建設之中。

2.3 GLOSS水位觀測數據在科學和實際中的應用

水位觀測數據是最有用的海洋學要素之一，傳統(tǒng)的應用是用于潮汐表編制和港口運行，除此，對于科學家開展海洋環(huán)流和全球氣候變化研究、對于沿岸工程和基礎設施的建設設計、業(yè)務化海洋學的運行 (例如風暴潮或海嘯產生的洪澇預、警報)都有重要的作用。

2.3.1 海平面的長期變化研究，大洋環(huán)流研

究，特別是衛(wèi)星高度計數據校正

進行海平面變化趨勢及加速度的研究。此應用尤其注重數據的準確性。水位觀測資料必須被認真地校準、檢查和評價，觀測數據也必須連測到基本水準點，進一步校準到國家高程基準網，甚至校準到全球高程基準網，而且所有的這些過程都應該被記錄下來，很好地保存，以提高水位觀測數據的準確性，為觀測數據的高效應用提供保障［2］。

水位觀測資料還可用于幫助海洋環(huán)流振蕩的監(jiān)測，幫助開展沿岸上升流的監(jiān)測和研究，在海峽兩岸的水位觀測可以監(jiān)測狹窄通道海流的變化，位于深海海島站的水位觀測數據還用于對渦旋的辨別和研究，特別是對于用于大洋環(huán)流研究的衛(wèi)星高度計資料，通常需要利用準確的水位觀測資料進行數據訂正和對比驗證。

2.3.2 沿岸工程和基礎設施的建設設計

眾所周知，在沿岸防御設施和其他基礎設施設計時，通常需要沿岸水位極值的概率估計，確保能夠抵御可能出現的洪澇風險。這當然也需要連續(xù)多年的水位觀測資料，而且準確度越高越好。

2.3.3 確定高程基準

許多國家陸地高程測量的基準都是以一段時間的某地的平均海平面為基礎的，這個高程基準用途廣泛，作用巨大，在聯合國海洋法公約上經常引用此類基準，政府間的劃界也常常以此為依據。例如我國的黃海高程基準、吳淞高程基準等等基準均屬于這種情況。理論最低潮位通常被用于設定潮汐預報或海圖的基準，理論最低潮位的推算，也需要以持續(xù)一段時間的觀測數據為基礎。

2.3.4 業(yè)務化海洋學的應用

水位觀測數據應用于風暴潮的預報模型中已有多年的歷史，它為預報模型的業(yè)務化運行提供基礎數據信息，除此還應用于生態(tài)和水質模型預報之中。

自從2004年印度洋海嘯后，為滿足海嘯監(jiān)測和預警需要，提高了對水位數據高頻觀測和數據傳輸的要求，2005年，印度洋海嘯預警系統(tǒng) (IOTWS)建立并開始業(yè)務化運行。太平洋海嘯預警系統(tǒng) (PTWS)以及其他區(qū)域性的業(yè)務化運行系統(tǒng)，如:加勒比地區(qū)、東北大西洋、地中海等地的海嘯預警系統(tǒng)也基于高頻觀測和傳輸的水位數據建立起來。

2.3.5 潮汐表編制和港口運行

自從18世紀以來潮汐表就是水位觀測資料最主要的產品之一。雖然潮汐表的制作不需要長期的數據支持也可以完成，但是由于自然或人為的原因常常會引起當地潮汐特征的變化，因此長期進行水位監(jiān)測及時掌握當地潮汐特征的變化，對于潮汐表的更新是非常必要的。港口運行更是依賴于實時監(jiān)測的水位資料，其實也可以算作業(yè)務化海洋學的一部分。

各種應用之間可以相互依賴相互促進，例如:在工程設計時，由于沿岸的工程和基礎設施的設計壽命通常幾十年甚至超過1個世紀，因此在工程設計，進行極值估計時要考慮海平面上升的長期變化趨勢;另外一個例子就是在業(yè)務化海洋學應用之前先開展質量的監(jiān)控，很快地發(fā)現數據的異常和錯誤，并及時糾正錯誤，對形成高質量的延時數據有很大的促進作用，從而有利于延時資料的應用。

3 全球海平面觀測技術現狀及要求

GLOSS有專門的協(xié)調組和專家組，編制相應的技術手冊，為各成員國提供技術的支持和幫助。截至目前已經完成了Ⅰ～Ⅳ版的《水位觀測技術手冊》 (Manual on Sea Level Measurement and Interpretation)的發(fā)布，分別發(fā)布于1985年、1994年、2000年和2006年。每個版本都是根據當時的形勢需要，介紹最適用的和最前沿的技術和要求，舊的版本仍然會包含部分有意義的內容，因為不需要再進一步強調，所以在新的版本中沒有提及，如果想對水位觀測技術有更深入的了解，需要對4本手冊都進行詳細的閱讀 (www.pol.ac.uk/psmsl/manuals)。

3.1 驗潮站和觀測儀器

《水位觀測技術手冊》對驗潮站站址選擇和驗潮井設置的條件和要求、水位觀測儀器進行了詳細地介紹，按照儀器的不同類型，分別介紹了其結構、原理、性能、優(yōu)缺點，甚至價格區(qū)間。

水位觀測儀器的主要類型有:標桿或水尺;浮力式水位計;以上在前3版介紹。第4版主要介紹了以下儀器:壓力水位計;聲學水位計;激光驗潮儀。

3.2 基準控制和連測

在《水位觀測技術手冊》的4個版本中對潮高基準控制和連測都有介紹，且越新的版本越強調了其重要的作用。

(1)介紹基準和連測的一些概念和測量要求，包括基本水準點 (TGBM)、GPS水準點(GPSBM)、連測點 (CP)、驗潮水尺零點、國家連測網、海圖基準等。

(2)局地水準點之間連測，要求要定期對局地水準點網進行高精度的連測，至少每年重復一次，并由負責機構對測量結果充分地做好記錄，連測頻率的確定取決于該地區(qū)的地質條件，在不穩(wěn)定的地面，需要進行更頻繁的水準連測。

(3)廣域的水準連測通常延伸到10 km或更遠的距離，可以監(jiān)測局地基本水準點的變化情況，能夠判斷局地相對海平面的變化是否適用于周邊更廣闊的區(qū)域。但是由于連測距離遠所以誤差會比較大，使用時應該注意。

(4)潮位基準的大地測量技術和方法，包括:GPS測量技術、DORIS測量技術、絕對重力測量。

3.3 數據傳輸技術

數據傳輸的技術主要包括以下幾種類型:無線電廣播，適于較近距離;公共電話交換網用戶中繼線撥號或專用電話線;在固定線路不可行的地方，利用手機通訊;互聯網技術;更偏遠的地區(qū)，可以使用移動衛(wèi)星通訊;全球電信系統(tǒng)(GTS)是被廣泛應用于氣象組織進行環(huán)境數據實時傳輸和交換的系統(tǒng)，建議推廣應用于水位數據傳輸中。

3.4 資料處理技術和數據質量控制

《水位觀測技術手冊》的幾個版本對資料處理的技術陸續(xù)進行了簡單介紹，例如:傳統(tǒng)的資料提取方法、質量控制方法、極值估計法等。

GLOSS中由延時數據中心和水位聯合檔案中心開展延時資料的質量控制。目前隨著實時和準實時資料量的增大和需求的增加，對實時的資料質量控制功能更加關注。實時資料質量控制的目的是檢出尖峰和缺測等異常情況，在數據顯示在公共Web頁面和風暴潮預報同化系統(tǒng)之前完成自動檢測。“快速和高效”要求必須利用數據質量控制軟件完成這項工作。目前，比利時佛蘭德斯海洋研究所開發(fā)了GLOSS實時資料監(jiān)控系統(tǒng)。手冊還專門強調了防止數據錯誤的方法之一是連續(xù)數據流的人工監(jiān)視，例如，英國的風暴潮預報服務系統(tǒng)，西班牙港務局開發(fā)的水位數據質量控制系統(tǒng)。質控軟件和人工監(jiān)視相結合應該是相對完美的質量控制手段。

3.5 水位測量新技術

對浮標載GPS和全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)進行了簡單的介紹。

3.6 GLOSS對水位觀測的要求

《水位觀測技術手冊》中指出:水位觀測的目標是在任何時候，在任何潮汐、海浪、海流、天氣等條件下水位記錄準確度都應該優(yōu)于1 cm。GLOSS對水位觀測的具體要求如下:

3.6.1 水位數據觀測頻率要求

如果用于海嘯預警則需要有1分鐘或甚至更短時間間隔 (15秒)，驗潮站應該盡量配備海嘯信號記錄設備;有可能的情況下最好也記錄下波浪信號，這要求水位觀測的采樣頻率為1秒。如果要避免波浪的影響則要經過足夠長一段時間的平均，一般持續(xù)時間為6分鐘或15分鐘。各種應用對驗潮站的觀測頻率要求見表1。

表1 各種應用對驗潮站的觀測頻率要求［1］

3.6.2 驗潮儀計時要準確

驗潮儀的計時同樣影響水位精度，驗潮儀的計時精度要優(yōu)于1分鐘，一般電子驗潮儀都具有秒或更好的精度，但為保證其準確性，防止時間的漂移，觀測設備的時鐘校準功能仍非常必要。

3.6.3 基本水準點的設置和連測

水位觀測必須相對于一個固定、永久的當地基本水準點，并與幾個輔助的標志物進行連測，以防止其移動或破壞。另外應定期 (至少每年)進行基本水準點和驗潮零點之間的連測，準確度要求達到毫米量級，如果驗潮儀處于不穩(wěn)定的地面，必須開展更頻繁的水準連測。

3.6.4 配備GPS/GNSS大地監(jiān)測設備

用于研究長期趨勢、海洋環(huán)流和高度計訂正的水位觀測需要配備GPS接收機 (或其他大地測量設備)，其位置要與驗潮儀盡可能的接近，并定期 (至少每年)進行GPS水準點和驗潮零點、基本水準點之間的連測。

3.6.5 數據的記錄與傳輸

水位觀測站要求在觀測站當地記錄存儲數據的同時還要配備自動數據傳輸設備，通過衛(wèi)星、互聯網等將數據傳輸到GLOSS的相應數據中心。

3.6.6 開展其他要素的輔助觀測

水位觀測應該進行大氣壓力的輔助觀測，如果有可能的話也要開展風和其他環(huán)境參數的觀測，這些要素與水位數據分析直接相關。

3.6.7 觀測儀器和方法改變時的要求

當水位觀測在由一個“更好的”方式取代時，水位數據的時間序列記錄可能會出現系統(tǒng)性跳躍。不同的儀器均存在系統(tǒng)誤差，新技術與舊的技術相比在概念理解上必然有一些差別，在獲得足夠的經驗之前，必須始終沿用舊的方式。

3.6.8 開展實時/準實時數據傳輸和質量監(jiān)控

實時數據質量監(jiān)控中心要定期 (每天)進行數據的檢查，將儀器故障告知操作者，保證數據形成長期穩(wěn)定的時間序列。在進行系統(tǒng)升級時優(yōu)先考慮那些不能進行實時或準實時傳輸資料的站，也就是不能進行實時質量監(jiān)控的那些站。

4 對我國海洋觀測站工作的啟示

通過對全球水位觀測系統(tǒng)發(fā)展現狀的研究，得到對我國海洋站觀測的一些啟示:

4.1 加強水位觀測基準的核定和連測，監(jiān)測觀測站附近地面的升降運動

局地的相對海平面變化的原因重要的組成可能是陸地的縱向升降運動，為了確定相對于地心的全球海平面升降和局地海平面的變化，驗潮站附近縱向陸地球垂直運動的監(jiān)測和準確的大地連測是非常必要的。

從水位數據應用的角度，統(tǒng)一的水位觀測基準對于海平面長期變化趨勢研究、衛(wèi)星高度計的校準、海洋環(huán)流研究、業(yè)務化海洋學運行等都是非常重要的。GLOSS《水位觀測技術手冊》中每一個版本都拿出一個重要的章節(jié)對驗潮基準控制和連測的概念、技術方法、管理要求進行詳細的介紹，對于驗潮站附近大地高程變化的監(jiān)測更是反復強調。

從1997年GLOSS將GPS監(jiān)測地面沉降納入到計劃之中，到現在正在建設的GNSS資料中心，充分體現了GNSS對地面高程連續(xù)監(jiān)測的重要性。GLOSS技術材料中指出GPS接收器要盡量安裝在離驗潮站接近的地方，距離大約幾百米以內，要定期 (至少每年)進行GPS水準點與基本水準點的連測［2］。

最近幾年我們國家對基準核定工作給予了高度的重視，技術得到了很大的提高，管理也越來越完善，取得了不少的成果，但是如果要想使基準核定工作更加完善，仍需要大家繼續(xù)努力。例如:我們國家海洋站從2008年開始開展GPS觀測，到目前為止由于時間序列短、穩(wěn)定性差等問題，目前還沒有充分發(fā)揮其應有的作用。提高GNSS觀測技術和管理水平、資料處理能力、加強GNSS資料的應用以及建立GNSS資料管理和監(jiān)控中心，對于提高驗潮站基準核定的能力有很大的幫助。

4.2 以提高數據的可用性為目的來開展海洋站觀測工作

數據的不同應用對于觀測的準確性、觀測頻率和傳輸時效提出了不同的要求。最早的水位觀測數據主要用于潮汐表的制作、港口運行、高程基準的制定等方面，對水位觀測準確度或觀測頻率要求不是特別高。目前為了滿足氣候變化研究預測、大洋環(huán)流研究、風暴潮、海嘯預警等需要，對觀測數據的準確度、觀測頻率和數據傳輸頻率有了更高的要求。以目前的觀測儀器和設備的能力以及數據傳輸的能力，在技術上滿足上述要求已經不存在困難，但是往往由于局限于傳統(tǒng)的觀測思路和方法，造成獲取的觀測數據不完整、準確率低，不能滿足部分應用需要。如果所有的應用都被重視，在有限的人力投入、適度經濟支持的基礎上，為驗潮站觀測確定更加科學合理的工作內容和流程，完善的管理制度，那么獲取的數據將會更加準確、完整，取得的結果才能滿足上述各種應用的需要，數據的可用性得到最大效能的發(fā)揮。

4.3 各觀測要素之間有著重要的相關，會對水位觀測的準確性產生影響，應該重視和加強各他要素的同步觀測

氣象學要素對水位觀測數據影響比較大，典型事例就是風暴潮增減水，其中有2個關鍵的氣象因素:氣壓和風。1 hPa的氣壓增加會導致海平面降低1 cm，風對海面的拖曳力和風速的平方成正比［2］;水位如何進行時空變化與風驅動海洋環(huán)流和海洋上層熱容量相關［1］;氣溫、氣壓、水溫等可能會影響部分水位觀測儀器的準確性。

因此，開展氣壓、風、降水、水溫、鹽度、海流、海浪、地面沉降、能見度和相對濕度等要素的觀測，對于保障水位觀測數據的準確性，充分發(fā)揮水位觀測數據的可用性有很大的作用。

4.4 盡量維護數據的均一、穩(wěn)定并正確填報

當水位觀測在由一個“更好的”方式取代時，水位時間序列記錄可能會出現系統(tǒng)性跳躍。不同的儀器均可能存在系統(tǒng)誤差，新技術與舊的技術相比在概念理解上必然有一些差別，在獲得足夠的經驗之前，必須始終沿用舊的方式。儀器的更換造成的數據差異比實際測量誤差要大得多［2］。

驗潮零點的變動、環(huán)境的變化、儀器的變更、站址的變遷等會直接造成數據的不均一、不穩(wěn)定，影響氣候變化研究和結論，對水位資料的使用效果也會產生大大的影響。除此以外，其他各觀測要素的均一性、穩(wěn)定性同樣也需要保證。例如:溫鹽傳感器因為生物體滋生，導致觀測結果產生漂移;降水觀測儀器在維護時因為清洗，造成觀測數據結果有降水記錄;氣壓、氣溫、風等要素的觀測也要注意其觀測儀器高度的變化會對數據不均一造成嚴重的影響［3－4］，因此一定要注意儀器高程的變化，正確的填寫數據報表文件，尤其文件表頭中的高程信息。

4.5 加強元數據信息的記錄和收集

水位的研究內容廣泛，簡單的水位高低的測量不能滿足實際應用的需要，數據必須被認真地校準、檢查和評價，必須連測到基本水準點，進一步連測到國家高程系統(tǒng)，甚至全球高程系統(tǒng)。所有的這些過程都應該被記錄，存成文件，存檔，認真保護起來，以便以后作為重要的資源應用到工程建設和長期氣候變化等工作之中［2］。GLOSS的各資料中心都開展了元數據的收集和使用，其他國家在進行水位觀測時，也非常注重元數據的采集和保存，例如:美國NOAA的水位觀測，從其水位與海流觀測網(TideandCurrents.noaa.gov)發(fā)布的信息可以看到除水位觀測數據，其中還收集了基準連測、站位、環(huán)境、儀器等大量元數據信息。

在氣候變化研究時，資料的均一化檢驗和處理必須以元數據信息為依據，這些信息包括:觀測站的地理信息、歷史沿革信息等;局地環(huán)境信息;儀器信息 (儀器類型、儀器的安裝和防護、資料記錄和傳輸方式)、觀測過程實踐(觀測人員、要素、時次、常規(guī)維護、觀測現場的數據校正)，數據處理過程 (數據計量單位、計算方法、質控處理方法等)、歷史事件 (社會和政策變化、夏時制)等［5］。

因此，首先應該進一步明確元數據信息的內容，建立標準規(guī)范，保證信息的完整，然后認真地記錄、歸檔和存儲，為數據的質量控制處理、均一化提供依據，從而使觀測數據的可用性大大提高。

5 總結

為了獲取準確有效的水位觀測資料和成果，使水位觀測資料的應用價值得到更大效能發(fā)揮，在我國的海洋站觀測工作中，以下幾個方面應該尤其給以重視:要注意加強水位觀測基準的核定和連測，充分發(fā)揮全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)應有的作用，監(jiān)測并確定觀測站附近地面升降運動;要以提高數據的可用性為目的開展海洋站觀測工作;各觀測要素之間有著重要的相關，應該重視和加強各要素的同步觀測以提高水位數據的準確性;盡量維護數據的均一、穩(wěn)定，并正確填報數據文件;要加強元數據信息的記錄和收集。

［1］The WMO/IOC Joint Technical Commission for Oceanography and Marine Meteorology(JCOMM).The Global Sea level Observing System IMPLEMENTATION PLAN 2012［EB/OL］.［2013 －10 － 10］.http://www.gloss － sealevel.org/publications/documents/GLOSS_Implementation_Plan_2012.pdf.

［2］The WMO/IOC Joint Technical Commission for Oceanography and Marine Meteorology(JCOMM).Manual on Sea Level Measurement and Interpretation Volume IV:An Update to 2006［EB/OL］.(2006 －09 －21)［2013 －10 －10］.http://www.psmsl.org/train_and_info/training/manuals/manual_14_final_21_09_06.pdf.

［3］國家海洋局北海分局.GB/T14914海濱觀測規(guī)范［M］.北京:中國標準出版社，2006.

［4］天津大學水文水力學實驗室.海洋石油工程環(huán)境水文分析計算［M］.北京:石油工業(yè)出版社，1983.

［5］李慶祥.氣候資料均一性研究導論［M］.北京:氣象出版社，2011.