王冠琳, 王巖峰, 官 晟*

水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)管理

王冠琳, 王巖峰, 官 晟*

(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(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)與數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島, 266237 )

近年來(lái), 隨著水下滑翔機(jī)技術(shù)的深入發(fā)展, 其在各國(guó)海洋觀測(cè)與探測(cè)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用, 由此積累了大量的觀測(cè)數(shù)據(jù), 構(gòu)建了相當(dāng)成熟的數(shù)據(jù)管理框架體系, 并將逐步形成標(biāo)準(zhǔn)的業(yè)務(wù)化流程。我國(guó)在此方面開展的工作尚處于起步階段。基于此, 文中綜述了全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)(GOOS)計(jì)劃對(duì)水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)管理的需求, 介紹了美國(guó)綜合海洋觀測(cè)系統(tǒng)(IOOS）、澳大利亞綜合海洋觀測(cè)系統(tǒng)(IMOS)和歐洲水下滑翔機(jī)觀測(cè)組織(EGO)等已經(jīng)形成的水下滑翔機(jī)業(yè)務(wù)化數(shù)據(jù)管理系統(tǒng), 梳理總結(jié)了水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)管理在工作流程創(chuàng)建、數(shù)據(jù)格式和元數(shù)據(jù)、質(zhì)量控制等關(guān)鍵技術(shù)方面的核心內(nèi)容, 同時(shí)提出了水下滑翔機(jī)常見(jiàn)搭載的溫鹽深傳感器(CTD）、光學(xué)類和生化類傳感器的數(shù)據(jù)質(zhì)控要點(diǎn)。最后, 從我國(guó)水下滑翔機(jī)的應(yīng)用現(xiàn)狀和發(fā)展角度, 對(duì)水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)管理未來(lái)的工作進(jìn)行了討論, 并在數(shù)據(jù)質(zhì)控、業(yè)務(wù)體系建設(shè)等方面提出了具體建議。文中的工作可為我國(guó)水下滑翔機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)的科學(xué)管理及應(yīng)用提供參考。

水下滑翔機(jī); 數(shù)據(jù)管理; 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制

0 引言

Pierre[1]等在2009年的全球海洋觀測(cè)白皮書中, 建議將水下滑翔機(jī)列入全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)(global ocean observing system, GOOS), 其能勝任各種海況下的現(xiàn)場(chǎng)工作, 在海洋水體高分辨率時(shí)空尺度采樣觀測(cè)方面發(fā)揮著重要作用。2010年以后, 水下滑翔機(jī)在海洋觀測(cè)和調(diào)查中得以迅速推廣應(yīng)用, 主要?dú)w功于其工作性能在歷經(jīng)近20年的發(fā)展后日益成熟穩(wěn)定, 其獨(dú)特的工作方式在一定程度上填補(bǔ)了其他海洋觀測(cè)手段在續(xù)航能力、觀測(cè)范圍、觀測(cè)隱蔽性等方面的不足: 與漂流浮標(biāo)相比, 水下滑翔機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于能夠控制性地進(jìn)行采樣觀測(cè); 與一般AUV相比, 其優(yōu)勢(shì)在于更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間; 與拖曳系統(tǒng)相比, 其優(yōu)勢(shì)在于可反映觀測(cè)要素在更長(zhǎng)時(shí)間尺度上的空間變化。

隨著水下滑翔機(jī)技術(shù)的不斷成熟, 應(yīng)用面不斷擴(kuò)大, 其觀測(cè)范圍幾乎覆蓋了所有中小尺度的海洋動(dòng)力過(guò)程[2]。當(dāng)前國(guó)際上所有重要的海洋觀測(cè)系統(tǒng)和海洋觀測(cè)計(jì)劃中, 都會(huì)包含水下滑翔機(jī)的研究任務(wù)和應(yīng)用, 并開始向業(yè)務(wù)化的滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換, 每天在全球的海洋中都有將近30臺(tái)水下滑翔機(jī)工作。我國(guó)水下滑翔機(jī)在近年來(lái)也取得了飛速的進(jìn)展, 從多型號(hào)水下滑翔機(jī)的海試到應(yīng)用試驗(yàn), 我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)水平正迅速向世界先進(jìn)水平靠攏[3-4]。

目前, 海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)的管理得到了國(guó)際上的空前重視。在GOOS計(jì)劃正在制定的2030戰(zhàn)略[5]中, 明確提出了對(duì)于海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和共享的需求。在它的戰(zhàn)略目標(biāo)7中是這樣描述的: 要確保全球海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)和信息滿足FAIR(finda- ble, accessible, interoperable, reusable)原則(可發(fā)現(xiàn)F, 可訪問(wèn)A, 可互操作I, 可重用R); 具有適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)質(zhì)量和反應(yīng)時(shí)間; 鼓勵(lì)向用戶提供免費(fèi)和不受限制的海洋觀測(cè)資料, 確保數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的公開交換在最少的時(shí)間延遲下進(jìn)行, 同時(shí)具備無(wú)限期的可訪問(wèn)性。GOOS計(jì)劃將通過(guò)指定的數(shù)據(jù)中心(通常是特定的平臺(tái))跟蹤現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)上述原則的執(zhí)行情況: 通過(guò)數(shù)據(jù)聚合器的手段將數(shù)據(jù)流聚合在一起, 確保及時(shí)匯交數(shù)據(jù)并提供可信度說(shuō)明, 提供有關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)源和元數(shù)據(jù)處理的信息, 以及數(shù)據(jù)系統(tǒng)(包括衛(wèi)星)之間的互操作性, 從而確保每個(gè)海洋基本變量的可用性; 通過(guò)使用現(xiàn)代化的信息和通信技術(shù)手段支持?jǐn)?shù)據(jù)流, 確保數(shù)據(jù)和相關(guān)元數(shù)據(jù)是可被發(fā)現(xiàn)的。數(shù)據(jù)流將引入端到端的評(píng)估, 了解用戶的體驗(yàn)質(zhì)量。水下滑翔機(jī)作為未來(lái)GOOS計(jì)劃中的重要組成部分, 在數(shù)據(jù)管理方面將要努力實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

2017年10月, 世界氣象組織(world meteorolo- gical organization, WMO)和國(guó)際海洋委員會(huì)(inte- rnational olympic committee, IOC)經(jīng)過(guò)近一年的磋商[6], 聯(lián)合批準(zhǔn)將支持長(zhǎng)期的水下滑翔機(jī)觀測(cè)計(jì)劃, 其關(guān)注的4個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域中, 數(shù)據(jù)管理作為其中獨(dú)立的領(lǐng)域之一, 主要任務(wù)包括: 制定基本制度和業(yè)務(wù)流程, 收集、處理和管理水下滑翔機(jī)的數(shù)據(jù)。

綜上, 在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái), 水下滑翔機(jī)將成為GOOS的重要組成部分, 每天都會(huì)產(chǎn)生大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供給科學(xué)家和業(yè)務(wù)部門使用, 水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)管理的業(yè)務(wù)化標(biāo)準(zhǔn)也正在逐步形成。以美國(guó)的綜合海洋觀測(cè)系統(tǒng)(integrated ocean observing system, IOOS)[7]、澳大利亞的綜合海洋觀測(cè)系統(tǒng)(integrated marine observing system, IMOS)[8]和歐洲水下滑翔機(jī)觀測(cè)組織(European gliding observatories, EGO)[9]為代表的水下滑翔機(jī)科學(xué)觀測(cè)計(jì)劃都已把數(shù)據(jù)管理列為其業(yè)務(wù)化流程的重要環(huán)節(jié)。

近年來(lái), 水下滑翔機(jī)在我國(guó)獲得廣泛應(yīng)用, 各類用戶也積累了大量數(shù)據(jù)。如何管理好這些數(shù)據(jù), 保證這些數(shù)據(jù)的質(zhì)量, 讓有需求的用戶方便地獲取和使用這些數(shù)據(jù), 從而發(fā)揮其應(yīng)有的作用, 是目前工作的當(dāng)務(wù)之急。但國(guó)內(nèi)目前還沒(méi)有對(duì)此展開專門的研究, 業(yè)務(wù)化的管理規(guī)范更無(wú)從談起。因此積極借鑒國(guó)際上的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)做法, 為我國(guó)未來(lái)的水下滑翔機(jī)發(fā)展提供參考, 是文中探討的重點(diǎn)。

1 數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀

水下滑翔機(jī)的數(shù)據(jù)管理目前在國(guó)際上基本成型, 其基礎(chǔ)設(shè)施主要是通過(guò)1個(gè)國(guó)際或國(guó)內(nèi)行業(yè)認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)中心或數(shù)據(jù)服務(wù)中心(如世界氣象組織的全球通信系統(tǒng)(global telecommunication system, GTS)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和基于web服務(wù)的實(shí)時(shí)、延遲數(shù)據(jù))提供具有互操作性和內(nèi)部可比性的實(shí)時(shí)或最小延遲數(shù)據(jù), 數(shù)據(jù)要滿足FAIR原則, 至少具有WMO和IOC海洋和大氣現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)計(jì)劃支持中心聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)(The WMO-IOC joint technical commission for oceanography and marine meteorology insitu observing programs support centre, JCOM-MOPS)定義的最低級(jí)別的元數(shù)據(jù)。

水下滑翔機(jī)的數(shù)據(jù)管理主要借鑒Argo計(jì)劃的成熟經(jīng)驗(yàn)。國(guó)外研究機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)格式時(shí), 多采用與Argo數(shù)據(jù)類似的框架。2010年, WMO提出了使用通用二進(jìn)制表示氣象數(shù)據(jù)格式, 用以解碼NetCDF文件的編碼, 進(jìn)行水下滑翔機(jī)所測(cè)量的水文等參數(shù)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化。CF則是另一個(gè)主要的標(biāo)準(zhǔn)格式, 它可提高由NetCDFAPI創(chuàng)建文件的處理和共享性能, 正逐漸被EGO引用。

目前各國(guó)初步達(dá)成共識(shí), 水下滑翔機(jī)的數(shù)據(jù)管理將建立在IOOS、IMOS和EGO現(xiàn)有的工作流程和為水下滑翔機(jī)開發(fā)的通用格式基礎(chǔ)上。其數(shù)據(jù)格式將基于NetCDF和CF格式。同時(shí)根據(jù)水下滑翔機(jī)和其他網(wǎng)絡(luò)(如Argo、Ocean-SITES等)的經(jīng)驗(yàn), 進(jìn)一步制定一項(xiàng)國(guó)際公認(rèn)的、適用于特定目的(如物理、生物及地球化學(xué)不同學(xué)科)的數(shù)據(jù)管理方法。

文中分別介紹國(guó)際上主要的(包括水下滑翔機(jī))觀測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)管理現(xiàn)狀。

1) 美國(guó)IOOS系統(tǒng)

IOOS是由美國(guó)國(guó)家滑翔機(jī)數(shù)據(jù)中心(nationalglider data assembly center)支持的國(guó)家滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)(national glider network)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)為滑翔機(jī)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)提供了1個(gè)集中的場(chǎng)所, 使用現(xiàn)有環(huán)境研究部門的數(shù)據(jù)訪問(wèn)計(jì)劃(the environ- mental research division’s data access program, ERDDAP)和專項(xiàng)實(shí)時(shí)環(huán)境分布式數(shù)據(jù)服務(wù)(the- matic real-time environmental distributed data services, THREDDS)。元數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)采用NetCDF、CF和特定屬性數(shù)據(jù)集查詢(attribute conventions dat- aset discovery, ACDD)3種, 標(biāo)準(zhǔn)文件格式為Net- CDF, 可通過(guò)用戶界面搜索和查詢數(shù)據(jù)集, 采用實(shí)時(shí)海洋數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制(quality control of real- time oceanographic data, QARTOD)方法進(jìn)行質(zhì)量保障和質(zhì)量控制, 實(shí)時(shí)和延遲模式的觀測(cè)數(shù)據(jù)都被永久歸檔。美國(guó)IOOS在2012年發(fā)表了國(guó)家滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò)白皮書, 按計(jì)劃: 2013年開始設(shè)計(jì)實(shí)施國(guó)家滑翔機(jī)網(wǎng)絡(luò); 2014年從基于軌跡的NetCDF文件格式轉(zhuǎn)變?yōu)榛谄拭娴腘etCDF文件格式; 2017年開始提交延遲模式的數(shù)據(jù)集; 到2018年9月已提交了498個(gè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)集, 擁有35名滑翔機(jī)操作員, 16名數(shù)據(jù)管理者, 主要觀測(cè)覆蓋美國(guó)周邊海域, 同時(shí)在南大西洋、東北大西洋、南極和印度洋等海域也有涉及。其主要的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2) 澳大利亞IMOS系統(tǒng)

IMOS系統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理機(jī)構(gòu)為澳大利亞國(guó)家海洋滑翔機(jī)中心(Australian national facility for oc- ean gliders, ANFOG), 所提供的數(shù)據(jù)通過(guò)澳大利亞海洋數(shù)據(jù)網(wǎng)(Australian ocean data network, AODN)開展服務(wù)。由ANFOG運(yùn)營(yíng)IMOS中所有環(huán)繞澳大利亞的水下滑翔機(jī), 原始數(shù)據(jù)在觀測(cè)數(shù)小時(shí)后即可獲取, 延遲模式的數(shù)據(jù)也在3個(gè)月內(nèi)提供。每個(gè)觀測(cè)任務(wù)都有自己的延遲模式NetCDF文件, 包括元數(shù)據(jù)、自動(dòng)和人工的質(zhì)量保障和質(zhì)量控制。AODN數(shù)據(jù)入口負(fù)責(zé)檢查文件并向公眾發(fā)布。 ANFOG提供一款GliderScope軟件用于提取和可視化國(guó)際滑翔機(jī)數(shù)據(jù), 一款NetCDF Ninja軟件用于查看和編輯NetCDF格式的數(shù)據(jù)文件。其主要的體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 綜合海洋觀測(cè)系統(tǒng)的水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)管理體系架構(gòu)

3) 歐盟的EGO

EGO的水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)流分為3個(gè)層次組織: 操作員/首席研究員、數(shù)據(jù)中心(data analytics cen- ter, DAC)和水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)中心(glider data analytics center, GDAC)。每個(gè)級(jí)別的數(shù)據(jù)管理描述如下: 操作員布放、操控和回收滑翔機(jī), 對(duì)滑翔機(jī)的海上操控負(fù)責(zé), 并實(shí)時(shí)交付數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù); 首席研究員(principal investigator, PI)通常是一名科學(xué)家, 負(fù)責(zé)項(xiàng)目科學(xué)方面的使命, 同時(shí)負(fù)責(zé)提供DAC延遲模式的數(shù)據(jù)和完整的元數(shù)據(jù); DAC按照“EGO水下滑翔機(jī)用戶手冊(cè)”的要求將原始數(shù)據(jù)和元數(shù)據(jù)處理成EGO格式文件, 并將EGO文件實(shí)時(shí)發(fā)送給GDAC。上述組織負(fù)責(zé)向GTS實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。DAC還與PI合作負(fù)責(zé)延遲模式的數(shù)據(jù)流, GDAC在實(shí)時(shí)和延遲模式下執(zhí)行并分發(fā)數(shù)據(jù)文件副本。

GROOM(gliders for research, ocean observation and management)計(jì)劃是在歐盟FP7框架下的1個(gè)用于海洋研究、觀測(cè)和管理的水下滑翔機(jī)項(xiàng)目, 其目標(biāo)是研究評(píng)估建立可持續(xù)發(fā)展的歐洲滑翔機(jī)基礎(chǔ)設(shè)施要求, 從而可以安全地操作單臺(tái)水下滑翔機(jī)或者滑翔機(jī)編隊(duì)。2012年10月, GROOM主導(dǎo)為EGO建立了水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)格式[10]: 與CF和SeaDataNet兼容的NetCDF格式, 可與國(guó)際上正在開發(fā)的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)(如澳大利亞的IMOS和美國(guó)的IOOS)進(jìn)行互操作; 針對(duì)實(shí)時(shí)和延遲模式滑翔機(jī)數(shù)據(jù)集的標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量控制協(xié)議; 確保滑翔機(jī)的數(shù)據(jù)、元數(shù)據(jù)和技術(shù)信息以一致的方式存儲(chǔ)和分發(fā)。

EGO的水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)分為3種模式: 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù), 即任務(wù)實(shí)施過(guò)程中實(shí)時(shí)傳輸?shù)目茖W(xué)數(shù)據(jù); 回收數(shù)據(jù), 即滑翔機(jī)回收后從存儲(chǔ)卡中恢復(fù)的科學(xué)數(shù)據(jù); 延遲模式, 即延遲模式下的科學(xué)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

EGO的水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)非常接近Argo的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(參見(jiàn)圖3): 采用DAC-GDAC的組織形式在工作參與者之間共享; 采用NetCDF和CF文件格式管理元數(shù)據(jù), 觀測(cè)中采用常規(guī)代碼以及實(shí)時(shí)質(zhì)量控制程序。

圖3 歐洲水下滑翔機(jī)觀測(cè)組織的水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)管理體系架構(gòu)

2 數(shù)據(jù)管理的核心內(nèi)容

數(shù)據(jù)管理工作的通用流程如圖4所示, 圖中給出了數(shù)據(jù)創(chuàng)建、注冊(cè)訪問(wèn)、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)入庫(kù)及數(shù)據(jù)獲取等核心任務(wù)的流程。

1) 創(chuàng)建工作流程

工作流程主要包括: 收集水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)并將其安全存檔, 按照統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)形成標(biāo)準(zhǔn)格式的文件并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理, 按照管理制度進(jìn)行內(nèi)部存儲(chǔ),向用戶分發(fā)數(shù)據(jù)。

圖4 水下滑翔機(jī)通用數(shù)據(jù)管理工作流程

2) 數(shù)據(jù)格式和元數(shù)據(jù)

水下滑翔機(jī)的數(shù)據(jù)格式主要基于NetCDF, 原因如下: 它是用戶廣泛接受的一種數(shù)據(jù)格式; 可以自我描述, 并有多種工具可用; 是一種可靠、高效的數(shù)據(jù)交換格式。我國(guó)的水下滑翔機(jī)主要基于此種格式。

水下滑翔機(jī)元數(shù)據(jù)是按照一定標(biāo)準(zhǔn), 從數(shù)據(jù)資源中抽取出足夠的、代表性的特征, 采用規(guī)范化描述所組成的1個(gè)特征元素集合。元數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確和完整是數(shù)據(jù)集成的重要基礎(chǔ)。元數(shù)據(jù)應(yīng)描述數(shù)據(jù)集的內(nèi)容、觀測(cè)海區(qū)、質(zhì)量控制信息、數(shù)據(jù)模式、數(shù)據(jù)的所有者等有關(guān)的信息。水下滑翔機(jī)的科學(xué)觀測(cè)要素種類較多, 數(shù)據(jù)在采樣頻率、精度、格式、表述形式及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等方面都存在差異, 并涉及不同的時(shí)間尺度、空間參照系統(tǒng)、坐標(biāo)系統(tǒng)等特殊性, 在元數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)上要注意體現(xiàn)多態(tài)性和多樣性等特點(diǎn)。

3) 質(zhì)量控制

水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制是指采用一定方法、模型和參數(shù), 判斷所提供的水下滑翔機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)或延遲模式數(shù)據(jù)的質(zhì)量可靠性和準(zhǔn)確性, 并進(jìn)行質(zhì)量標(biāo)識(shí)的處理過(guò)程。數(shù)據(jù)質(zhì)量控制是數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估的重要基礎(chǔ), 對(duì)水下滑翔機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚砗唾|(zhì)量控制, 能夠較好地解決數(shù)據(jù)中可能存在的問(wèn)題, 剔除數(shù)據(jù)中的不合理因素, 提高數(shù)據(jù)的可靠性與準(zhǔn)確性。

目前海洋數(shù)據(jù)質(zhì)量控制中選用的檢驗(yàn)方法主要包括: 位置檢驗(yàn)、氣候?qū)W范圍檢驗(yàn)、合理性檢驗(yàn)(季節(jié)性、局地性)、時(shí)間連續(xù)性、異常天氣/海況限制、內(nèi)部一致性檢驗(yàn)、可視化圖形繪制檢驗(yàn)等方法。由于水下滑翔機(jī)目前除了標(biāo)準(zhǔn)的溫鹽深傳感器外, 還可搭載多學(xué)科的傳感器, 因此在不同觀測(cè)要素的質(zhì)控方法上, 要根據(jù)數(shù)據(jù)觀測(cè)的時(shí)間和空間的差異以及要素特性, 采用不同的質(zhì)控方法, 適應(yīng)性地調(diào)整質(zhì)控參數(shù)。通常必選的檢驗(yàn)方法包括時(shí)間連續(xù)性檢驗(yàn)、語(yǔ)法檢驗(yàn)、位置檢驗(yàn)、有效范圍檢驗(yàn)、壓力值檢驗(yàn)?？蛇x的檢驗(yàn)方法包括氣候?qū)W范圍檢驗(yàn)、尖峰檢驗(yàn)、梯度檢驗(yàn)、多變量檢驗(yàn)、溫鹽曲線檢驗(yàn)及鄰域檢驗(yàn)等。

針對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制, 主要是移植Argo 的實(shí)時(shí)資料質(zhì)控方法, 目前常用的檢驗(yàn)內(nèi)容包括有效范圍(如溫度、壓力、速度等)檢驗(yàn)、區(qū)域范圍檢驗(yàn)和梯度檢驗(yàn)等; 針對(duì)延遲模式的質(zhì)量控制, 主要是進(jìn)行科學(xué)校正, 采用修正系數(shù)、誤差估算、標(biāo)準(zhǔn)偏差和參考數(shù)據(jù)等多種方式進(jìn)行。

國(guó)際上, 部分水下滑翔機(jī)生產(chǎn)廠家也提供了一套質(zhì)量控制程序, 以Seaglider 2011年發(fā)布的質(zhì)量控制手冊(cè)[11]為例: 質(zhì)量控制采用類似Argo實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制數(shù)據(jù)處理過(guò)程, 整個(gè)質(zhì)量控制是在滑翔機(jī)的岸基站上自動(dòng)完成的; 配置文件采用NetCDF格式; 在轉(zhuǎn)換和質(zhì)量控制測(cè)試的假設(shè)條件是滑翔機(jī)的數(shù)據(jù)采集處于一個(gè)正常的剖面測(cè)量周期。

3 不同傳感器的質(zhì)量控制要點(diǎn)

3.1 溫鹽深傳感器質(zhì)控要點(diǎn)

溫鹽深(conductivity-temperature-depth, CTD)傳感器觀測(cè)誤差的主要來(lái)源有2個(gè): 一是熱敏電阻、電導(dǎo)率和壓力傳感器的傳感器時(shí)間響應(yīng)不同; 二是熱滯后效應(yīng)(由于電導(dǎo)率電池慣性)。通常在質(zhì)量控制時(shí)要針對(duì)上述情況考慮以下2種校正。

1) 響應(yīng)時(shí)間延遲校正

鹽度是通過(guò)2個(gè)獨(dú)立傳感器幾乎同時(shí)測(cè)量溫度和電導(dǎo)率來(lái)計(jì)算的。使用未對(duì)齊的值計(jì)算的鹽度是不正確的, 并可能在鹽度數(shù)據(jù)中顯示為峰值, 從而產(chǎn)生錯(cuò)誤的不穩(wěn)定密度剖面。而對(duì)于帶有水泵系統(tǒng)的水下滑翔機(jī), 其CTD也可能發(fā)生偏差。這個(gè)誤差可以通過(guò)微調(diào)2個(gè)獨(dú)立傳感器記錄的相對(duì)時(shí)間來(lái)糾正。由于滑翔機(jī)或泵的運(yùn)動(dòng), 微調(diào)量的大小取決于傳感器采樣率和流速。

2) 熱滯后校正

電極型電導(dǎo)率傳感器的工作原理是精確測(cè)量流經(jīng)開放式電導(dǎo)池的海水電阻。當(dāng)電導(dǎo)率傳感器進(jìn)入較冷(或較暖)的水中時(shí), 電導(dǎo)池會(huì)微微加熱(或冷卻)電導(dǎo)池內(nèi)的水。由于電導(dǎo)率是溫度的強(qiáng)函數(shù), 電導(dǎo)池內(nèi)水溫的這種微小變化導(dǎo)致電導(dǎo)率測(cè)量值與池內(nèi)外溫度相同時(shí)的測(cè)量值有很大的不同。當(dāng)水下滑翔機(jī)通過(guò)溫度梯度時(shí), 就會(huì)產(chǎn)生這種熱滯后效應(yīng)。如果沒(méi)有校正, 用于計(jì)算鹽度的電導(dǎo)率和溫度將導(dǎo)致錯(cuò)誤的鹽度和密度值, 特別是在強(qiáng)溫度梯度附近。國(guó)外科學(xué)家為了獲得更準(zhǔn)確的鹽度剖面開發(fā)了數(shù)種校正方法[12]。

上述校正都依賴于溫度測(cè)量精度和傳感器采樣率。校正的程度取決于CTD傳感器的能力和觀測(cè)的需求。

當(dāng)水下滑翔機(jī)的垂直速度低至小于5~6 cm/s時(shí), 通過(guò)CTD電導(dǎo)池的流速會(huì)明顯過(guò)低, 無(wú)法提供與溫度一致的電導(dǎo)率測(cè)量, 導(dǎo)致鹽度計(jì)算不準(zhǔn)確。所以在水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)低速區(qū)的數(shù)據(jù)要特別予以重視。另外由于大振幅內(nèi)波破碎造成的不穩(wěn)定性有可能導(dǎo)致CTD數(shù)據(jù)波動(dòng), 這種情況在質(zhì)量控制時(shí)要具體分析。CTD傳感器的漂移很可能無(wú)法通過(guò)實(shí)時(shí)、自動(dòng)化的檢測(cè)校正。執(zhí)行長(zhǎng)期觀測(cè)任務(wù)的水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)質(zhì)控也應(yīng)引起重視。具體可借鑒美國(guó)海軍局地自治滑翔機(jī)數(shù)據(jù)編輯例程(local automated glider editing routine, LAGER)質(zhì)量控制手冊(cè)[13]。

3.2 光學(xué)類和生化類傳感器質(zhì)控要點(diǎn)

光學(xué)類傳感器數(shù)據(jù)的氣候?qū)W范圍校驗(yàn)較溫鹽數(shù)據(jù)的氣候?qū)W范圍校驗(yàn)有很大的不同, 主要體現(xiàn)在其動(dòng)態(tài)范圍變化很大, 受環(huán)境變化影響很大, 數(shù)據(jù)經(jīng)常有類似噪音的特征出現(xiàn)。所以在此類數(shù)據(jù)管理中, 對(duì)于數(shù)據(jù)質(zhì)量的把控, 人工干預(yù)是非常有必要的, 專家的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)在其中發(fā)揮著重要作用。

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)光學(xué)類設(shè)備(包括后向散射系數(shù)測(cè)量和葉綠素?zé)晒鉁y(cè)量等設(shè)備)非常困難, 由于其數(shù)據(jù)取決于海水成分, 而不同海域的海水成分變化較大。對(duì)其的數(shù)據(jù)管理, 除了與動(dòng)力要素的匹配外, 還應(yīng)關(guān)注不同海域的生態(tài)系統(tǒng)特征。圖5簡(jiǎn)述了美國(guó)海軍光學(xué)類傳感器數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的基本步驟[14]。

圖5 美國(guó)海軍局地自治滑翔機(jī)數(shù)據(jù)編輯例程的光學(xué)類傳感器數(shù)據(jù)質(zhì)控基本步驟

加裝生化傳感器的Argo(BIO-Argo)對(duì)于生化類要素都分別有獨(dú)立的檢驗(yàn), 包括溶解氧、CDOM(colored dissolved organic matter)、硝酸鹽、光量子效率、光輻射量、后向散射系數(shù)和葉綠素a等。在水下滑翔機(jī)的化學(xué)類傳感器質(zhì)控時(shí)也可參照處理[15]。如溶解氧的數(shù)據(jù)質(zhì)控經(jīng)常面臨的問(wèn)題是水下滑翔機(jī)在下降和上升的剖面上溫度的不一致性, 光電類溶解氧探測(cè)會(huì)受到環(huán)境溫度變化的影響。在具體處理時(shí)可參考儀器公司推薦的校正步驟, 包括跟時(shí)間有關(guān)的校正、跟壓力有關(guān)的校正和鹽度補(bǔ)償?shù)萚16]。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)水下滑翔機(jī)技術(shù)的研究始于21世紀(jì)初, 雖然起步較晚, 但在其相關(guān)技術(shù)方面發(fā)展迅速。目前, 天津大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所等單位開發(fā)出的水下滑翔機(jī)系統(tǒng)已經(jīng)達(dá)到海洋觀測(cè)實(shí)際應(yīng)用水平, 多種類型的水下滑翔機(jī)已投入到海洋觀測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中, 包括長(zhǎng)航程滑翔機(jī)、生化性滑翔機(jī)等, 觀測(cè)的要素和動(dòng)力過(guò)程也變得越來(lái)越廣泛, 包括層結(jié)、湍流、中尺度渦、內(nèi)波、陸架坡物質(zhì)輸運(yùn)及熱帶氣旋的海洋響應(yīng)等, 因而針對(duì)水下滑翔機(jī)的數(shù)據(jù)管理勢(shì)在必行，應(yīng)盡快達(dá)成共識(shí)。

對(duì)照國(guó)際的成熟經(jīng)驗(yàn), 針對(duì)我國(guó)水下滑翔機(jī)發(fā)展的現(xiàn)狀和未來(lái)規(guī)劃, 建議如下: 制定我國(guó)水下滑翔機(jī)的元數(shù)據(jù)和標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式, 建議統(tǒng)一基于NetCDF格式; 制定水下滑翔機(jī)多學(xué)科傳感器的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制手冊(cè), 主要包括溫鹽深傳感器、葉綠素傳感器、溶解氧傳感器, 特別是針對(duì)我國(guó)近海海域建立區(qū)域檢測(cè)的合理閾值; 建立水下滑翔機(jī)科學(xué)觀測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的數(shù)據(jù)管理框架, 形成與國(guó)際主流觀測(cè)計(jì)劃對(duì)接的接口。

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Data Management of Underwater Gliders: a Review

（1. First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China; 2. Laboratory for Regional Oceanography and Numerical Modeling, Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao), Qingdao 266237, China）

This paper reviews the requirements of the global ocean observing system(GOOS) program for data management of underwater gliders, and introduces some present data management systems such as the U.S. integrated ocean observing system(IOOS), the Australian integrated marine observing system(IMOS), and the European gliding observatories(EGO); and then summarizes the core contents of underwater glider data management, concerning workflow creation, data format and metadata management, quality control, etc. The key points of data quality control of multidisciplinary sensors, including conductivity-temperature-depth sensor, optical sensor and bio-chemical sensor, are introduced. Moreover, the future work for data management of underwater gliders is discussed from the perspective of current application and development of underwater gliders in China, and suggestions for the data quality control and operation system are offered. This work may provide reference for scientific management and application of underwater glider observation data in China.

underwater glider; data management; data quality control

TJ630; U674.941; TP272;

A

2096-3920(2019)05-0514-07

10.11993/j.issn.2096-3920.2019.05.006

王冠琳, 王巖峰, 官晟. 水下滑翔機(jī)數(shù)據(jù)管理[J]. 水下無(wú)人系統(tǒng)學(xué)報(bào), 2019, 27(5): 514-520.

2018-11-02;

2019-04-10.

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016YFC0301103); 國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項(xiàng)目(U1606405); 山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2016CYJS02A02).

*官 晟(1972-), 男, 博士, 研究員, 主要研究方向?yàn)樗伦詣?dòng)平臺(tái)觀測(cè)及控制相關(guān)技術(shù).

(責(zé)任編輯: 楊力軍)