曹敏杰，劉增宏， 許建平

（1.自然資源部第二海洋研究所；2.衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州310012）

0 引言

西北太平洋海域是全球熱帶氣旋（臺(tái)風(fēng)）發(fā)生最為頻繁和活躍的區(qū)域，同時(shí)也是登陸我國(guó)臺(tái)風(fēng)的主要源地。據(jù)世界氣象組織統(tǒng)計(jì)，每年約有三分之二的熱帶氣旋形成于北半球，一半以上發(fā)生在北太平洋海域，而這些熱帶氣旋中約有80%會(huì)發(fā)展成臺(tái)風(fēng)[1]。熱帶氣旋是影響我國(guó)的主要災(zāi)害性天氣之一，通常伴隨有巨浪、暴雨、狂風(fēng)和風(fēng)暴潮，造成洪澇，沖毀水庫(kù)，引發(fā)山體滑坡和泥石流，對(duì)經(jīng)過(guò)地區(qū)的人民生命財(cái)產(chǎn)和生產(chǎn)活動(dòng)造成巨大威脅，對(duì)海上作業(yè)、海洋漁業(yè)和海水養(yǎng)殖業(yè)等造成重大安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2016年，我國(guó)沿海共發(fā)生臺(tái)風(fēng)等風(fēng)暴潮過(guò)程18次，直接經(jīng)濟(jì)損失45.94億元，受災(zāi)人口多達(dá) 339.39萬(wàn)。隨著沿海地帶經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展和全球氣候變暖，臺(tái)風(fēng)災(zāi)害有愈演愈烈之勢(shì)，已成為我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的一個(gè)制約因素[2-3]。

臺(tái)風(fēng)路徑和臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)是臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)中的 2個(gè)關(guān)鍵因子。過(guò)去幾十年，臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)水平有了顯著提高，但有關(guān)臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)水平仍發(fā)展相對(duì)緩慢，依然是科學(xué)界公認(rèn)的難題。其原因在于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化不但與大氣復(fù)雜的渦旋動(dòng)力學(xué)、熱力學(xué)過(guò)程緊密聯(lián)系，而且與臺(tái)風(fēng)下墊面上層海洋的相互作用存在緊密關(guān)系[4-6]。海洋是臺(tái)風(fēng)增強(qiáng)的能量供應(yīng)來(lái)源，特別在海面到300 m上層是臺(tái)風(fēng)與海洋相互作用最為強(qiáng)烈的區(qū)域。臺(tái)風(fēng)經(jīng)過(guò)海域的上層海洋熱（鹽）結(jié)構(gòu)是影響臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度及其預(yù)報(bào)的重要因素。長(zhǎng)期以來(lái)，由于缺乏臺(tái)風(fēng)生成源地或路徑附近海域長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)時(shí)海洋（次表層）觀測(cè)資料，阻礙了人們對(duì)海洋與臺(tái)風(fēng)相互作用過(guò)程的深入了解和準(zhǔn)確模擬，更無(wú)法獲得臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)所需要的可靠的海洋初始場(chǎng)。如果在臺(tái)風(fēng)路徑附近能獲取實(shí)時(shí)的、大面積范圍內(nèi)（300 km）的上層海洋觀測(cè)資料，對(duì)研究上層海洋對(duì)臺(tái)風(fēng)的響應(yīng)和調(diào)制機(jī)理，進(jìn)而提高臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)（路徑、強(qiáng)度）精度能起到重要作用。

由此可見(jiàn)，有必要加大對(duì)西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域的實(shí)時(shí)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和基礎(chǔ)研究，特別是利用業(yè)已研制成功的、適合在惡劣環(huán)境下觀測(cè)的新穎海洋儀器設(shè)備，以便能大范圍、長(zhǎng)時(shí)間、高分辨率和實(shí)時(shí)地獲取臺(tái)風(fēng)天氣條件下的上層海洋環(huán)境資料；為發(fā)展和完善海洋與臺(tái)風(fēng)相互作用的理論方法、耦合數(shù)值模式等相關(guān)基礎(chǔ)研究提供充分的數(shù)據(jù)源。從而深化對(duì)臺(tái)風(fēng)生成與發(fā)展機(jī)理的認(rèn)識(shí)，提高對(duì)臺(tái)風(fēng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)能力，減少臺(tái)風(fēng)和風(fēng)暴潮等氣象和海洋災(zāi)害對(duì)沿海社會(huì)經(jīng)濟(jì)和人民生命財(cái)產(chǎn)帶來(lái)的重大損失。這無(wú)疑是國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)的重大需要。

1 臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋監(jiān)測(cè)

過(guò)去的臺(tái)風(fēng)觀測(cè)手段主要有拋棄式溫度測(cè)量?jī)x（AXBT）、拋棄式海流剖面觀測(cè)儀（AXCP）、錨碇浮標(biāo)以及調(diào)查船等[7]。其中 AXBT和 AXCP通過(guò)飛機(jī)來(lái)投放，投放成本非常大，其觀測(cè)壽命也比較短，無(wú)法獲取長(zhǎng)時(shí)間序列的資料。一些錨碇浮標(biāo)的觀測(cè)資料也被用于偶然經(jīng)過(guò)的臺(tái)風(fēng)對(duì)海洋影響的研究，這種浮標(biāo)可攜帶多種海洋或氣象傳感器，但其成本和維護(hù)費(fèi)用都相當(dāng)大，且容易受到人為因素的破壞以及惡劣天氣的影響，難以構(gòu)建用來(lái)專(zhuān)門(mén)觀測(cè)臺(tái)風(fēng)的陣列或觀測(cè)網(wǎng)。常規(guī)的船只走航或定點(diǎn)海洋觀測(cè)，一般只能在臺(tái)風(fēng)發(fā)生前或過(guò)境后實(shí)施，尤其是臺(tái)風(fēng)發(fā)生前的海洋調(diào)查，不是離臺(tái)風(fēng)生成日期或源地、路徑太遠(yuǎn)，就是離臺(tái)風(fēng)太近，形成的大風(fēng)大浪導(dǎo)致調(diào)查船無(wú)法實(shí)施觀測(cè)，而且也十分危險(xiǎn)。近年來(lái)，衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展似乎給惡劣天氣下的海洋觀測(cè)帶來(lái)了曙光，其反演資料被廣泛應(yīng)用于熱帶氣旋對(duì)海洋上層影響的研究[8-9]。但衛(wèi)星遙感只能觀測(cè)海洋表面的溫、鹽度等海洋環(huán)境要素，而無(wú)法獲取人們更關(guān)心的上層海洋（如1 000 m水深以淺）的環(huán)境要素資料?？梢?jiàn)，上述的這些觀測(cè)手段受各自條件的限制，只能用于有限區(qū)域的觀測(cè)，無(wú)法獲取到大范圍臺(tái)風(fēng)海域長(zhǎng)時(shí)間序列的上層海洋資料。

21世紀(jì)初開(kāi)始在全球海洋中構(gòu)建的全球Argo實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng)，為人們帶來(lái)了觀測(cè)臺(tái)風(fēng)作用下的海洋是如何響應(yīng)/反饋的希望和新思路[10-11]。國(guó)際Argo計(jì)劃自2000年啟動(dòng)以來(lái)，已經(jīng)于2007年10月在全球無(wú)冰覆蓋的大洋上建成了一個(gè)由3 000多個(gè) Argo剖面浮標(biāo)組成的觀測(cè)網(wǎng)（簡(jiǎn)稱(chēng)“核心Argo”），每個(gè)浮標(biāo)能每隔 10 d自動(dòng)觀測(cè) 1條 0～2 000 m水深內(nèi)的溫、鹽度剖面，并通過(guò)衛(wèi)星將觀測(cè)資料經(jīng)地面接收站和數(shù)據(jù)處理中心及互聯(lián)網(wǎng)傳遞給用戶(hù)[12-13]。早期的 Argo浮標(biāo)，大部分使用Argos衛(wèi)星進(jìn)行單向通訊，即無(wú)法在臺(tái)風(fēng)到達(dá)前或經(jīng)過(guò)時(shí)能隨時(shí)改變浮標(biāo)的觀測(cè)周期等技術(shù)參數(shù)實(shí)施對(duì)海洋的加密觀測(cè)，數(shù)據(jù)傳輸速率也較慢（＜1 bytes/s），無(wú)法滿(mǎn)足高分辨率觀測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸要求。于是，人們開(kāi)始嘗試使用具有雙向通訊、高速率傳輸（180～300 bytes/s）功能的銥衛(wèi)星（IRIDIUM）通訊系統(tǒng)。目前，在全球海洋近4 000個(gè)仍在工作的Argo浮標(biāo)中，已經(jīng)有近60%的浮標(biāo)采用銥衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)。特別需要指出的是，2015年 9月，由中船重工七一〇所自主研制的 HM2000型剖面浮標(biāo)，采用了我國(guó)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)（BEIDOU）定位與傳輸觀測(cè)資料，并具備與銥衛(wèi)星相同的雙向通訊功能，同樣可用于臺(tái)風(fēng)海域的實(shí)時(shí)海洋監(jiān)測(cè)。第一批（6個(gè)）HM2000型剖面浮標(biāo)已經(jīng)由中國(guó)科學(xué)院海洋研究所率先布放在西北太平洋西邊界流海域（呂宋島以東）；2016年 9月，國(guó)家海洋局第二海洋研究所承擔(dān)的國(guó)家科技基礎(chǔ)性工作專(zhuān)項(xiàng)“西太平洋Argo實(shí)時(shí)海洋調(diào)查”重點(diǎn)項(xiàng)目在我國(guó)南海海域布放了10個(gè)HM2000型剖面浮標(biāo)。上述部分資料經(jīng)過(guò)中國(guó)Argo實(shí)時(shí)資料中心嚴(yán)格質(zhì)量控制后，已經(jīng)通過(guò)全球通訊系統(tǒng)（GTS）和互聯(lián)網(wǎng)（WWW、FTP），與世界氣象組織（WMO）和國(guó)際 Argo計(jì)劃成員國(guó)共享，并得到了國(guó)際Argo信息中心（AIC）的認(rèn)可。表 1列出了上述各種觀測(cè)儀器設(shè)備或觀測(cè)系統(tǒng)的特點(diǎn)和優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比[14]。可以看到，利用Argo剖面浮標(biāo)（具有雙向通訊、高速率傳輸功能的IRIDIUM通訊系統(tǒng)）構(gòu)建海洋觀測(cè)陣，對(duì)臺(tái)風(fēng)作用下的海洋進(jìn)行大范圍、長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將會(huì)是今后一段時(shí)間內(nèi)最理想、最有效的觀測(cè)手段。

表1 臺(tái)風(fēng)天氣條件下不同海洋觀測(cè)方式比較Table 1 Comparison of various ocean observing methods under typhoon conditions

2 西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)

2.1 觀測(cè)網(wǎng)組成

西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)主要由海上自動(dòng)剖面浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)自動(dòng)接收/監(jiān)視系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與分發(fā)系統(tǒng)等組成。其中海上自動(dòng)剖面浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)將維持一個(gè)由 30～45個(gè)具有雙向通訊功能的自動(dòng)剖面浮標(biāo)組成的西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)。利用其雙向通訊功能，實(shí)現(xiàn)在臺(tái)風(fēng)天氣條件下對(duì)上層海洋進(jìn)行加密觀測(cè)的目標(biāo)，實(shí)時(shí)獲取臺(tái)風(fēng)源地及其經(jīng)過(guò)前后上層海洋的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要素資料。數(shù)據(jù)自動(dòng)接收/監(jiān)視系統(tǒng)通過(guò)建立北斗（或銥星）數(shù)據(jù)接收站，接收通過(guò)北斗/銥衛(wèi)星傳輸?shù)钠拭娓?biāo)觀測(cè)信息及數(shù)據(jù)。其中采用北斗衛(wèi)星傳輸?shù)母?biāo)觀測(cè)信息及數(shù)據(jù)，可以利用北斗剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)服務(wù)中心（中國(guó)杭州）在國(guó)內(nèi)直接接收；而采用銥衛(wèi)星傳輸?shù)钠拭娓?biāo)觀測(cè)信息及數(shù)據(jù)，則利用銥衛(wèi)星地面服務(wù)中心（美國(guó)馬里蘭）間接獲取。數(shù)據(jù)處理與分發(fā)系統(tǒng)對(duì)這些接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)編碼、實(shí)時(shí)質(zhì)量控制等處理，快速分發(fā)到不同級(jí)別的資料用戶(hù)手中。觀測(cè)網(wǎng)的技術(shù)方案如圖1所示。

圖1 西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)技術(shù)方案Fig.1 Technical program of real-time ocean monitoring network in typhoon genesis region of northwestern Pacific Ocean

2.2 關(guān)鍵技術(shù)及解決方案

西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)建設(shè)需要解決如下兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：1）數(shù)據(jù)自動(dòng)接收/監(jiān)視系統(tǒng)，主要針對(duì)國(guó)產(chǎn)與國(guó)外各種型號(hào)的自動(dòng)剖面浮標(biāo)。由于它們的通訊方式、信息編碼方式、數(shù)據(jù)文件格式等各不相同，需要建立與之相匹配的統(tǒng)一的數(shù)據(jù)自動(dòng)接收系統(tǒng)，形成對(duì)大量觀測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)批處理能力。2）數(shù)據(jù)處理與分發(fā)系統(tǒng)，需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施實(shí)時(shí)和延時(shí)質(zhì)量控制，確保符合Argo計(jì)劃對(duì)海洋環(huán)境資料觀測(cè)精度的要求，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)和GTS實(shí)現(xiàn)與國(guó)內(nèi)外用戶(hù)數(shù)據(jù)共享。

2.2.1 數(shù)據(jù)自動(dòng)接收/監(jiān)視系統(tǒng)

數(shù)據(jù)自動(dòng)接收/監(jiān)視系統(tǒng)主要是用于接收通過(guò)北斗/銥衛(wèi)星傳輸?shù)钠拭娓?biāo)觀測(cè)信息及數(shù)據(jù)。通過(guò)銥衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)據(jù)由銥衛(wèi)星地面接收中心（美國(guó)馬里蘭）進(jìn)行接收，然后自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)到中國(guó)Argo實(shí)時(shí)資料中心；通過(guò)北斗衛(wèi)星傳輸?shù)臄?shù)據(jù)則由北斗剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)服務(wù)中心（中國(guó)杭州）進(jìn)行接收。這里重點(diǎn)圍繞北斗剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)接收/監(jiān)視系統(tǒng)進(jìn)行展開(kāi)。

北斗剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)接收/監(jiān)視系統(tǒng)主要由北斗指揮單元、大屏拼接單元和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)/處理單元等組成。北斗地面接收站的主要設(shè)備包括北斗指揮機(jī)專(zhuān)用天線、北斗指揮機(jī)主機(jī)、工控機(jī)和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)控制器等，具備管理并接收 5 000個(gè)浮標(biāo)的能力，硬盤(pán)容量不小于20 T。北斗指揮單元是數(shù)據(jù)接收/監(jiān)視系統(tǒng)的核心，配備有北斗指揮機(jī)、工控機(jī)及GSM模塊等硬件設(shè)備。北斗指揮單元通過(guò)與浮標(biāo)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)浮標(biāo)狀態(tài)（包括電池電壓、傳感器數(shù)據(jù)、沉浮調(diào)節(jié)裝置和北斗通信終端等）的監(jiān)測(cè)和工作參數(shù)的設(shè)定。工控機(jī)上配套安裝有浮標(biāo)態(tài)勢(shì)顯控軟件，該軟件采用交互式圖形操作界面設(shè)計(jì)，使檢測(cè)和設(shè)定工作簡(jiǎn)單快捷，并可通過(guò) GSM 模塊發(fā)送手機(jī)短信提供浮標(biāo)新剖面實(shí)時(shí)提醒功能。

北斗剖面浮標(biāo)接收數(shù)據(jù)與參數(shù)操作流程如圖2所示，通過(guò)“HM系列剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)接收/監(jiān)視系統(tǒng)”和“北斗剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)”，實(shí)現(xiàn)了北斗剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)的自動(dòng)接收、浮標(biāo)參數(shù)的調(diào)整以及數(shù)據(jù)自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)等功能。

該系統(tǒng)的主要功能包括：

1）自動(dòng)接收及數(shù)據(jù)解碼功能：能自動(dòng)接收多種型號(hào)（COPEX、HM系列）的北斗剖面浮標(biāo)信息，并進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼。

2）實(shí)時(shí)海圖態(tài)勢(shì)顯示功能：接收并實(shí)時(shí)顯示海上工作浮標(biāo)的漂移軌跡。

3）實(shí)時(shí)圖形界面顯示功能：以圖形和數(shù)據(jù)方式直觀顯示接收到的觀測(cè)參數(shù)（如溫度、鹽度和深度等）數(shù)據(jù)。

4）無(wú)人值守功能：系統(tǒng)工作過(guò)程全由計(jì)算機(jī)自動(dòng)完成，無(wú)需人員值守，浮標(biāo)浮出水面上傳數(shù)據(jù)時(shí)，能夠自動(dòng)提醒相關(guān)操作技術(shù)人員。

5）雙向通信功能：設(shè)定或更改浮標(biāo)工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制浮標(biāo)工作狀態(tài)功能。

圖2 HM2000型浮標(biāo)數(shù)據(jù)接收流程Fig.2 Flow diagram of data receiving for HM2000 profiling float

2.2.2 數(shù)據(jù)處理與分發(fā)系統(tǒng)

所有的包括通過(guò)北斗和銥衛(wèi)星傳輸?shù)钠拭娓?biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)信息自動(dòng)提?。òǜ?biāo)技術(shù)信息和觀測(cè)數(shù)據(jù)）后，按照國(guó)際Argo資料管理組規(guī)定的程序（http://dx.doi.org/10.13155/33951）對(duì)壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，并對(duì)溫、鹽度觀測(cè)剖面和衛(wèi)星定位等數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量控制[15]，其主要流程如圖 3所示。實(shí)時(shí)質(zhì)量控制一般在獲取浮標(biāo)資料的 24 h內(nèi)可以完成，其中通過(guò)北斗衛(wèi)星傳輸接收的觀測(cè)資料，在獲取2 h內(nèi)即可完成。

延時(shí)模式質(zhì)量控制將在浮標(biāo)布放后6個(gè)月進(jìn)行，主要針對(duì)電導(dǎo)率傳感器長(zhǎng)期工作后可能會(huì)產(chǎn)生漂移的問(wèn)題，需要收集該海域內(nèi)高精度的船載CTD儀觀測(cè)資料作為參考數(shù)據(jù)集，并建立歷史CTD資料數(shù)據(jù)庫(kù)。如果沒(méi)有CTD資料庫(kù)，將挑選浮標(biāo)附近高質(zhì)量歷史Argo資料進(jìn)行對(duì)比分析，其主要流程如圖4所示。

圖3 Argo資料實(shí)時(shí)質(zhì)量控制流程Fig.3 Flow diagram of Argo data real-time quality control

圖4 Argo資料延時(shí)模式質(zhì)量控制流程Fig.4 Flow diagram of Argo data delayed-mode quality control

3 臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境智能服務(wù)平臺(tái)

全球Argo資料具有超海量、大覆蓋、高頻率等特點(diǎn)。如何對(duì)這些Argo資料進(jìn)行高效存儲(chǔ)，以解決今后Argo資料因高速增長(zhǎng)、高頻更新所帶來(lái)的存儲(chǔ)、更新與檢索瓶頸；同時(shí)，如何將Argo資料和臺(tái)風(fēng)信息等多源海洋環(huán)境數(shù)據(jù)在統(tǒng)一的時(shí)空框架下快速集成和共享，從而實(shí)現(xiàn)臺(tái)風(fēng)海域 Argo資料的快速查詢(xún)，進(jìn)行可視化、統(tǒng)計(jì)分析等增值服務(wù)，這些都是目前急需攻克和解決的問(wèn)題。

3.1 平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

針對(duì)上述的現(xiàn)實(shí)需求，并基于在西北太平洋海域布放具有雙向通訊功能的剖面浮標(biāo)構(gòu)建Argo實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng)的契機(jī)，我們研制了臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境智能服務(wù)平臺(tái)，旨在為國(guó)內(nèi)相關(guān)研究項(xiàng)目或海洋、氣象服務(wù)部門(mén)提供更加豐富的臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)與信息服務(wù)。整個(gè)平臺(tái)包括 2大系統(tǒng)，分別為西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域海洋環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)集成與管理系統(tǒng)、西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境智能服務(wù)系統(tǒng)，如圖 5所示。西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域海洋環(huán)境數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)集成與管理系統(tǒng)將會(huì)管理包括基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)、海量的Argo元數(shù)據(jù)、觀測(cè)剖面資料臺(tái)風(fēng)數(shù)據(jù)、其他海洋環(huán)境數(shù)據(jù)以及相關(guān)衍生數(shù)據(jù)產(chǎn)品等多樣化的資料。而基于海洋環(huán)境數(shù)據(jù)多源異構(gòu)、海量遞增的特點(diǎn)，采用全自動(dòng)化準(zhǔn)實(shí)時(shí)入庫(kù)系統(tǒng)對(duì)海量Argo資料、臺(tái)風(fēng)資料、SST資料等進(jìn)行入庫(kù)，采用云存儲(chǔ)技術(shù)與關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合，對(duì)大規(guī)模海量異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理，同時(shí)在后臺(tái)入庫(kù)時(shí)監(jiān)聽(tīng)海量數(shù)據(jù)和大量文件，針對(duì)不同時(shí)空分布下的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)產(chǎn)品的自動(dòng)化制作。西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境智能服務(wù)系統(tǒng)采用了海量數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)技術(shù)和分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的海量信息共享服務(wù)智能服務(wù)平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)，以及 WebGIS、RIA等支撐技術(shù)和規(guī)范體系，在空間信息共享與服務(wù)框架下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑附近Argo剖面浮標(biāo)位置的實(shí)時(shí)監(jiān)控、漂移軌跡的可視化追蹤，以及剖面資料的高效檢索和實(shí)時(shí)繪制等功能。平臺(tái)總體架構(gòu)如圖6所示。

圖5 臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境智能服務(wù)平臺(tái)主要功能模塊Fig.5 Main function modules of real-time ocean environment smart platform for typhoon genesis region

圖6 臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境智能服務(wù)平臺(tái)總體架構(gòu)Fig.6 General framework of real-time ocean environment smart platform for typhoon genesis region

3.2 基于混合數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)的Argo資料存儲(chǔ)方案

Argo資料具有海量、實(shí)時(shí)、分布廣泛、更新速度快等特點(diǎn)[16]?，F(xiàn)有的空間數(shù)據(jù)庫(kù)盡管可以對(duì)大規(guī)模異構(gòu)空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，但其存儲(chǔ)的容量和靈活性存在一定局限性；同時(shí)，日益遞增的Argo觀測(cè)資料以及大量的衍生數(shù)據(jù)產(chǎn)品對(duì)存儲(chǔ)空間的需求越來(lái)越高，單機(jī)存儲(chǔ)或者簡(jiǎn)單的集群共享已無(wú)法應(yīng)對(duì)爆炸式增長(zhǎng)的海量數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)系統(tǒng)的彈性擴(kuò)展能力和性能要求需進(jìn)一步提高。為此，提出了一種基于混合數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)的Argo資料存儲(chǔ)模型，采用關(guān)系型/非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)相結(jié)合的分布式混合存儲(chǔ)模型對(duì)大規(guī)模高速增長(zhǎng)的Argo數(shù)據(jù)進(jìn)行高效管理，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)多級(jí)多態(tài)存儲(chǔ)、管理和實(shí)時(shí)更新。

HDFS是Hadoop實(shí)現(xiàn)的一個(gè)分布式文件系統(tǒng)，Hadoop是由Apache基金會(huì)開(kāi)發(fā)的一個(gè)分布式系統(tǒng)基礎(chǔ)架構(gòu)[17]。HDFS具有高可靠性/可用性、高擴(kuò)展性、高效性、低成本等多方面優(yōu)點(diǎn)。PostgreSQL/PostGIS數(shù)據(jù)庫(kù)是一個(gè)輕型、開(kāi)源的空間關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)，支持復(fù)雜查詢(xún)、事務(wù)完整性等，可通過(guò)增加新的數(shù)據(jù)類(lèi)型、函數(shù)、索引等進(jìn)行擴(kuò)展，并且提供了OGC規(guī)范中的點(diǎn)、線、面等幾何對(duì)象類(lèi)型以及空間索引和空間操作等能力[18]?？紤]到Argo數(shù)據(jù)兼具結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化的數(shù)據(jù)特性，且數(shù)據(jù)總量增長(zhǎng)迅速，采用傳統(tǒng)單一的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式難以進(jìn)行有效組織與管理。因此，本文采用HDFS分布式文件系統(tǒng)和 PostgreSQL/PostGIS數(shù)據(jù)庫(kù)混合存儲(chǔ)的架構(gòu)，如圖 7所示。其中，HDFS集群的主節(jié)點(diǎn)采用雙備份機(jī)制，僅一個(gè)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與客戶(hù)端和子節(jié)點(diǎn)交互，另一個(gè)備份節(jié)點(diǎn)僅負(fù)責(zé)主節(jié)點(diǎn)的備份。數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)內(nèi)的Argo剖面觀測(cè)原始資料和網(wǎng)格化數(shù)據(jù)產(chǎn)品被分塊到多個(gè)物理節(jié)點(diǎn)上存儲(chǔ)，其網(wǎng)絡(luò)路徑索引不僅存放在主節(jié)點(diǎn)上，也被記錄到 PostgreSQL中。同時(shí)，Argo浮標(biāo)元數(shù)據(jù)和剖面觀測(cè)數(shù)據(jù)中的結(jié)構(gòu)化信息以表格形式存儲(chǔ)于PostgreSQL。帶有空間位置屬性的Argo浮標(biāo)空間信息、觀測(cè)剖面空間信息以及浮標(biāo)軌跡信息等則從Argo浮標(biāo)元數(shù)據(jù)和剖面觀測(cè)文件中抽取存放在PostGIS中。這種混合數(shù)據(jù)庫(kù)架構(gòu)的存儲(chǔ)模式充分發(fā)揮了分布式文件系統(tǒng)和空間數(shù)據(jù)庫(kù)各自的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)Argo資料結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)和一體化管理，其高可擴(kuò)展性也為日益遞增的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提供了硬件級(jí)的彈性擴(kuò)展能力。

圖7 Argo資料混合存儲(chǔ)架構(gòu)Fig.7 Architecture of mixed storage for Argo data

3.3 平臺(tái)應(yīng)用

西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境智能服務(wù)平臺(tái)于2016年10月10日起在中國(guó) Argo 實(shí)時(shí)資料中心部署并試運(yùn)行服務(wù)，已穩(wěn)定運(yùn)行1年，具備了對(duì)外業(yè)務(wù)化運(yùn)行的能力，用戶(hù)可以通過(guò)訪問(wèn)西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境智能服務(wù)系統(tǒng)，查詢(xún)檢索臺(tái)風(fēng)海域Argo資料及其衍生數(shù)據(jù)產(chǎn)品。具體的用戶(hù)使用流程如圖8所示。例如對(duì)于某個(gè)感興趣的臺(tái)風(fēng)軌跡點(diǎn)，用戶(hù)可快速查詢(xún)到前后10天附近海域300 km范圍內(nèi)的浮標(biāo)分布（圖9）；顯示相應(yīng)浮標(biāo)的動(dòng)態(tài)漂移軌跡（圖10）；同時(shí)可以把最近時(shí)刻的 SST大面分布進(jìn)行疊加顯示分析；對(duì)于查詢(xún)到的浮標(biāo)資料，用戶(hù)可實(shí)時(shí)繪制溫、鹽度剖面圖，并對(duì)剖面資料進(jìn)行下載；對(duì)于衍生數(shù)據(jù)產(chǎn)品，用戶(hù)可根據(jù)數(shù)據(jù)產(chǎn)品類(lèi)型、各種時(shí)間尺度等不同需求組合查詢(xún)查看溫、鹽度網(wǎng)格化產(chǎn)品。

圖8 西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境智能服務(wù)系統(tǒng)用戶(hù)使用流程Fig.8 Usage flow of real-time ocean environment smart platform for typhoon genesis region in northwestern Pacific Ocean

圖9 臺(tái)風(fēng)附近浮標(biāo)的快速查詢(xún)Fig.9 Rapid inquiry near typhoon

圖10 浮標(biāo)漂移軌跡的顯示Fig.10 Display of drifting trajectory of profiling float

4 展望與前景

Argo 計(jì)劃的核心目標(biāo)是觀測(cè)與氣候變化密切相關(guān)的海洋信息，包括海洋溫度與熱容量、鹽度和淡水容量、相對(duì)于總海平面的海面比容高度，以及大尺度環(huán)流等的區(qū)域性和全球變化。Argo資料的成功應(yīng)用大大加深了對(duì)臺(tái)風(fēng)活動(dòng)的認(rèn)識(shí)。利用Argo剖面浮標(biāo)，我們有能力對(duì)臺(tái)風(fēng)海域海洋環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，從而可以大范圍、長(zhǎng)時(shí)間、高分辨率和實(shí)時(shí)地獲取臺(tái)風(fēng)天氣條件下的上層海洋環(huán)境資料。這些數(shù)據(jù)源對(duì)發(fā)展和完善海洋與臺(tái)風(fēng)相互作用的理論方法、耦合數(shù)值模式等相關(guān)基礎(chǔ)研究具有重要意義。

在聯(lián)合國(guó)政府間海洋學(xué)委員會(huì)決議（XX-6和XLI-4）-Argo計(jì)劃框架下，以及在國(guó)際Argo組織（國(guó)際Argo指導(dǎo)組、國(guó)際Argo資料管理小組、國(guó)際 Argo信息中心）的協(xié)調(diào)和指導(dǎo)下，中國(guó) Argo計(jì)劃擬在鄰近的西北太平洋臺(tái)風(fēng)多發(fā)海區(qū)構(gòu)建一個(gè)實(shí)時(shí)海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)。根據(jù)過(guò)去50年西北太平洋熱帶氣旋出現(xiàn)頻率的分布，選取 10°N～23°N、123°E～140°E包圍的區(qū)域作為海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)海區(qū)；并建成一個(gè)由約30～45個(gè)自動(dòng)剖面浮標(biāo)（具有雙向通訊功能）組成的西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)，每年需補(bǔ)充布放的浮標(biāo)數(shù)量約30個(gè)，形成對(duì)深海大洋長(zhǎng)期、連續(xù)、高時(shí)空分辨率和高精度觀測(cè)的能力，為促進(jìn)臺(tái)風(fēng)研究和提高臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)水平提供充足的數(shù)據(jù)源。

西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建設(shè)目標(biāo)主要是為了獲取臺(tái)風(fēng)海域大洋表層到中層（約2 000 m），甚至到深層（約6 000 m）范圍內(nèi)的溫、鹽度剖面資料。通過(guò)北斗或銥衛(wèi)星及時(shí)調(diào)整浮標(biāo)觀測(cè)參數(shù)，以獲取更多的加密觀測(cè)資料，并建立浮標(biāo)信息接收專(zhuān)線，為海洋/氣象業(yè)務(wù)中心及研究院所提供實(shí)時(shí)/準(zhǔn)實(shí)時(shí)的Argo資料；同時(shí)西北太平洋臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境智能服務(wù)平臺(tái)旨在為國(guó)內(nèi)相關(guān)研究項(xiàng)目或海洋、氣象服務(wù)部門(mén)提供更加豐富的臺(tái)風(fēng)海域?qū)崟r(shí)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)與信息服務(wù)，以便幫助科學(xué)家了解大尺度實(shí)時(shí)海洋的變化，提高天氣和海洋預(yù)報(bào)的精度，有效防御臺(tái)風(fēng)給人類(lèi)造成的威脅。