盧勇奪，陳劍橋，周東旭，劉喜惠，高志一

（1.國家海洋環(huán)境預(yù)報中心，北京 100081；2.福建省海洋預(yù)報臺，福建 福州 350003；3.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266001；4.中國環(huán)境監(jiān)測總站，北京 100012）

1 引言

開源海洋觀測數(shù)據(jù)是指涉海單位或個人將擁有的海洋觀測數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)或公共平臺發(fā)布，供他人或機構(gòu)免費共享的海洋觀測數(shù)據(jù)源。目前我國的開源海洋觀測數(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，如國家各類科技計劃或?qū)ｍ椨媱澤婧ｍ椖慨a(chǎn)生的海洋觀測數(shù)據(jù)，涉海高校和科研院所等機構(gòu)的海洋觀測科學(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)平臺等方式共享，例如我國國家海洋科學(xué)數(shù)據(jù)中心為國內(nèi)外社會公眾、科研人員和部門等提供的標準統(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、日本、韓國及我國臺灣地區(qū)等早在20 世紀80年代起就逐步開展了海洋觀測數(shù)據(jù)共享，如美國國家浮標數(shù)據(jù)中心（National Data Buoy Center，NDBC），除危害國家安全和影響政務(wù)等數(shù)據(jù)外，公益性海洋觀測數(shù)據(jù)都可公開或共享。對我國而言，開源海洋觀測數(shù)據(jù)是對我國政府實施的全球海洋立體觀測網(wǎng)工程的有益補充，提升海洋觀測覆蓋海域的范圍、密度和頻次等對提高我國海洋災(zāi)害應(yīng)急能力、促進我國海洋科學(xué)和氣候變化研究等領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義[6-8]。開源海洋觀測數(shù)據(jù)中的實時或近實時數(shù)據(jù)對我國海洋環(huán)境預(yù)報和預(yù)警能力的提升也有非常重要的意義，例如為海洋實況分析、災(zāi)害預(yù)警、數(shù)據(jù)同化、預(yù)報檢驗和數(shù)據(jù)校準等提供更豐富的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。

臺灣是我國最大的島嶼，位于中國東南沿海的大陸架上，東臨太平洋，西隔臺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。臺灣海上運輸、涉海旅游和科技等比較發(fā)達，但也是我國遭受海洋災(zāi)害最嚴重的地區(qū)之一。臺灣氣象局負責(zé)臺灣及周邊海域的臺風(fēng)監(jiān)測和海洋觀測等業(yè)務(wù)，并通過網(wǎng)站對公眾發(fā)布臺風(fēng)預(yù)警、海洋預(yù)警報和近實時海洋觀測信息等。

近年來，我國海洋經(jīng)濟快速發(fā)展，但沿海地區(qū)海洋災(zāi)害風(fēng)險也日益突出，海洋防災(zāi)減災(zāi)形勢十分嚴峻[9]。據(jù)《中國海洋災(zāi)害公報》數(shù)據(jù)，2019 年各類海洋災(zāi)害給我國沿海地區(qū)造成直接經(jīng)濟損失約117億元，死亡（含失蹤）22 人；風(fēng)暴潮是造成直接經(jīng)濟損失最嚴重的海洋災(zāi)害，占總直接經(jīng)濟損失的99%，而人員死亡（含失蹤）全部是由海浪災(zāi)害造成的。福建—臺灣海域是我國受海洋災(zāi)害最嚴重的地區(qū)之一，據(jù)《福建海洋災(zāi)害公報》（2019）[10]，近五年海洋災(zāi)害造成直接經(jīng)濟損失約65 億元，死亡（含失蹤）合計65人。據(jù)《2018年福建省海洋災(zāi)害公報》數(shù)據(jù)[11]，2018 年08 號臺風(fēng)“瑪莉亞”和22 號臺風(fēng)“山竹”引發(fā)的風(fēng)暴潮災(zāi)害損失達11.4 億元，占當(dāng)年海洋災(zāi)害直接經(jīng)濟損失的98.83%，而冷空氣或強對流天氣引發(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，造成11 人失蹤。因此，增強海洋觀測能力，進一步補充福建—臺灣海域的海洋立體觀測網(wǎng)絡(luò)，對提升該海域的海洋災(zāi)害應(yīng)對能力具有非常重要的意義。

本文通過分析臺灣氣象局網(wǎng)站發(fā)布的近實時海洋觀測數(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)過數(shù)據(jù)處理后將站點信息、觀測時間和要素觀測值等信息存入數(shù)據(jù)中，為海洋預(yù)警報產(chǎn)品制作和評估提供數(shù)據(jù)支撐；以臺灣馬祖浮標數(shù)據(jù)為例，利用海洋觀測網(wǎng)的福建NO4 浮標開展數(shù)據(jù)比對工作，評估所獲取數(shù)據(jù)的可用性，為浮標數(shù)據(jù)在海洋環(huán)境預(yù)報和涉?？茖W(xué)研究等領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

2 數(shù)據(jù)采集對象概況

獲取臺灣氣象局發(fā)布的海洋浮標實時觀測數(shù)據(jù)需進入三級專題網(wǎng)頁——即時海況。臺灣海洋浮標站位共26 個，公開信息包括浮標位置、所屬機構(gòu)、觀測時間、觀測要素和位置描述等，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為時間間隔。

3 數(shù)據(jù)采集策略

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

臺灣氣象局即時海況專題網(wǎng)頁提供Web service 接口，我們采用此接口采集所需的海洋數(shù)據(jù)，并對其進行抽取、清理和轉(zhuǎn)換后寫入本地數(shù)據(jù)庫。本地數(shù)據(jù)庫包含基礎(chǔ)信息表和觀測數(shù)據(jù)表?；A(chǔ)信息表用于存儲相關(guān)機構(gòu)海洋觀測數(shù)據(jù)的基本信息，關(guān)鍵字段包括站點類型、所屬機構(gòu)、經(jīng)緯度位置、觀測要素和觀測時間等；觀測數(shù)據(jù)表用于存儲采集到的相關(guān)海洋數(shù)據(jù)，關(guān)鍵字段包括站位編號、觀測時間、有效波高、波周期、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫和水溫等。

4 浮標數(shù)據(jù)處理與分析

我們以采集到的臺灣氣象局馬祖浮標數(shù)據(jù)為對象，利用相近海域的福建NO4 浮標數(shù)據(jù)進行對比分析研究。兩浮標都位于臺灣北部海域，相距僅約40 km，可視為同一海域，以觀測時間相同為條件進行匹配，對2021年5月1日—7月31日（共計2208個時次）期間的海洋觀測數(shù)據(jù)進行分析研究，探討臺灣海洋觀測數(shù)據(jù)的準確性和在我國海浪預(yù)警報和科學(xué)研究中的可用性。

為檢驗分析結(jié)果，本文選取臺灣馬祖浮標與福建NO4 浮標數(shù)據(jù)的平均偏差（Bias）、均方根（Root Mean Square，RMS）、相關(guān)系數(shù)（Corr）作為評價因子[12]。各因子具體計算如下：

式中，xi表示臺灣馬祖浮標要素觀測值；yi表示與之對應(yīng)的福建NO4浮標要素觀測值；n表示數(shù)據(jù)個數(shù)。

以福建NO4 浮標與臺灣馬祖浮標同步的相同觀測要素為研究對象，利用浮標監(jiān)測行業(yè)規(guī)范進行數(shù)據(jù)質(zhì)量判別[13]，剔除兩浮標缺測的時次數(shù)據(jù)，包括兩者都缺測和單個浮標缺測的情況，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 浮標觀測數(shù)據(jù)為橫坐標，以臺灣馬祖浮標觀測數(shù)據(jù)為縱坐標，做出兩浮標匹配數(shù)據(jù)的散點圖，具體結(jié)果見圖1。為了定量分析臺灣馬祖浮標數(shù)據(jù)質(zhì)量，我們計算了兩個浮標數(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 浮標與臺灣馬祖浮標主要要素的散點分布。風(fēng)速散點分布相對集中而均勻，主要集中于對角線上側(cè)，離散點較為零星，相關(guān)系數(shù)約為0.89，臺灣馬祖浮標風(fēng)速觀測相對福建NO4偏小，偏差為1.23 m/s；最大風(fēng)速散點則集中分布在對角線兩側(cè)，平均偏差僅為0.14，相關(guān)系數(shù)與風(fēng)速相當(dāng)，說明兩浮標最大風(fēng)速觀測比風(fēng)速更為一致。氣壓要素散點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)來看，系數(shù)為1，常數(shù)僅為0.072 6，擬合曲線基本與對角線重合，可有效說明兩者氣壓觀測一致。氣溫散點分布集中，基本位于擬合曲線兩側(cè)，其中在小于25 ℃時，臺灣馬祖浮標偏小，大于25 ℃時，觀測較為一致，相關(guān)系數(shù)約為0.97。海表水溫與氣溫散點分布特點大體相同，但分布點更為集中，這是由于水溫比氣溫變化更小。有效波高散點基本均勻分布于對角線兩側(cè)，尤其是小于3 m時分布更為集中，相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)約為0.97，均方根為0.21，在我國浮標波高觀測允許誤差0.3 m范圍以內(nèi)；有效波周期散點分布較為集中而均勻，散點分布于對角線上方，福建NO4浮標相對偏大。

圖1 福建NO4浮標與臺灣馬祖浮標觀測數(shù)據(jù)比對散點圖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浮標與臺灣馬祖浮標觀測數(shù)據(jù)對比結(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 浮標與臺灣馬祖浮標在202106 號臺風(fēng)“煙花”過境此海域的同步觀測結(jié)果，可以較好地展示兩浮標在臺風(fēng)期間的觀測性能。臺風(fēng)“煙花”過境期間，馬祖浮標觀測的海表風(fēng)速總體小于福建NO4 浮標，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)速的同步觀測結(jié)果一致。曲線走向也較為一致，這說明在臺風(fēng)“煙花”期間兩浮標對海表最大風(fēng)速的監(jiān)測更為有效。海表氣壓同步觀測曲線近乎重合，說明兩浮標在此海域可相互替代或備份。臺灣馬祖浮標的海表氣溫和海表水溫比福建NO4 浮標變化起伏更大，甚至存在部分奇異值，而福建NO4 浮標曲線平滑而無奇異值，從物理意義上，我們認為福建NO4 浮標的海表氣溫和海表水溫監(jiān)測更為可信。圖2f 很好揭示了臺風(fēng)“煙花”過境此海域時有效波高的變化過程，兩浮標曲線走向一致且結(jié)果相近，其中臺灣馬祖浮標在有效波高較大時震蕩更大。兩浮標有效波周期曲線走向一致但相互分離無交叉，臺灣馬祖浮標觀測結(jié)果更小。這是由于臺灣馬祖浮標呈圓形，直徑約3.7 m，福建NO4 浮標呈圓形，直徑約10 m，浮標直徑的不同使得其隨海面起伏不同，這種情況在高海況時更為明顯，臺灣馬祖浮標波高觀測由于臺風(fēng)過境而震蕩更大。

圖2 （續(xù)）Fig.2 （Continued）

圖2 福建NO4浮標（）與臺灣馬祖浮標（）對臺風(fēng)“煙花”（202106）的同步觀測曲線圖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）

總體來說，臺灣馬祖浮標的觀測結(jié)果與福建NO4浮標的觀測結(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，202106 號臺風(fēng)“煙花”過境期間兩浮標同步觀測結(jié)果也較為一致，說明臺灣馬祖浮標數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，可以有效補充我國福建—臺灣海域的浮標觀測數(shù)據(jù)，進一步提升此海域的海洋觀測預(yù)警報和海洋科學(xué)研究能力。

5 結(jié)論與展望

本文針對臺灣氣象局網(wǎng)站發(fā)布的海洋實時數(shù)據(jù)，通過Web service 方式開展數(shù)據(jù)采集與存儲。在此基礎(chǔ)上，利用2021 年5 月1 日—7 月31 日海洋浮標觀測網(wǎng)的福建NO4 浮標和臺灣氣象局的臺灣馬祖浮標的觀測數(shù)據(jù)，開展了主要觀測要素的對比工作。結(jié)論如下：福建NO4 浮標和臺灣馬祖浮標的風(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數(shù)據(jù)散點分布相對集中而均勻，相關(guān)系數(shù)較高，大都在0.9 以上。202106 號臺風(fēng)“煙花”期間，兩浮標同步觀測曲線走向較為一致，說明臺灣馬祖浮標與福建NO4 浮標觀測性能相近，其數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，準確性高，具有較好的可用性，可服務(wù)于東海海域尤其是福建—臺灣海域的海洋預(yù)警報業(yè)務(wù)及相關(guān)涉海研究。

在下一步研究中，我們將針對更長時間序列，尤其是臺風(fēng)過程的臺灣海洋浮標數(shù)據(jù)進行有效對比研究，分析探討其數(shù)據(jù)在我國海浪預(yù)警報業(yè)務(wù)中的適用性，為提升我國及周邊海域的海洋數(shù)據(jù)應(yīng)用處理能力、積極推動海洋數(shù)據(jù)融合研究、加強我國海洋防災(zāi)減災(zāi)能力和海洋科學(xué)研究水平等提供參考。