海上絲綢之路長江口三錨式浮標綜合觀測平台2018–2019年剖面觀測數據集

海上絲綢之路長江口三錨式浮標綜合觀測平台2018–2019年剖面觀測數據集
作者：王旭　賈思洋　劉長華　王春曉　王彥俊
2020年1月2日

本作品收錄於《中國科學數據》

王旭, 賈思洋, 劉長華, 等. 海上絲綢之路長江口三錨式浮標綜合觀測平台2018–2019年剖面觀測數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019. (2020-01-02). DOI: 10.11922/csdata.2019.0079.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：長江口是海上絲綢之路的重要經濟體和海洋科學研究熱點區域。中國科學院近海海洋觀測研究網絡東海站在該區域布放了國內首套直徑15米超大型三錨式浮標綜合觀測平台，對我國長江口–舟山群島海域（30°27′32.6″N，120°14′25.22″E）進行海表氣象–下水淺層水質水文–水下剖面數據的實時觀測，並獲取了該區域為期14個月寶貴的連續觀測數據。本圖集對其中最為重要的剖面數據進行了整理。為了更好地利用這些觀測數據，我們採用規範的數據處理方法和質量控制體系對這些剖面觀測數據進行處理和質量控制，為建立涵蓋海洋大氣、海洋表層、水體剖面和海底的全尺度觀測體系彌補了關鍵一環，為我國海洋科學基礎研究、防災減災等提供了更加豐富、完備的數據支撐。

關鍵詞：長江口；東海；三錨式；浮標；剖面觀測

Abstract & Keywords

Abstract: The Yangtze estuary is an important economic and marine science research hotspot along the Maritime Silk Road. The East China Sea Ocean Observation and Research Station developed the three-anchor buoy integrated observation platform with a diameter of 15 meters. It carries out real-time observation of the sea meteorology, shallow data and underwater profile data of the Yangtze estuary and Zhoushan islands (30°27'32.6"N, 120°14'25.22"E). And the data of 14 consecutive months has been collected. The dataset collated the profile data. In order to further use these data, we process them with standard data processing methods and quality control system. This provides a key link in building a full scale observation system covering the ocean atmosphere, ocean surface, water profile and seabed. Also, this will provide more abundant and complete data support for basic research of Marine science and disaster prevention and reduction in China.

Keywords: Yangtze estuary; East China Sea;  three-anchor type;  observation buoy; profile observation

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	海上絲綢之路長江口三錨式浮標綜合觀測平台2018−2019年剖面觀測數據集
數據作者	王旭、賈思洋、劉長華、王春曉、王彥俊
數據通信作者	劉長華（lch@qdio.ac.cn）
數據時間範圍	2018年8月15日至2019年10月28日
地理區域	長江口–舟山群島海域（30°27′32.6″N，120°14′25.22″E）
數據量	41037條，5.97 MB
數據格式	*.xlsx, *.fig
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/926
基金項目	國家自然科學基金（41876102）；中國科學院戰略性先導科技專項（XDA1906020303）；中國科學院科研儀器設備研製項目（YJKYYQ20170010）。
數據庫（集）組成	本數據集包含兩部分內容，其一為表格型原始數據，其二為時間尺度的數據圖形。表格型數據集名稱為「海上絲綢之路長江口三錨式浮標綜合觀測平台2018年~2019年剖面觀測數據集.xlsx」，共計41037條觀測數據，主要包含深度、剖面水溫、剖面鹽度、剖面溶解氧、剖面pH、剖面葉綠素、剖面濁度7個觀測參數。數據圖形為「海上絲綢之路長江口三錨式浮標綜合觀測平台2018年~2019年剖面觀測數據集.zip」，包括16張不同水深位置時間序列圖形，圖形格式為fig矢量圖，數據量為2.88 MB。

Dataset Profile

Title	A dataset of three-anchor buoy integrated observation platform in 2018~2019 on the Yangtze estuary of the maritime silk road
Data corresponding author	Liu Changhua (lch@qdio.ac.cn)
Data authors	Wang Xu, Jia Siyang, Liu changhua, Wang Chunxiao, Wang Yanjun
Time range	August 15, 2018 to October 28, 2019
Geographical scope	Yangtze estuary - zhoushan archipelago（30°27′32.6″N，120°14′25.22″E）
Data volume	41,037 entries, 5.97 MB
Data format	*.xlsx, *.fig
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/926>
Sources of funding	National Natural Science Foundation of China (41876102); Strategic Priority Research Program of Chinese Academy of Sciences (XDA1906020303); Research Equipment Development Project of Chinese Academy of Sciences (YJKYYQ20170010).
Dataset composition	The dataset contains two parts, one is the tabular original data, the other is the time-scale data graph. The tabular dataset is named as 「A dataset of three-anchor buoy integrated observation platform in 2018–2019 on the Yangtze estuary of the maritime silk road.xlsx」, with a data volume of 41,037 entries, these data include depth, water temperature, salinity, dissolved oxygen, pH, chlorophyll, turbidity. The image data recorded as 「A dataset of three-anchor buoy integrated observation platform in 2018–2019 on the Yangtze estuary of the maritime silk road.zip」, made up of 16 time series graphs of different water depth positions, These graphs format is FIG vector graph, with a data volume of 2.88 MB.

引 言

長三角作為古代絲綢之路東海航線的重要起點之一繁榮至今，新時代更是不斷推進長三角地區和舟山群島新區建設，加強上海、寧波–舟山等沿海城市港口建設，強化樞紐功能，其已成為21世紀海上絲綢之路（21st-Century Maritime Silk Road）建設的排頭兵和主力軍。

長江口及其鄰近海域是河流與海洋的過渡區域，水文和生態環境均受河流與海洋的共同影響，具有相對活躍且複雜的水動力環境，長江沖淡水、台灣暖流、沿岸上升流以及黑潮入侵等均是海洋科學研究者關注的研究熱點^[1]。再加上近年來日益嚴重的赤潮給長江口流域的資源環境帶來了嚴重災害，嚴重影響海洋資源利用與可持續發展的需要^[2]，因此明確長江口及其鄰近海域海洋生態環境特點及營養化形成機理，成為明確而迫切的國家需求。

海洋科學的創新發展很大程度上依賴於觀測能力的提升，海洋觀測是海洋科學發展的基礎和重要支撐^[3][4]，當前海洋觀測科學發展已經呈現由水面、海底向全水層的剖面觀測的趨勢，觀測範圍的拓展、觀測數據的實時性和準確性更是越來越受到海洋科學界的關注^[5][6]。中國科學院在創新三期部署建設的「中國科學院近海海洋觀測研究網絡」是兼顧區域特色和學科背景、兼具全面調查功能與專項研究功能的開放性海洋科學觀測研究網絡，為闡明中國近海的長期變化規律，發現新的海洋現象，揭示和預測在自然與人類活動雙重作用下海洋動力環境、水體環境、地質條件、生態系統的響應，為原創性理論的創立提供實測依據。中國科學院東海海洋觀測研究站（以下簡稱「東海站」）作為中國科學院近海海洋觀測研究網絡骨幹台站始建於2008年，一直致力於東海水文、海洋氣象和環境要素的長期、連續、同步、實時監測，提供滿足東海大生態系統對氣候變異響應研究需求的長期觀測數據，在精細時間尺度上記錄極端天氣過程和主要洋流對東海典型生境的作用。經過10多年的建設與發展，基本上形成在水平尺度上覆蓋範圍廣闊的東海觀測浮標陣列，在空間尺度上涵蓋海洋大氣、海洋表層、剖面水體和海底的全尺度觀測體系；構建完成我國東海海域海洋科學研究領域重要的海洋綜合研究與技術支撐平台^[7][8]。

本數據集基於2018年15日至2019年10月28日東海衢山島以西2.5海里位置的剖面水體的觀測數據，採用國內首套三錨式浮標綜合觀測平台進行剖面數據實時採集，主要包含深度、剖面水溫、剖面鹽度、剖面溶解氧、剖面pH、剖面葉綠素、剖面濁度7個觀測參數。本圖集包含原始數據表格1個，共計41037條剖面水體數據；還包含16張不同水深位置水溫和鹽度時間序列曲線圖形，圖形格式為.fig矢量圖。本數據集主要為研究長江口–舟山群島海洋生態系統結構及演變、赤潮形成機理的深入研究等提供基礎數據支撐，也可以為生態災害預報模式、政府決策等提供數據支撐。

1 數據採集和處理方法

1.1 觀測浮標信息

中國科學院近海海洋觀測研究網絡–東海站通過多年經驗積累，歷時近5年成功研製了直徑15米的超大型三錨式浮標綜合觀測平台（以下簡稱「三錨平台」），該平台是目前國內首套直徑最大、觀測參數最全、智能化程度最高的海上綜合觀測和試驗平台，為解決我國近海獲取實時、長期和連續的剖面水體數據的觀測技術難點，為建立涵蓋海洋大氣、海洋表層、剖面水體和海底全尺度觀測體系彌補了關鍵一環，是一種適應目前我國近海海洋觀測需求的創新性海洋綜合觀測平台^[8]。三錨平台布放於長江口偏南、舟山群島中部海域（30°27′32.6″N，120°14′25.22″E，圖1），水深約為12米，距離平台最近的島嶼為衢山島，平台位於該島以西2.5海里處。

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圖1 三錨式浮標綜合觀測平台布放位置

1.2 數據採集流程

三錨平台數據採集包含三大部分，除了本數據集中介紹的水體剖面觀測數據外，還有海表氣象數據、水下淺層常規觀測數據。海表氣象數據和水下淺層常規觀測數據通過目前普遍用於海洋浮標的常規數據採集器進行控制採集，並由CDMA、GPRS和北斗三種無線通信方式，實現海上浮標與地面陸基站的觀測數據傳輸。而剖面觀測數據由於水深和剖面層數設置影響導致數據結構複雜、數據量龐大，所以獨立於常規數據採集器，採用局域組網的方式實現，通過路由器和網管交換機將數據直接發送至岸基剖面數據接收系統（圖2）。絞車控制器通過訪問局域網的方式實現對三錨平台絞車遠程遙控，控制水下剖面觀測單元下降和上升並獲取數據，獲取的數據經過水下觀測單元的數控模塊初步處理後，通過無線數傳模塊和無線路由器發送至岸基水下剖面數據接收系統。岸基的數據接收軟件按照規定的網絡協議對數據包進行解析，得到可讀的科學數據。

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圖2 三錨平台剖面數據傳輸方案

1.3 數據處理

接收到的原始數據首先通過可視化界面進行實時顯示（圖3），以方便數據管理人員實時掌握傳感器工作狀態和海洋環境信息，並提供歷史數據查看等功能。原始數據數據同時上傳中國科學院近海海洋觀測研究網絡數據中心，數據中心根據參數類別建立數據庫，對原始數據進行分類管理，並對其進行數據質量控制，剔除明顯有悖事實的錯誤數據，最後通過審核流程向數據申請者提供數據服務。

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圖3 水下剖面數據接收與處理系統

2 數據樣本描述

本數據集包含表格型數據xlsx和圖形數據壓縮包zip。表格型數據首先按照時間序列排序，每個相同點次的時間內的數據再按照深度序列排序，共計41037條觀測數據（表1）。三錨平台剖面觀測單位按照設定的時間時序向下開始進行剖面數據採集工作，每下降1米即進行一次數據採集，獲取一條觀測數據，到達最深位置後再進行上升動作，上升過程中同樣按照每上升1米為單位進行數據採集。

表1 各浮標颱風觀測數據表內容

表內容序號	字段名稱	量綱	數據類型
1	採集時間	-	文本型
2	水溫	℃	數值型
3	電導率	S/m	數值型
4	壓力	hPa	數值型
5	鹽度	‰	數值型
6	水深	m	數值型
7	溶解氧	%	數值型
8	pH	-	數值型
9	葉綠素	μg/L	數值型
10	濁度	FTU	數值型

圖形壓縮文件包含按照層深統計的14個月的水溫和鹽度指標長時間序列圖形，共計16張曲線圖，圖形格式為fig，如圖4示例。

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圖4 第七層水溫數據曲線

3 數據質量控制和評估

由於平台布放於站位進行全天候長期觀測，多變複雜的海洋環境、傳感器自身的問題以及天氣造成的平台供電短缺問題等均會對數據質量產生重大影響。比如本數據集中2018年9月17日12:00開始數據出現缺失，由於天氣海況原因一直無法出海進行維護，直到10月11日技術人員到達浮標現場進行故障排除，11:00數據才得到恢復。這種由於傳感器造成的數據缺失現象普遍存在於數據集中，因此數據管理人員對數據進行了初步質量控制，剔除了確定無效的數據，並結合周圍海島氣象站、其他浮標站多年的統計數據，剔除明顯有悖事實的數據，但同時為最大程度的保留數據完整性，對於部分存在疑義的數據未進行剔除，各項觀測參數的技術指標見表2。

表2 剖面觀測設備技術指標

序號	觀測參數	觀測範圍	準確度	分辨率
1	水溫	−5～35℃	±0.005℃	0.0001℃
2	電導率	0～9 S/m	±0.0005 S/m	0.00005 S/m
3	深度	0～600 m	±0.1%	0.002%
4	濁度	0～1000 FTU	±0.02FTU	±2%
5	葉綠素	0～250 μg/L	±1%	0.01 μg/L
6	溶解氧	0%～120%	±2%	0.01%
7	pH	0～14	±0.1	0.01

自2018年8月15日14:00至16:00，人員登標試驗將採集頻率設為每1小時進行一次，2018年8月15日16:00至8月31日12:00為每4個小時一次，8月31日12:00至9月1日12:00為每小時一次，2018年9月1日12:00至2019年10月28日6:00均為每3小時一次。按照上述時間推算，應該接受數據為3511組，每組數據應該包含16條數據，所以按照時間序列三錨平台應該獲取56176條數據，而我們只獲取到41048條，其中有效數據只有41037條。造成數據接收缺失的原因主要有三方面因素：一是三錨平台智能控制功能發揮了作用，智能控制功能是三錨平台的核心技術手段，為保障剖面系統運行的安全性對風速、波高、流速設定一定閾值，如有任何一個參數超過該閾值則認定為不安全狀態，則剖面系統不工作（表3）；二是當底層流速相對活躍時，剖面系統下降到最底層還未來得及採集數據則隨不穩定流偏移測量深度，當壓力達不到測量深度時該組參數不進行採集；第三類原因則是由於連續陰雨天氣導致剖面絞車系統供電不足停止工作或絞車故障而造成的數據缺失，還有工作人員每兩個月到達平台現場將剖面系統提出水面進行例行檢查，主要包含更換電池、清理傳感器等，也會影響一定時序剖面參數的採集。

表3 通過智能判斷閾值停止絞車工作的部分案例

序號	絞車不工作時刻（年-月-日 T時：分）	'極大風速/'（m/s）	'最大波高/'m	'最大流速/'（m/s）	海況分析	備註
1	2019-06-17 21:00	6.80	0.20	1.71	流速≥1.6	大潮汛期間
2	2019-07-21 00:00	4.40	0.20	1.72	流速≥1.6	大潮汛期間
3	2019-07-31 21:00	9.4	0.20	1.90	流速≥1.6	大潮汛期間
4	2019-08-09 21:00	25.30	0.90	0.39	風速≥14.4	颱風「利奇馬」過境期間
5	2019-08-10 12:00	31.70	1.80	0.90	風速≥14.4波高≥1.6	颱風「利奇馬」過境期間
6	2019-09-06 21:00	19.90	1.90	1.60	風速≥14.4波高≥1.6流速≥1.6	颱風「玲玲」過境期間
7	2019-09-12 21:00	6.70	0.00	1.94	流速≥1.6	大潮汛期間
8	2019-09-21 18:00	22.80	1.50	1.00	風速≥14.4	颱風「塔巴」過境期間
9	2019-09-22 12:00	21.10	2.10	0.60	風速≥14.4波高≥1.6	颱風「塔巴」過境期間
10	2019-10-01 09:00	19.20	0.50	1.10	風速≥14.4	颱風「米娜」過境期間

註：表中加黑下劃線的數據即為超過設定閾值的數據。

4 數據價值

本數據展示的是國內首套三錨式浮標綜合觀測平台實時剖面觀測數據。該平台為目前國內觀測數據最全、智能化程度最高的海上綜合觀測和試驗平台，可對水體剖面環境的各項參數進行在線觀測並實時傳輸到岸站接收系統進行曲線展示和原始數據備份。該平台的應用解決了我國近海獲取實時、長期和連續的剖面水體數據的觀測技術難點，為建立涵蓋海洋大氣、海洋表層、剖面水體和海底的全尺度觀測體系彌補了關鍵一環，是一種適應目前我國近海海洋觀測需求的創新性海洋綜合觀測平台，提升了中國近海海洋觀測研究網絡的觀測能力，為我國海洋科學基礎研究、防災減災等提供了更加豐富、完備的數據支撐。

5 數據使用方法和建議

為了方便數據使用和查詢，本數據集的表格型數據首先按照時間排序，每個相同時間點次內進行一次剖面觀測，所以在相同時間點次內需按照深度由淺入深再到淺的深度序列進行排序。

致 謝

感謝中國科學院近海海洋觀測研究網絡黃海站、東海站所有工作人員的大力支持和付出。

參考文獻

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數據引用格式

王旭, 賈思洋, 劉長華, 等. 海上絲綢之路長江口三錨式浮標綜合觀測平台2018–2019年剖面觀測數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-12-25). DOI: 10.11922/csdata.2019.0079.zh.