2009–2012年南海海洋斷面科學考察走航ADCP海流觀測數據集

2009–2012年南海海洋斷面科學考察走航ADCP海流觀測數據集
作者：楊遠征　徐超　李莎　何雲開
2019年9月27日

本作品收錄於《中國科學數據》

楊遠征, 徐超, 李莎, 何雲開. 2009–2012年南海海洋斷面科學考察ADCP海流觀測數據集[J/OL]. 中國科學數據, 2019, 4(3). (2019-05-13). DOI: 10.11922/csdata.2019.0006.zh.

摘要&關鍵詞

摘要：在2009–2012年南海海洋斷面科學考察的4個航次中，利用船載Ocean Surveyor 38kHz（簡稱OS38）型和Vessel-Mounted 300kHz（簡稱VM300）型聲學多普勒流速剖面儀（英文簡稱ADCP）採集了經緯度、觀測層、東分量、北分量、流速、流向、探頭溫度等數據。通過ADCP自帶軟件WinADCP導出觀測數據，並使用系統誤差訂正和常規檢驗等質量控制手段對不合理的海流資料進行修正、剔除，形成本數據集，給海洋理論研究、熱帶海洋環境研究、海洋資源開發與利用等行業提供了基礎資料。

關鍵詞：ADCP；海流；南海；斷面

Abstract & Keywords

Abstract: The longitude and latitude, observation layer, East component, North component, current velocity, flow direction and probe temperature data were collected by using ship-mounted Ocean Surveyor 38kHz (OS38) and Vessel-Mounted 300kHz (VM300) Acoustic Doppler Current Profilers (ADCP) during the four cruises of Scientific investigation over the South China Sea from 2009 to 2012. The observation data is exported by WinADCP software of ADCP, and the data sets is formed by quality control means such as system error correction and routine test. The dataset provides basic information for marine theory research, tropical marine environment research, marine resources development and utilization, and other industries.

Keywords: ADCP; Ocean current; the South China Sea; section

數據庫（集）基本信息簡介

數據庫（集）名稱	2009–2012年南海海洋斷面科學考察走航ADCP海流觀測數據集
數據作者	楊遠征，徐超，李莎，何雲開
數據通信作者	楊遠征（yzyang@scsio.ac.cn）
數據時間範圍	2009–2012年
地理區域	中國南海（6°–18°N，108°–119.5°E）
數據量	198 MB
數據格式	*.doc
數據服務系統網址	http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/740
基金項目	中國科學院「十三五」信息化建設專項（XXH13505-03-105）；科技基礎資源調查專項（2017FY201400）；國家科技基礎條件平台項目（2005DKA32300）；科技基礎性工作專項（2008FY110100）。
數據集組成	數據集包括7個文件，分別為：2009年南海海洋科學斷面考察OS38型ADCP海流觀測數據集.doc，數據量33.6 MB；2009年南海海洋科學斷面考察VM300型ADCP海流觀測數據集.doc，數據量33.9 MB；2010年南海海洋科學斷面考察OS38型ADCP海流觀測數據集.doc，數據量24 MB；2010年南海海洋科學斷面考察VM300型ADCP海流觀測數據集.doc，數據量21.8 MB；2011年南海海洋科學斷面考察OS38型ADCP海流觀測數據集.doc，數據量30.6 MB；2012年南海海洋科學斷面考察OS38型ADCP海流觀測數據集.doc，數據量34.9 MB；2012年南海海洋科學斷面考察VM300型ADCP海流觀測數據集.doc，數據量19.2 MB。

Dataset Profile

Title	Ship-mounted ADCP observation dataset of scientific investigation over the South China Sea (2009 – 2012)
Data corresponding author	Yang Yuanzheng (yzyang@scsio.ac.cn)
Data authors	Yang Yuanzheng;,Xu Chao,,Li Sha,,He Yunkai,
Time range	2009 – 2012
Geographical scope	South china sea (6°N–18°N, 108°E–119.5°E)
Data volume	198 MB
Data format	*.doc
Data service system	<http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/740>
Sources of funding	The 13th Five-year Informatization Plan of Chinese Academy of Sciences (XXH13505-03-105); Investigation of basic resources of science and technology of China (2017FY201400); National Science and Technology Infrastructure Center of China (2005DKA32300); Basic Work of Science and Technology Project of China (2008FY110100).
Dataset composition	The dataset consists of the following seven files: Current observation dataset of OS38 ADCP of scientific investigation over the South China Sea in 2009.doc, with a data volume of about 33.6 MB; Current observation dataset of VM300 ADCP of scientific investigation over the South China Sea in 2009.doc,with a data volume of about 33.9 MB; Current observation dataset of OS38 ADCP of scientific investigation over the South China Sea in 2010.doc, with a data volume of about 24 MB; Current observation dataset of VM300 ADCP of scientific investigation over the South China Sea in 2010.doc,with a data volume of about 21.8 MB; Current observation dataset of OS38 ADCP of scientific investigation over the South China Sea in 2011.doc, with a data volume of about 30.6 MB; Current observation dataset of OS38 ADCP of scientific investigation over the South China Sea in 2012.doc, with a data volume of about 34.9 MB; Current observation dataset of VM300 ADCP of scientific investigation over the South China Sea in 2012.doc, with a data volume of about 19.2 MB.

引 言

中國南海不僅具有跨越熱帶和亞熱帶、毗鄰粵港澳大灣區和海上絲綢之路貿易的重要通道等優越的地理位置，而且具有油氣能源和生物資源等豐富的資源。南海典型斷面科學考察，在科學研究方面可為南海水文、氣象、生態、化學、地質等海洋學科的科學研究提供可靠的科學數據，在海洋環境保護方面可在科學合理開發利用該海域各類資源及海洋生態文明建設提供科學依據。因此，開展南海海洋斷面科學考察具有重要意義^[1]。2009–2012年南海海洋斷面科學考察遵照國家科技基礎性專項「南海海洋斷面科學考察」任務要求在南海設置18°N、10°N和6°N斷面，並設置沿東經113°一直到南沙群島（6–18°N）縱向斷面，在南海內部構建三橫一縱為主的觀測系統。圖1為2009–2012年南海海洋斷面科學考察站位圖。

圖片

圖1 2009–2012年南海海洋斷面科學考察站位圖

海流觀測是南海海洋斷面科學考察作業的重要內容之一，2009–2012年南海海洋斷面科學考察海流觀測採用的測量設備是聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profilers，以下簡稱ADCP）。ADCP是利用聲波在流動液體中的多普勒頻移來測流的海流觀測儀器，具有準確率高、分辨率高和操作方便的特點，並且得到了廣泛的應用，特別是許多國際性大型海洋調查研究項目都把ADCP作為觀測儀器^[2]。近年來，中國科學院南海海洋研究所逐年增加了南海海洋科學考察航次，除了南海海洋斷面科學考察航次外，南海北部海洋觀測開放航次自2004年以來累積了大量的ADCP現場海流觀測數據。在數據採集時間上，南海北部海洋觀測開放航次ADCP海流觀測數據集是從2004年起每年夏末秋初（8–9月）常態化進行觀測^[3][4]。雖然南海海洋斷面科學考察ADCP海流觀測數據集只有四年的數據積累，但南海的環流具有明顯的季節性特徵^[5]，因此具有4個不同季節的南海海洋斷面科學考察ADCP海流觀測數據集為深入開展季風氣候控制下的熱帶海洋環境演變過程的科學研究提供了可靠的數據支持。在觀測區域上，南海北部海洋觀測開放航次ADCP海流觀測數據集主要是在南海海洋北部海域獲取，而南海海洋斷面科學考察ADCP海流觀測數據集是在南海海洋斷面區域內獲取，觀測區域更廣，並且南海海洋斷面科學考察在南沙海域獲取了大量寶貴的連續的ADCP海流觀測數據，為南沙海域物理海洋的特徵變化及環流結構等科學研究提供數據基礎。

1 數據採集和處理方法

1.1 數據採集

2009–2012年南海海洋斷面科學考察ADCP海流觀測4個航次都由中國科學院南海海洋研究所「實驗3」號科學考察船實施。各航次數據採集時間見表1。

表1 2009–2012年南海海洋斷面科學考察各航次數據採集時間表

序號	航次	數據採集時間	空缺數據及其原因
1	2009年春季航次	2009年4月28日至6月20日	由於需返航三亞接第二階段考察隊員上船，5月4日至5月17日沒有執行考察作業
2	2010年秋季航次	2010年10月27日至11月28日	由於強東北季風南下，10月27日至11月5日無法執行考察，11月6日才開始作業至11月23日結束
3	2011年冬季航次	2011年11月28日至2012年1月12日	由於受天氣影響，2011年12月24日至12月29日沒有進行考察作業，並在2012年1月2日提前結束
4	2012年夏季航次	2012年8月7日至9月12日	由於受熱帶氣旋影響，8月16日至8月18日中斷了數據採集作業

（1）2009年4月28日至6月20日執行春季航次考察，由於需返航三亞接第二階段考察隊員上船，5月4日至5月17日沒有執行考察作業；此次科考春季航次主要航行路線：113°E斷面從北到南，6°N斷面從東到西，由於KJ57站較靠近陸地，被取消考察，10°N斷面從KJ58站位開始由西到東考察，18°N斷面從西到東。

（2）2010年10月27日至11月28日執行秋季航次考察，由於強東北季風南下，10月27日至11月5日無法執行考察，11月6日才開始作業至11月23日結束；此次科考秋季航次主要航行路線：113°E斷面從北到南，6°N斷面從東到西，10°N斷面從西到東，由於外國船隻干擾，KJ59站被取消考察，18°N斷面從東到西。

（3）2011年11月28日至2012年1月12日執行冬季航次考察，由於受天氣影響，2011年12月24日至12月29日沒有進行考察作業，並在2012年1月2日提前結束；此次科考冬季航次主要航行路線：113°E斷面從北到南穿越南海，由於天氣原因，未考察113°E斷面上的KJ22站位至KJ28站位；6°N斷面從東到西，由於天氣原因，未考察此斷面上的KJ56站位；10°N斷面放棄KJ57站位考察從KJ58站位開始由西到東，由於天氣原因，未考察此斷面上的KJ62站位至KJ65站位及KJ68站位至KJ75站位；18°N斷面只考察了KJ20站位就結束了冬季考察航次。

（4）2012年8月7日至9月12日執行夏季航次考察，由於受熱帶氣旋影響，8月16日至8月18日中斷了數據採集作業；此次科考夏季航次主要航行路線：18°N斷面從東到西至KJ17站位時，由於西太平洋有颱風生成，先到10°N斷面的東面KJ75站開始由東往西調查；6°N斷面從KJ56站由東往西；113°E斷面從南到北完成此斷面調查後到KJ18站完成18°N斷面最後三站的調查。

每個航次採樣使用美國TRDI公司OS38型和VM300型ADCP，OS38 型ADCP工作頻率為38 kHz，寬帶工作方式，最大觀測深度1000 m。VM300型ADCP工作頻率為300 kHz，窄帶工作方式，最大觀測深度200 m。

1.2 資料整理

ADCP原始觀測數據參考《GB/T12763-2007海洋調查規範 第7部分海洋調查資料交換》^[6]第6.2.3節的方法以及通過ADCP自帶軟件WinADCP^[7]設置相關參數導出整個斷面所有剖面的數據後，並進一步處理得到各航次海流觀測的經緯度、觀測層、東分量、北分量、流速、流向、探頭溫度等信息，整理2009–2012年南海海洋科學斷面考察ADCP海流觀測數據集。具體步驟如下：

（1）通過ADCP自帶軟件WinADCP設置相關參數將ADCP原始二進制數據導出MAT文件格式的數據，用於數據後處理和質量控制。首先，公共參數主要是在「WinADCP Chart Options」菜單下的「Profile」、「Series」、「Ancillary」和「Processing」功能模塊下進行設置；其次，導出參數主要通過「Export」菜單下的「Series/Ancillary」選項設置，其中「File Type」選「MAT」、「Bins」選「All」、「Series Data Types」下的「Velocity」選項全選、「Anc Data Types」選「Temperature」和「Depth」、「Bottom Track」選「Mag」和「Dir」和「Navigation」選「Lat/Lon」等。

（2）將導出的MAT文件進一步轉換成ASCLL數據格式文件，並對資料的各要素進行初步的質量控制，主要是剔除航跡經緯度數值為30000的資料，以及剔除流速或流向的數值為−32768的資料；ASCII標準數據格式文件中，剔除不符合編碼規定的可疑數據，詳見第3章。

（3）ADCP數據標準化處理，主要是將數據統一轉換成doc格式，並規範文件命名。文件命名由每個年份航次及相應型號ADCP數據組成，如文件「2009年南海海洋科學斷面考察OS38型ADCP海流觀測數據集」指2009年南海海洋科學斷面考察OS38型ADCP觀測數據，該文件是由數據記錄年月、記錄間隔時間和觀測層深度命名的數據組成，如「200905_LTA_30min_38」，指2009年05月調查航次OS38型ADCP觀測數據，「38」指38 m層觀測的數據，「LTA」是記錄間隔標識，「30min」指記錄間隔為30分鐘。

2 數據樣本描述

本數據集是國家科技基礎性工作專項南海海洋斷面科學考察項目通過2009年春季、2010年秋季、2011年冬季、2012年夏季4個航次採集並經過處理的ADCP海流觀測數據集。本數據集有2種型號ADCP海流觀測數據：（1）OS38型ADCP觀測60層，層間隔16 m，第一層深度38 m，記錄間隔30 min；（2）VM300型ADCP觀測54層，層間隔4 m，第一層深度10 m，記錄間隔30 min。數據集參數包括日期、時間、緯度、經度、觀測層、東分量、北分量、流速、流向、探頭溫度。表2列出了數據集中各參數的名稱、單位和樣例數據等信息。

表2 ADCP數據參數和樣例數據

序號	參數	用法和意義	單位	樣例數據
1	日期	數據測量日期，格式為yyyymmdd	-	20090502
2	時間	數據測量時間，格式為hhmmss	-	233012
3	緯度	數據測量時緯度	°N	18.224
4	經度	數據測量時經度	°E	109.477
5	觀測層	數據觀測層深度	m	38
6	東分量	海流東分量速度	cm/s	−0.70
7	北分量	海流北分量速度	cm/s	−11.30
8	流速	海流流速	cm/s	11.30
9	流向	海流流向	°	183.5
10	探頭溫度	觀測儀器探頭溫度	℃	26.96

3 數據質量控制和評估

在數據採集過程中，會受到船速、儀器、海況以及ADCP參數設定等因素的影響^[8]。為確保ADCP觀測資料的質量，使用了系統誤差訂正和常規檢驗等質量分析和控制方法。ADCP數據的質量控制方面主要是對速率誤差和方向誤差（即為系統誤差）進行修正^[9]。

（1）方向誤差主要是採集的數據由ADCP觀測儀器坐標系轉換為地理坐標系過程中引入旋轉角度誤差（主要來源於ADCP傳感器安裝角度偏差和羅經測量的航向誤差）^[10]。為了避免方向誤差，在每個航次考察初期，考察船以固定10節的航速走閉合圈進行走航ADCP自檢觀測，圖2為OS38型走航ADCP在54 m水層自檢觀測海流圖，圖3為VM300型走航ADCP在50 m水層自檢觀測海流圖。從海流觀測圖分析，2台走航ADCP傳感器在考察船上的安裝角度及羅經校對理想，認為使用這2台ADCP觀測的海流數據質量可靠，數據可以使用。若自檢的海流觀測圖的海流流向在閉合圈上基本不一致，那麼ADCP傳感器安裝角度存在偏差，需通過用ADCP自帶軟件VmDas^[11]軟件的Reprocess Data功能設置Transform菜單中的ADCP Alignment Correction參數對觀測資料進行安裝角度訂正處理。另外，由於考察船突然轉向、加速與減速時會導致羅經產生所謂的衝擊誤差，這個誤差在資料處理中是不能訂正的^[12]。因此，為了確保觀測資料的質量，在數據採集過程中，儘量避免了考察船突然轉向、急加速和減速。

圖片

圖2 OS38走航ADCP自檢觀測（54 m水層）

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圖3 VM300走航ADCP自檢觀測（50 m水層）

（2）剔除沒有記錄到同步GPS資料以及由於水深超出底跟蹤深度範圍導致測得船速為0的資料。2011年冬季航次由於VM300型ADCP的GPS損壞，沒有記錄到同步的GPS資料，不能夠處理出實際海流流速、流向數據，造成該航次的VM300型ADCP的海流觀測數據空缺。

（3）南海海洋斷面科學考察ADCP海流觀測是ADCP在底跟蹤和GPS跟蹤模式下進行作業的。ADCP測得流速是海水相對於船體的速度，因此船速的準確度影響數據的質量。底跟蹤模式下測得船速是通過跟蹤水底的「運動」測量的，精度可達到1 cm/s^[13]，而且該誤差在數據處理過程中能被消除，因此底跟蹤模式測得船速無需進行系統誤差校正。GPS跟蹤模式下測得船速受海況等環境因素和人為操縱船隻因素等影響^[8]，因此GPS跟蹤模式下必須要進行系統誤差的校正和船速的訂正。本數據集最大觀測深度為982 m，符合OS38型ADCP最大測量底跟蹤深度（OS38型ADCP最大測量底跟蹤深度理論值為2 km，實際只有1 km左右）。因此，為了提高海流流速精度，採用底跟蹤觀測的船速數據，這樣無需進行船速誤差修正，利用ADCP自帶軟件WinADCP^[7]的processing功能處理出實際的海流數據。

（4）常規檢驗主要包括範圍檢驗、非法碼檢驗和連續性檢驗等。範圍檢驗：經度範圍超過108–122°E，緯度範圍超過4–24°N，水深小於0或大於1000 m，該數據錯誤；流速範圍超過−5～9 m/s，探頭溫度（水溫）超過−40～40℃，該數據可疑。非法碼檢驗：ASCII標準數據格式文件中，每一位編碼規定了可以出現的屬性有符號、字符和數字（包括空格），若文件中的編碼出現了不符合上述規定的屬性，該數據可疑。

另外，除了通過上述所描述的技術手段外，還結合該調查海域的歷史研究成果，對轉換得到的數據進行比對校驗。

4 數據使用方法和建議

本數據集是歷經4年共計4個不同季節的航次數據積累，為我國南海海洋的動力過程和海洋物理的特徵變化等海洋科學研究提供了寶貴的現場資料。

為方便使用，我們提供了數據集doc電子資料，用戶可以直接採用Microsoft Word程序瀏覽。

致 謝

本數據集的獲取得到中國科學院南海海洋研究所海洋科學考察船隊及「實驗3」號科學考察船隊所有成員的大力支持和幫助，在此表示感謝。

參考文獻

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數據引用格式

楊遠征, 徐超, 李莎, 何雲開. 2009–2012年南海海洋斷面科學考察ADCP海流觀測數據集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-03-08). DOI: 10.11922/sciencedb.740.