海上丝绸之路长江口三锚式浮标综合观测平台2018–2019年剖面观测数据集
| 海上丝绸之路长江口三锚式浮标综合观测平台2018–2019年剖面观测数据集 作者：王旭 贾思洋 刘长华 王春晓 王彦俊 2020年1月2日 |
 王旭, 贾思洋, 刘长华, 等. 海上丝绸之路长江口三锚式浮标综合观测平台2018–2019年剖面观测数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2019. (2020-01-02). DOI: 10.11922/csdata.2019.0079.zh. |
摘要&关键词
编辑摘要：长江口是海上丝绸之路的重要经济体和海洋科学研究热点区域。中国科学院近海海洋观测研究网络东海站在该区域布放了国内首套直径15米超大型三锚式浮标综合观测平台，对我国长江口–舟山群岛海域（30°27′32.6″N，120°14′25.22″E）进行海表气象–下水浅层水质水文–水下剖面数据的实时观测，并获取了该区域为期14个月宝贵的连续观测数据。本图集对其中最为重要的剖面数据进行了整理。为了更好地利用这些观测数据，我们采用规范的数据处理方法和质量控制体系对这些剖面观测数据进行处理和质量控制，为建立涵盖海洋大气、海洋表层、水体剖面和海底的全尺度观测体系弥补了关键一环，为我国海洋科学基础研究、防灾减灾等提供了更加丰富、完备的数据支撑。
关键词：长江口；东海；三锚式；浮标；剖面观测
Abstract & Keywords
编辑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
数据库（集）基本信息简介
编辑| 数据库（集）名称 | 海上丝绸之路长江口三锚式浮标综合观测平台2018−2019年剖面观测数据集 |
| 数据作者 | 王旭、贾思洋、刘长华、王春晓、王彦俊 |
| 数据通信作者 | 刘长华（lch@qdio.ac.cn） |
| 数据时间范围 | 2018年8月15日至2019年10月28日 |
| 地理区域 | 长江口–舟山群岛海域（30°27′32.6″N，120°14′25.22″E） |
| 数据量 | 41037条，5.97 MB |
| 数据格式 | *.xlsx, *.fig |
| 数据服务系统网址 | http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/926 |
| 基金项目 | 国家自然科学基金（41876102）；中国科学院战略性先导科技专项（XDA1906020303）；中国科学院科研仪器设备研制项目（YJKYYQ20170010）。 |
| 数据库（集）组成 | 本数据集包含两部分内容，其一为表格型原始数据，其二为时间尺度的数据图形。表格型数据集名称为“海上丝绸之路长江口三锚式浮标综合观测平台2018年~2019年剖面观测数据集.xlsx”，共计41037条观测数据，主要包含深度、剖面水温、剖面盐度、剖面溶解氧、剖面pH、剖面叶绿素、剖面浊度7个观测参数。数据图形为“海上丝绸之路长江口三锚式浮标综合观测平台2018年~2019年剖面观测数据集.zip”，包括16张不同水深位置时间序列图形，图形格式为fig矢量图，数据量为2.88 MB。 |
Dataset Profile
编辑| 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
编辑长三角作为古代丝绸之路东海航线的重要起点之一繁荣至今，新时代更是不断推进长三角地区和舟山群岛新区建设，加强上海、宁波–舟山等沿海城市港口建设，强化枢纽功能，其已成为21世纪海上丝绸之路（21st-Century Maritime Silk Road）建设的排头兵和主力军。
长江口及其邻近海域是河流与海洋的过渡区域，水文和生态环境均受河流与海洋的共同影响，具有相对活跃且复杂的水动力环境，长江冲淡水、台湾暖流、沿岸上升流以及黑潮入侵等均是海洋科学研究者关注的研究热点[1]。再加上近年来日益严重的赤潮给长江口流域的资源环境带来了严重灾害，严重影响海洋资源利用与可持续发展的需要[2]，因此明确长江口及其邻近海域海洋生态环境特点及营养化形成机理，成为明确而迫切的国家需求。
海洋科学的创新发展很大程度上依赖于观测能力的提升，海洋观测是海洋科学发展的基础和重要支撑[3][4]，当前海洋观测科学发展已经呈现由水面、海底向全水层的剖面观测的趋势，观测范围的拓展、观测数据的实时性和准确性更是越来越受到海洋科学界的关注[5][6]。中国科学院在创新三期部署建设的“中国科学院近海海洋观测研究网络”是兼顾区域特色和学科背景、兼具全面调查功能与专项研究功能的开放性海洋科学观测研究网络，为阐明中国近海的长期变化规律，发现新的海洋现象，揭示和预测在自然与人类活动双重作用下海洋动力环境、水体环境、地质条件、生态系统的响应，为原创性理论的创立提供实测依据。中国科学院东海海洋观测研究站（以下简称“东海站”）作为中国科学院近海海洋观测研究网络骨干台站始建于2008年，一直致力于东海水文、海洋气象和环境要素的长期、连续、同步、实时监测，提供满足东海大生态系统对气候变异响应研究需求的长期观测数据，在精细时间尺度上记录极端天气过程和主要洋流对东海典型生境的作用。经过10多年的建设与发展，基本上形成在水平尺度上覆盖范围广阔的东海观测浮标阵列，在空间尺度上涵盖海洋大气、海洋表层、剖面水体和海底的全尺度观测体系；构建完成我国东海海域海洋科学研究领域重要的海洋综合研究与技术支撑平台[7][8]。
本数据集基于2018年15日至2019年10月28日东海衢山岛以西2.5海里位置的剖面水体的观测数据，采用国内首套三锚式浮标综合观测平台进行剖面数据实时采集，主要包含深度、剖面水温、剖面盐度、剖面溶解氧、剖面pH、剖面叶绿素、剖面浊度7个观测参数。本图集包含原始数据表格1个，共计41037条剖面水体数据；还包含16张不同水深位置水温和盐度时间序列曲线图形，图形格式为.fig矢量图。本数据集主要为研究长江口–舟山群岛海洋生态系统结构及演变、赤潮形成机理的深入研究等提供基础数据支撑，也可以为生态灾害预报模式、政府决策等提供数据支撑。
1 数据采集和处理方法
编辑1.1 观测浮标信息
编辑中国科学院近海海洋观测研究网络–东海站通过多年经验积累，历时近5年成功研制了直径15米的超大型三锚式浮标综合观测平台（以下简称“三锚平台”），该平台是目前国内首套直径最大、观测参数最全、智能化程度最高的海上综合观测和试验平台，为解决我国近海获取实时、长期和连续的剖面水体数据的观测技术难点，为建立涵盖海洋大气、海洋表层、剖面水体和海底全尺度观测体系弥补了关键一环，是一种适应目前我国近海海洋观测需求的创新性海洋综合观测平台[8]。三锚平台布放于长江口偏南、舟山群岛中部海域（30°27′32.6″N，120°14′25.22″E，图1），水深约为12米，距离平台最近的岛屿为衢山岛，平台位于该岛以西2.5海里处。
图1 三锚式浮标综合观测平台布放位置
1.2 数据采集流程
编辑三锚平台数据采集包含三大部分，除了本数据集中介绍的水体剖面观测数据外，还有海表气象数据、水下浅层常规观测数据。海表气象数据和水下浅层常规观测数据通过目前普遍用于海洋浮标的常规数据采集器进行控制采集，并由CDMA、GPRS和北斗三种无线通信方式，实现海上浮标与地面陆基站的观测数据传输。而剖面观测数据由于水深和剖面层数设置影响导致数据结构复杂、数据量庞大，所以独立于常规数据采集器，采用局域组网的方式实现，通过路由器和网管交换机将数据直接发送至岸基剖面数据接收系统（图2）。绞车控制器通过访问局域网的方式实现对三锚平台绞车远程遥控，控制水下剖面观测单元下降和上升并获取数据，获取的数据经过水下观测单元的数控模块初步处理后，通过无线数传模块和无线路由器发送至岸基水下剖面数据接收系统。岸基的数据接收软件按照规定的网络协议对数据包进行解析，得到可读的科学数据。
图2 三锚平台剖面数据传输方案
1.3 数据处理
编辑接收到的原始数据首先通过可视化界面进行实时显示（图3），以方便数据管理人员实时掌握传感器工作状态和海洋环境信息，并提供历史数据查看等功能。原始数据数据同时上传中国科学院近海海洋观测研究网络数据中心，数据中心根据参数类别建立数据库，对原始数据进行分类管理，并对其进行数据质量控制，剔除明显有悖事实的错误数据，最后通过审核流程向数据申请者提供数据服务。
图3 水下剖面数据接收与处理系统
2 数据样本描述
编辑本数据集包含表格型数据xlsx和图形数据压缩包zip。表格型数据首先按照时间序列排序，每个相同点次的时间内的数据再按照深度序列排序，共计41037条观测数据（表1）。三锚平台剖面观测单位按照设定的时间时序向下开始进行剖面数据采集工作，每下降1米即进行一次数据采集，获取一条观测数据，到达最深位置后再进行上升动作，上升过程中同样按照每上升1米为单位进行数据采集。
表1 各浮标台风观测数据表内容
| 表内容序号 | 字段名称 | 量纲 | 数据类型 |
| 1 | 采集时间 | - | 文本型 |
| 2 | 水温 | ℃ | 数值型 |
| 3 | 电导率 | S/m | 数值型 |
| 4 | 压力 | hPa | 数值型 |
| 5 | 盐度 | ‰ | 数值型 |
| 6 | 水深 | m | 数值型 |
| 7 | 溶解氧 | % | 数值型 |
| 8 | pH | - | 数值型 |
| 9 | 叶绿素 | μg/L | 数值型 |
| 10 | 浊度 | FTU | 数值型 |
图形压缩文件包含按照层深统计的14个月的水温和盐度指标长时间序列图形，共计16张曲线图，图形格式为fig，如图4示例。
图4 第七层水温数据曲线
3 数据质量控制和评估
编辑由于平台布放于站位进行全天候长期观测，多变复杂的海洋环境、传感器自身的问题以及天气造成的平台供电短缺问题等均会对数据质量产生重大影响。比如本数据集中2018年9月17日12:00开始数据出现缺失，由于天气海况原因一直无法出海进行维护，直到10月11日技术人员到达浮标现场进行故障排除，11:00数据才得到恢复。这种由于传感器造成的数据缺失现象普遍存在于数据集中，因此数据管理人员对数据进行了初步质量控制，剔除了确定无效的数据，并结合周围海岛气象站、其他浮标站多年的统计数据，剔除明显有悖事实的数据，但同时为最大程度的保留数据完整性，对于部分存在疑义的数据未进行剔除，各项观测参数的技术指标见表2。
表2 剖面观测设备技术指标
| 序号 | 观测参数 | 观测范围 | 准确度 | 分辨率 |
| 1 | 水温 | −5～35℃ | ±0.005℃ | 0.0001℃ |
| 2 | 电导率 | 0～9 S/m | ±0.0005 S/m | 0.00005 S/m |
| 3 | 深度 | 0～600 m | ±0.1% | 0.002% |
| 4 | 浊度 | 0～1000 FTU | ±0.02FTU | ±2% |
| 5 | 叶绿素 | 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，人员登标试验将采集频率设为每1小时进行一次，2018年8月15日16:00至8月31日12:00为每4个小时一次，8月31日12:00至9月1日12:00为每小时一次，2018年9月1日12:00至2019年10月28日6:00均为每3小时一次。按照上述时间推算，应该接受数据为3511组，每组数据应该包含16条数据，所以按照时间序列三锚平台应该获取56176条数据，而我们只获取到41048条，其中有效数据只有41037条。造成数据接收缺失的原因主要有三方面因素：一是三锚平台智能控制功能发挥了作用，智能控制功能是三锚平台的核心技术手段，为保障剖面系统运行的安全性对风速、波高、流速设定一定阈值，如有任何一个参数超过该阈值则认定为不安全状态，则剖面系统不工作（表3）；二是当底层流速相对活跃时，剖面系统下降到最底层还未来得及采集数据则随不稳定流偏移测量深度，当压力达不到测量深度时该组参数不进行采集；第三类原因则是由于连续阴雨天气导致剖面绞车系统供电不足停止工作或绞车故障而造成的数据缺失，还有工作人员每两个月到达平台现场将剖面系统提出水面进行例行检查，主要包含更换电池、清理传感器等，也会影响一定时序剖面参数的采集。
表3 通过智能判断阈值停止绞车工作的部分案例
| 序号 | 绞车不工作时刻（年-月-日 T时：分） | '极大风速/'（m/s） | '最大波高/'m | '最大流速/'（m/s） | 海况分析 | 备注 |
| 1 | 2019-06-17 21:00 | 6.80 | 0.20 | 1.71 | 流速≥1.6 | 大潮汛期间 |
| 2 | 2019-07-21 00:00 | 4.40 | 0.20 | 1.72 | 流速≥1.6 | 大潮汛期间 |
| 3 | 2019-07-31 21:00 | 9.4 | 0.20 | 1.90 | 流速≥1.6 | 大潮汛期间 |
| 4 | 2019-08-09 21:00 | 25.30 | 0.90 | 0.39 | 风速≥14.4 | 台风“利奇马”过境期间 |
| 5 | 2019-08-10 12:00 | 31.70 | 1.80 | 0.90 | 风速≥14.4波高≥1.6 | 台风“利奇马”过境期间 |
| 6 | 2019-09-06 21:00 | 19.90 | 1.90 | 1.60 | 风速≥14.4波高≥1.6流速≥1.6 | 台风“玲玲”过境期间 |
| 7 | 2019-09-12 21:00 | 6.70 | 0.00 | 1.94 | 流速≥1.6 | 大潮汛期间 |
| 8 | 2019-09-21 18:00 | 22.80 | 1.50 | 1.00 | 风速≥14.4 | 台风“塔巴”过境期间 |
| 9 | 2019-09-22 12:00 | 21.10 | 2.10 | 0.60 | 风速≥14.4波高≥1.6 | 台风“塔巴”过境期间 |
| 10 | 2019-10-01 09:00 | 19.20 | 0.50 | 1.10 | 风速≥14.4 | 台风“米娜”过境期间 |
注：表中加黑下划线的数据即为超过设定阈值的数据。
4 数据价值
编辑本数据展示的是国内首套三锚式浮标综合观测平台实时剖面观测数据。该平台为目前国内观测数据最全、智能化程度最高的海上综合观测和试验平台，可对水体剖面环境的各项参数进行在线观测并实时传输到岸站接收系统进行曲线展示和原始数据备份。该平台的应用解决了我国近海获取实时、长期和连续的剖面水体数据的观测技术难点，为建立涵盖海洋大气、海洋表层、剖面水体和海底的全尺度观测体系弥补了关键一环，是一种适应目前我国近海海洋观测需求的创新性海洋综合观测平台，提升了中国近海海洋观测研究网络的观测能力，为我国海洋科学基础研究、防灾减灾等提供了更加丰富、完备的数据支撑。
5 数据使用方法和建议
编辑为了方便数据使用和查询，本数据集的表格型数据首先按照时间排序，每个相同时间点次内进行一次剖面观测，所以在相同时间点次内需按照深度由浅入深再到浅的深度序列进行排序。
致 谢
编辑感谢中国科学院近海海洋观测研究网络黄海站、东海站所有工作人员的大力支持和付出。
参考文献
编辑- ↑ 许灵静. 长江口及其邻近海域黑潮次表层水的入侵机制及其生态效应[D]. 青岛: 中国科学院大学 (中国科学院海洋研究所), 2019.
- ↑ 杨德周. 东海陆架黑潮入侵及生态响应数值模拟研究[D]. 青岛: 中国科学院研究生院（海洋研究所）, 2011.
- ↑ 孙松, 孙晓霞. 全面提升海洋综合探测与研究能力——中国科学院海洋先导专项进展[J]. 海洋与湖沼, 2017, 48(6): 1132-1144.
- ↑ 李颖虹, 王凡, 任小波, 等. 海洋观测能力建设的现状、趋势与对策思考[J]. 地球科学进展, 2010, 25(7): 715-722.
- ↑ 刘长华, 王春晓, 贾思洋, 等. 锚泊式海洋剖面观测浮标系统[J]. 海洋科学, 2014, 38(8): 99-102.
- ↑ 刘长华, 王春晓, 王旭, 等. 锚定式海洋水体剖面观测技术的研究与应用[J]. 海洋科学,2019,43(12):139-147.
- ↑ 中国科学院海洋研究所. 中国科学院东海海洋观测研究站[J]. 中国科学院院刊, 2019, 34(10): 1195-1197.
- ^ 8.0 8.1 刘长华, 王旭, 贾思洋, 等. 东海浮标综合观测网络支撑海洋环境保护和防灾减灾预报[J]. 中国科学院院刊, 2019, 34(10): 1186-1194.
数据引用格式
编辑王旭, 贾思洋, 刘长华, 等. 海上丝绸之路长江口三锚式浮标综合观测平台2018–2019年剖面观测数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-12-25). DOI: 10.11922/csdata.2019.0079.zh.
