海洋臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)生成環(huán)節(jié)及質(zhì)控分析＊

吳向榮，陳宇東，李郅明，余肖翰

（國(guó)家海洋局廈門(mén)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站 廈門(mén) 361008）

海洋與國(guó)家安全、權(quán)益維護(hù)與保障、人類(lèi)生存與可持續(xù)發(fā)展、全球氣候變化、海洋油氣及礦產(chǎn)等戰(zhàn)略性資源開(kāi)發(fā)等方面休戚相關(guān)［1］，人類(lèi)對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)和利用離不開(kāi)基礎(chǔ)海洋環(huán)境資料的獲取。

目前，我國(guó)現(xiàn)有海洋觀測(cè)站點(diǎn)有100多個(gè)，主要觀測(cè)要素涵蓋潮汐、表層水溫、表層鹽度、海浪、風(fēng)向風(fēng)速、氣壓、氣溫、相對(duì)濕度、能見(jiàn)度和降水量等，主要依據(jù) 《海濱觀測(cè)規(guī)范》《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》和 《海洋自動(dòng)化觀測(cè)通用技術(shù)要求》等觀測(cè)工作執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)，開(kāi)展各觀測(cè)項(xiàng)目和要素的數(shù)據(jù)采集處理、傳輸?shù)裙ぷ?，要求所獲得的資料能反映出觀測(cè)海區(qū)環(huán)境的基本特征和變化規(guī)律［2］。

基礎(chǔ)海洋觀測(cè)資料是人類(lèi)認(rèn)知海洋、開(kāi)發(fā)利用海洋的前提，對(duì)于海洋防災(zāi)減災(zāi)、海上交通安全、海洋工程、海洋能源開(kāi)發(fā)和海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展等方面的作用越來(lái)越重要。從國(guó)家戰(zhàn)略高度考慮，海洋觀測(cè)資料除了在經(jīng)濟(jì)建設(shè)、社會(huì)發(fā)展等領(lǐng)域有著廣泛用途之外，對(duì)國(guó)防建設(shè)和軍事活動(dòng)也具有重要意義。由于海洋觀測(cè)資料的重要性和特殊性，觀測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生及質(zhì)控就顯得尤為重要。

海洋觀測(cè)，是指以掌握、描述海洋狀況為目的進(jìn)行的觀察測(cè)量活動(dòng)，以及對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)采集、傳輸、分析和評(píng)價(jià)的活動(dòng)［3］。海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)生成的過(guò)程大致分為采集、傳輸、審核3 個(gè)環(huán)節(jié)，在每個(gè)環(huán)節(jié)受多種因素影響都有可能引起誤差。而觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的好壞直接影響到數(shù)據(jù)應(yīng)用的效果，因而，觀測(cè)數(shù)據(jù)在應(yīng)用之前必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的質(zhì)量控制。從觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量保證因素分析，獲取具有代表性、準(zhǔn)確性和連續(xù)性的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)離不開(kāi)測(cè)點(diǎn)選址、觀測(cè)儀器、觀測(cè)方法、環(huán)境條件、觀測(cè)人員和質(zhì)量控制等。因而，對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及數(shù)據(jù)的校對(duì)、審核、質(zhì)量檢查等環(huán)節(jié)全面質(zhì)控是保證數(shù)據(jù)能被正確應(yīng)用的前提 （圖1）。

圖1 海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)生成示意圖

1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是獲取海洋觀測(cè)資料的第一步，其質(zhì)量控制內(nèi)容包括觀測(cè)站點(diǎn)的準(zhǔn)確選址、觀測(cè)設(shè)施的規(guī)范建設(shè)、儀器設(shè)備的正確安裝及設(shè)施儀器的日常維護(hù)等。

1．1 觀測(cè)設(shè)施

《海洋觀測(cè)預(yù)報(bào)管理?xiàng)l例》中對(duì)海洋觀測(cè)設(shè)施的定義，是指海洋觀測(cè)站 （點(diǎn)）所使用的觀測(cè)站房、雷達(dá)站房、觀測(cè)平臺(tái)、觀測(cè)井、觀測(cè)船、浮標(biāo)、潛標(biāo)、海床基、觀測(cè)標(biāo)志、儀器設(shè)備、通信線路等及附屬設(shè)施［3］。

在《海濱觀測(cè)規(guī)范》 （GB／T 14914－2006）對(duì)表層海水溫度、表層海水鹽度、潮汐、波浪等各觀測(cè)要素的測(cè)點(diǎn)選擇 （周邊地理環(huán)境、水深、海面開(kāi)闊度、拔海高度等），驗(yàn)潮井和溫鹽井的設(shè)置 （井筒、進(jìn)水孔、輸水管等）、測(cè)波浮標(biāo)等做了明確要求。

在《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》第1 部分總則（QX／T 45－2007）中對(duì)地面氣象觀測(cè)場(chǎng)設(shè)置的環(huán)境條件、建設(shè)規(guī)格、方位、圍欄、草層及電纜、路基、防雷等都有要求，同時(shí)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)內(nèi)觀測(cè)設(shè)施的布局、間隔、安裝高度及允許誤差等也有嚴(yán)格要求。

所以，在觀測(cè)設(shè)施建設(shè)時(shí)應(yīng)根據(jù)測(cè)點(diǎn)所處周邊環(huán)境實(shí)際情況，嚴(yán)格按照規(guī)范要求進(jìn)行選點(diǎn)建設(shè)，是確保獲取代表性、準(zhǔn)確性觀測(cè)資料的前提。

1．2 儀器設(shè)備

在《海濱觀測(cè)規(guī)范》 （GB／T 14914－2006）和《地面氣象觀測(cè)規(guī)范第1部分總則》 （QX／T 45－2007）中對(duì)所使用的觀測(cè)儀器設(shè)備要求具有業(yè)務(wù)主管部門(mén)頒發(fā)的使用許可證或業(yè)務(wù)主管部門(mén)審批同意用于觀測(cè)業(yè)務(wù)，同時(shí)應(yīng)經(jīng)國(guó)家法定計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)檢定和校驗(yàn)合格且在檢定有效期內(nèi)，這是確保觀測(cè)資料具有可比性、準(zhǔn)確性的根本要求。

觀測(cè)儀器設(shè)備的測(cè)量準(zhǔn)確度，應(yīng)滿足各要素測(cè)量技術(shù)指標(biāo)。觀測(cè)儀器的技術(shù)指標(biāo)要求關(guān)系到觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，它主要包括測(cè)量范圍、分辨率、準(zhǔn)確度、采樣頻率等各項(xiàng)指標(biāo)以及觀測(cè)儀器的安裝高度、方位、工作環(huán)境等技術(shù)要求。不同的觀測(cè)儀器其測(cè)量范圍、準(zhǔn)確度等各有不同。目前，海洋臺(tái)站表層海水溫度、表層海水鹽度、潮汐、海浪及地面氣象觀測(cè)所使用的觀測(cè)儀器測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度等［4］（表1），確定了所獲取觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量等級(jí)，為觀測(cè)資料應(yīng)用范圍提供了準(zhǔn)確的參考。

表1 海洋臺(tái)站自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)要素測(cè)量范圍、準(zhǔn)確度

1．3 運(yùn)行維護(hù)

海洋臺(tái)站觀測(cè)系統(tǒng)檢查維護(hù)是一項(xiàng)常規(guī)且非常重要的觀測(cè)業(yè)務(wù)制度，是確保觀測(cè)業(yè)務(wù)正常開(kāi)展及觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)工作。

《海濱觀測(cè)規(guī)范》 （GB／T 14914－2006）中規(guī)定了 “對(duì)儀器設(shè)備應(yīng)定期檢查、維護(hù)保養(yǎng)，發(fā)生故障應(yīng)及時(shí)排除或更換，并在觀測(cè)記錄簿備注欄注明”［5］；在 《地面氣象觀測(cè)規(guī)范第1部分總則》（QX／T 45－2007）中規(guī)定 “儀器設(shè)備應(yīng)經(jīng)常維護(hù)和定期檢修，保證在規(guī)定的檢定周期內(nèi)儀器保存規(guī)定的準(zhǔn)確度要求”［6］。所以，對(duì)觀測(cè)設(shè)施及儀器進(jìn)行值班巡視和定期檢查、清潔、維護(hù)、保養(yǎng)顯得十分重要。其主要內(nèi)容包括清潔各類(lèi)傳感器、檢查儀器安裝環(huán)境、開(kāi)展自動(dòng)儀器校測(cè)和對(duì)比觀測(cè)、測(cè)量采集器電池電壓、檢查各電纜及插件的連接情況和UPS電源的工作性能等，每月上報(bào) “觀測(cè)系統(tǒng)儀器設(shè)備運(yùn)行情況月報(bào)告表”“海洋站觀測(cè)系統(tǒng)觀測(cè)數(shù)據(jù)情況運(yùn)行表”。若檢查有發(fā)現(xiàn)問(wèn)題須及時(shí)調(diào)查、報(bào)告、處理。對(duì)觀測(cè)儀器的維護(hù)保養(yǎng)視各觀測(cè)設(shè)施及設(shè)備要求不同，分為日常、每月、每季度、每半年及每年等不同頻率。檢查時(shí)要選擇在晴朗的天氣進(jìn)行，應(yīng)盡量避開(kāi)整點(diǎn)或高、低潮出現(xiàn)時(shí)間及當(dāng)日水文氣象要素極值可能出現(xiàn)的時(shí)間，確保觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和準(zhǔn)確性。

2 數(shù)據(jù)傳輸

臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸采用數(shù)據(jù)傳輸專(zhuān)線網(wǎng)絡(luò)，實(shí)行嚴(yán)格物理隔離。一般按照測(cè)點(diǎn)→海洋站→中心站→海區(qū)預(yù)報(bào)中心 （海區(qū)信息中心）→國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心 （國(guó)家海洋信息中心）等相關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行逐級(jí)或并行傳輸，傳輸方式以地面專(zhuān)線通信為主，無(wú)線通信或VSAT 衛(wèi)星通信方式為輔。在數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)能體現(xiàn)數(shù)據(jù)質(zhì)量的一般由數(shù)據(jù)接收率和有效率來(lái)衡量［7］。

數(shù)據(jù)接收率、有效率是反映數(shù)據(jù)采集和傳輸環(huán)節(jié)的主要質(zhì)量指標(biāo)。數(shù)據(jù)接收率＝實(shí)收文件÷應(yīng)收文件×100%，數(shù)據(jù)有效率＝有效文件÷實(shí)收文件×100%，可作為每級(jí) （中心站級(jí)、海區(qū)級(jí)、國(guó)家級(jí)）、每種數(shù)據(jù) （分鐘級(jí)數(shù)據(jù)、整點(diǎn)數(shù)據(jù)、正點(diǎn)數(shù)據(jù)、延時(shí)數(shù)據(jù)等）的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，反映了各觀測(cè)數(shù)據(jù)獲取、傳輸情況及各數(shù)據(jù)文件傳輸及時(shí)性、有效性、完整性［8］。

分析目前海洋臺(tái)站觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸情況，影響數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量的主要問(wèn)題有：前端數(shù)據(jù)采集故障、數(shù)據(jù)傳輸通信方式不穩(wěn)定造成數(shù)據(jù)在傳輸中丟失以及電力供應(yīng)不穩(wěn)定、通信軟件無(wú)響應(yīng)、硬件設(shè)備故障等原因造成的數(shù)據(jù)缺失。

3 數(shù)據(jù)審核

數(shù)據(jù)采集屬于觀測(cè)資料的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)傳輸屬于觀測(cè)資料的中間環(huán)節(jié)，保證觀測(cè)資料質(zhì)量最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)是數(shù)據(jù)審核。數(shù)據(jù)審核是應(yīng)用各種質(zhì)量控制方法來(lái)辨別缺失、無(wú)效、可疑、不一致的原始觀測(cè)數(shù)據(jù)，保證觀測(cè)數(shù)據(jù)最后的完整性、準(zhǔn)確性和有效性。

3．1 質(zhì)控方法

在《海濱觀測(cè)規(guī)范》 （GB／T 14914－2006）中海濱觀測(cè)資料質(zhì)量控制的方法主要有范圍檢驗(yàn)、非法碼檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)、過(guò)失誤差檢驗(yàn)、統(tǒng)計(jì)特性檢驗(yàn)、全等性檢驗(yàn)、海洋環(huán)境氣候特性檢驗(yàn)及海濱觀測(cè)資料中異常數(shù)據(jù)的判別和處理。

在 《地面氣象觀測(cè)規(guī)范第22部分觀測(cè)記錄質(zhì)量控制》（QX／T 66－2007）中明確質(zhì)量控制的目的是確定正確記錄，找出缺測(cè)記錄、錯(cuò)誤記錄、可疑記錄，并且對(duì)這些記錄做出標(biāo)識(shí)或使用盡可能準(zhǔn)確的值來(lái)代替。通過(guò)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，使數(shù)據(jù)具有更好的代表性、準(zhǔn)確性和比較性［7］。其方法有：氣候?qū)W界限值檢查方法、邏輯檢查方法、氣候極值檢查方法、內(nèi)部一致性檢查方法、時(shí)間一致性檢查方法等［9］。

在 《地面氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制》 （QX／T 118－2010）中地面氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制內(nèi)容包括格式檢查、缺測(cè)檢查、界限值檢查、主要變化范圍檢查、內(nèi)部一致性檢查、時(shí)間一致性檢查、質(zhì)量控制綜合分析以及數(shù)據(jù)質(zhì)量標(biāo)識(shí)［10］。

3．2 質(zhì)控方式

目前，海洋觀測(cè)資料審核和質(zhì)量檢驗(yàn)有兩個(gè)途徑，一是人工審查；二是通過(guò) “臺(tái)站觀測(cè)資料質(zhì)量控制系統(tǒng)”質(zhì)控軟件進(jìn)行。觀測(cè)資料中有些錯(cuò)誤通過(guò)質(zhì)控軟件是無(wú)法發(fā)現(xiàn)的，如儀器問(wèn)題、人為過(guò)失誤差等往往還需要通過(guò)人工經(jīng)驗(yàn)判斷才能發(fā)現(xiàn)。因此對(duì)觀測(cè)資料質(zhì)控審核，通常采用計(jì)算機(jī)軟件自動(dòng)質(zhì)控和人工經(jīng)驗(yàn)審查相結(jié)合的方式進(jìn)行。

3．3 質(zhì)控流程

臺(tái)站觀測(cè)資料質(zhì)控一般分為實(shí)時(shí)質(zhì)控和非實(shí)時(shí)質(zhì)控。實(shí)時(shí)質(zhì)控一般檢查觀測(cè)數(shù)據(jù)是否在其傳感器的測(cè)量范圍內(nèi)、是否符合數(shù)據(jù)規(guī)律曲線及是否儀器損壞產(chǎn)生的跳躍性極值；而非實(shí)時(shí)質(zhì)控，按現(xiàn)有水文氣象數(shù)據(jù)文件審核要求實(shí)行三級(jí)審核制度：即一級(jí)審核 （初審）、二級(jí)審核（預(yù)審）、三級(jí)審核 （審核），觀測(cè)資料由各海洋臺(tái)站負(fù)責(zé)一級(jí)審核和二級(jí)審核，三級(jí)審核由中心站質(zhì)控管理部門(mén)具有三級(jí)審核資格的人員進(jìn)行審核。

一級(jí)審核負(fù)責(zé)生成數(shù)據(jù)文件，采用 “臺(tái)站觀測(cè)資料質(zhì)量控制系統(tǒng)”對(duì)自動(dòng)生成后數(shù)據(jù)文件的完整性、格式要求等進(jìn)行初步質(zhì)控，發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)、格式錯(cuò)誤等及時(shí)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析判斷和處理，對(duì)無(wú)法處理的數(shù)據(jù)提出初審意見(jiàn)。

二級(jí)審核負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)文件預(yù)審，通過(guò) “臺(tái)站觀測(cè)資料質(zhì)量控制系統(tǒng)”對(duì)一級(jí)審核提出的質(zhì)控問(wèn)題再次質(zhì)控確認(rèn)、反饋，重點(diǎn)是通過(guò)人工審查方式，采用 《海濱觀測(cè)規(guī)范》和 《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》等提出的質(zhì)控分析方法逐個(gè)對(duì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、有效性進(jìn)行分析判斷，提出初步處理意見(jiàn)，以排除計(jì)算機(jī)軟件質(zhì)控的缺陷。

三級(jí)審核負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)文件最終審核，除再次采用 “臺(tái)站觀測(cè)資料質(zhì)量控制系統(tǒng)”對(duì)數(shù)據(jù)文件一級(jí)審核和二級(jí)審核提出的質(zhì)控問(wèn)題最終驗(yàn)證外，通過(guò)人工審查方式，重點(diǎn)對(duì)二級(jí)審核發(fā)現(xiàn)的數(shù)據(jù)疑誤及處理意見(jiàn)等綜合分析，做出最終處理結(jié)論，并向臺(tái)站反饋質(zhì)量控制信息。

在觀測(cè)資料三級(jí)質(zhì)量控制審核過(guò)程，各級(jí)審核有所分工，有所側(cè)重，質(zhì)控關(guān)注的重點(diǎn)各有所不同，同時(shí)采用計(jì)算機(jī)軟件和人工經(jīng)驗(yàn)審查相結(jié)合的方式進(jìn)行質(zhì)控，既相互補(bǔ)充，又相輔相成，最大限度地減少了觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量問(wèn)題，確保了觀測(cè)資料準(zhǔn)確性和有效性。

4 結(jié)束語(yǔ)

海洋觀測(cè)資料是研究、開(kāi)發(fā)、利用海洋的基礎(chǔ)和依據(jù)，應(yīng)用于海洋生產(chǎn)活動(dòng)相關(guān)的各行各業(yè)，要準(zhǔn)確掌握海洋環(huán)境的變化規(guī)律就必須保證觀測(cè)方式的規(guī)范性和數(shù)據(jù)的可靠性。所以，開(kāi)展海洋觀測(cè)工作必須嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，從設(shè)施建設(shè)、儀器選型、運(yùn)行維護(hù)及數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)審核、質(zhì)量控制各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，確保觀測(cè)資料能真實(shí)地反映觀測(cè)海域的海洋環(huán)境基本特征和變化規(guī)律。

［1］李穎虹，王凡，王東曉．中國(guó)科學(xué)院近海海洋觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)建設(shè)概況與展望［J］．中國(guó)科學(xué)院院刊，2008（3）．

［2］國(guó)家海洋局．海洋站（點(diǎn)）觀測(cè)業(yè)務(wù)運(yùn)行管理規(guī)定（試行）［Z］．2012．

［3］中華人民共和國(guó)國(guó)務(wù)院．海洋觀測(cè)預(yù)報(bào)管理?xiàng)l例［Z］．2012．

［4］韓家新．中國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)：海洋站和志愿船觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行［J］．海洋技術(shù)，2003，22（1）：49－57．

［5］中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)．CB／T 14914－2006 ．海濱觀測(cè)規(guī)范［S］．北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006．

［6］中國(guó)氣象局．QX／T 45－2007．地面氣象觀測(cè)規(guī)范第1部分總則［S］．北京：氣象出版社，2007．

［7］國(guó)家海洋局．海洋觀測(cè)儀器設(shè)備運(yùn)行維護(hù)責(zé)任制度（試行）［Z］．2012．

［8］國(guó)家海洋局．海洋站（點(diǎn)）觀測(cè)業(yè)務(wù)檢查考核辦法（試行）［Z］．2012．

［9］中國(guó)氣象局．QX／T 66－2007．地面氣象觀測(cè)規(guī)范第22部分觀測(cè)記錄質(zhì)量控制［S］．北京：氣象出版社，2007．

［10］中國(guó)氣象局．QX／T 118－2010．地面氣象觀測(cè)資料質(zhì)量控制［S］．北京：氣象出版社，2010．