Argo、GTSPP與WOD數(shù)據(jù)集及其應(yīng)用中需注意的若干問題

紀(jì)風(fēng)穎，林紹花，萬芳芳，董明媚，劉玉龍（國家海洋信息中心，天津　300171）

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Argo、GTSPP與WOD數(shù)據(jù)集及其應(yīng)用中需注意的若干問題

紀(jì)風(fēng)穎，林紹花，萬芳芳，董明媚，劉玉龍
（國家海洋信息中心，天津300171）

摘要：數(shù)據(jù)集整體的時(shí)空覆蓋率制約了海洋科學(xué)研究的時(shí)空尺度，而海洋儀器的性能和觀測(cè)方式直接決定了海洋數(shù)據(jù)的可靠性。以觀測(cè)儀器作為主要衡量指標(biāo)，結(jié)合數(shù)據(jù)集的時(shí)空覆蓋率，對(duì)以溫度和鹽度為數(shù)據(jù)集主體的自持式拉格朗日環(huán)流剖面觀測(cè)（Argo）數(shù)據(jù)集、全球溫鹽剖面數(shù)據(jù)集（GTSPP）、世界海洋數(shù)據(jù)集（WOD）進(jìn)行分析和比對(duì)，確定了三者關(guān)系：Argo 和GTSPP都是WOD的數(shù)據(jù)源，而GTSPP中包含了Argo實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的80%。在此基礎(chǔ)上研究確定了目前溫鹽數(shù)據(jù)的主要觀測(cè)儀器為Argo浮標(biāo)、XBT和CTD，并對(duì)這三種儀器的誤差來源和量級(jí)進(jìn)行詳細(xì)分析：由于全球自動(dòng)觀測(cè)與傳輸需求，Argo數(shù)據(jù)存在電子信號(hào)不穩(wěn)定導(dǎo)致的隨機(jī)誤差，而且在高緯度強(qiáng)溫躍層地帶出現(xiàn)較強(qiáng)的虛假鹽度尖峰，再是自由漂移的特性導(dǎo)致1%～2%鹽度剖面漂移超過0.02 PSS-78；由于下降方程的不斷演變，全球半數(shù)XBT數(shù)據(jù)提供者并未提供儀器型號(hào)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)整體的可靠性下降；由于CTD基本采用船載觀測(cè)，因此成本高、共享數(shù)據(jù)少且多集中近海。因此在對(duì)全球溫鹽數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，應(yīng)綜合考慮觀測(cè)儀器的可靠性和時(shí)空覆蓋率，有效實(shí)現(xiàn)對(duì)資料本身誤差和真實(shí)海洋現(xiàn)象的甄別。

關(guān)鍵詞：Argo；GTSPP；WOD

海水的溫度和鹽度是描述海水性質(zhì)的重要物理量，其時(shí)空分布和變化幾乎與海洋中所有現(xiàn)象都密切相關(guān)?，F(xiàn)有的數(shù)值同化模型、海平面高度變化和業(yè)務(wù)化海氣耦合模式都迫切需要海洋溫度和鹽度數(shù)據(jù)，改進(jìn)其初始場(chǎng)和邊界約束條件。對(duì)于全球海洋溫鹽數(shù)據(jù)的迫切需求，極大地推動(dòng)了觀測(cè)儀器的更新?lián)Q代以及全球/區(qū)域海洋觀測(cè)、資料收集計(jì)劃的出現(xiàn)。

對(duì)于海水溫度鹽度的觀測(cè)，從最早的顛倒溫度計(jì)、機(jī)械式溫深儀（Mechanical Bathythermograph，MBT）、拋棄式溫深儀（Expendable Bathythermograph，XBT）、溫鹽深探測(cè)儀（Conductivity -Temperature-Depth，CTD），到今天的自持式拉格朗日環(huán)流剖面觀測(cè)（Argo）浮標(biāo)、水下滑翔機(jī)（Glider）等。高精度、多要素、實(shí)時(shí)自動(dòng)的立體觀測(cè)系統(tǒng)，逐漸取代了機(jī)械式、單點(diǎn)式、低分辨率的觀測(cè)方式，獲取數(shù)據(jù)方式也從人工讀數(shù)發(fā)展到今天的衛(wèi)星定位和自動(dòng)記錄與傳輸。以溫度和鹽度為主體、覆蓋全球大洋、用戶較多的數(shù)據(jù)集目前主要集中為Argo、GTSPP、WOD三大數(shù)據(jù)集。但是它們分別由不同組織機(jī)構(gòu)制作和發(fā)布，格式各異，處理方法和參數(shù)也不盡相同。

對(duì)數(shù)據(jù)集的正確選取，是海洋研究工作順利開展的前提，也決定了最終研究成果的可靠性和準(zhǔn)確性。觀測(cè)儀器的性能和觀測(cè)方式直接決定了單個(gè)觀測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性，而數(shù)據(jù)集整體的時(shí)間和空間覆蓋率則制約了海洋科學(xué)研究的時(shí)空尺度。因此本文以觀測(cè)儀器作為主要衡量指標(biāo)，綜合海洋數(shù)據(jù)集的時(shí)空覆蓋率，對(duì)Argo、GTSPP、WOD數(shù)據(jù)集進(jìn)行簡(jiǎn)要對(duì)比與評(píng)估，以期使用戶根據(jù)研究需求選取合適的數(shù)據(jù)集；同時(shí)在資料分析中，能夠有效地甄別數(shù)據(jù)本身的誤差和真實(shí)的海洋現(xiàn)象。

1　Argo、GTSPP和WOD數(shù)據(jù)集及其主要觀測(cè)儀器

1.1Argo數(shù)據(jù)集及主要觀測(cè)儀器

全球Argo計(jì)劃由美、法等國家的海洋學(xué)家在1998年發(fā)起，以全球大洋為觀測(cè)對(duì)象，通過布放3 000個(gè)Argo剖面浮標(biāo)，組成一個(gè)實(shí)時(shí)和高分辨率的全球海洋觀測(cè)網(wǎng)，并借助衛(wèi)星定位和通訊系統(tǒng)，實(shí)時(shí)（24 h）、準(zhǔn)確、大范圍的獲取全球海洋上層（0～2 000 m）的海水溫度、鹽度剖面資料（Thierry et al，2014）。自1998年到2015年4月，全球已有34個(gè)國家和組織相繼加入全球Argo計(jì)劃，投放了11 450個(gè)Argo浮標(biāo)，獲取了140多萬組溫鹽剖面，基本覆蓋了全球大洋。

正如計(jì)劃名稱所示，全球Argo數(shù)據(jù)集的觀測(cè)儀器即為Argo浮標(biāo)。

1.2GTSPP數(shù)據(jù)集及主要觀測(cè)儀器

GTSPP是政府間海洋協(xié)會(huì)/政府間海洋數(shù)據(jù)交換試驗(yàn)（IOC/IODE）和世界氣象組織/全球海洋服務(wù)系統(tǒng)（WMO/IGOSS）聯(lián)合開展的一項(xiàng)資料服務(wù)計(jì)劃。該計(jì)劃在1989年啟動(dòng)、1990年11月進(jìn)入運(yùn)行階段。GTSPP的實(shí)施是對(duì)熱帶海洋和全球大氣實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（TOGA）和世界海洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)（WOCE）對(duì)溫鹽資料需要的響應(yīng)，并作為海洋資料管理的一個(gè)范例，開發(fā)實(shí)施端對(duì)端全球溫鹽數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（USA NODC，2014）。截至2014年12月，共發(fā)布1 817.4萬站次溫鹽數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量高達(dá)24 GB。

GTSPP官方網(wǎng)站上發(fā)布了其數(shù)據(jù)來源的34種儀器或數(shù)據(jù)編碼，包括：XBT、MBT、錨系浮標(biāo)、漂流浮標(biāo)、剖面浮標(biāo)（包括Argo浮標(biāo)）、CTD、動(dòng)物攜帶傳感器、BATHY（溫深數(shù)據(jù)編碼）或TESAC（溫度鹽度編碼）等。值得注意的是，87% 的GTSPP數(shù)據(jù)文件中將編碼格式BATHY和TESAC填寫在儀器信息項(xiàng)中，這給數(shù)據(jù)的使用與評(píng)估帶來極大地不確定性。

通過與加拿大GTSPP實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)解碼人員的溝通和測(cè)試，確定基于數(shù)據(jù)說明文檔中的呼號(hào)（call sign，截至2015年4月有15 757個(gè)），輔以數(shù)據(jù)文件中的儀器信息共同確定觀測(cè)儀器切實(shí)可行。對(duì)于仍無法確定儀器的數(shù)據(jù)，保留其原有編碼格式說明。采用此方法對(duì)34種儀器項(xiàng)的同類項(xiàng)進(jìn)行合并，將數(shù)據(jù)按照儀器分為生物攜帶傳感器、BATHY、CTD、南森瓶、BT、混合站、剖面浮標(biāo)、TESAC、XBT、Glider和錨系浮標(biāo)共11類，按照儀器對(duì)GTSPP數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類統(tǒng)計(jì)。

通過圖1中各儀器站次數(shù)和數(shù)據(jù)量的百分比，可以發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中主要為XBT、剖面浮標(biāo)、TESAC 和CTD數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)量分別占到總數(shù)據(jù)量的49%、23%、13%和11%。結(jié)合對(duì)應(yīng)的站次數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)TESAC數(shù)據(jù)雖然站次數(shù)多（占總數(shù)的69%），但有效觀測(cè)較少，數(shù)據(jù)量?jī)H為總數(shù)據(jù)量的13%，因此這部分?jǐn)?shù)據(jù)不僅儀器信息缺失，而且水下有效觀測(cè)數(shù)據(jù)較少，因此此文不做進(jìn)一步分析。

1.3WOD數(shù)據(jù)集及主要觀測(cè)儀器

WOD由美國國家海洋大氣局/國家海洋數(shù)據(jù)中心（NOAA/NODC）的海洋氣候?qū)嶒?yàn)室（OCL）制作。其數(shù)據(jù)來源于近350個(gè)全球或區(qū)域海洋觀測(cè)/資料收集計(jì)劃，主要數(shù)據(jù)源為：全球海洋學(xué)數(shù)據(jù)搶救計(jì)劃（GODAR）、NODC全球海洋數(shù)據(jù)庫計(jì)劃、全球Argo浮標(biāo)觀測(cè)計(jì)劃、世界海洋數(shù)據(jù)庫計(jì)劃、全球溫鹽剖面計(jì)劃、世界海洋環(huán)流實(shí)驗(yàn)、全球海洋通量聯(lián)合研究（JGOFS）、海洋邊界實(shí)驗(yàn)（OMEX）等（Boyer et al，2013；Johnson et al，2013）。

WOD數(shù)據(jù)集更新頻率較快，每季度在線發(fā)布新收集到的數(shù)據(jù)，每4年發(fā)布經(jīng)過詳細(xì)排重和質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)集光盤。在2014年發(fā)布了WOD13光盤，包含了1772年12月至2012年12月共1 272萬站次的溫度、鹽度、溶解氧、葉綠素等其他海洋水文、化學(xué)和生物數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量高達(dá)45GB。

WOD13數(shù)據(jù)集中包含了11種觀測(cè)儀器，具體為：顛倒溫度計(jì)、MBT、CTD、Argo浮標(biāo)、Glider、錨系浮標(biāo)、漂流浮標(biāo)、拖曳式海洋數(shù)據(jù)記錄儀、XBT、海面數(shù)據(jù)、生物攜帶傳感器。

圖1　1990年1月-2014年12月全球GTSPP觀測(cè)儀器站次數(shù)百分比（左圖）和數(shù)據(jù)量百分比（右圖）

圖2　1772年1月-2012年12月WOD13數(shù)據(jù)集中觀測(cè)儀器站次數(shù)百分比（左圖）和體積百分比（右圖）

1.4Argo、GTSPP與WOD的相互從屬關(guān)系

通過上述介紹，可以發(fā)現(xiàn)Argo、GTSPP與WOD交叉重復(fù)，但是具體包含關(guān)系并不可知。如何充分發(fā)揮每個(gè)數(shù)據(jù)集的優(yōu)勢(shì)，避免簡(jiǎn)單合并使用導(dǎo)致錯(cuò)誤的研究成果，本節(jié)將對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

利用紀(jì)風(fēng)穎（2015）對(duì)溫鹽數(shù)據(jù)的排重方法和軟件，以海洋觀測(cè)儀器為出發(fā)點(diǎn)，根據(jù)其觀測(cè)周期、精度和傳輸頻率，確定判斷重復(fù)數(shù)據(jù)的關(guān)鍵信息項(xiàng)和判定重復(fù)數(shù)據(jù)的臨界值。并利用其計(jì)算結(jié)果：WOD定期（每4年）發(fā)布的數(shù)據(jù)光盤數(shù)據(jù)重復(fù)率小于1‰、而網(wǎng)站上業(yè)務(wù)化（每4個(gè)月）更新數(shù)據(jù)重復(fù)率高達(dá)10%，全球Argo數(shù)據(jù)集的重復(fù)率小于1‰，且全球Argo計(jì)劃98%的數(shù)據(jù)已納入WOD數(shù)據(jù)集。本文全文都采用WOD13作為研究對(duì)象，以其更新截止日期2012年12月31日作為Argo和GTSPP數(shù)據(jù)集的更新截止日期，計(jì)算該時(shí)間段內(nèi)Argo與GTSPP、GTSPP與WOD的從屬關(guān)系。

（1）GTSPP剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)與Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)

根據(jù)呼號(hào)和儀器信息，計(jì)算得到GTSPP中剖面浮標(biāo)為868873站，利用已有的溫鹽數(shù)據(jù)排重軟件對(duì)這兩類數(shù)據(jù)進(jìn)行排重，結(jié)果如表1：

表1　GTSPP中剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)與全球Argo資料中心發(fā)布

通過對(duì)排重結(jié)果的審核，確認(rèn)GTSPP剖面浮標(biāo)中90%為Argo浮標(biāo)，10%為錨定或鏈?zhǔn)降钠拭娓?biāo)（非Argo浮標(biāo)）。但GTSPP中的Argo浮標(biāo)僅為全球Argo浮標(biāo)計(jì)劃的80%，且數(shù)據(jù)為未訂正的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

（2）GTSPP與WOD

由于GTSPP數(shù)據(jù)集主體為XBT數(shù)據(jù)，對(duì)其與WOD13中的XBT數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，結(jié)合剖面浮標(biāo)的重復(fù)率，基本可以判定GTSPP與WOD的從屬關(guān)系。

以GTSPP計(jì)劃開始時(shí)間1990年1月1日作為起始時(shí)間，以WOD13光盤數(shù)據(jù)更新截止日期2012 年12月31日作為終止時(shí)間，對(duì)這段時(shí)間內(nèi)GTSPP和WOD13中的XBT數(shù)據(jù)進(jìn)行排重，結(jié)果如表2。

表2　GTSPP中XBT數(shù)據(jù)與WOD13中XBT數(shù)據(jù)的比對(duì)

根據(jù)以上結(jié)果，可以判定GTSPP中95%的XBT數(shù)據(jù)已納入到WOD中，而WOD包含了近一倍未上傳GTS的XBT的數(shù)據(jù)；而且Argo∈GTSPP∈WOD，從屬關(guān)系高于85%。由于三者數(shù)據(jù)源、更新頻率及管理體系各不相同，因此需要基于觀測(cè)儀器對(duì)其數(shù)據(jù)精度和質(zhì)量進(jìn)行詳細(xì)分析。

2　Argo浮標(biāo)、XBT和船載CTD及其測(cè)量精度

通過以上分析結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)Argo、XBT及CTD是現(xiàn)有溫鹽數(shù)據(jù)集的主要觀測(cè)儀器，因此將在本節(jié)對(duì)其進(jìn)行分析。由于Argo數(shù)據(jù)實(shí)效性強(qiáng)、精度高、信息完整，已被廣泛應(yīng)用于各種海洋研究中，如海洋同化預(yù)報(bào)模型的改進(jìn)、模態(tài)水的形成機(jī)制與輸運(yùn)、障礙層的形成機(jī)理、衛(wèi)星測(cè)高數(shù)據(jù)的校正和海洋的氣候性變化等（韓桂軍等，2011；朱江，2006）。本節(jié)將進(jìn)行詳細(xì)討論。

基于數(shù)據(jù)集的時(shí)效性、重復(fù)率和從屬關(guān)系，以下統(tǒng)計(jì)結(jié)果將源于不同數(shù)據(jù)集，其中Argo數(shù)據(jù)源于全球Argo數(shù)據(jù)中心，統(tǒng)計(jì)截止日期為2015年4月；XBT和CTD數(shù)據(jù)源于WOD13，統(tǒng)計(jì)截止日期為2012年12月。

2.1Argo浮標(biāo)

類型：目前全球浮標(biāo)主要為APEX（美國）、SOLO（美國）與PROVOR（法國）三種類型，分別占全球Argo浮標(biāo)總數(shù)的56%、23%和11%。

傳感器類型與精度：目前僅有6 266個(gè)（總數(shù)：11 450個(gè)）浮標(biāo)發(fā)布了主要傳感器信息，其中以SBE41CP型傳感器最多，總數(shù)達(dá)4 896個(gè)，占已知儀器類型總數(shù)的78%。其溫度精度為0.002℃，鹽度精度為0.01 PSS-78，壓強(qiáng)精度為2.4分巴。

量程：壓強(qiáng)傳感器的設(shè)計(jì)觀測(cè)壓強(qiáng)為2000dbar，用戶可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整和設(shè)置。目前50%剖面的觀測(cè)深度為2 000（±100）dbar。

循環(huán)運(yùn)行周期：目前全球78.9%的浮標(biāo)運(yùn)行周期為9-11 d。

觀測(cè)要素：主體為海水溫度、鹽度，還有少量的溶解氧和葉綠素等。

衛(wèi)星接收系統(tǒng)：79.4%采用Argos衛(wèi)星系統(tǒng)傳送資料，20.3%采用銥星衛(wèi)星系統(tǒng)。

定位系統(tǒng)：78.4%采用Argos衛(wèi)星系統(tǒng)定位，19.3%采用GPS定位。

壽命：截至2015年4月，已停止運(yùn)行的Argo浮標(biāo)平均壽命為1 240 d（約3.4 a）。

2.2目前Argo觀測(cè)數(shù)據(jù)的主要不足

根據(jù)Argo浮標(biāo)的儀器性能以及數(shù)據(jù)的應(yīng)用研究結(jié)果，其隨機(jī)誤差、定位誤差和系統(tǒng)誤差主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）隨機(jī)誤差：衛(wèi)星資料接收和發(fā)送，10.25%剖面觀測(cè)時(shí)間或定位信息缺失或錯(cuò)誤；電子信號(hào)的干擾出現(xiàn)數(shù)據(jù)奇異值，以及電池耗盡，觀測(cè)數(shù)據(jù)出現(xiàn)恒定值的問題；通過Argo實(shí)時(shí)質(zhì)量控制方法（Annie et al，2014）的溫度數(shù)據(jù)為97.6%，鹽度數(shù)據(jù)為96.1%。

（2）定位誤差：由于Argos衛(wèi)星系統(tǒng)采用多普勒頻移效應(yīng)來計(jì)算數(shù)據(jù)源的位置，當(dāng)Argo浮標(biāo)發(fā)射數(shù)據(jù)時(shí)，過境衛(wèi)星的數(shù)目和距離限制了定位精度，早期Argos衛(wèi)星系統(tǒng)的定位誤差可以超過1 500 m。

（3）表層數(shù)據(jù)缺失：為了預(yù)防海面污染物質(zhì)隨海水進(jìn)入到傳感器內(nèi)降低觀測(cè)精度，目前80%的Argo浮標(biāo)在海面0～3 dbar內(nèi)不進(jìn)行觀測(cè)。

（4）數(shù)據(jù)精度較船載CTD大幅降低：為了節(jié)約電池能量，減少Argo浮標(biāo)在海面向衛(wèi)星發(fā)送觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間，僅提取部分觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳。相對(duì)于采樣頻率為24 Hz、采樣間隔小于1 m的船載CTD的SBE9傳感器，Argo浮標(biāo)的采樣間隔較大，在海洋上層（0～200 dbar）的采樣間隔僅為4～8 dbar，剩余數(shù)據(jù)的采樣間隔高達(dá)50 db。表3為Apex型Argo浮標(biāo)采用的SBE-41和SBE-41CP型傳感器與常規(guī)海洋調(diào)查中的船載CTD攜帶的SBE-9型傳感器儀器參數(shù)的比較（Johnson et al，2007）。

表3　不同型號(hào)SBE傳感器儀器參數(shù)的比較

（5）早期Apex型Argo浮標(biāo)存在壓強(qiáng)系統(tǒng)漂移：由于Apex型Argo浮標(biāo)不能進(jìn)行壓強(qiáng)自校正，而在運(yùn)行過程中會(huì)出現(xiàn)壓力漂移，需要確定漂移量后對(duì)整個(gè)剖面的壓強(qiáng)數(shù)據(jù)進(jìn)行后期修正（Annie，et al，2014）。

（6）熱滯后效應(yīng)導(dǎo)致的鹽度誤差

Argo浮標(biāo)所攜帶的電導(dǎo)率、溫度兩種傳感器的材質(zhì)、觀測(cè)方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都不同，因此對(duì)海水溫度的感應(yīng)時(shí)間也不同，即溫度和電導(dǎo)率傳感器的觀測(cè)不同步，導(dǎo)致由壓強(qiáng)、溫度和電導(dǎo)率計(jì)算出的鹽度數(shù)據(jù)存在明顯的誤差（常常表現(xiàn)為較大的尖峰）。

對(duì)溫度和電導(dǎo)率傳感器響應(yīng)時(shí)間的研究（Lueck et al，1990）表明，在初始時(shí)刻（t = 0），當(dāng)海水溫度產(chǎn)生1℃的變化，電導(dǎo)率傳感器內(nèi)的海水與溫度傳感器觀測(cè)的溫度數(shù)值的差別可以近似表達(dá)為：

其中，α是誤差量級(jí)，τTCM是誤差變化的時(shí)間尺度，H（t）是Heaviside階梯函數(shù)，

利用該理論，Johnson（2007）通過迭代計(jì)算得到電導(dǎo)率傳感器熱滯后訂正的最優(yōu)估計(jì)參數(shù)：SBE-41 CTD傳感器的熱滯后參數(shù)為α= 0.021，τTCM= 21.0 s；SBE-41CP型CTD傳感器的熱滯后參數(shù)α= 0.162，τTCM= 5.86 s。

紀(jì)風(fēng)穎（2007）利用以上方法和參數(shù)，對(duì)中國和日本投放在西北太平洋的Argo浮標(biāo)獲取4 941個(gè)鹽度剖面數(shù)據(jù)進(jìn)行熱滯后訂正。訂正結(jié)果表明在北緯40°以北，溫躍層強(qiáng)度均不小于0.4℃/m的強(qiáng)溫躍層地域，電導(dǎo)率傳感器的熱滯后效應(yīng)最為明顯（鹽度誤差大于0.02 PSS-78）。美國PMEL實(shí)驗(yàn)室投放在太平洋高緯度海區(qū)的Argo浮標(biāo)的熱滯后現(xiàn)象最為明顯，鹽度誤差可以達(dá)到0.04PSS-78（圖3）。

（7）Argo鹽度漂移誤差

由于Argo浮標(biāo)自由漂移、在海上連續(xù)觀測(cè)4年的特性，會(huì)由于生物污垢附著改變傳感器的有效幾何形狀而使測(cè)量數(shù)據(jù)產(chǎn)生明顯的系統(tǒng)漂移現(xiàn)象。美國和日本通過回收極少數(shù)（少于10個(gè)）工作一段時(shí)間的Argo浮標(biāo)，發(fā)現(xiàn)溫度和壓強(qiáng)傳感器在運(yùn)行中保持著既定的準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)，而部分電導(dǎo)率傳感器由于生物污垢附著或其它問題而存在系統(tǒng)漂移。

全球Argo資料管理人員非常關(guān)注Argo鹽度數(shù)據(jù)質(zhì)量問題，并采用不同方法進(jìn)行Argo鹽度數(shù)據(jù)漂移的延時(shí)訂正試驗(yàn)。2003年美國華盛頓大學(xué)提出WJO方法（Annie et al，2003），假定海洋變化為平穩(wěn)過程，即溫度和鹽度的協(xié)方差解析函數(shù)和相關(guān)尺度參數(shù)不變，通過歷史溫鹽數(shù)據(jù)客觀分析計(jì)算得到Argo浮標(biāo)所在位置的鹽度背景場(chǎng)，從而對(duì)Argo鹽度數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

2005年德國學(xué)者對(duì)WJO方法進(jìn)行改進(jìn)：將位勢(shì)渦度守恒引入了溫鹽相關(guān)函數(shù)的計(jì)算，并通過已有的CTD觀測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算得到溫鹽相關(guān)尺度參數(shù)，將此方法命名為BS方法（Lars，2006）。

2009年美國Woods Hole海洋研究所和美國華盛頓大學(xué)首次聯(lián)合提出了OW方法，集成了WJO 和BS選取背景數(shù)據(jù)集的方法，并引入了AIC （Akaike's Information criterion）方法確定Argo浮標(biāo)電導(dǎo)率傳感器變化拐點(diǎn)，避免了人為判斷的主觀性（Owens et al，2009）。

紀(jì)風(fēng)穎（2007）通過WJO方法、BS方法以及OW方法的理論和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，發(fā)現(xiàn)這三種方法是基于歷史數(shù)據(jù)，利用客觀分析方法對(duì)Argo數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正。因此歷史數(shù)據(jù)的數(shù)量、準(zhǔn)確度和時(shí)空相關(guān)屬性，以及處理人員溫鹽時(shí)空相關(guān)尺度和電導(dǎo)率傳感器變化的拐點(diǎn)的設(shè)定對(duì)鹽度訂正結(jié)果有著至關(guān)重要的影響?；诖私Y(jié)論，目前全球Argo數(shù)據(jù)管理組推薦采用Argo浮標(biāo)擁有者對(duì)其鹽度數(shù)據(jù)漂移訂正的結(jié)果。

圖3　PMEL投放Apex型Argo浮標(biāo)4900137，第47個(gè)觀測(cè)剖面，觀測(cè)時(shí)間2002年9月27日觀測(cè)地點(diǎn)54.68N，178.26W

對(duì)目前時(shí)空信息完整的1 253 547個(gè)鹽度剖面數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，有824 233個(gè)剖面已經(jīng)進(jìn)行了鹽度訂正（注，全球Argo數(shù)據(jù)管理組規(guī)定：Argo浮標(biāo)運(yùn)行6個(gè)月后才需要進(jìn)行訂正），其中597 374（總訂正鹽度剖面的72.5%）的鹽度數(shù)據(jù)漂移小于0.01PSS-78，無明顯漂移；而216 578個(gè)剖面（總訂正鹽度剖面的26.3%）的鹽度漂移在0.01～0.02 PSS-78之間，需要訂正；1%的鹽度剖面漂移量大于0.02 PSS-78，需要仔細(xì)訂正或舍棄，見圖4（a）。

考慮到美國投放Argo浮標(biāo)最多（占全球Argo計(jì)劃的46%），而且是全球78%Argo浮標(biāo)的制造商，其Argo資料處理方法最為成熟，因此以其訂正資料作為進(jìn)一步的分析。622 245個(gè)鹽度剖面數(shù)據(jù)中，355 009個(gè)剖面進(jìn)行了訂正，其中198 421（總訂正鹽度剖面的56%）的鹽度數(shù)據(jù)漂移小于0.01PSS-78，無明顯漂移；而152022個(gè)剖面（總訂正鹽度剖面的43%）的鹽度漂移在0.01～0.02 PSS-78之間，有輕微漂移，需要進(jìn)行訂正；2%的鹽度剖面漂移量大于0.02 PSS-78，需要仔細(xì)訂正或舍棄，見圖4（b）。

2.3XBT

XBT在1966年開始投放大洋進(jìn)行觀測(cè)，因其成本小且投放方便，成為20世紀(jì)70年代和80年代的主要觀測(cè)儀器，目前WOD13集中共收錄了221萬站XBT數(shù)據(jù)。

XBT資料的精度：不同廠家生產(chǎn)的不同型號(hào)的XBT，其精度也不同。溫度傳感器的精度有±0.1℃、±0.15℃，WOD中95%的XBT觀測(cè)深度不大于1 000 m，其深度精度為量程的2%或者5 m。

下降速度方程不合理導(dǎo)致XBT系統(tǒng)誤差：由于XBT僅配備溫度傳感器，其深度數(shù)據(jù)通過廠家發(fā)布的下降速度方程，假定XBT是自由落體，通過下降時(shí)間計(jì)算出對(duì)應(yīng)的深度數(shù)據(jù)。海洋學(xué)家一直根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果不斷對(duì)下降方程進(jìn)行修訂（Joaquin et al，2015），但是觀測(cè)方式?jīng)Q定了XBT深度數(shù)據(jù)的誤差一直存在。而且WOD13中近一半的XBT數(shù)據(jù)并未獲取具體的探頭型號(hào)，無從知道深度校正方程是否正確（Boyer et al，2013；Johnson et al， 2013）。

圖4　Argo浮標(biāo)鹽度數(shù)據(jù)漂移量（a為全球Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)漂移量，b為美國Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)漂移量）

除水深數(shù)據(jù)存在系統(tǒng)誤差外，XBT異常數(shù)據(jù)基本集中在入水?dāng)?shù)據(jù)和底層數(shù)據(jù)，見圖5。

2.4CTD

CTD作為一種測(cè)量海水溫度和鹽度的高精度儀器，其設(shè)計(jì)觀測(cè)深度可以達(dá)到10 000 m。其測(cè)量性能取決于各傳感器的響應(yīng)時(shí)間，當(dāng)以1 m/s下放CTD時(shí)，其垂向測(cè)量精度可以達(dá)到0.05～0.3 m。傳感器不同，測(cè)量精度也不同，一般溫度傳感器的精度為0.005℃～0.001℃，電導(dǎo)率傳感器的精度為0.000 3 S/m，對(duì)應(yīng)的鹽度的精度為0.02～0.003 PSS-78。CTD數(shù)據(jù)的質(zhì)量不單單取決于傳感器的精度，溫度和電導(dǎo)率的響應(yīng)時(shí)間隨CTD下放速度不同而不同，同樣急速變化的海洋環(huán)境也會(huì)導(dǎo)致CTD數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差。

圖5　ELES7隨機(jī)船獲取的印度洋的XBT資料

由于CTD基本都是船載觀測(cè)，成本較高，多集中于近岸，大洋中數(shù)據(jù)較少，時(shí)空分布極不均勻，見圖6（b）。

圖6　WOD13中XBT（a）、CTD站位圖（b），全球Argo資料中心發(fā)布的Argo站位分布圖（c）

3　Argo、GTSPP及WOD應(yīng)用中應(yīng)注意的問題

綜上所述，Argo、GTSPP及WOD數(shù)據(jù)集依次為后者的數(shù)據(jù)源，但時(shí)空范圍、觀測(cè)儀器、更新頻率各不相同，數(shù)據(jù)集的制作者也不同，見表4。

作為現(xiàn)有溫鹽數(shù)據(jù)集的主要觀測(cè)儀器Argo、XBT及CTD，其觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)空覆蓋范圍各不相同，見圖6。

由此可見Argo數(shù)據(jù)集實(shí)效性強(qiáng)、精度高，但全球Argo計(jì)劃始于2000年，至今僅獲取了140萬溫鹽剖面；GTSPP數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)主體采用GTS傳輸，因此資料時(shí)效性強(qiáng)但不完整，而且數(shù)據(jù)集主體為XBT數(shù)據(jù)，因此整體準(zhǔn)確度下降；WOD時(shí)空覆蓋范圍更為廣泛、數(shù)據(jù)也更為完整，但是其更新速度較慢，網(wǎng)站業(yè)務(wù)化更新資料的重復(fù)率較高。

若強(qiáng)調(diào)海洋研究的時(shí)效性，如海洋實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)與分析，Argo和GTSPP數(shù)據(jù)是較好的選擇；而對(duì)于海洋氣候研究，WOD可以省卻研究者大量收集并整合處理數(shù)據(jù)的時(shí)間。

同時(shí)應(yīng)用以上數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)該注意：Argo數(shù)據(jù)0～3 db數(shù)據(jù)缺失，而且在高緯度強(qiáng)溫躍層地帶出現(xiàn)較強(qiáng)的虛假鹽度尖峰，而且自由漂移的特性導(dǎo)致目前1%～2%鹽度剖面漂移超過0.02 PSS-78；由于下降方程的不斷演變，全球半數(shù)XBT共享數(shù)據(jù)提供者并未提供儀器型號(hào)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)整體的可靠性下降；CTD數(shù)據(jù)共享數(shù)據(jù)較少且多集中近海。

4　結(jié)語

海洋儀器的性能和觀測(cè)方式直接決定了單個(gè)數(shù)據(jù)的可靠性，而數(shù)據(jù)集整體的時(shí)空覆蓋率則制約了海洋科學(xué)研究的時(shí)空尺度。本文以這兩條準(zhǔn)則對(duì)Argo數(shù)據(jù)集、GTSPP數(shù)據(jù)集以及WOD進(jìn)行了仔細(xì)分析和比對(duì)，結(jié)論如下：

（1）相對(duì)于GTSPP和WOD，Argo數(shù)據(jù)集雖然時(shí)間跨度小，但其數(shù)據(jù)實(shí)效性強(qiáng)、精度高、信息完整、管理規(guī)范、應(yīng)用廣泛，而Argo浮標(biāo)更是不斷提高觀測(cè)精度，增加傳感器種類，從而使全球Argo計(jì)劃成為全球海洋觀測(cè)網(wǎng)中的重要組成部分。雖然目前由于Argo浮標(biāo)儀器設(shè)計(jì)和觀測(cè)方式導(dǎo)致了不同類型的誤差數(shù)據(jù)，但較之于歷史觀測(cè)儀器，其數(shù)據(jù)質(zhì)量取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，并且可以通過嚴(yán)格質(zhì)量控制和訂正程序?qū)φ`差數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的校正；

（2）GTSPP和WOD都是收集各種觀測(cè)儀器獲取數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)集，由于各個(gè)歷史時(shí)期采用的觀測(cè)儀器設(shè)備不同，對(duì)觀測(cè)資料質(zhì)量控制的認(rèn)識(shí)和采用的校正方法也不同，這兩個(gè)數(shù)據(jù)集都未實(shí)現(xiàn)對(duì)每種儀器的系統(tǒng)校正，數(shù)據(jù)集整體的質(zhì)量遠(yuǎn)不及Argo數(shù)據(jù)集；

（3）若強(qiáng)調(diào)海洋研究的時(shí)效性，如海洋實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)與分析，Argo和GTSPP數(shù)據(jù)是較好的選擇；而對(duì)于海洋氣候研究，WOD可以省卻研究者大量整合處理不同數(shù)據(jù)源的時(shí)間；

（4）Argo浮標(biāo)、XBT和CTD是現(xiàn)有溫鹽數(shù)據(jù)集主要觀測(cè)儀器，三種儀器的測(cè)量精度、隨機(jī)誤差、系統(tǒng)誤差和時(shí)空分布各不相同，使用者應(yīng)根據(jù)研究的時(shí)空尺度進(jìn)行合適的選取和比對(duì)。

（5）對(duì)固定研究區(qū)域內(nèi)，Argo、CTD數(shù)據(jù)應(yīng)該作為首選，而XBT等其它類型數(shù)據(jù)可以作為適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充。

（6）數(shù)據(jù)集的整合使用過程中，在必要的質(zhì)量控制以外，更需要對(duì)資料本身的誤差和真實(shí)的海洋現(xiàn)象進(jìn)行甄別。

以上研究結(jié)果，可以使海洋環(huán)境研究人員在眾多海洋數(shù)據(jù)源前，根據(jù)研究需求選取合適的數(shù)據(jù)集；同時(shí)在資料分析中，能夠有效地甄別資料本身的誤差和真實(shí)的海洋現(xiàn)象。

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（本文編輯：袁澤軼）

An introduction to Argo，GTSPP，WOD and their application

JI Feng-Ying，LIN Shao-hua，WAN Fang-fang，DONG Ming-mei，LIU Yu-long
（National Marine Data and Information Service，Tianjin 300171，China）

Abstract：The datasets restrict the scope and accuracy of marine scientific research，while reliability of individual marine station data is directly determined by instrument performance and observation modes. Taking observation instruments as the main standard and combining with spatial coverage and time span of datasets，this paper analyzes the affiliation of the three main global datasets of Argo，GTSPP and WOD: Argo and GTSPP are both the data sources of WOD，while 80%Argo realtime uncorrected data are included in GTSPP. Based on this study，the error resource and magnitude of the three main instruments Argo floats，XBT and CTD are identified: due to the global automatic observation and transmission requirements，abnormal Argo data are caused by electronic signal instability，and false salinity spikes of Argo data are obvious in high latitudes where the thermocline is strong，and free drift characteristics lead 1%～2%global Argo floats salinity drifts exceeding 0.02PSS-78. Due to the fall rate equation evolution，near half of the world XBT data are not provided with the instrument model，and the whole XBT dataset reliability decreases；the majority of CTD are used in shipboard observations，therefore it is costly，less shared and more concentrated on the offshore area. Therefore，integration of the global temperature and salinity data should take into account of observation instrument reliability，time span and spatial coverage，in order to efficiently identify the real ocean phenomena over the error of ocean data.

Keywords：Argo；GTSPP；WOD

中圖分類號(hào)：P715

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-6932（2016）02-0140-09

Doi：10.11840/j.issn.1001-6392.2016.02.003

收稿日期：2015-07-29；

修訂日期：2015-09-07

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（41406024）。

作者簡(jiǎn)介：紀(jì)風(fēng)穎（1974-），女，博士，副研究員，主要從事物理海洋數(shù)據(jù)處理與分析。電子郵箱：2320130582@qq.com。