南海深海海底觀測網試驗系統海底動力觀測數據集

常永國，張飛*，郭永剛，宋曉陽，楊杰，劉若蕓

1. 中國科學院聲學研究所，北京 100190

數據庫（集）基本信息簡介

引 言

海洋蘊藏著豐富的油氣能源、稀有礦產、海洋生物，同時海洋也是人類軍事活動的主要戰(zhàn)場之一[1]。深海海底觀測作為認識海洋、開發(fā)海洋的重要手段，在維護海洋權益、預警減災、保護海洋環(huán)境、加強國防建設等方面起著至關重要的作用[1-2]。

中國南海是一個面積廣闊的深水海盆，它西面及北面與亞洲大陸相鄰，南及東南面有群島環(huán)繞，主要通過東北面的呂宋海峽與瀕臨的西北太平洋相溝通[3]，太平洋的潮汐和黑潮通過該通道向南海輸送能量和水體[4]，同時季風、環(huán)流以及復雜的海底地形也為海洋學科研究提供了得天獨厚的條件[5]。在南海西北部，根據每個季節(jié)獲取的1–2個月錨系觀測，發(fā)現內潮動能在秋季最強，冬季潮汐動能最弱[6-7]；同樣在南海西北部，科學研究發(fā)現全日潮在夏季最強，冬季最弱，半日潮無明顯的季節(jié)性變化[7-8]。然而，南海深海觀測由于受到能源供給與信息傳輸的限制，使得深海動力研究受到了限制[7,9]，南海深海海底觀測網試驗系統的成功實施，將有助于解決此困境。南海深海海底觀測網試驗系統在1800 m水深布放海洋化學平臺、地球物理平臺以及海底動力平臺，于2016年9月開始長期、連續(xù)、實時的海洋觀測，如圖1所示[10]。其中海底動力平臺搭載溫、鹽、深傳感器（CTD）與聲學多普勒流速儀傳感器（ADCP），為深海海洋科學研究提供可靠海底動力基礎數據資料。

1 數據采集和處理方法

1.1 數據采集方法

南海深海海底觀測網試驗系統海底動力觀測數據集由南海深海海底觀測網試驗系統的海底動力觀測平臺獲得。海底動力觀測平臺搭載CTD與ADCP（儀器性能見表1）于2017年6月接入觀測網試驗系統，水深約1800 m（圖2）。其中CTD工作頻率為1 Hz，間隔15 s進行一次采樣；ADCP工作頻率為150 kHz，觀測層數30層，每層4 m，間隔10 min進行一次采樣。本文整理2017年7月至2018年12月數據集，為海洋科學研究提供基礎數據資料。

表1 儀器性能

圖2 海底動力平臺觀測位置（以紅色小旗表示）

1.2 數據處理

按照《海洋水文調查規(guī)范 第2部分：海洋水文觀測》（GBT-12763.2-2007）第5.3.1節(jié)CTD資料處理規(guī)范與第7.3.2節(jié)ADCP數據處理規(guī)范[11-12]，南海深海海底動力數據處理步驟如下：

（1）對傳感器采集的原始數據進行驗證轉換；

（2）采用多種質控算法對數據進行質控篩選，剔除壞值、補充缺省值等；

（3）按照數據處理結果規(guī)定，生成相關數據資料文件。

2 數據樣本描述

本數據集為文本數據，包括ADCP和CTD兩種數據集：（1）表2定義了ADCP數據集觀測要素量、要素類型、要素單位以及要素示例數據；（2）表3定義了CTD數據集觀測要素組成與示例數據。

表2 ADCP 數據要素組成與示例數據

序號 觀測要素 數據類型 單位 示例數據2 溫度 浮點型（float） ℃ 2.56 3 鹽度 浮點型（float） ppt 35 4 流速1 浮點型（float） mm/s 60 5 流速2 浮點型（float） mm/s 9 6 流速3 浮點型（float） mm/s 8 7 流速4 浮點型（float） mm/s 2 8 橫搖 浮點型（float） ○ ?0.13 9 艏向 浮點型（float） ○ 39.42 10 傾斜 浮點型（float） ○ ?0.37

表3 CTD 數據要素組成與示例數據

3 數據質量控制和評估

本數據集質量受到儀器設備采集精度、數據傳輸、數據處理等多個因素影響，本數據集通過以下質量控制方法來保障數據集質量。

（1）傳感器校準標定

在傳感器初始布放以及后期維護期間，定期對傳感器進行標定、GPS授時校準，以防傳感器數據漂移影響數據采集樣本質量。

（2）數據包驗證轉換

海底動力傳感器將采集數據通過接駁盒實時傳輸至岸基站上位機系統，上位機系統首先通過CRC32校驗數據包完整性。如若不完整，則數據包丟棄；如若完整，則對數據包頭與包體進行校驗解析。

（3）缺省值自動補全

海底動力平臺傳感器在數據采樣過程中，由于采樣頻率、水流環(huán)境、設備響應等多種因素，造成某些時刻流速數據丟失，所以本數據集在數據解析入庫過程中對于缺省值統一采用“NaN”標記處理。

（4）數據閾值區(qū)間驗證

CTD觀測要素閾值區(qū)間見表4。

表4 CTD傳感器觀測要素閾值

ADCP觀測要素閾值區(qū)間見表5。

表5 ADCP 傳感器觀測要素閾值

（5）異常值剔除[13]

海底動力觀測平臺工作過程中的特殊現象（如動物群、浮游生物的影響等）引起觀測要素明顯異常，在數據剔除過程中與“左鄰右舍”數據形成明顯區(qū)別，則視為異常數據，最后由數據專家進行質量判定。

（6）人工校驗

上述所有程序自動檢測異常數據需經過數據專家人工判定，消除疑似異常值數據。此外，數據專家還需對數據日常抽檢、校驗以及判定，保障共享數據質量，為海洋動力學科提供高質量基礎數據資料。

4 數據使用方法和建議

本數據集為2017年7月至2018年12月南海深海海底觀測網試驗系統海底動力傳感平臺采集，為南海海底動力學科提供溫度、鹽度、流速、壓力等要素觀測資料。

本數據集存儲格式均為Netcdf文件，研究人員可用HDFView或編寫程序解析，查看文件內容。

致 謝

感謝中科院聲學研究所南海站工作人員、中國海洋大學基于觀測網的海底動力環(huán)境長期實時監(jiān)測系統研發(fā)和集成課題組以及各合作單位在本數據集采集、存儲和生產過程中給予的支持和幫助。