浙江海洋浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系設(shè)計(jì)

趙聰蛟,宋琍琍,余駿,劉希真,陳思楊,張曉輝,劉瑞娟

(浙江省海洋監(jiān)測預(yù)報(bào)中心 杭州 310007)

0 引言

準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)是開展各項(xiàng)海洋科學(xué)研究的基礎(chǔ)和前提,監(jiān)測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制通常與數(shù)據(jù)的獲取和分析同時(shí)開展。數(shù)據(jù)獲取的流程通常為采樣準(zhǔn)備、樣品采集和預(yù)處理、樣品儲(chǔ)存和運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)室分析、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)歸檔[1],其中數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制應(yīng)貫穿于整個(gè)流程。

因數(shù)據(jù)獲取方式不同,質(zhì)量控制方法略有側(cè)重。海洋站觀測數(shù)據(jù)具有長期性、連續(xù)性和近岸性特點(diǎn),獲取溫鹽、潮汐、波浪和氣象四大類數(shù)據(jù)的質(zhì)控流程通常為數(shù)據(jù)采集、傳送和轉(zhuǎn)化,質(zhì)控方法的選擇和處理以及質(zhì)控結(jié)果的顯示和存儲(chǔ),常用的質(zhì)控方法有極值控制、狄克遜檢驗(yàn)、Cochran檢驗(yàn)、全等性檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)和相鄰站一致性檢驗(yàn)[2-3]。譚哲韜等[4]介紹范圍檢查、相關(guān)性檢驗(yàn)和連續(xù)性檢驗(yàn)等14種海洋觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法的原理;趙秀玲等[5]從準(zhǔn)備、實(shí)施和內(nèi)業(yè)分析3個(gè)方面介紹海洋調(diào)查數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制要求。

船舶走航采樣監(jiān)測的質(zhì)量控制工作通常分為采樣前、采樣中和采樣后3個(gè)階段。采樣前主要從管理制度、人員和儀器設(shè)備等方面加強(qiáng)質(zhì)量控制[6-7]。采樣中的水質(zhì)樣品通常采用現(xiàn)場空白樣、現(xiàn)場平行樣以及現(xiàn)場加標(biāo)樣或質(zhì)控樣等進(jìn)行樣品采集、儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)馁|(zhì)量控制[6-8],生物樣品通常要現(xiàn)場固定、防止污染以及選擇合適的樣品容器,沉積物樣品要有代表性、避免水體攪動(dòng)以及規(guī)范預(yù)處理和儲(chǔ)存[8]。采樣后將樣品帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測試,通常采用室內(nèi)空白樣、平行樣、質(zhì)控樣或加標(biāo)樣以及質(zhì)控圖進(jìn)行質(zhì)量控制[7-8],必要時(shí)開展一致性檢驗(yàn)和異常值剔除[9]。

自Argo計(jì)劃實(shí)施以來已獲取海量全球海洋溫鹽剖面數(shù)據(jù)資料,常采用閾值、軌跡、與可信數(shù)據(jù)比對(duì)以及基于“三倍標(biāo)準(zhǔn)差”的異常數(shù)據(jù)檢測等方法開展質(zhì)量控制[10-13]。福建和廣西是我國較早開展海洋水質(zhì)浮標(biāo)在線監(jiān)測的沿海地區(qū):張江龍等[14]從規(guī)章制度、實(shí)驗(yàn)室條件、設(shè)備維護(hù)和校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)檢查和審核以及記錄等方面介紹廈門近岸海域水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行過程中的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制措施;舒俊林等[15]從規(guī)章制度、人員素質(zhì)、儀器設(shè)備維護(hù)與保養(yǎng)、軟件系統(tǒng)維護(hù)、周報(bào)和月報(bào)制作以及資料歸檔等方面介紹廣西近岸海域自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制。中國環(huán)境監(jiān)測總站等單位聯(lián)合編制的《近岸海域水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(HJ 73l-2014)在標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞、儀器性能審核、校準(zhǔn)和比對(duì)以及數(shù)據(jù)有效性檢查等方面提出系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量保證和質(zhì)量控制方法[16]。此外,還有少數(shù)報(bào)道介紹浮標(biāo)監(jiān)測葉綠素、溫度、鹽度和氮磷營養(yǎng)鹽等參數(shù)的質(zhì)量控制方法[17-19]。

由于浮標(biāo)所處的海洋環(huán)境十分復(fù)雜,隨著時(shí)間的延長,監(jiān)測數(shù)據(jù)可能發(fā)生漸變式整體偏移。張宇等[20]研究浙江海域水質(zhì)浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)中的這一異?，F(xiàn)象,根據(jù)酸堿度(p H值)、溶解氧(DO)和葉綠素(Chl-a)三者的相關(guān)性特性,建立基于相關(guān)性的漸變異常數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別質(zhì)控方法。已有研究大多僅提出監(jiān)測資料或浮標(biāo)監(jiān)測的普適性質(zhì)量控制方法,雖然有少數(shù)報(bào)道對(duì)葉綠素等個(gè)別參數(shù)進(jìn)行研究,但仍停留在探索階段,沒有深入研究浮標(biāo)所載儀器設(shè)備監(jiān)測參數(shù)集的質(zhì)控方法和質(zhì)控結(jié)果,也沒有具體量化較長時(shí)間序列的各監(jiān)測參數(shù)集的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

浙江近岸海域浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)自2011年正式啟動(dòng)建設(shè),至2017年年底已完成18套海洋水質(zhì)浮標(biāo)的建設(shè)任務(wù)(其中寧波有7套)[21],這些浮標(biāo)已獲取大量的常規(guī)水質(zhì)、氣象、營養(yǎng)鹽和特征參數(shù)數(shù)據(jù)。本研究選用浙江近年的浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù),從浮體穩(wěn)定性、儀器設(shè)備校準(zhǔn)、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸接收、比對(duì)監(jiān)測和異常值判定等關(guān)鍵環(huán)節(jié),設(shè)計(jì)浙江近岸海洋浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系,并以此為指導(dǎo)開展浙江海洋浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制,以期整體提升浙江近岸海域浮標(biāo)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量,為客觀反映海洋環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢、準(zhǔn)確預(yù)警赤潮等海洋生態(tài)問題和突發(fā)狀況以及助力海洋經(jīng)濟(jì)健康有序發(fā)展提供有效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 研究對(duì)象

本研究采用浙江近岸海域11套海洋水質(zhì)浮標(biāo),其中包括嘉興1套、舟山4套、臺(tái)州3套和溫州3套。浙江近岸海域浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)(不含寧波)自2011年正式啟動(dòng)建設(shè),2012年8月在臺(tái)州大陳海域投放第一套試點(diǎn)海洋水質(zhì)自動(dòng)監(jiān)測浮標(biāo),至2017年3月完成全部11套浮標(biāo)的建設(shè)任務(wù)[21](表1)。

表1 浙江近岸海域海洋水質(zhì)浮標(biāo)基礎(chǔ)信息

根據(jù)投放地點(diǎn)的功能區(qū)特點(diǎn),浮標(biāo)具有不同的監(jiān)測參數(shù)。浮標(biāo)1～6所在海域?yàn)槌喑备甙l(fā)區(qū)、增養(yǎng)殖區(qū)、貝類種質(zhì)保護(hù)區(qū)和排澇通道,監(jiān)測參數(shù)為常規(guī)水質(zhì)、氣象和營養(yǎng)鹽;浮標(biāo)7～11所在海域?yàn)闉I海旅游區(qū)、核電溫排水區(qū)和石油儲(chǔ)備基地附近,監(jiān)測參數(shù)為常規(guī)水質(zhì)和氣象,且浮標(biāo)10增加核輻射監(jiān)測參數(shù),浮標(biāo)11增加碳?xì)浠衔锉O(jiān)測參數(shù)。其中,常規(guī)水質(zhì)參數(shù)包括水深、水溫、鹽度(電導(dǎo)率)、濁度、溶解氧、p H值和葉綠素a;氣象參數(shù)包括風(fēng)向、風(fēng)速、雨量、氣壓、氣溫、濕度和光照度;營養(yǎng)鹽參數(shù)包括氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和活性磷酸鹽。

2 數(shù)據(jù)來源

自浙江海洋浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)省級(jí)監(jiān)控平臺(tái)提取上述11套海洋水質(zhì)浮標(biāo)2020—2021年連續(xù)2年的水溫、鹽度、p H值、溶解氧、葉綠素a、濁度、氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮、活性磷酸鹽和碳?xì)浠衔?1項(xiàng)監(jiān)測參數(shù)集,開展質(zhì)量控制技術(shù)研究。浮標(biāo)運(yùn)行維護(hù)、儀器設(shè)備性能核查和現(xiàn)場比對(duì)監(jiān)測等數(shù)據(jù)分別來自浮標(biāo)系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)服務(wù)商和浮標(biāo)屬地建設(shè)任務(wù)承擔(dān)單位。

3 質(zhì)量控制體系設(shè)計(jì)

區(qū)別于傳統(tǒng)船舶走航的監(jiān)測流程,海洋浮標(biāo)在線監(jiān)測無須人工現(xiàn)場采樣、樣品預(yù)處理和運(yùn)輸以及室內(nèi)測試分析,從樣品采集到數(shù)據(jù)分析完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的重點(diǎn)也不再聚焦樣品采集和分析測試階段,而是從浮體穩(wěn)定性、儀器設(shè)備校準(zhǔn)、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸接收、比對(duì)監(jiān)測和異常值判定等關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展質(zhì)量控制,保證浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的有效性。

3.1 浮體穩(wěn)定性

浮標(biāo)浮體為圓餅形,直徑為2 m或3 m,設(shè)計(jì)海上使用壽命為15年,目前未超過使用壽命。浮體標(biāo)架上安裝的太陽能電池板和蓄電池為各傳感器和數(shù)據(jù)傳輸提供動(dòng)力,警示燈、雷達(dá)反射器和防撞環(huán)可避免往來船只碰撞。浮體下方安裝的穩(wěn)定錘可保證浮標(biāo)水平穩(wěn)定,并通過雙錨設(shè)計(jì)保證浮標(biāo)穩(wěn)定在預(yù)定海域范圍內(nèi)。通過運(yùn)行維護(hù)檢查浮體各組成部分的緊固程度和運(yùn)行狀態(tài),確保浮體及所載儀器設(shè)備處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。

3.2 儀器設(shè)備校準(zhǔn)

儀器設(shè)備在投入使用之前或維修后再次使用之前,須經(jīng)過檢測、校準(zhǔn)或性能核查,以保證儀器設(shè)備在海上的正常運(yùn)行。對(duì)多參數(shù)水質(zhì)傳感器以及氨氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮和活性磷酸鹽等傳感器進(jìn)行定期性能核查,包括檢出限檢查、穩(wěn)定性檢查、標(biāo)準(zhǔn)曲線檢查、量程漂移和零點(diǎn)漂移等;對(duì)p H值、溶解氧、濁度和葉綠素a等傳感器進(jìn)行校準(zhǔn);對(duì)碳?xì)浠衔锖秃溯椛鋫鞲衅鬟M(jìn)行性能檢測校準(zhǔn)。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)

通過例行維護(hù)、應(yīng)急維護(hù)和年度整體維護(hù),保證浮標(biāo)系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行。通常情況下例行維護(hù)為每月開展1次,維護(hù)內(nèi)容包括浮體和傳感器清潔、試劑更換、儀器設(shè)備校準(zhǔn)、緊固件檢查以及通信檢查等。受臺(tái)風(fēng)和惡劣海況影響,或發(fā)生漁船碰撞、斷電或通信故障等突發(fā)事件時(shí),立即開展應(yīng)急維護(hù)。每年開展1次整體維護(hù),包括將浮體拖上岸進(jìn)行清潔后重新涂刷防腐材料,以及將各傳感器帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測和校準(zhǔn)等。

3.4 數(shù)據(jù)傳輸接收

監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)加密處理后,采用GPRS/CDMA或北斗系統(tǒng)實(shí)時(shí)傳輸至浙江海洋浮標(biāo)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)省級(jí)監(jiān)控平臺(tái)。通過該平臺(tái)每日監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸接收情況,查看各浮標(biāo)數(shù)據(jù)接收是否正常、數(shù)據(jù)入庫是否正常、有無異常值或故障值以及經(jīng)緯度是否明顯偏移。一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失、通信中斷和經(jīng)緯度明顯偏移等情況,須立即采取措施加以解決。

3.5 比對(duì)監(jiān)測

每個(gè)浮標(biāo)每年開展6次現(xiàn)場采樣比對(duì)監(jiān)測,即每2個(gè)月開展1次。采樣方法和要求為:在距離浮標(biāo)10 m范圍內(nèi)布設(shè)1個(gè)采樣點(diǎn),采樣前用GPS定位并記錄經(jīng)緯度;采集海水表層(離海面0.5～0.8 m,與傳感器同一高度)樣品,整點(diǎn)采集并連續(xù)采集5次以上,與在線監(jiān)測時(shí)間保持同步。

表層海水溫度、p H值和濁度均在現(xiàn)場完成比對(duì)分析,溶解氧、鹽度、葉綠素a和碳?xì)浠衔飿悠方?jīng)現(xiàn)場采集處理后帶回實(shí)驗(yàn)室完成比對(duì)分析。樣品現(xiàn)場固定、運(yùn)輸和實(shí)驗(yàn)室分析應(yīng)符合《海洋監(jiān)測規(guī)范》(GB 17378-2007)和《海洋調(diào)查規(guī)范》(GB/T 12763-2007)的要求。各比對(duì)參數(shù)的分析方法和依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 各比對(duì)參數(shù)的分析方法和依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)

水質(zhì)監(jiān)測的質(zhì)量控制采用平行樣,其中p H值和溶解氧采用100%的現(xiàn)場平行樣,碳?xì)浠衔锊捎?0%的現(xiàn)場平行樣。

3.6 異常值判定

建立異常值判定方法庫,將已見諸報(bào)道的方法納入方法庫,并針對(duì)各參數(shù)特點(diǎn)進(jìn)行適宜性篩選。海洋監(jiān)測異常值判定方法主要包括:

(1)標(biāo)定[22]。室內(nèi)標(biāo)定由國家標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位進(jìn)行,現(xiàn)場標(biāo)定選用有效期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)。主要適用參數(shù)為水溫、鹽度、p H值、溶解氧。

(2)值域檢驗(yàn)[9]。檢驗(yàn)參數(shù)是否超出對(duì)應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)值域。主要適用參數(shù)為鹽度、水溫、p H值、透明度、溶解氧。

(3)檢出限檢驗(yàn)[9]。利用儀器設(shè)備的檢出限范圍檢驗(yàn)參數(shù)的最小值。主要適用參數(shù)為海洋環(huán)境要素。

(4)最大污染倍數(shù)檢驗(yàn)[9]。利用參數(shù)最大污染等級(jí)的倍數(shù)檢驗(yàn)該參數(shù)值域的最大值。主要適用參數(shù)為重金屬、有毒污染物、化學(xué)需氧量、活性磷酸鹽、溶解無機(jī)氮、總氮、石油類、硫化物。

(5)專家經(jīng)驗(yàn)檢驗(yàn)[9]。利用專家經(jīng)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行審核確認(rèn)。主要適用參數(shù)為大氣干沉降和濕沉降。

(6)極值檢驗(yàn)[4]。根據(jù)對(duì)海洋的基本認(rèn)知,結(jié)合海洋環(huán)境要素的歷史極值等統(tǒng)計(jì)經(jīng)驗(yàn),判定參數(shù)是否異常。主要適用參數(shù)為海洋環(huán)境要素。

(7)相關(guān)性檢驗(yàn)(一致性檢驗(yàn))[3-4]。根據(jù)同一時(shí)刻和同一地點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)的相互關(guān)系(是否符合一定的物理聯(lián)系)進(jìn)行檢驗(yàn)。主要適用參數(shù)為風(fēng)速與風(fēng)向、風(fēng)速與浪高、水溫與氣溫、鹽度與雨量、水溫與寒潮以及浮標(biāo)觀測要素。

(8)連續(xù)性檢驗(yàn)[2,23]。通過確定要素相鄰時(shí)刻間的差值進(jìn)行檢驗(yàn)。主要適用參數(shù)為海洋站、浮標(biāo)站和驗(yàn)潮站等定點(diǎn)和長時(shí)間監(jiān)測資料。

(9)等值檢驗(yàn)[24]。在一定深度范圍內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)相同的監(jiān)測值,推測可能是儀器設(shè)備故障造成的可疑值。主要適用參數(shù)為Argo監(jiān)測要素。

(10)逆溫檢驗(yàn)[4]。通常海水溫度隨深度增加而逐漸降低,若出現(xiàn)逆溫且超過一定的閾值,可判定為異常值。主要適用參數(shù)為水溫。

(11)尖峰檢驗(yàn)(牛眼檢驗(yàn))[24]。由于儀器設(shè)備性能或操作等原因,可能出現(xiàn)明顯不合理的較大突變即“牛眼”。主要適用參數(shù)為Argo監(jiān)測要素。

(12)深度遞增檢驗(yàn)[4]。現(xiàn)場監(jiān)測的水溫和鹽度等剖面深度均是從海表單調(diào)往下遞增,據(jù)此檢驗(yàn)數(shù)據(jù)異常值。主要適用參數(shù)為水深。

(13)密度遞增檢驗(yàn)[25-26]。下層海水密度總是大于上層海水密度,據(jù)此檢驗(yàn)數(shù)據(jù)異常值。主要適用參數(shù)為深層水溫和鹽度。

(14)陸地位置檢驗(yàn)[4]。經(jīng)緯度是否在預(yù)定范圍內(nèi)。主要適用參數(shù)為儀器設(shè)備及其載體。

(15)垂直梯度檢驗(yàn)[4]。相鄰2個(gè)深度值對(duì)應(yīng)監(jiān)測值的垂直梯度是否超出一定閾值。主要適用參數(shù)為鹽度。

(16)局地最大深度檢驗(yàn)[25]。深度監(jiān)測值是否比該地的海底深度更深。主要適用參數(shù)為水深。

(17)局地氣候態(tài)檢驗(yàn)[10,27]。根據(jù)局地歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分布特征或概率分布界定閾值,據(jù)此標(biāo)記可疑值。主要適用參數(shù)為水溫、鹽度和溶解氧等剖面資料。

(18)溫度-鹽度圖檢驗(yàn)[4]。將監(jiān)測的溫-鹽曲線與事先構(gòu)建的氣候態(tài)溫-鹽曲線進(jìn)行比較,檢驗(yàn)異常信息。主要適用參數(shù)為水溫和鹽度。

(19)非法碼檢驗(yàn)[28]。根據(jù)各類要素的數(shù)據(jù)編碼格式,對(duì)不同位置出現(xiàn)的符號(hào)、數(shù)字或字符進(jìn)行范圍檢驗(yàn)。主要適用參數(shù)為水溫、鹽度、海浪、海冰和氣象等海洋站監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(20)全等性檢驗(yàn)[28]。部分參數(shù)相對(duì)于固定的海洋站往往是長期不變的,據(jù)此檢驗(yàn)參數(shù)是否保持不變。主要適用參數(shù)為資料類型、經(jīng)緯度、水深、監(jiān)測方法、儀器設(shè)備、海拔高度。

(21)24 h滑動(dòng)平均[29-30]。對(duì)某數(shù)據(jù)序列在逐一小區(qū)間上不斷進(jìn)行局部平均,即可得出較平滑的監(jiān)測結(jié)果,而濾掉頻繁起伏的隨機(jī)誤差。主要適用參數(shù)為浮標(biāo)監(jiān)測葉綠素。

(22)漸變異常數(shù)據(jù)自動(dòng)識(shí)別[20]。在一定時(shí)序上參數(shù)之間的相關(guān)性是穩(wěn)定甚至一致的,據(jù)此開展自動(dòng)識(shí)別。主要適用參數(shù)為p H值、溶解氧和葉綠素。

(23)現(xiàn)場比對(duì)監(jiān)測[15,31]?，F(xiàn)場人工采樣監(jiān)測結(jié)果與同一時(shí)刻浮標(biāo)在線監(jiān)測結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。主要適用參數(shù)為浮標(biāo)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。

(24)實(shí)時(shí)質(zhì)量控制[10]。對(duì)72 h內(nèi)獲得的浮標(biāo)監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行垂向斜率統(tǒng)計(jì)檢測、與同浮標(biāo)歷史對(duì)比檢測以及浮標(biāo)漂移速度檢測等。主要適用參數(shù)為Argo監(jiān)測要素。

(25)延時(shí)質(zhì)量控制[10]。將浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)和質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì),再進(jìn)行數(shù)據(jù)校正。主要適用參數(shù)為溫鹽剖面數(shù)據(jù)。

(26)平均值-標(biāo)準(zhǔn)差檢驗(yàn)[13]。用氣候態(tài)資料或較長時(shí)間序列浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的“平均值-標(biāo)準(zhǔn)差”范圍判定異常值。主要適用參數(shù)為溫鹽剖面數(shù)據(jù)。

(27)“最佳匹配”歷史剖面資料比對(duì)[11]。比對(duì)Argo和歷史剖面數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的漂移軌跡和要素圖,有效識(shí)別數(shù)據(jù)誤差。主要適用參數(shù)為溫鹽剖面數(shù)據(jù)。

(28)三倍標(biāo)準(zhǔn)差檢驗(yàn)[11]。計(jì)算浮標(biāo)監(jiān)測位置剖面資料的對(duì)應(yīng)平均值和標(biāo)準(zhǔn)差,同時(shí)考慮與其他剖面之間的關(guān)系。主要適用參數(shù)為溫鹽剖面數(shù)據(jù)。

(29)氣候態(tài)校正[12]。使用海洋氣候態(tài)平均數(shù)據(jù)集WOA對(duì)浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行校正,增加深水值校正和表層值校正。主要適用參數(shù)為Argo監(jiān)測溶解氧剖面數(shù)據(jù)。

(30)空氣測量校正[12]。用可信的海表面氧氣分壓校正Argo浮標(biāo)監(jiān)測空氣中的氧氣分壓。主要適用參數(shù)為Argo監(jiān)測溶解氧的漂移誤差。

(31)空白樣、平行樣、加標(biāo)樣和內(nèi)控樣[6]。主要適用參數(shù)為海洋環(huán)境要素。

(32)萊茵達(dá)檢驗(yàn)[2,19]。以基于萊茵達(dá)準(zhǔn)則計(jì)算的3倍標(biāo)準(zhǔn)差作為標(biāo)準(zhǔn)范圍。主要適用參數(shù)為浮標(biāo)在線監(jiān)測水溫和鹽度。

(33)狄克遜檢驗(yàn)[2]。基于規(guī)則計(jì)算樣本中的最大值和最小值是否異常。主要適用參數(shù)為數(shù)據(jù)量較少的參數(shù)。

(34)格拉布斯檢驗(yàn)[2]?；谝?guī)則計(jì)算樣本中的最大值或最小值的殘差是否超過選定顯著性水平的臨界值,超過則判定為異常值。主要適用參數(shù)為服從或近似服從正態(tài)分布的數(shù)據(jù)集。

(35)均方差檢驗(yàn)[17]。計(jì)算某時(shí)刻值與鄰近50個(gè)值的平均值和均方差,據(jù)此判定異常值。主要適用參數(shù)為浮標(biāo)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3.7 質(zhì)量控制流程

對(duì)11項(xiàng)參數(shù)開展3個(gè)層級(jí)的質(zhì)量控制,分別獲得有效、可信和相對(duì)準(zhǔn)確的浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)集(圖1)。

圖1 浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系的設(shè)計(jì)流程

第一層:去除明顯的故障值、異常值和離群值,得到有效數(shù)據(jù)集。傳感器故障期間、網(wǎng)絡(luò)通信故障期間、浮標(biāo)運(yùn)行維護(hù)期間以及浮標(biāo)發(fā)生明顯偏移或移位期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)不是浮標(biāo)正常運(yùn)行采樣獲取的數(shù)據(jù),應(yīng)首先判斷為故障值或異常值。波浪造成浮體明顯擺動(dòng)、傳感器采樣過程中產(chǎn)生氣泡以及數(shù)據(jù)加密傳輸解碼異常等情況可能產(chǎn)生低于或高于傳感器檢出限的離群值。對(duì)各監(jiān)測參數(shù)整年的數(shù)據(jù)集進(jìn)行滑動(dòng)平均處理,剔除明顯離群值。根據(jù)傳感器的工作狀態(tài),結(jié)合各監(jiān)測參數(shù)的歷年均值、傳感器檢出限和閾值等判定故障值和異常值。

第二層:自方法庫選取合適的質(zhì)控方法,對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的有效數(shù)據(jù)集開展質(zhì)量控制,去除可疑數(shù)據(jù),得到可信數(shù)據(jù)集。根據(jù)各監(jiān)測參數(shù)的特點(diǎn),選擇極值檢驗(yàn)、等值檢驗(yàn)、尖峰檢驗(yàn)、相關(guān)性檢驗(yàn)、連續(xù)性檢驗(yàn)、均方差檢驗(yàn)、萊茵達(dá)檢驗(yàn)和狄克遜檢驗(yàn)等數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法,判定有效數(shù)據(jù)集的可信程度。臺(tái)風(fēng)過境期間,應(yīng)視臺(tái)風(fēng)對(duì)浮標(biāo)造成影響的程度確定數(shù)據(jù)是否可信;赤潮期間浮標(biāo)數(shù)據(jù)會(huì)發(fā)生明顯變化,如無其他異常情況發(fā)生,應(yīng)視為可信數(shù)據(jù)。

第三層:根據(jù)現(xiàn)場采樣比對(duì)監(jiān)測結(jié)果,結(jié)合歷年均值,檢驗(yàn)可信數(shù)據(jù)集的質(zhì)量,必要時(shí)增加修訂系數(shù),得到相對(duì)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)集。例如:廈門西海域浮標(biāo)監(jiān)測葉綠素?cái)?shù)值僅約為現(xiàn)場比對(duì)監(jiān)測數(shù)值的50%[17],則可設(shè)定修訂系數(shù)為2.0。

4 討論

質(zhì)量保證是整個(gè)監(jiān)測過程的全面質(zhì)量管理,質(zhì)量控制是質(zhì)量保證的組成部分,是為達(dá)到監(jiān)測質(zhì)量要求所采取的作業(yè)技術(shù)和活動(dòng)[32]。浮標(biāo)監(jiān)測全過程涉及的人員素質(zhì)、規(guī)章制度、站位布設(shè)、設(shè)備投放和運(yùn)行維護(hù)、傳感器校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)傳輸接收存儲(chǔ)、軟件系統(tǒng)維護(hù)、比對(duì)監(jiān)測、異常值判定、數(shù)據(jù)應(yīng)用和資料歸檔等方面均屬于質(zhì)量保證范疇。本研究從中歸納并選取浮體穩(wěn)定性、儀器設(shè)備校準(zhǔn)、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸接收、比對(duì)監(jiān)測和異常值判定等關(guān)鍵環(huán)節(jié)開展質(zhì)量控制,獲得有效、可信和相對(duì)準(zhǔn)確3個(gè)層級(jí)的數(shù)據(jù)集。

第一層是去除明顯的故障值、異常值和離群值等無效數(shù)據(jù)后得到的浮標(biāo)監(jiān)測有效數(shù)據(jù)集,可用于評(píng)估浮標(biāo)監(jiān)測有效數(shù)據(jù)接收率,進(jìn)而評(píng)估浮體系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性以及各傳感器的運(yùn)行狀態(tài)。第二層是針對(duì)各參數(shù)特點(diǎn),自方法庫選取適宜的質(zhì)控方法去除可疑數(shù)據(jù)后得到的浮標(biāo)監(jiān)測可信數(shù)據(jù)集,可用于反映浮標(biāo)所在海域的水體環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢;由于此數(shù)據(jù)集反映的趨勢性變化是可信的,其結(jié)果可用于制作赤潮短期預(yù)警等信息產(chǎn)品[33],也可用于研究相關(guān)海洋生態(tài)問題和突發(fā)狀況。第三層是經(jīng)現(xiàn)場比對(duì)監(jiān)測結(jié)果驗(yàn)證后的浮標(biāo)監(jiān)測相對(duì)準(zhǔn)確數(shù)據(jù)集;該數(shù)據(jù)集以段代線,結(jié)合浮標(biāo)監(jiān)測各參數(shù)的歷年均值,驗(yàn)證較長時(shí)間序列浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,通過設(shè)置合適的修正參數(shù),所得結(jié)果可視為水體環(huán)境質(zhì)量的相對(duì)準(zhǔn)確值。

經(jīng)過3個(gè)層級(jí)的質(zhì)量控制,期望獲得較長時(shí)間序列且相對(duì)準(zhǔn)確的水質(zhì)、營養(yǎng)鹽、核輻射和碳?xì)浠衔锏缺O(jiān)測參數(shù)集的量化數(shù)據(jù)結(jié)果,整體提升浙江近岸海域浮標(biāo)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量,為客觀反映海洋環(huán)境質(zhì)量及其變化趨勢、準(zhǔn)確預(yù)警赤潮等海洋生態(tài)問題和突發(fā)狀況以及助力海洋經(jīng)濟(jì)健康有序發(fā)展提供有效基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)語

本研究充分考慮海洋浮標(biāo)在線監(jiān)測的特點(diǎn),從浮體穩(wěn)定性、儀器設(shè)備校準(zhǔn)、系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)、數(shù)據(jù)傳輸接收、比對(duì)監(jiān)測和異常值判定等關(guān)鍵環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系,重點(diǎn)從異常值判定和比對(duì)監(jiān)測2個(gè)方面開展研究,設(shè)計(jì)合理且操作可行;3個(gè)層級(jí)的異常值判定規(guī)則具有一定的創(chuàng)新性,預(yù)期獲得有效、可信和相對(duì)準(zhǔn)確的浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)集,為整體提升浙江近岸海域浮標(biāo)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量發(fā)揮積極作用;以浙江海洋浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)提出的浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制體系的設(shè)計(jì)思路和方法,可為全國海洋浮標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及相關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制提供參考。