海冰觀測數(shù)據質量控制方法研究及北海區(qū)冰情分析

虞蘭蘭，張海寧，虞洋，江宇，張玉強，金海琴

(1. 國家海洋局北海信息中心 青島市 266061；2. 海軍北海艦隊海洋水文氣象中心 青島市 266003；3. 青島91049部隊 青島市 266000)

海冰觀測數(shù)據質量控制方法研究及北海區(qū)冰情分析

虞蘭蘭，張海寧，虞洋，江宇，張玉強，金海琴

(1. 國家海洋局北海信息中心 青島市 266061；2. 海軍北海艦隊海洋水文氣象中心 青島市 266003；3. 青島91049部隊 青島市 266000)

根據海冰觀測數(shù)據的特點，分析、借鑒幾種常用的氣象、海洋數(shù)據質量控制方法，制定海冰觀測數(shù)據的質量控制體系，包括非法碼檢驗、全等性檢驗、極值檢驗、一致性檢驗、統(tǒng)計特性檢驗、可視化圖形繪制檢驗等方法。選取最近4個年度 (2013/2014-2016/2017年度)北海區(qū)5個海冰測站的觀測數(shù)據，分別進行人工和程序質量控制，結果顯示，目前業(yè)務中使用的人工檢測質量控制效率較低，海冰質控程序則提升了海冰觀測數(shù)據質量控制的效率和準確度，在日常業(yè)務中有較高的應用價值。同時，對質控后的海冰數(shù)據進行北海區(qū)冰情分析發(fā)現(xiàn)，從海冰持續(xù)時間、總冰量、浮冰冰狀分布情況，均可看出2015/2016年度北海區(qū)的冰情最為嚴重；在同一年度，北海區(qū)冰情基本隨緯度增加而加重，而在相似緯度上，黃海冰情比渤海更為嚴重。

海冰；質量控制；北海區(qū)；冰情分析

海冰是我國中、高緯度海域的重要海洋災害之一，頻繁出現(xiàn)在渤海和黃海中北部海域 (本文簡稱北海區(qū))，主要由海水凍結及一部分江河注入的淡水冰組成，是北海區(qū)特有的水文現(xiàn)象。海冰對海面氣熱交換的影響十分顯著，直接影響地球、大氣的能量收支平衡[1]，受西伯利亞寒潮侵襲的影響，我國北海區(qū)每年冬季均出現(xiàn)不同程度的結冰[2]。據資料統(tǒng)計，北海區(qū)海冰為一年冰，發(fā)生嚴重 (或比較嚴重)海冰災害的周期約為5年，輕冰年與重冰年的冰情差異很大[3]。輕冰年，海冰出現(xiàn)范圍小、持續(xù)時間短，厚度較薄，對航運交通和其他海上活動的影響較??；重冰年，北海區(qū)大面積海域被厚冰覆蓋[4]，造成航道堵塞、海洋工程設施損壞，嚴重制約港口航運、海上油氣開采、漁業(yè)生產和水產養(yǎng)殖等發(fā)展，影響了人民的生產生活[5]。掌握有冰海域的環(huán)境條件，利用多種手段開展海冰冰情監(jiān)測對國民經濟發(fā)展和國防建設具有十分重要的意義[6]。

對觀、監(jiān)測數(shù)據進行質量控制，及時對發(fā)現(xiàn)的錯誤數(shù)據進行分析判斷，能夠妥善解決資料中可能存在的問題，剔除資料中的錯誤，提高資料的可靠性與準確性[7]，是實測數(shù)據應用分析的前提。而質量控制方法的好壞則直接影響到數(shù)據質量，是數(shù)據質量控制的重點[8]。由此可見，對海冰資料進行質量控制，獲取準確的海冰監(jiān)測數(shù)據，從而提高海冰實測資料的可靠性，對于推進海冰觀測資料的廣泛利用、建立較為完善的海冰防災減災系統(tǒng)具有意義重大。因此，海冰數(shù)據的質量控制是制約相關研究工作的技術瓶頸，是海冰冰情監(jiān)測成果應用的基礎，為確保海冰數(shù)據的真實性和準確性，必須對其實行準確有效的數(shù)據質量控制和檢驗評估。目前國內外針對海冰觀測數(shù)據的質量控制研究較少，并未產生一套完整可靠的海冰質控方法體系。

自1969年特大冰封以來，我國海冰監(jiān)測、研究和預報工作全面展開。隨著遙感技術的發(fā)展，20世紀80年代開始大量應用遙感技術監(jiān)測海冰。21世紀以來，北海區(qū)海洋站已形成業(yè)務化運行的海冰觀測數(shù)據，然而，在實際業(yè)務中缺乏專門的海冰質控軟件，主要對其進行初步的人工檢驗，影響了海冰觀測資料使用的規(guī)范性，亟待開發(fā)系統(tǒng)的海冰質控應用程序，對海冰資料進行有效的質量控制，以滿足業(yè)務的需求。本文借鑒氣象、海水溫鹽度、海浪等業(yè)務化觀測數(shù)據的質量控制方法，針對海冰觀測數(shù)據的特點，初步分析制定海冰數(shù)據質量控制的流程，通過實例進行海冰數(shù)據質量控制的檢驗，并分析最近4個年度北海區(qū)冰情分布特征。

1 質量控制方法簡介

根據觀測數(shù)據的實際情況進行質量控制方法的選擇和應用，是數(shù)據質量控制的重點，質量控制方法直接影響了數(shù)據的質量。由于目前并無系統(tǒng)的海冰質量控制方法體系，本文主要借鑒氣象及其它水文數(shù)據質量控制的常用方法，包括非法碼檢驗、全等性檢驗、極值檢驗、一致性檢驗、海洋環(huán)境氣候特性檢驗、統(tǒng)計特性檢驗、人機交互圖形繪制檢驗等[7-14]。

1.1 非法碼檢驗

對溫鹽度、海浪、海冰、氣象數(shù)據等要素的海洋站觀測數(shù)據，必須按照規(guī)定的格式和代碼進行記錄，每一類觀測要素的標準數(shù)據格式，均具有固定的編碼方式和特定屬性。根據規(guī)定的各類要素數(shù)據編碼格式，對不同位置出現(xiàn)的符號、數(shù)字或字符進行范圍檢驗，即為非法碼檢驗。

1.2 全等性檢驗

觀測數(shù)據的部分參數(shù)相對于固定的海洋站，往往是長期不變的，如資料類型、觀測點經緯度、觀測點水深、觀測方法、儀器名稱、觀測儀器海拔高度等參數(shù)值，質控過程中檢驗上述參數(shù)值是否保持不變，即為全等性檢驗。

1.3 極值檢驗

極值檢驗是指結合海洋環(huán)境要素的物理征、歷史極值等統(tǒng)計經驗，分別給定各要素的極大值和極小值，作為該要素觀測數(shù)據的上、下限，從而判定數(shù)據是否異常的方法，亦被稱為極值控制法。極值控制的關鍵是極值的確定，若觀測數(shù)據超出極值的范圍，則判定該數(shù)據可疑。選取適當?shù)臉O值范圍可有效檢驗出極端異常的數(shù)據，然而，極值控制無法檢驗出數(shù)值在極值范圍內的異常數(shù)據，需進一步采用更為精準的控制方法。

1.4 一致性檢驗

一致性檢驗法通過分析要素之間的內在關系和時空分布聯(lián)系，對要素的正確性進行判定，包括內部一致性檢驗、空間一致性檢驗及時間持續(xù)性檢驗。

內部一致性檢驗主要分析各要素自身屬性及要素之間的聯(lián)系是否正確，如對于風向這一要素，出現(xiàn)大于360°或小于0°的風向、風速為0而風向未記為C的情況，則風向未通過內部一致性檢驗；要素之間的聯(lián)系，如總云量≥低云量、氣溫≥露點溫度、風速與風浪的浪高成正比等，若出現(xiàn)有悖于上述關系的要素時，則該要素未通過內部一致性檢驗。

由于不同空間的數(shù)據分布特征具有較大的差異和不確定性，故空間一致性檢驗使用四分位距檢查法，又稱四分位法[15-17]。四分位法主要用于描述觀測數(shù)據的偏態(tài)分布、分布不明確及末端無確定值等特征，可消除異常大值的影響，相對于均值、標準差等更加穩(wěn)定可靠。本文根據四分位法的實質內涵，對其現(xiàn)有的計算公式進行了歸納、精簡。將觀測數(shù)據整理為升序排列的樣本X=[x1， x2，…，xn]， n≥3， 選取 3 個數(shù)據點將 X 劃分為四等分，數(shù)據點對應數(shù)值即為四分位數(shù)，分別用Q1、Q2、Q3表示，計算步驟如下所示:

另外，由于月經血內會混有一些具有抗凝作用的活性酶，所以月經為非凝固性的，這樣有利于經血的排出。但是當月經量過多的時候，抗凝血酶原的量會出現(xiàn)相對不足，就會使經血內混有血塊。此時，由于經血里一些細碎甚至大塊的血塊，所以顏色也會偏黑。

1.4.1 計算第1個四分位數(shù)Q1

Q1在X樣本中的下標為進行mQ向下取整 (即截斷取整)得到整數(shù) ，則1可由用xm和xm+1插值得到:

1.4.2 計算第3 個四分位數(shù)Q3

Q3在X樣本中的下標為進行pQ向下取整 (即截斷取整)得到整數(shù)，則1可用xp和xp+1插值得到:

1.4.3 計算四分位距IQR

1.4.4 確定樣本X中異常值的界限為:

公式(4)中的Fl、Fu分別為異常值的下限和上限，在[Fl， Fu]以外的數(shù)據認定為異常值。然而四分位法也有一定的局限性，該方法必須保證異常數(shù)據占總數(shù)據量的比例較小，否則將無法有效識別異常數(shù)據，故使用時應結合其它檢驗方法對數(shù)據進行質量控制。

時間持續(xù)性檢驗主要檢測數(shù)據是否不隨時間發(fā)生改變，應根據要素的特征進行檢查時間的設置，當某要素在檢查時間內 (如24 h)樣本的標準差小于給定的最低值，則該要素未通過時間持續(xù)性檢驗。

1.5 海洋環(huán)境氣候態(tài)特性檢驗

根據各要素的海洋環(huán)境氣候態(tài)分布特性進行資料檢驗，將某海洋站某要素的月統(tǒng)計值與該站該要素的多年歷史統(tǒng)計值進行比較，分析其超出或低于給定值的原因，排除異常天氣現(xiàn)象的影響因素后，即認為該要素未通過海洋環(huán)境氣候態(tài)特性檢驗。氣候態(tài)檢驗必須保證已有的觀測數(shù)據序列足夠長 (至少20年)，否則不具備進行該項檢驗的條件。

1.6 統(tǒng)計特性檢驗

一定時間序列的觀測資料在理論上往往符合某些概率統(tǒng)計的特性，數(shù)據對應的隨機變量和隨機過程相互獨立并服從一定的分布。對觀測資料進行數(shù)據的統(tǒng)計特性檢驗，可選用的檢驗方法包括3δ方法 (萊茵達檢驗法)、卡方擬合優(yōu)度檢驗、輪次檢驗、格拉布斯檢驗以及狄克遜檢驗等，應根據數(shù)據的觀測特性和實際情況選取統(tǒng)計檢驗方法。對時間序列為一個月的觀測數(shù)據一般采用萊茵達檢驗法進行質量控制。

1.7 人機交互圖形繪制檢驗

國內外成功的質量控制體系表明，數(shù)據質量控制的完全自動化無法解決所有的資料質量問題。質量控制程序計算出的異常數(shù)據未必是錯誤數(shù)據，若不加分析直接算作缺測或內插得出替代值，則會造成數(shù)據誤判。因而，使用人工檢查和計算機判定相結合的方法進行數(shù)據的統(tǒng)計和分析，是觀測資料質量控制的主要方法之一，而便捷友好的人機交互界面是實現(xiàn)該方法的關鍵步驟。在人機交互過程中，工作人員根據自己的專業(yè)知識和經驗，核查相關要素的變化情況，對質控軟件判定出的異常觀測數(shù)據進行最終的分析判斷。

2 海冰觀測數(shù)據質量控制體系的建立與檢驗

觀測數(shù)據質量控制的核心是通過分析數(shù)據的特征，選擇適當?shù)馁|量控制方法，以提高可疑數(shù)據的檢出率。海冰觀測要素包括觀測冰量、冰型、冰表面特征、冰狀、最大浮冰塊水平尺度、浮冰密集度、浮冰漂流方向和速度、沿岸冰堆積量、沿岸冰堆積高度等。本文根據海冰各要素的特性，全面考慮海冰資料的各種誤差，選用非法碼檢驗、全等性檢驗、極值檢驗、一致性檢驗、統(tǒng)計特性檢驗、人機交互圖形繪制檢驗等方法(表1)，初步建立海冰觀測數(shù)據質量控制的方法體系。由于觀測數(shù)據時間序列的限制，海洋環(huán)境氣候態(tài)特性檢驗暫未考慮，應在時間序列達到20年以上時將該檢驗加入海冰質控方法體系。

表1 海冰觀測數(shù)據質量控制方法體系

現(xiàn)有的海冰質量控制方法主要為人工檢驗，極易造成異常數(shù)據的漏檢。選取最近4年的北海區(qū)海冰觀測數(shù)據 (2013/2014-2016/2017)，對本文建立的海冰質控體系的準確性進行驗證與分析。首先，對海冰觀測數(shù)據分別進行人工檢測與程序質量控制的結果對比，將發(fā)現(xiàn)的問題條數(shù)列出，如表2所示:人工檢測主要針對標題記錄和說明記錄，最核心的數(shù)據記錄的質量無法得到保證；而質控程序輸出的質控報告顯示，其數(shù)據記錄亦存在較多的問題，需要資料產出單位進行檢查和修改。經人工復核，質控程序檢測出的異常數(shù)據無錯檢現(xiàn)象，充分證明了海冰質控程序的可行性，提升了海冰觀測數(shù)據質控過程的效率和準確度，可在業(yè)務運行中推廣使用。

表2 近4年(2013/2014-2016/2017年度)海冰觀測數(shù)據質量控制結果對比

3 北海區(qū)海冰冰情分析

選取2013/2014-2016/2017年度 (下文全部以13/14-16/17年度代替)北海區(qū)最北部5個海冰測站的觀測數(shù)據，進行質量控制后作相應的修正并剔除可疑值，以得出最近4年北海區(qū)海冰(圖1)的冰情分布特征。

圖1 北海區(qū)海冰測站的位置示意圖

統(tǒng)計各海冰測站能夠觀測到冰量的有冰日數(shù)，即初冰日期與終冰日期之間的天數(shù)，可表征海冰持續(xù)時間的長短，如圖2所示:從時間上分析，15/16年度北海區(qū)海冰持續(xù)的時間最長，5個測站總計309天，其余3個年度分別為249、234、260天。從地域上分析，黃海北部近岸 (東港)海冰持續(xù)的時間最長，遼東灣北部近岸 (葫蘆島、鲅魚圈)次之，遼東灣南部 (芷錨灣、溫坨子)海冰持續(xù)時間最短。

圖2 北海區(qū)13/14-16/17年度各海冰測站有冰日數(shù)統(tǒng)計(單位: 天)

統(tǒng)計各海冰測站觀測到的總冰量，即各觀測時刻海冰覆蓋面積占整個能見海面的成數(shù)之和?？偙吭酱?，表明海冰面積越大，如圖3所示:從時間上分析，15/16年度北海區(qū)海冰總冰量最大，5個測站總計3 074，其余3個年度分別為1 566、1 782、1 746。從地域上分析，基本上緯度較高的葫蘆島、鲅魚圈總冰量最大，東港次之，芷錨灣、溫坨子最小。

圖3 北海區(qū)13/14-16/17年度各海冰測站總冰量統(tǒng)計

由于13/14-16/17年度觀測得出的固定冰冰量均為0，為研究海冰水平尺度的特征，圖4繪制出浮冰的冰狀統(tǒng)計情況。假設浮冰最大水平尺度為L(單位:m)，L與浮冰冰狀的關系為:巨冰盤 (L≥2000)、大冰盤 (500≤L＜2000)、中冰盤 (100≤L＜500)、小冰盤 (20≤L＜100)、冰塊 (2≤L＜20)、碎冰 (L＜2)。

浮冰冰狀分布特征為:北海區(qū)海冰主要以冰塊、碎冰這兩類較小水平尺度的形式存在，小冰盤出現(xiàn)次數(shù)約為冰塊出現(xiàn)次數(shù)的一半；除15/16年度出現(xiàn)40次大冰盤的統(tǒng)計外，巨冰盤和大冰盤的統(tǒng)計次數(shù)均為0。從冰狀的時間分布來看，15/16年度浮冰各冰狀出現(xiàn)次數(shù)均遠高于其他年度。

圖4 北海區(qū)13/14-16/17年度浮冰冰狀統(tǒng)計次數(shù)(單位: 次)

綜上所述，從海冰持續(xù)的時間、總冰量大小、浮冰冰狀分布情況，均可看出15/16年度北海區(qū)的冰情在最近4個年度中最為嚴重。在同一年度，北海區(qū)冰情隨緯度增加而加重；在相似緯度上，黃海冰情比渤海更為嚴重。

4 結論與展望

(1)北海區(qū)海冰觀測數(shù)據在實際質控業(yè)務中主要進行人工檢驗，影響了海冰觀測資料使用的規(guī)范性。本文借鑒氣象、海水溫鹽度、海浪等業(yè)務化觀測數(shù)據的質量控制方法，針對海冰觀測要素的特點，分析其質量控制過程，初步建立了北海區(qū)海冰質控方法體系，并將其應用于海冰的實測數(shù)據。與目前的人工檢驗結果相比，本文建立的海冰質控程序更加方便快捷，質檢正確率亦得到了提升。

(2)從海冰持續(xù)的時間、總冰量大小、浮冰冰狀分布情況可看出，15/16年度北海區(qū)的冰情在13/14-16/17 4個年度中最為嚴重。基本上在同一年度，北海區(qū)冰情隨緯度增加而加重；在相似緯度上，黃海冰情比渤海更為嚴重。

(3)在海冰質量控制體系的應用過程中，由于實測海冰數(shù)據時、空序列的限制，無法進行海洋環(huán)境氣候態(tài)特性和空間一致性的檢驗過程，在時間序列達到20年以上、空間觀測點分布達到相應密度后，應在海冰質控體系中分別加入長期觀測數(shù)據的氣候態(tài)統(tǒng)計信息和四分位距檢查法。

(4)本文僅以萊茵達檢驗法進行了海冰觀測數(shù)據的統(tǒng)計特性檢驗，為更全面地檢驗數(shù)據的隨機過程，應在進一步的質控方法研究工作中考慮卡方擬合優(yōu)度檢驗、輪次檢驗、格拉布斯檢驗、狄克遜檢驗等方法。此外，應考慮更加便捷友好的人機交互界面，以便于工作人員根據程序質控結果進行人工復核校驗的分析判斷。

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2017-08-23

2015年北海分局海洋科技項目--海洋站海冰觀測資料的質控方法研究與初步應用 (2015B14)。