2009-2012年南海海洋斷面科學考察走航ADCP海流觀測數據集

楊遠征，徐超，李莎，何云開

1. 中國科學院南海海洋研究所，廣州 510301

數據庫（集）基本信息簡介

引 言

中國南海不僅具有跨越熱帶和亞熱帶、毗鄰粵港澳大灣區(qū)和海上絲綢之路貿易的重要通道等優(yōu)越的地理位置，而且具有油氣能源和生物資源等豐富的資源。南海典型斷面科學考察，在科學研究方面可為南海水文、氣象、生態(tài)、化學、地質等海洋學科的科學研究提供可靠的科學數據，在海洋環(huán)境保護方面可在科學合理開發(fā)利用該海域各類資源及海洋生態(tài)文明建設提供科學依據。因此，開展南海海洋斷面科學考察具有重要意義[1]。2009-2012年南海海洋斷面科學考察遵照國家科技基礎性專項“南海海洋斷面科學考察”任務要求在南海設置18°N、10°N和6°N斷面，并設置沿東經113°一直到南沙群島（6-18°N）縱向斷面，在南海內部構建三橫一縱為主的觀測系統(tǒng)。圖1為2009-2012年南海海洋斷面科學考察站位圖。

圖1 2009-2012年南海海洋斷面科學考察站位圖

海流觀測是南海海洋斷面科學考察作業(yè)的重要內容之一，2009-2012年南海海洋斷面科學考察海流觀測采用的測量設備是聲學多普勒流速剖面儀（Acoustic Doppler Current Profilers，以下簡稱ADCP）。ADCP是利用聲波在流動液體中的多普勒頻移來測流的海流觀測儀器，具有準確率高、分辨率高和操作方便的特點，并且得到了廣泛的應用，特別是許多國際性大型海洋調查研究項目都把ADCP作為觀測儀器[2]。近年來，中國科學院南海海洋研究所逐年增加了南海海洋科學考察航次，除了南海海洋斷面科學考察航次外，南海北部海洋觀測開放航次自2004年以來累積了大量的ADCP現(xiàn)場海流觀測數據。在數據采集時間上，南海北部海洋觀測開放航次ADCP海流觀測數據集是從2004年起每年夏末秋初（8-9月）常態(tài)化進行觀測[3-4]。雖然南海海洋斷面科學考察ADCP海流觀測數據集只有四年的數據積累，但南海的環(huán)流具有明顯的季節(jié)性特征[5]，因此具有 4個不同季節(jié)的南海海洋斷面科學考察ADCP海流觀測數據集為深入開展季風氣候控制下的熱帶海洋環(huán)境演變過程的科學研究提供了可靠的數據支持。在觀測區(qū)域上，南海北部海洋觀測開放航次ADCP海流觀測數據集主要是在南海海洋北部海域獲取，而南海海洋斷面科學考察ADCP海流觀測數據集是在南海海洋斷面區(qū)域內獲取，觀測區(qū)域更廣，并且南海海洋斷面科學考察在南沙海域獲取了大量寶貴的連續(xù)的ADCP海流觀測數據，為南沙海域物理海洋的特征變化及環(huán)流結構等科學研究提供數據基礎。

1 數據采集和處理方法

1.1 數據采集

2009-2012年南海海洋斷面科學考察ADCP海流觀測4個航次都由中國科學院南海海洋研究所“實驗3”號科學考察船實施。各航次數據采集時間見表1。

表1 2009-2012年南海海洋斷面科學考察各航次數據采集時間表

（1）2009年4月28日至6月20日執(zhí)行春季航次考察，由于需返航三亞接第二階段考察隊員上船，5月4日至5月17日沒有執(zhí)行考察作業(yè)；此次科考春季航次主要航行路線：113°E斷面從北到南，6°N斷面從東到西，由于KJ57站較靠近陸地，被取消考察，10°N斷面從KJ58站位開始由西到東考察，18°N斷面從西到東。

（2）2010年10月27日至11月28日執(zhí)行秋季航次考察，由于強東北季風南下，10月27日至11月5日無法執(zhí)行考察，11月6日才開始作業(yè)至11月23日結束；此次科考秋季航次主要航行路線：113°E斷面從北到南，6°N斷面從東到西，10°N斷面從西到東，由于外國船只干擾，KJ59站被取消考察，18°N斷面從東到西。

（3）2011年11月28日至2012年1月12日執(zhí)行冬季航次考察，由于受天氣影響，2011年12月24日至12月29日沒有進行考察作業(yè)，并在2012年1月2日提前結束；此次科考冬季航次主要航行路線：113°E斷面從北到南穿越南海，由于天氣原因，未考察113°E斷面上的KJ22站位至KJ28站位；6°N斷面從東到西，由于天氣原因，未考察此斷面上的KJ56站位；10°N斷面放棄KJ57站位考察從KJ58站位開始由西到東，由于天氣原因，未考察此斷面上的KJ62站位至KJ65站位及KJ68站位至KJ75站位；18°N斷面只考察了KJ20站位就結束了冬季考察航次。

（4）2012年8月7日至9月12日執(zhí)行夏季航次考察，由于受熱帶氣旋影響，8月16日至8月18日中斷了數據采集作業(yè)；此次科考夏季航次主要航行路線：18°N斷面從東到西至KJ17站位時，由于西太平洋有臺風生成，先到10°N斷面的東面KJ75站開始由東往西調查；6°N斷面從KJ56站由東往西；113°E斷面從南到北完成此斷面調查后到KJ18站完成18°N斷面最后三站的調查。

每個航次采樣使用美國TRDI公司OS38型和VM300型ADCP，OS38 型ADCP工作頻率為38 kHz，寬帶工作方式，最大觀測深度1000 m。VM300型ADCP工作頻率為300 kHz，窄帶工作方式，最大觀測深度200 m。

1.2 資料整理

ADCP原始觀測數據參考《GB/T12763-2007海洋調查規(guī)范 第 7部分海洋調查資料交換》[6]第6.2.3節(jié)的方法以及通過ADCP自帶軟件WinADCP[7]設置相關參數導出整個斷面所有剖面的數據后，并進一步處理得到各航次海流觀測的經緯度、觀測層、東分量、北分量、流速、流向、探頭溫度等信息，整理2009-2012年南海海洋科學斷面考察ADCP海流觀測數據集。具體步驟如下：

（1）通過ADCP自帶軟件WinADCP設置相關參數將ADCP原始二進制數據導出MAT文件格式的數據，用于數據后處理和質量控制。首先，公共參數主要是在“WinADCP Chart Options”菜單下的“Profile”、“Series”、“Ancillary”和“Processing”功能模塊下進行設置；其次，導出參數主要通過“Export”菜單下的“Series/Ancillary”選項設置，其中“File Type”選“MAT”、“Bins”選“All”、“Series Data Types”下的“Velocity”選項全選、“Anc Data Types”選“Temperature”和“Depth”、“Bottom Track”選“Mag”和“Dir”和“Navigation”選“Lat/Lon”等。

（2）將導出的MAT文件進一步轉換成ASCLL數據格式文件，并對資料的各要素進行初步的質量控制，主要是剔除航跡經緯度數值為30000的資料，以及剔除流速或流向的數值為-32768的資料；ASCII標準數據格式文件中，剔除不符合編碼規(guī)定的可疑數據，詳見第3章。

（3）ADCP數據標準化處理，主要是將數據統(tǒng)一轉換成doc格式，并規(guī)范文件命名。文件命名由每個年份航次及相應型號ADCP數據組成，如文件“2009年南海海洋科學斷面考察OS38型ADCP海流觀測數據集”指2009年南海海洋科學斷面考察OS38型ADCP觀測數據，該文件是由數據記錄年月、記錄間隔時間和觀測層深度命名的數據組成，如“200905_LTA_30min_38”，指2009年05月調查航次OS38型ADCP觀測數據，“38”指38 m層觀測的數據，“LTA”是記錄間隔標識，“30min”指記錄間隔為30分鐘。

2 數據樣本描述

本數據集是國家科技基礎性工作專項南海海洋斷面科學考察項目通過2009年春季、2010年秋季、2011年冬季、2012年夏季4個航次采集并經過處理的ADCP海流觀測數據集。本數據集有2種型號ADCP海流觀測數據：（1）OS38型ADCP觀測60層，層間隔16 m，第一層深度38 m，記錄間隔30 min；（2）VM300型ADCP觀測54層，層間隔4 m，第一層深度10 m，記錄間隔30 min。數據集參數包括日期、時間、緯度、經度、觀測層、東分量、北分量、流速、流向、探頭溫度。表2列出了數據集中各參數的名稱、單位和樣例數據等信息。

表2 ADCP數據參數和樣例數據

3 數據質量控制和評估

在數據采集過程中，會受到船速、儀器、海況以及ADCP參數設定等因素的影響[8]。為確保ADCP觀測資料的質量，使用了系統(tǒng)誤差訂正和常規(guī)檢驗等質量分析和控制方法。ADCP數據的質量控制方面主要是對速率誤差和方向誤差（即為系統(tǒng)誤差）進行修正[9]。

（1）方向誤差主要是采集的數據由 ADCP觀測儀器坐標系轉換為地理坐標系過程中引入旋轉角度誤差（主要來源于ADCP傳感器安裝角度偏差和羅經測量的航向誤差）[10]。為了避免方向誤差，在每個航次考察初期，考察船以固定10節(jié)的航速走閉合圈進行走航ADCP自檢觀測，圖2為OS38型走航ADCP在54 m水層自檢觀測海流圖，圖3為VM300型走航ADCP在50 m水層自檢觀測海流圖。從海流觀測圖分析，2臺走航ADCP傳感器在考察船上的安裝角度及羅經校對理想，認為使用這2臺ADCP觀測的海流數據質量可靠，數據可以使用。若自檢的海流觀測圖的海流流向在閉合圈上基本不一致，那么ADCP傳感器安裝角度存在偏差，需通過用ADCP自帶軟件VmDas[11]軟件的Reprocess Data功能設置Transform菜單中的ADCP Alignment Correction參數對觀測資料進行安裝角度訂正處理。另外，由于考察船突然轉向、加速與減速時會導致羅經產生所謂的沖擊誤差，這個誤差在資料處理中是不能訂正的[12]。因此，為了確保觀測資料的質量，在數據采集過程中，盡量避免了考察船突然轉向、急加速和減速。

圖2 OS38走航ADCP自檢觀測（54 m水層）

圖3 VM300走航ADCP自檢觀測（50 m水層）

（2）剔除沒有記錄到同步GPS資料以及由于水深超出底跟蹤深度范圍導致測得船速為0的資料。2011年冬季航次由于VM300型ADCP的GPS損壞，沒有記錄到同步的GPS資料，不能夠處理出實際海流流速、流向數據，造成該航次的VM300型ADCP的海流觀測數據空缺。

（3）南海海洋斷面科學考察ADCP海流觀測是ADCP在底跟蹤和GPS跟蹤模式下進行作業(yè)的。ADCP測得流速是海水相對于船體的速度，因此船速的準確度影響數據的質量。底跟蹤模式下測得船速是通過跟蹤水底的“運動”測量的，精度可達到1 cm/s[13]，而且該誤差在數據處理過程中能被消除，因此底跟蹤模式測得船速無需進行系統(tǒng)誤差校正。GPS跟蹤模式下測得船速受海況等環(huán)境因素和人為操縱船只因素等影響[8]，因此GPS跟蹤模式下必須要進行系統(tǒng)誤差的校正和船速的訂正。本數據集最大觀測深度為982 m，符合OS38型ADCP最大測量底跟蹤深度（OS38型ADCP最大測量底跟蹤深度理論值為2 km，實際只有1 km左右）。因此，為了提高海流流速精度，采用底跟蹤觀測的船速數據，這樣無需進行船速誤差修正，利用ADCP自帶軟件WinADCP[7]的processing功能處理出實際的海流數據。

（4）常規(guī)檢驗主要包括范圍檢驗、非法碼檢驗和連續(xù)性檢驗等。范圍檢驗：經度范圍超過108-122°E，緯度范圍超過4-24°N，水深小于0或大于1000 m，該數據錯誤；流速范圍超過-5～9 m/s，探頭溫度（水溫）超過-40～40℃，該數據可疑。非法碼檢驗：ASCII標準數據格式文件中，每一位編碼規(guī)定了可以出現(xiàn)的屬性有符號、字符和數字（包括空格），若文件中的編碼出現(xiàn)了不符合上述規(guī)定的屬性，該數據可疑。

另外，除了通過上述所描述的技術手段外，還結合該調查海域的歷史研究成果，對轉換得到的數據進行比對校驗。

4 數據使用方法和建議

本數據集是歷經4年共計4個不同季節(jié)的航次數據積累，為我國南海海洋的動力過程和海洋物理的特征變化等海洋科學研究提供了寶貴的現(xiàn)場資料。

為方便使用，我們提供了數據集doc電子資料，用戶可以直接采用Microsoft Word程序瀏覽。

致 謝

本數據集的獲取得到中國科學院南海海洋研究所海洋科學考察船隊及“實驗 3”號科學考察船隊所有成員的大力支持和幫助，在此表示感謝。