白龍浮標(biāo)數(shù)據(jù)全球通信系統(tǒng)共享的解決方案

寧春林，薛 蕾，姜 龍，李 超，高 峰，于衛(wèi)東

(1.自然資源部第一海洋研究所，山東 青島 266061； 2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國家實(shí)驗室，山東 青島 266237；3.自然資源部海洋環(huán)境科學(xué)與數(shù)值模擬重點(diǎn)實(shí)驗室，山東 青島 266061； 4.國家氣象信息中心，北京 100081；5.世界氣象組織，瑞士 日內(nèi)瓦 1202； 6.中山大學(xué)大氣科學(xué)學(xué)院，廣東 珠海 519082)

白龍浮標(biāo)[1-2]是自然資源部第一海洋研究所自主研發(fā)的國內(nèi)首個深海氣候觀測浮標(biāo)[3-4]，是深海氣候觀測支撐平臺[5-9]，能夠搭載多要素傳感器，實(shí)現(xiàn)對海表氣象、海洋要素以及海洋內(nèi)部要素的高頻采樣，同時使用銥星通信，實(shí)時將觀測數(shù)據(jù)傳輸?shù)轿挥谇鄭u的岸站數(shù)據(jù)中心[10-13]。目前，白龍浮標(biāo)的5個站位分別與印度尼西亞、澳大利亞、馬來西亞、泰國、肯尼亞等合作布放在印度洋，其中布放在非洲-亞洲-澳大利亞季風(fēng)分析和預(yù)測研究錨系浮標(biāo)陣列(research moored array for African-Asian-Australian monsoon analysis and prediction，RAMA)中的(8°S，100°E)站位被世界氣象組織(World Meteorological Organization，WMO)分配編號5300041。

WMO的全球通信系統(tǒng)(Global Telecommunication System，GTS)是其通信和數(shù)據(jù)管理的組成部分，由成員國的國家氣象和水文局以及歐洲中期天氣預(yù)報中心(ECMWF)和歐洲氣象衛(wèi)星組織(EUMETSAT)等國際組織實(shí)施和運(yùn)營。GTS是一個由點(diǎn)對點(diǎn)電路和多點(diǎn)電路組成、集地面和衛(wèi)星通信鏈路為一體的綜合網(wǎng)絡(luò)，連接各國的氣象通信中心，全天候可靠并近乎實(shí)時地收集、分發(fā)所有氣象及相關(guān)數(shù)據(jù)。目前，WMO正在建立一個更加全面的信息系統(tǒng)(WIS 2.0)，使所有數(shù)據(jù)和信息能夠系統(tǒng)地?zé)o縫獲取、檢索、傳播和交換，支持減災(zāi)、氣候服務(wù)、可持續(xù)發(fā)展等全球戰(zhàn)略[14]。

GTS包括3個層次結(jié)構(gòu)：①骨干通信網(wǎng)絡(luò)(MTN)。MTN連接墨爾本、莫斯科和華盛頓的3個世界氣象中心(WMC)和阿爾及爾、北京、布拉克內(nèi)爾、巴西利亞、布宜諾斯艾利斯、開羅、達(dá)喀爾、吉達(dá)、內(nèi)羅畢、新德里、奧芬巴赫、圖盧茲、布拉格、索非亞、東京的15個區(qū)域通信樞紐(RTH)。這一核心網(wǎng)絡(luò)為RTH之間提供了高效、快速和可靠的通信服務(wù)。②區(qū)域氣象通信網(wǎng)絡(luò)(RMTNs)。RMTNs覆蓋WMO的非洲、亞洲、南美洲、北美洲、中美洲和加勒比、西南太平洋、歐洲、南極8個區(qū)域的綜合通信網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)通過連接本區(qū)域內(nèi)的氣象通信中心，進(jìn)行觀測數(shù)據(jù)的收集，并有選擇地向成員國分發(fā)氣象及其他相關(guān)信息。③國家氣象通信網(wǎng)絡(luò)(NMTNs)。使各國能夠在國家一級收集觀測數(shù)據(jù)，接收和分發(fā)氣象信息[14]。

北京是GTS亞洲區(qū)域通信樞紐，國家氣象信息中心作為該樞紐的業(yè)務(wù)運(yùn)行單位，依托我國自建的國際通信系統(tǒng)承擔(dān)了國際氣象數(shù)據(jù)交換業(yè)務(wù)，具體負(fù)責(zé)全球資料收集、國內(nèi)全球交換資料的對外分發(fā)，越南、朝鮮等責(zé)任區(qū)國家的氣象數(shù)據(jù)傳輸，以及與德國、日本、法國、俄羅斯、韓國、印度、泰國、越南、朝鮮、蒙古及歐洲氣象衛(wèi)星組織等國家和國際組織進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)交換。國際通信系統(tǒng)是中國氣象局收集國外氣象資料和產(chǎn)品，以及對外提供國內(nèi)氣象資料、全球交換資料和雙邊交換資料的核心業(yè)務(wù)平臺；同時，通過Internet線路與澳大利亞、巴基斯坦、美國等國家進(jìn)行資料交換共享，作為GTS系統(tǒng)的補(bǔ)充[14]。

本文針對(8 °S，100 °E)站位的白龍浮標(biāo)設(shè)計了一套解決方案，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)從浮標(biāo)端到岸站端進(jìn)而共享數(shù)據(jù)到GTS，從而實(shí)現(xiàn)白龍浮標(biāo)數(shù)據(jù)的全球共享，特別是利用拉依達(dá)準(zhǔn)則，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

1 方 案 概 述

白龍浮標(biāo)作為深海布放的海氣相互作用錨系平臺，實(shí)時采集氣象、海氣界面和剖面水下數(shù)據(jù)，并通過通信衛(wèi)星把采集的數(shù)據(jù)實(shí)時發(fā)送到岸站接收系統(tǒng)，在岸站接收系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。中國氣象局國際通信系統(tǒng)作為我國唯一的GTS入口，從岸站接收系統(tǒng)接收浮標(biāo)數(shù)據(jù)后，根據(jù)WMO規(guī)定的數(shù)據(jù)編碼和交換規(guī)則，對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、重新編報和封裝后向GTS分發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與國外的交換共享。

2 數(shù)據(jù)采集及質(zhì)量控制

白龍浮標(biāo)主要由數(shù)據(jù)采集、氣象觀測、耦合傳

輸水文觀測、控制、衛(wèi)星通信、錨系、浮標(biāo)體、能源、獨(dú)立定位通信和岸站等分系統(tǒng)組成。

數(shù)據(jù)采集分系統(tǒng)和控制分系統(tǒng)每10 min采集氣象觀測分系統(tǒng)的氣溫、氣壓、雨量、相對濕度、風(fēng)速風(fēng)向、長波輻射和短波輻射數(shù)據(jù)，同時耦合傳輸水文觀測分系統(tǒng)使用感應(yīng)耦合技術(shù)每10 min獲取水下13個溫度、電導(dǎo)率、深度和溶解氧傳感器采集的溫度、電導(dǎo)率、深度和溶解氧數(shù)據(jù)，每1 h獲取水下4個海流傳感器采集的海水流速、流向數(shù)據(jù)，每8 h獲取GPS的定位數(shù)據(jù)。衛(wèi)星通信分系統(tǒng)每3 h把采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送到岸站分系統(tǒng)，岸站分系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)服務(wù)程序接收、解析、實(shí)時數(shù)據(jù)質(zhì)量控制后自動保存數(shù)據(jù)到云服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中，同時把(8°S,100°E)站位的數(shù)據(jù)以文件的形式通過FTP協(xié)議自動發(fā)送到國家氣象信息中心，整個流程如圖1所示。

圖1 白龍浮標(biāo)數(shù)據(jù)上傳中國氣象局流程Fig.1 Flow chart of uploading Bailong buoy data to CMA

圖2 拉依達(dá)準(zhǔn)則判斷氣溫數(shù)據(jù)流程Fig.2 Flow chart of air temperature judgement with Pauta criterion

3 數(shù)據(jù)編碼和交換

隨著氣象觀測數(shù)據(jù)和產(chǎn)品的種類迅猛增加，時空分辨率、數(shù)據(jù)質(zhì)量和精度越來越高，WMO建議在全球范圍內(nèi)逐步實(shí)現(xiàn)由字符碼向具有自描述、靈活擴(kuò)展性和壓縮能力的表格驅(qū)動碼過渡。

在表格驅(qū)動碼格式中，BUFR(binary universal form of the representation of meteorological data)是用連續(xù)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)流表示氣象數(shù)據(jù)的一種格式，該格式于1988年被WMO基本系統(tǒng)委員會(CBS)批準(zhǔn)試驗運(yùn)行，并于2005年發(fā)布第4版(即現(xiàn)行版本)[15-16]。目前，全球越來越多的氣象、海洋等觀測數(shù)據(jù)開始以BUFR格式進(jìn)行編碼和交換。通過GTS系統(tǒng)，我國每日可接收來自全球約170個不同編報中心的表格驅(qū)動碼數(shù)據(jù)，其中采用BUFR格式編報的地面觀測、探空觀測、船舶觀測、浮標(biāo)觀測和飛機(jī)觀測的氣象數(shù)據(jù)每日已多達(dá)幾十萬份，我國的地面觀測、探空觀測、風(fēng)云衛(wèi)星觀測等資料也均采用了BUFR格式參與國際交換[17-19]。

WMO為常規(guī)資料制定了通用的標(biāo)準(zhǔn)模板，如地面資料標(biāo)準(zhǔn)模板為TM307080，探空資料的標(biāo)準(zhǔn)模板為TM309052，而錨定浮標(biāo)資料的標(biāo)準(zhǔn)模板為TM315008。鑒于BUFR格式具有自描述性，各個數(shù)據(jù)中心也可根據(jù)自身的觀測特點(diǎn)，靈活制定編碼模板。白龍浮標(biāo)氣象和海洋觀測序列可較好適配于標(biāo)準(zhǔn)模板，因此國家氣象信息中心對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼后，按照TM315008模板進(jìn)行BUFR格式轉(zhuǎn)換，并按照GTS的規(guī)則進(jìn)行封裝和編發(fā)。

3.1 封裝規(guī)則

參與GTS交換的數(shù)據(jù)需要遵循GTS手冊進(jìn)行封裝，以便WMO成員國在收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行初步識別、完整性判定和路由轉(zhuǎn)發(fā)等操作，封裝過程中需要確定白龍浮標(biāo)資料的GTS報頭。報頭是一份公報在GTS上傳輸?shù)奈ㄒ粯?biāo)識，用于標(biāo)識資料類型、所屬地理區(qū)域和編報中心等，白龍浮標(biāo)的報頭是IOBK01BABJ YYGGgg[BBB]，其中，I為格式標(biāo)識，表示BUFR數(shù)據(jù)；O為資料類型，表示海洋資料；B為資料子類型，表示浮標(biāo)觀測；K為資料所屬地理區(qū)域，表示南半球180°E～90°E；BABJ表示編報中心為北京；YYGGgg為資料時次，分別表示資料觀測的日期(2位)和時間(小時和分鐘各2位)；BBB為可選項，可用于編發(fā)更正報(CCx)或延遲報(RRx)，x代表A～X，如第一份更正報BBB編報“CCA”，第二份編“CCB”，依次類推，“CCX”之后仍有更正報編發(fā)時，BBB繼續(xù)使用“CCX”。

3.2 編碼構(gòu)成

編碼數(shù)據(jù)由指示段、標(biāo)識段、選編段、數(shù)據(jù)描述段、數(shù)據(jù)段和結(jié)束段構(gòu)成[14]，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 BUFR編碼數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.3 BUFR coded data structure

a.指示段。指示段由8個八比特組組成，包括BUFR數(shù)據(jù)的起始標(biāo)志、BUFR數(shù)據(jù)長度和BUFR版本號。

b.標(biāo)識段。標(biāo)識段由23個八比特組組成，包括標(biāo)識段段長、主表號、數(shù)據(jù)加工中心、數(shù)據(jù)加工子中心、更新序列號、選編段指示、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)子類型、本地數(shù)據(jù)子類型、主表版本號、本地表版本號、數(shù)據(jù)編碼時間等信息。

c.選編段。白龍浮標(biāo)資料未編發(fā)選編段。

d.數(shù)據(jù)描述段。數(shù)據(jù)描述段由9個八比特組組成，包括數(shù)據(jù)描述段段長、保留字段、觀測記錄數(shù)、數(shù)據(jù)性質(zhì)和壓縮方式以及描述符序列。其中，描述符序列采用WMO標(biāo)準(zhǔn)模板TM315008，表示錨定浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)的要素序列。

e.數(shù)據(jù)段。包括數(shù)據(jù)段段長、保留字段和模板為TM315008的描述符信息。其中，數(shù)據(jù)段段長根據(jù)編碼時實(shí)際包含的要素確定。觀測內(nèi)容包括標(biāo)準(zhǔn)海面氣象觀測數(shù)據(jù)、輻射觀測數(shù)據(jù)、溫鹽廓線觀測數(shù)據(jù)和洋流觀測數(shù)據(jù)。

f.結(jié)束段。由4個八比特組組成，分別編碼為“7777”。

4 數(shù) 據(jù) 下 載

BUFR格式的白龍浮標(biāo)數(shù)據(jù)與其他數(shù)據(jù)共同打包后，通過國際通信系統(tǒng)分發(fā)至GTS，德國、日本、法國等國家通過本國的GTS系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分揀后，按照報頭識別出中國發(fā)送的浮標(biāo)數(shù)據(jù)并進(jìn)行解碼后，得到白龍浮標(biāo)數(shù)據(jù)。

國際浮標(biāo)組織把全球共享GTS的浮標(biāo)數(shù)據(jù)上傳到www.jcommops.org網(wǎng)站，用戶可以查到白龍浮標(biāo)站位并下載數(shù)據(jù)，同時中國氣象局作為全球信息系統(tǒng)中心之一，制作并發(fā)布了BUFR格式白龍浮標(biāo)數(shù)據(jù)的元數(shù)據(jù)，國內(nèi)外用戶可以通過北京全球信息系統(tǒng)門戶(WIS Portal)檢索并下載白龍浮標(biāo)元數(shù)據(jù)，檢索報頭IOBK01BABJ，如圖4所示。

圖4 北京全球信息系統(tǒng)門戶白龍浮標(biāo)元數(shù)據(jù)下載Fig.4 Bailong buoy data downloading from Beijing WIS Portal

5 結(jié) 語

白龍浮標(biāo)是在印度洋投放的、國內(nèi)目前唯一業(yè)務(wù)化運(yùn)行在RAMA的深海錨系浮標(biāo)，也是國內(nèi)目前唯一與美國TAO浮標(biāo)開展比對的深海錨系浮標(biāo)。白龍浮標(biāo)數(shù)據(jù)按照標(biāo)準(zhǔn)格式全要素參與國際交換是國內(nèi)外氣象和海洋部門的迫切需求，通過將白龍浮標(biāo)數(shù)據(jù)共享到GTS，貫通我國錨系浮標(biāo)數(shù)據(jù)從浮標(biāo)端到GTS的整個數(shù)據(jù)鏈路，表明我國深海氣候浮標(biāo)數(shù)據(jù)提供能力達(dá)到世界先進(jìn)水平，將極大提高白龍浮標(biāo)在全球深海海洋氣候觀測領(lǐng)域的國際影響力，有助于我國全球深海海洋氣候觀測系統(tǒng)的國際化進(jìn)程。期待越來越多的中國浮標(biāo)，結(jié)合自身能力和需要，參考本文的解決方案，將數(shù)據(jù)共享到GTS，為全球海洋、氣象、水文、氣候等公共服務(wù)貢獻(xiàn)力量，推動減災(zāi)和氣候服務(wù)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。