西北太平洋台风海域实时海洋监测

曹敏杰，刘增宏， 许建平

（1.自然资源部第二海洋研究所；2.卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州310012）

0 引言

西北太平洋海域是全球热带气旋（台风）发生最为频繁和活跃的区域，同时也是登陆我国台风的主要源地。据世界气象组织统计，每年约有三分之二的热带气旋形成于北半球，一半以上发生在北太平洋海域，而这些热带气旋中约有80%会发展成台风[1]。热带气旋是影响我国的主要灾害性天气之一，通常伴随有巨浪、暴雨、狂风和风暴潮，造成洪涝，冲毁水库，引发山体滑坡和泥石流，对经过地区的人民生命财产和生产活动造成巨大威胁，对海上作业、海洋渔业和海水养殖业等造成重大安全隐患和经济损失。据统计，2016年，我国沿海共发生台风等风暴潮过程18次，直接经济损失45.94亿元，受灾人口多达 339.39万。随着沿海地带经济的迅速发展和全球气候变暖，台风灾害有愈演愈烈之势，已成为我国海洋经济可持续发展的一个制约因素[2-3]。

台风路径和台风强度预报是台风预报中的 2个关键因子。过去几十年，台风路径预报水平有了显著提高，但有关台风强度的预报水平仍发展相对缓慢，依然是科学界公认的难题。其原因在于台风强度变化不但与大气复杂的涡旋动力学、热力学过程紧密联系，而且与台风下垫面上层海洋的相互作用存在紧密关系[4-6]。海洋是台风增强的能量供应来源，特别在海面到300 m上层是台风与海洋相互作用最为强烈的区域。台风经过海域的上层海洋热（盐）结构是影响台风强度及其预报的重要因素。长期以来，由于缺乏台风生成源地或路径附近海域长时间的实时海洋（次表层）观测资料，阻碍了人们对海洋与台风相互作用过程的深入了解和准确模拟，更无法获得台风预报所需要的可靠的海洋初始场。如果在台风路径附近能获取实时的、大面积范围内（300 km）的上层海洋观测资料，对研究上层海洋对台风的响应和调制机理，进而提高台风预报（路径、强度）精度能起到重要作用。

由此可见，有必要加大对西北太平洋台风海域的实时海洋环境监测和基础研究，特别是利用业已研制成功的、适合在恶劣环境下观测的新颖海洋仪器设备，以便能大范围、长时间、高分辨率和实时地获取台风天气条件下的上层海洋环境资料；为发展和完善海洋与台风相互作用的理论方法、耦合数值模式等相关基础研究提供充分的数据源。从而深化对台风生成与发展机理的认识，提高对台风的实时监测和预报能力，减少台风和风暴潮等气象和海洋灾害对沿海社会经济和人民生命财产带来的重大损失。这无疑是国家防灾减灾的重大需要。

1 台风海域实时海洋监测

过去的台风观测手段主要有抛弃式温度测量仪（AXBT）、抛弃式海流剖面观测仪（AXCP）、锚碇浮标以及调查船等[7]。其中 AXBT和 AXCP通过飞机来投放，投放成本非常大，其观测寿命也比较短，无法获取长时间序列的资料。一些锚碇浮标的观测资料也被用于偶然经过的台风对海洋影响的研究，这种浮标可携带多种海洋或气象传感器，但其成本和维护费用都相当大，且容易受到人为因素的破坏以及恶劣天气的影响，难以构建用来专门观测台风的阵列或观测网。常规的船只走航或定点海洋观测，一般只能在台风发生前或过境后实施，尤其是台风发生前的海洋调查，不是离台风生成日期或源地、路径太远，就是离台风太近，形成的大风大浪导致调查船无法实施观测，而且也十分危险。近年来，卫星遥感技术的发展似乎给恶劣天气下的海洋观测带来了曙光，其反演资料被广泛应用于热带气旋对海洋上层影响的研究[8-9]。但卫星遥感只能观测海洋表面的温、盐度等海洋环境要素，而无法获取人们更关心的上层海洋（如1 000 m水深以浅）的环境要素资料。可见，上述的这些观测手段受各自条件的限制，只能用于有限区域的观测，无法获取到大范围台风海域长时间序列的上层海洋资料。

21世纪初开始在全球海洋中构建的全球Argo实时海洋观测网，为人们带来了观测台风作用下的海洋是如何响应/反馈的希望和新思路[10-11]。国际Argo计划自2000年启动以来，已经于2007年10月在全球无冰覆盖的大洋上建成了一个由3 000多个 Argo剖面浮标组成的观测网（简称“核心Argo”），每个浮标能每隔 10 d自动观测 1条 0～2 000 m水深内的温、盐度剖面，并通过卫星将观测资料经地面接收站和数据处理中心及互联网传递给用户[12-13]。早期的 Argo浮标，大部分使用Argos卫星进行单向通讯，即无法在台风到达前或经过时能随时改变浮标的观测周期等技术参数实施对海洋的加密观测，数据传输速率也较慢（＜1 bytes/s），无法满足高分辨率观测数据的传输要求。于是，人们开始尝试使用具有双向通讯、高速率传输（180～300 bytes/s）功能的铱卫星（IRIDIUM）通讯系统。目前，在全球海洋近4 000个仍在工作的Argo浮标中，已经有近60%的浮标采用铱卫星传输数据。特别需要指出的是，2015年 9月，由中船重工七一〇所自主研制的 HM2000型剖面浮标，采用了我国的北斗卫星系统（BEIDOU）定位与传输观测资料，并具备与铱卫星相同的双向通讯功能，同样可用于台风海域的实时海洋监测。第一批（6个）HM2000型剖面浮标已经由中国科学院海洋研究所率先布放在西北太平洋西边界流海域（吕宋岛以东）；2016年 9月，国家海洋局第二海洋研究所承担的国家科技基础性工作专项“西太平洋Argo实时海洋调查”重点项目在我国南海海域布放了10个HM2000型剖面浮标。上述部分资料经过中国Argo实时资料中心严格质量控制后，已经通过全球通讯系统（GTS）和互联网（WWW、FTP），与世界气象组织（WMO）和国际 Argo计划成员国共享，并得到了国际Argo信息中心（AIC）的认可。表 1列出了上述各种观测仪器设备或观测系统的特点和优劣势对比[14]。可以看到，利用Argo剖面浮标（具有双向通讯、高速率传输功能的IRIDIUM通讯系统）构建海洋观测阵，对台风作用下的海洋进行大范围、长期、连续、实时监测，将会是今后一段时间内最理想、最有效的观测手段。

表1 台风天气条件下不同海洋观测方式比较Table 1 Comparison of various ocean observing methods under typhoon conditions

2 西北太平洋台风海域实时海洋监测网

2.1 观测网组成

西北太平洋台风海域实时海洋监测网主要由海上自动剖面浮标观测系统、数据自动接收/监视系统、数据处理与分发系统等组成。其中海上自动剖面浮标观测系统将维持一个由 30～45个具有双向通讯功能的自动剖面浮标组成的西北太平洋台风海域实时海洋监测网。利用其双向通讯功能，实现在台风天气条件下对上层海洋进行加密观测的目标，实时获取台风源地及其经过前后上层海洋的现场环境要素资料。数据自动接收/监视系统通过建立北斗（或铱星）数据接收站，接收通过北斗/铱卫星传输的剖面浮标观测信息及数据。其中采用北斗卫星传输的浮标观测信息及数据，可以利用北斗剖面浮标数据服务中心（中国杭州）在国内直接接收；而采用铱卫星传输的剖面浮标观测信息及数据，则利用铱卫星地面服务中心（美国马里兰）间接获取。数据处理与分发系统对这些接收到的数据进行自动编码、实时质量控制等处理，快速分发到不同级别的资料用户手中。观测网的技术方案如图1所示。

图1 西北太平洋台风海域实时海洋监测网技术方案Fig.1 Technical program of real-time ocean monitoring network in typhoon genesis region of northwestern Pacific Ocean

2.2 关键技术及解决方案

西北太平洋台风海域实时海洋监测网建设需要解决如下两项关键技术：1）数据自动接收/监视系统，主要针对国产与国外各种型号的自动剖面浮标。由于它们的通讯方式、信息编码方式、数据文件格式等各不相同，需要建立与之相匹配的统一的数据自动接收系统，形成对大量观测数据的自动批处理能力。2）数据处理与分发系统，需要对观测数据实施实时和延时质量控制，确保符合Argo计划对海洋环境资料观测精度的要求，通过互联网和GTS实现与国内外用户数据共享。

2.2.1 数据自动接收/监视系统

数据自动接收/监视系统主要是用于接收通过北斗/铱卫星传输的剖面浮标观测信息及数据。通过铱卫星传输的数据由铱卫星地面接收中心（美国马里兰）进行接收，然后自动转发到中国Argo实时资料中心；通过北斗卫星传输的数据则由北斗剖面浮标数据服务中心（中国杭州）进行接收。这里重点围绕北斗剖面浮标数据接收/监视系统进行展开。

北斗剖面浮标数据接收/监视系统主要由北斗指挥单元、大屏拼接单元和数据存储/处理单元等组成。北斗地面接收站的主要设备包括北斗指挥机专用天线、北斗指挥机主机、工控机和数据存储控制器等，具备管理并接收 5 000个浮标的能力，硬盘容量不小于20 T。北斗指挥单元是数据接收/监视系统的核心，配备有北斗指挥机、工控机及GSM模块等硬件设备。北斗指挥单元通过与浮标进行通信，实现对浮标状态（包括电池电压、传感器数据、沉浮调节装置和北斗通信终端等）的监测和工作参数的设定。工控机上配套安装有浮标态势显控软件，该软件采用交互式图形操作界面设计，使检测和设定工作简单快捷，并可通过 GSM 模块发送手机短信提供浮标新剖面实时提醒功能。

北斗剖面浮标接收数据与参数操作流程如图2所示，通过“HM系列剖面浮标数据接收/监视系统”和“北斗剖面浮标数据自动转发系统”，实现了北斗剖面浮标数据的自动接收、浮标参数的调整以及数据自动转发等功能。

该系统的主要功能包括：

1）自动接收及数据解码功能：能自动接收多种型号（COPEX、HM系列）的北斗剖面浮标信息，并进行数据解码。

2）实时海图态势显示功能：接收并实时显示海上工作浮标的漂移轨迹。

3）实时图形界面显示功能：以图形和数据方式直观显示接收到的观测参数（如温度、盐度和深度等）数据。

4）无人值守功能：系统工作过程全由计算机自动完成，无需人员值守，浮标浮出水面上传数据时，能够自动提醒相关操作技术人员。

5）双向通信功能：设定或更改浮标工作参数，实现远程控制浮标工作状态功能。

图2 HM2000型浮标数据接收流程Fig.2 Flow diagram of data receiving for HM2000 profiling float

2.2.2 数据处理与分发系统

所有的包括通过北斗和铱卫星传输的剖面浮标观测数据，经信息自动提取（包括浮标技术信息和观测数据）后，按照国际Argo资料管理组规定的程序（http://dx.doi.org/10.13155/33951）对压力进行实时校正，并对温、盐度观测剖面和卫星定位等数据进行实时质量控制[15]，其主要流程如图 3所示。实时质量控制一般在获取浮标资料的 24 h内可以完成，其中通过北斗卫星传输接收的观测资料，在获取2 h内即可完成。

延时模式质量控制将在浮标布放后6个月进行，主要针对电导率传感器长期工作后可能会产生漂移的问题，需要收集该海域内高精度的船载CTD仪观测资料作为参考数据集，并建立历史CTD资料数据库。如果没有CTD资料库，将挑选浮标附近高质量历史Argo资料进行对比分析，其主要流程如图4所示。

图3 Argo资料实时质量控制流程Fig.3 Flow diagram of Argo data real-time quality control

图4 Argo资料延时模式质量控制流程Fig.4 Flow diagram of Argo data delayed-mode quality control

3 台风海域实时海洋环境智能服务平台

全球Argo资料具有超海量、大覆盖、高频率等特点。如何对这些Argo资料进行高效存储，以解决今后Argo资料因高速增长、高频更新所带来的存储、更新与检索瓶颈；同时，如何将Argo资料和台风信息等多源海洋环境数据在统一的时空框架下快速集成和共享，从而实现台风海域 Argo资料的快速查询，进行可视化、统计分析等增值服务，这些都是目前急需攻克和解决的问题。

3.1 平台框架设计

针对上述的现实需求，并基于在西北太平洋海域布放具有双向通讯功能的剖面浮标构建Argo实时海洋观测网的契机，我们研制了台风海域实时海洋环境智能服务平台，旨在为国内相关研究项目或海洋、气象服务部门提供更加丰富的台风海域实时海洋环境数据与信息服务。整个平台包括 2大系统，分别为西北太平洋台风海域海洋环境数据实时集成与管理系统、西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务系统，如图 5所示。西北太平洋台风海域海洋环境数据实时集成与管理系统将会管理包括基础地理空间数据、海量的Argo元数据、观测剖面资料台风数据、其他海洋环境数据以及相关衍生数据产品等多样化的资料。而基于海洋环境数据多源异构、海量递增的特点，采用全自动化准实时入库系统对海量Argo资料、台风资料、SST资料等进行入库，采用云存储技术与关系型数据库相结合，对大规模海量异构数据进行高效管理，同时在后台入库时监听海量数据和大量文件，针对不同时空分布下的海洋环境数据进行相关产品的自动化制作。西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务系统采用了海量数据的分布式存储技术和分布式网络环境下的海量信息共享服务智能服务平台体系结构，以及 WebGIS、RIA等支撑技术和规范体系，在空间信息共享与服务框架下，实现了对台风路径附近Argo剖面浮标位置的实时监控、漂移轨迹的可视化追踪，以及剖面资料的高效检索和实时绘制等功能。平台总体架构如图6所示。

图5 台风海域实时海洋环境智能服务平台主要功能模块Fig.5 Main function modules of real-time ocean environment smart platform for typhoon genesis region

图6 台风海域实时海洋环境智能服务平台总体架构Fig.6 General framework of real-time ocean environment smart platform for typhoon genesis region

3.2 基于混合数据库架构的Argo资料存储方案

Argo资料具有海量、实时、分布广泛、更新速度快等特点[16]。现有的空间数据库尽管可以对大规模异构空间数据进行管理，但其存储的容量和灵活性存在一定局限性；同时，日益递增的Argo观测资料以及大量的衍生数据产品对存储空间的需求越来越高，单机存储或者简单的集群共享已无法应对爆炸式增长的海量数据，存储系统的弹性扩展能力和性能要求需进一步提高。为此，提出了一种基于混合数据库架构的Argo资料存储模型，采用关系型/非关系型数据库相结合的分布式混合存储模型对大规模高速增长的Argo数据进行高效管理，实现数据多级多态存储、管理和实时更新。

HDFS是Hadoop实现的一个分布式文件系统，Hadoop是由Apache基金会开发的一个分布式系统基础架构[17]。HDFS具有高可靠性/可用性、高扩展性、高效性、低成本等多方面优点。PostgreSQL/PostGIS数据库是一个轻型、开源的空间关系型数据库，支持复杂查询、事务完整性等，可通过增加新的数据类型、函数、索引等进行扩展，并且提供了OGC规范中的点、线、面等几何对象类型以及空间索引和空间操作等能力[18]。考虑到Argo数据兼具结构化与非结构化的数据特性，且数据总量增长迅速，采用传统单一的数据存储方式难以进行有效组织与管理。因此，本文采用HDFS分布式文件系统和 PostgreSQL/PostGIS数据库混合存储的架构，如图 7所示。其中，HDFS集群的主节点采用双备份机制，仅一个节点负责与客户端和子节点交互，另一个备份节点仅负责主节点的备份。数据节点内的Argo剖面观测原始资料和网格化数据产品被分块到多个物理节点上存储，其网络路径索引不仅存放在主节点上，也被记录到 PostgreSQL中。同时，Argo浮标元数据和剖面观测数据中的结构化信息以表格形式存储于PostgreSQL。带有空间位置属性的Argo浮标空间信息、观测剖面空间信息以及浮标轨迹信息等则从Argo浮标元数据和剖面观测文件中抽取存放在PostGIS中。这种混合数据库架构的存储模式充分发挥了分布式文件系统和空间数据库各自的特点，实现了对Argo资料结构化数据和非结构化数据的高效存储和一体化管理，其高可扩展性也为日益递增的非结构化数据提供了硬件级的弹性扩展能力。

图7 Argo资料混合存储架构Fig.7 Architecture of mixed storage for Argo data

3.3 平台应用

西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务平台于2016年10月10日起在中国 Argo 实时资料中心部署并试运行服务，已稳定运行1年，具备了对外业务化运行的能力，用户可以通过访问西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务系统，查询检索台风海域Argo资料及其衍生数据产品。具体的用户使用流程如图8所示。例如对于某个感兴趣的台风轨迹点，用户可快速查询到前后10天附近海域300 km范围内的浮标分布（图9）；显示相应浮标的动态漂移轨迹（图10）；同时可以把最近时刻的 SST大面分布进行叠加显示分析；对于查询到的浮标资料，用户可实时绘制温、盐度剖面图，并对剖面资料进行下载；对于衍生数据产品，用户可根据数据产品类型、各种时间尺度等不同需求组合查询查看温、盐度网格化产品。

图8 西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务系统用户使用流程Fig.8 Usage flow of real-time ocean environment smart platform for typhoon genesis region in northwestern Pacific Ocean

图9 台风附近浮标的快速查询Fig.9 Rapid inquiry near typhoon

图10 浮标漂移轨迹的显示Fig.10 Display of drifting trajectory of profiling float

4 展望与前景

Argo 计划的核心目标是观测与气候变化密切相关的海洋信息，包括海洋温度与热容量、盐度和淡水容量、相对于总海平面的海面比容高度，以及大尺度环流等的区域性和全球变化。Argo资料的成功应用大大加深了对台风活动的认识。利用Argo剖面浮标，我们有能力对台风海域海洋环境进行实时监测，从而可以大范围、长时间、高分辨率和实时地获取台风天气条件下的上层海洋环境资料。这些数据源对发展和完善海洋与台风相互作用的理论方法、耦合数值模式等相关基础研究具有重要意义。

在联合国政府间海洋学委员会决议（XX-6和XLI-4）-Argo计划框架下，以及在国际Argo组织（国际Argo指导组、国际Argo资料管理小组、国际 Argo信息中心）的协调和指导下，中国 Argo计划拟在邻近的西北太平洋台风多发海区构建一个实时海洋监测网。根据过去50年西北太平洋热带气旋出现频率的分布，选取 10°N～23°N、123°E～140°E包围的区域作为海洋监测网的建设海区；并建成一个由约30～45个自动剖面浮标（具有双向通讯功能）组成的西北太平洋台风海域实时海洋监测网，每年需补充布放的浮标数量约30个，形成对深海大洋长期、连续、高时空分辨率和高精度观测的能力，为促进台风研究和提高台风预测预报水平提供充足的数据源。

西北太平洋台风海域实时海洋监测网的建设目标主要是为了获取台风海域大洋表层到中层（约2 000 m），甚至到深层（约6 000 m）范围内的温、盐度剖面资料。通过北斗或铱卫星及时调整浮标观测参数，以获取更多的加密观测资料，并建立浮标信息接收专线，为海洋/气象业务中心及研究院所提供实时/准实时的Argo资料；同时西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务平台旨在为国内相关研究项目或海洋、气象服务部门提供更加丰富的台风海域实时海洋环境数据与信息服务，以便帮助科学家了解大尺度实时海洋的变化，提高天气和海洋预报的精度，有效防御台风给人类造成的威胁。