白龙浮标数据全球通信系统共享的解决方案

宁春林，薛 蕾，姜 龙，李 超，高 峰，于卫东

(1.自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266061； 2.青岛海洋科学与技术试点国家实验室，山东 青岛 266237；3.自然资源部海洋环境科学与数值模拟重点实验室，山东 青岛 266061； 4.国家气象信息中心，北京 100081；5.世界气象组织，瑞士 日内瓦 1202； 6.中山大学大气科学学院，广东 珠海 519082)

白龙浮标[1-2]是自然资源部第一海洋研究所自主研发的国内首个深海气候观测浮标[3-4]，是深海气候观测支撑平台[5-9]，能够搭载多要素传感器，实现对海表气象、海洋要素以及海洋内部要素的高频采样，同时使用铱星通信，实时将观测数据传输到位于青岛的岸站数据中心[10-13]。目前，白龙浮标的5个站位分别与印度尼西亚、澳大利亚、马来西亚、泰国、肯尼亚等合作布放在印度洋，其中布放在非洲-亚洲-澳大利亚季风分析和预测研究锚系浮标阵列(research moored array for African-Asian-Australian monsoon analysis and prediction，RAMA)中的(8°S，100°E)站位被世界气象组织(World Meteorological Organization，WMO)分配编号5300041。

WMO的全球通信系统(Global Telecommunication System，GTS)是其通信和数据管理的组成部分，由成员国的国家气象和水文局以及欧洲中期天气预报中心(ECMWF)和欧洲气象卫星组织(EUMETSAT)等国际组织实施和运营。GTS是一个由点对点电路和多点电路组成、集地面和卫星通信链路为一体的综合网络，连接各国的气象通信中心，全天候可靠并近乎实时地收集、分发所有气象及相关数据。目前，WMO正在建立一个更加全面的信息系统(WIS 2.0)，使所有数据和信息能够系统地无缝获取、检索、传播和交换，支持减灾、气候服务、可持续发展等全球战略[14]。

GTS包括3个层次结构：①骨干通信网络(MTN)。MTN连接墨尔本、莫斯科和华盛顿的3个世界气象中心(WMC)和阿尔及尔、北京、布拉克内尔、巴西利亚、布宜诺斯艾利斯、开罗、达喀尔、吉达、内罗毕、新德里、奥芬巴赫、图卢兹、布拉格、索非亚、东京的15个区域通信枢纽(RTH)。这一核心网络为RTH之间提供了高效、快速和可靠的通信服务。②区域气象通信网络(RMTNs)。RMTNs覆盖WMO的非洲、亚洲、南美洲、北美洲、中美洲和加勒比、西南太平洋、欧洲、南极8个区域的综合通信网络。该网络通过连接本区域内的气象通信中心，进行观测数据的收集，并有选择地向成员国分发气象及其他相关信息。③国家气象通信网络(NMTNs)。使各国能够在国家一级收集观测数据，接收和分发气象信息[14]。

北京是GTS亚洲区域通信枢纽，国家气象信息中心作为该枢纽的业务运行单位，依托我国自建的国际通信系统承担了国际气象数据交换业务，具体负责全球资料收集、国内全球交换资料的对外分发，越南、朝鲜等责任区国家的气象数据传输，以及与德国、日本、法国、俄罗斯、韩国、印度、泰国、越南、朝鲜、蒙古及欧洲气象卫星组织等国家和国际组织进行气象数据交换。国际通信系统是中国气象局收集国外气象资料和产品，以及对外提供国内气象资料、全球交换资料和双边交换资料的核心业务平台；同时，通过Internet线路与澳大利亚、巴基斯坦、美国等国家进行资料交换共享，作为GTS系统的补充[14]。

本文针对(8 °S，100 °E)站位的白龙浮标设计了一套解决方案，实现了数据从浮标端到岸站端进而共享数据到GTS，从而实现白龙浮标数据的全球共享，特别是利用拉依达准则，实现了实时数据质量控制。

1 方 案 概 述

白龙浮标作为深海布放的海气相互作用锚系平台，实时采集气象、海气界面和剖面水下数据，并通过通信卫星把采集的数据实时发送到岸站接收系统，在岸站接收系统对数据进行质量控制。中国气象局国际通信系统作为我国唯一的GTS入口，从岸站接收系统接收浮标数据后，根据WMO规定的数据编码和交换规则，对原始数据进行格式转换、重新编报和封装后向GTS分发，实现数据与国外的交换共享。

2 数据采集及质量控制

白龙浮标主要由数据采集、气象观测、耦合传

输水文观测、控制、卫星通信、锚系、浮标体、能源、独立定位通信和岸站等分系统组成。

数据采集分系统和控制分系统每10 min采集气象观测分系统的气温、气压、雨量、相对湿度、风速风向、长波辐射和短波辐射数据，同时耦合传输水文观测分系统使用感应耦合技术每10 min获取水下13个温度、电导率、深度和溶解氧传感器采集的温度、电导率、深度和溶解氧数据，每1 h获取水下4个海流传感器采集的海水流速、流向数据，每8 h获取GPS的定位数据。卫星通信分系统每3 h把采集的数据打包发送到岸站分系统，岸站分系统中的数据服务程序接收、解析、实时数据质量控制后自动保存数据到云服务器的数据库中，同时把(8°S,100°E)站位的数据以文件的形式通过FTP协议自动发送到国家气象信息中心，整个流程如图1所示。

图1 白龙浮标数据上传中国气象局流程Fig.1 Flow chart of uploading Bailong buoy data to CMA

图2 拉依达准则判断气温数据流程Fig.2 Flow chart of air temperature judgement with Pauta criterion

3 数据编码和交换

随着气象观测数据和产品的种类迅猛增加，时空分辨率、数据质量和精度越来越高，WMO建议在全球范围内逐步实现由字符码向具有自描述、灵活扩展性和压缩能力的表格驱动码过渡。

在表格驱动码格式中，BUFR(binary universal form of the representation of meteorological data)是用连续的二进制数据流表示气象数据的一种格式，该格式于1988年被WMO基本系统委员会(CBS)批准试验运行，并于2005年发布第4版(即现行版本)[15-16]。目前，全球越来越多的气象、海洋等观测数据开始以BUFR格式进行编码和交换。通过GTS系统，我国每日可接收来自全球约170个不同编报中心的表格驱动码数据，其中采用BUFR格式编报的地面观测、探空观测、船舶观测、浮标观测和飞机观测的气象数据每日已多达几十万份，我国的地面观测、探空观测、风云卫星观测等资料也均采用了BUFR格式参与国际交换[17-19]。

WMO为常规资料制定了通用的标准模板，如地面资料标准模板为TM307080，探空资料的标准模板为TM309052，而锚定浮标资料的标准模板为TM315008。鉴于BUFR格式具有自描述性，各个数据中心也可根据自身的观测特点，灵活制定编码模板。白龙浮标气象和海洋观测序列可较好适配于标准模板，因此国家气象信息中心对原始数据进行解码后，按照TM315008模板进行BUFR格式转换，并按照GTS的规则进行封装和编发。

3.1 封装规则

参与GTS交换的数据需要遵循GTS手册进行封装，以便WMO成员国在收到数据后进行初步识别、完整性判定和路由转发等操作，封装过程中需要确定白龙浮标资料的GTS报头。报头是一份公报在GTS上传输的唯一标识，用于标识资料类型、所属地理区域和编报中心等，白龙浮标的报头是IOBK01BABJ YYGGgg[BBB]，其中，I为格式标识，表示BUFR数据；O为资料类型，表示海洋资料；B为资料子类型，表示浮标观测；K为资料所属地理区域，表示南半球180°E～90°E；BABJ表示编报中心为北京；YYGGgg为资料时次，分别表示资料观测的日期(2位)和时间(小时和分钟各2位)；BBB为可选项，可用于编发更正报(CCx)或延迟报(RRx)，x代表A～X，如第一份更正报BBB编报“CCA”，第二份编“CCB”，依次类推，“CCX”之后仍有更正报编发时，BBB继续使用“CCX”。

3.2 编码构成

编码数据由指示段、标识段、选编段、数据描述段、数据段和结束段构成[14]，其结构如图3所示。

图3 BUFR编码数据结构Fig.3 BUFR coded data structure

a.指示段。指示段由8个八比特组组成，包括BUFR数据的起始标志、BUFR数据长度和BUFR版本号。

b.标识段。标识段由23个八比特组组成，包括标识段段长、主表号、数据加工中心、数据加工子中心、更新序列号、选编段指示、数据类型、数据子类型、本地数据子类型、主表版本号、本地表版本号、数据编码时间等信息。

c.选编段。白龙浮标资料未编发选编段。

d.数据描述段。数据描述段由9个八比特组组成，包括数据描述段段长、保留字段、观测记录数、数据性质和压缩方式以及描述符序列。其中，描述符序列采用WMO标准模板TM315008，表示锚定浮标观测数据的要素序列。

e.数据段。包括数据段段长、保留字段和模板为TM315008的描述符信息。其中，数据段段长根据编码时实际包含的要素确定。观测内容包括标准海面气象观测数据、辐射观测数据、温盐廓线观测数据和洋流观测数据。

f.结束段。由4个八比特组组成，分别编码为“7777”。

4 数 据 下 载

BUFR格式的白龙浮标数据与其他数据共同打包后，通过国际通信系统分发至GTS，德国、日本、法国等国家通过本国的GTS系统收集数据并进行分拣后，按照报头识别出中国发送的浮标数据并进行解码后，得到白龙浮标数据。

国际浮标组织把全球共享GTS的浮标数据上传到www.jcommops.org网站，用户可以查到白龙浮标站位并下载数据，同时中国气象局作为全球信息系统中心之一，制作并发布了BUFR格式白龙浮标数据的元数据，国内外用户可以通过北京全球信息系统门户(WIS Portal)检索并下载白龙浮标元数据，检索报头IOBK01BABJ，如图4所示。

图4 北京全球信息系统门户白龙浮标元数据下载Fig.4 Bailong buoy data downloading from Beijing WIS Portal

5 结 语

白龙浮标是在印度洋投放的、国内目前唯一业务化运行在RAMA的深海锚系浮标，也是国内目前唯一与美国TAO浮标开展比对的深海锚系浮标。白龙浮标数据按照标准格式全要素参与国际交换是国内外气象和海洋部门的迫切需求，通过将白龙浮标数据共享到GTS，贯通我国锚系浮标数据从浮标端到GTS的整个数据链路，表明我国深海气候浮标数据提供能力达到世界先进水平，将极大提高白龙浮标在全球深海海洋气候观测领域的国际影响力，有助于我国全球深海海洋气候观测系统的国际化进程。期待越来越多的中国浮标，结合自身能力和需要，参考本文的解决方案，将数据共享到GTS，为全球海洋、气象、水文、气候等公共服务贡献力量，推动减灾和气候服务目标的实现。