开源海洋观测数据采集与分析——以我国台湾地区为例

卢勇夺，陈剑桥，周东旭，刘喜惠，高志一

（1.国家海洋环境预报中心，北京 100081；2.福建省海洋预报台，福建 福州 350003；3.自然资源部第一海洋研究所，山东 青岛 266001；4.中国环境监测总站，北京 100012）

1 引言

开源海洋观测数据是指涉海单位或个人将拥有的海洋观测数据在互联网或公共平台发布，供他人或机构免费共享的海洋观测数据源。目前我国的开源海洋观测数据以科学数据为主，其获取和积累主要靠政府资助和推动，如国家各类科技计划或专项计划涉海项目产生的海洋观测数据，涉海高校和科研院所等机构的海洋观测科学数据等。数据以互联网网站或公共服务平台等方式共享，例如我国国家海洋科学数据中心为国内外社会公众、科研人员和部门等提供的标准统一、方便快捷的海洋科学数据共享服务[1-5]。

美国、日本、韩国及我国台湾地区等早在20 世纪80年代起就逐步开展了海洋观测数据共享，如美国国家浮标数据中心（National Data Buoy Center，NDBC），除危害国家安全和影响政务等数据外，公益性海洋观测数据都可公开或共享。对我国而言，开源海洋观测数据是对我国政府实施的全球海洋立体观测网工程的有益补充，提升海洋观测覆盖海域的范围、密度和频次等对提高我国海洋灾害应急能力、促进我国海洋科学和气候变化研究等领域的发展具有重要意义[6-8]。开源海洋观测数据中的实时或近实时数据对我国海洋环境预报和预警能力的提升也有非常重要的意义，例如为海洋实况分析、灾害预警、数据同化、预报检验和数据校准等提供更丰富的现场观测数据。

台湾是我国最大的岛屿，位于中国东南沿海的大陆架上，东临太平洋，西隔台湾海峡与福建省相望，北濒东海，南界巴士海峡与菲律宾群岛相对。台湾海上运输、涉海旅游和科技等比较发达，但也是我国遭受海洋灾害最严重的地区之一。台湾气象局负责台湾及周边海域的台风监测和海洋观测等业务，并通过网站对公众发布台风预警、海洋预警报和近实时海洋观测信息等。

近年来，我国海洋经济快速发展，但沿海地区海洋灾害风险也日益突出，海洋防灾减灾形势十分严峻[9]。据《中国海洋灾害公报》数据，2019 年各类海洋灾害给我国沿海地区造成直接经济损失约117亿元，死亡（含失踪）22 人；风暴潮是造成直接经济损失最严重的海洋灾害，占总直接经济损失的99%，而人员死亡（含失踪）全部是由海浪灾害造成的。福建—台湾海域是我国受海洋灾害最严重的地区之一，据《福建海洋灾害公报》（2019）[10]，近五年海洋灾害造成直接经济损失约65 亿元，死亡（含失踪）合计65人。据《2018年福建省海洋灾害公报》数据[11]，2018 年08 号台风“玛莉亚”和22 号台风“山竹”引发的风暴潮灾害损失达11.4 亿元，占当年海洋灾害直接经济损失的98.83%，而冷空气或强对流天气引发的海浪则是造成人员伤亡或失踪的重要原因，受冷空气影响，10 月11 日渔船“闽东渔61648”遭遇大风浪倾覆后沉没，造成11 人失踪。因此，增强海洋观测能力，进一步补充福建—台湾海域的海洋立体观测网络，对提升该海域的海洋灾害应对能力具有非常重要的意义。

本文通过分析台湾气象局网站发布的近实时海洋观测数据的数据源和提供方式，采用Web service 方式获取数据，经过数据处理后将站点信息、观测时间和要素观测值等信息存入数据中，为海洋预警报产品制作和评估提供数据支撑；以台湾马祖浮标数据为例，利用海洋观测网的福建NO4 浮标开展数据比对工作，评估所获取数据的可用性，为浮标数据在海洋环境预报和涉海科学研究等领域的应用提供参考。

2 数据采集对象概况

获取台湾气象局发布的海洋浮标实时观测数据需进入三级专题网页——即时海况。台湾海洋浮标站位共26 个，公开信息包括浮标位置、所属机构、观测时间、观测要素和位置描述等，其中位置描述包括离岸距离和所处水深等，观测要素包括有效波高、波周期、波向、风速风向、最大风速、水温、气温以及表层流速、流向等，以1 h为时间间隔。

3 数据采集策略

根据网站发布的实时海洋观测数据的来源和提供方式，我们需要采取相应的数据采集和处理方法。

台湾气象局即时海况专题网页提供Web service 接口，我们采用此接口采集所需的海洋数据，并对其进行抽取、清理和转换后写入本地数据库。本地数据库包含基础信息表和观测数据表。基础信息表用于存储相关机构海洋观测数据的基本信息，关键字段包括站点类型、所属机构、经纬度位置、观测要素和观测时间等；观测数据表用于存储采集到的相关海洋数据，关键字段包括站位编号、观测时间、有效波高、波周期、风速、风向、气温和水温等。

4 浮标数据处理与分析

我们以采集到的台湾气象局马祖浮标数据为对象，利用相近海域的福建NO4 浮标数据进行对比分析研究。两浮标都位于台湾北部海域，相距仅约40 km，可视为同一海域，以观测时间相同为条件进行匹配，对2021年5月1日—7月31日（共计2208个时次）期间的海洋观测数据进行分析研究，探讨台湾海洋观测数据的准确性和在我国海浪预警报和科学研究中的可用性。

为检验分析结果，本文选取台湾马祖浮标与福建NO4 浮标数据的平均偏差（Bias）、均方根（Root Mean Square，RMS）、相关系数（Corr）作为评价因子[12]。各因子具体计算如下：

式中，xi表示台湾马祖浮标要素观测值；yi表示与之对应的福建NO4浮标要素观测值；n表示数据个数。

以福建NO4 浮标与台湾马祖浮标同步的相同观测要素为研究对象，利用浮标监测行业规范进行数据质量判别[13]，剔除两浮标缺测的时次数据，包括两者都缺测和单个浮标缺测的情况，得到风速、最大风速、气温、气压、气温、水温、有效波高和波周期的匹配数据。

以福建NO4 浮标观测数据为横坐标，以台湾马祖浮标观测数据为纵坐标，做出两浮标匹配数据的散点图，具体结果见图1。为了定量分析台湾马祖浮标数据质量，我们计算了两个浮标数据的平均偏差、均方根和相关系数，结果见表1。

从图1 和表1 可以看出，2021 年5 月1 日—7 月31 日福建NO4 浮标与台湾马祖浮标主要要素的散点分布。风速散点分布相对集中而均匀，主要集中于对角线上侧，离散点较为零星，相关系数约为0.89，台湾马祖浮标风速观测相对福建NO4偏小，偏差为1.23 m/s；最大风速散点则集中分布在对角线两侧，平均偏差仅为0.14，相关系数与风速相当，说明两浮标最大风速观测比风速更为一致。气压要素散点分布非常集中而均匀，相关性非常好，相关系数接近1，从其一次拟合函数来看，系数为1，常数仅为0.072 6，拟合曲线基本与对角线重合，可有效说明两者气压观测一致。气温散点分布集中，基本位于拟合曲线两侧，其中在小于25 ℃时，台湾马祖浮标偏小，大于25 ℃时，观测较为一致，相关系数约为0.97。海表水温与气温散点分布特点大体相同，但分布点更为集中，这是由于水温比气温变化更小。有效波高散点基本均匀分布于对角线两侧，尤其是小于3 m时分布更为集中，相关性较好，相关系数约为0.97，均方根为0.21，在我国浮标波高观测允许误差0.3 m范围以内；有效波周期散点分布较为集中而均匀，散点分布于对角线上方，福建NO4浮标相对偏大。

图1 福建NO4浮标与台湾马祖浮标观测数据比对散点图Fig.1 The scatter diagram of observation data between the NO4 buoy in Fujian Province and the buoy in Mazu of Taiwan Province

表1 福建NO4浮标与台湾马祖浮标观测数据对比结果Tab.1 Comparison results of observation data between the NO4 buoy in Fujian Province and the buoy in Mazu of Taiwan Province

图2 是福建NO4 浮标与台湾马祖浮标在202106 号台风“烟花”过境此海域的同步观测结果，可以较好地展示两浮标在台风期间的观测性能。台风“烟花”过境期间，马祖浮标观测的海表风速总体小于福建NO4 浮标，这与图1a 和表1 的结果基本一致，但两者曲线走向较为一致。海表最大风速的同步观测结果一致。曲线走向也较为一致，这说明在台风“烟花”期间两浮标对海表最大风速的监测更为有效。海表气压同步观测曲线近乎重合，说明两浮标在此海域可相互替代或备份。台湾马祖浮标的海表气温和海表水温比福建NO4 浮标变化起伏更大，甚至存在部分奇异值，而福建NO4 浮标曲线平滑而无奇异值，从物理意义上，我们认为福建NO4 浮标的海表气温和海表水温监测更为可信。图2f 很好揭示了台风“烟花”过境此海域时有效波高的变化过程，两浮标曲线走向一致且结果相近，其中台湾马祖浮标在有效波高较大时震荡更大。两浮标有效波周期曲线走向一致但相互分离无交叉，台湾马祖浮标观测结果更小。这是由于台湾马祖浮标呈圆形，直径约3.7 m，福建NO4 浮标呈圆形，直径约10 m，浮标直径的不同使得其随海面起伏不同，这种情况在高海况时更为明显，台湾马祖浮标波高观测由于台风过境而震荡更大。

图2 （续）Fig.2 （Continued）

图2 福建NO4浮标（）与台湾马祖浮标（）对台风“烟花”（202106）的同步观测曲线图Fig.2 The simultaneous observation curve of the NO4 buoy（）in Fujian Province and the buoy in Mazu（）of Taiwan Province during the typhoon"Fireworks"（202106）

总体来说，台湾马祖浮标的观测结果与福建NO4浮标的观测结果相关性高，相关系数基本在0.9以上，误差较小，同时，202106 号台风“烟花”过境期间两浮标同步观测结果也较为一致，说明台湾马祖浮标数据质量较好，可以有效补充我国福建—台湾海域的浮标观测数据，进一步提升此海域的海洋观测预警报和海洋科学研究能力。

5 结论与展望

本文针对台湾气象局网站发布的海洋实时数据，通过Web service 方式开展数据采集与存储。在此基础上，利用2021 年5 月1 日—7 月31 日海洋浮标观测网的福建NO4 浮标和台湾气象局的台湾马祖浮标的观测数据，开展了主要观测要素的对比工作。结论如下：福建NO4 浮标和台湾马祖浮标的风速、最大风速、气压、气温、水温、有效波高和波周期的气象要素数据散点分布相对集中而均匀，相关系数较高，大都在0.9 以上。202106 号台风“烟花”期间，两浮标同步观测曲线走向较为一致，说明台湾马祖浮标与福建NO4 浮标观测性能相近，其数据质量较好，准确性高，具有较好的可用性，可服务于东海海域尤其是福建—台湾海域的海洋预警报业务及相关涉海研究。

在下一步研究中，我们将针对更长时间序列，尤其是台风过程的台湾海洋浮标数据进行有效对比研究，分析探讨其数据在我国海浪预警报业务中的适用性，为提升我国及周边海域的海洋数据应用处理能力、积极推动海洋数据融合研究、加强我国海洋防灾减灾能力和海洋科学研究水平等提供参考。