一种精细化的海洋浮标数据质量控制方法

针对海洋浮标数据获取特点及常见数据错情,本文提出了一种精细化的海洋浮标温盐数据质量控制方法。通过范围检验、尖峰检验、莱因达准则等六个步骤实现浮标数据质量控制,其创新性在于有效集成了多种质量检验法,并且研究了一种融合传统尖峰检验与莱因达准则的质量检验新方法;并以中国近海观测研究网络黄、东海站浮标温盐观测数据为例,验证了本方法的有效性和适用性。该方法可广泛用于海洋浮标温盐观测数据的质量控制,识别出长时间序列数据的异常值。经过本方法质控后的浮标观测数据对于海洋科学研究、海洋气象预报、海洋灾害预警以及渔业发展等具有重要意义。     

我国海洋锚系浮标数据异常值检测方法研究——以QF110和QF306为例

利用统计学相关理论和测量数据连续性特点,综合运用极值法则、莱以特法则、局部法则和观测误差控制,初步提出了海洋浮标数据异常值检测方法。基于锚系浮标QF110和QF306观测数据,开展了海面风速、气压、气温、有效波高等异常值检测。结果表明:两个浮标2018年要素观测数据异常值与有效观测量之比低于0.3%,数据质量稳定性均较好;QF110浮标数据缺失少但数值离散度相对较大,QF306浮标则相反,其数据缺失相对较多但量值整体分布较好。     

浙江海洋浮标监测数据质量控制体系设计

准确有效的数据是开展各项海洋科学研究的基础和前提。与传统采样监测流程不同,海洋浮标在线监测从样品采集到数据结果完全实现自动化,数据质量控制的重点也不再聚焦于样品采集和分析测试阶段。文章选用浙江近年的浮标监测数据,结合浮标监测特点,从浮体稳定性、仪器设备校准、系统运行维护、数据传输接收、比对监测和异常值判定等关键环节,对浙江近岸海洋浮标监测数据质量控制体系进行设计,重点聚焦异常值判定和比对监测;建立质量控制方法库,提出浮标数据质量控制的有效、可信和相对准确3个层级的异常值判定规则,具有首创性,其中第一层为去除明显的故障值、异常值和离群值等无效数据后得到的有效数据集,第二层是经方法库选取合适的质控方法处理后得到的可信数据集,第三层是根据现场比对监测结果验证后的相对准确数据集。以浙江海洋浮标监测数据为基础提出的浮标监测数据质量控制体系的设计思路和方法,将有助于整体提升浙江近岸海域浮标在线监测数据质量,可为全国海洋浮标监测数据质量控制以及相关数据质量控制提供参考。     

初探支持向量机算法在海洋站观测数据质量控制中的应用

为了有效提高海洋观测数据的质量,初步探索引入了一种统计学习算法——支持向量域描述(SVDD)用于海洋站多要素数据质量控制,建立了一套基于SVDD的多要素数据质控方法。该方法拥有惩罚系数C、RBF核参数、质控调节因子ΔR等多个参数,利用历史样本观测数据训练构建质量控制模型,通过该模型实现海洋观测数据质量控制。本文利用真实观测数据对该方法进行了分析检验,验证了该方法能够有效分析数据质量、发现可疑数据,对提高海洋观测资料的可靠性、科学性具有一定借鉴价值。     

海洋站自动观测数据在线质控系统开发与应用

海洋站自动观测数据主要质控手段为延时月报质量审核,尚没有实时在线质控系统得到业务化应用.本文提出了一种海洋站自动观测数据在线质控系统,通过对水文气象等海洋观测要素进行逻辑分析,确定其极值区间和变化率区间阂值,将实时海洋观测数据与闽值进行比较,对错误或异常数据发出警示信息,提醒观测员进行处理,实现对海洋观测数据的在线质控...     

基于人工神经网络的台风浪高快速计算方法

采用2010—2017年南海5个浮标波高观测资料和中国气象局热带气旋最佳路径集中的热带气旋参数, 基于前馈型误差反向传播(Forward Feedback Back Propagation, FFBP)神经网络(Artificial Neural Network, ANN)方法, 分别建立了各浮标站的台风浪高快速计算模型。研究显示, 基于热带气旋中心坐标、中心最低气压、近中心最大风速、热带气旋中心与浮标之间的距离和方位4个参数建立的神经网络模型经反复训练后, 模型输出结果可以很好地拟合观测数据, 各浮标有效波高计算值与观测值的均方根误差小于0.3m, 平均相对误差为5.78%~7.23%, 相关系数大于0.9, 属高度相关。独立测试结果显示, “山竹”( 国际编号: 1822)影响期间有效波高最大值的神经网络模型预报结果与观测值基本吻合, 相对误差为-31.06%~0.98%, 但计算的最大值出现时间和观测情况不完全一致。该计算方法可应用于热带气旋影响期间的有效波高最大值计算, 因而在海洋工程领域和海洋预报领域具有应用前景。     

北印度洋海浪背景误差分析和同化预报初步评估

基于背景误差分析中的观测法,利用Jason-1卫星高度计沿轨有效波高数据并结合Wave Watch Ⅲ海浪模式预报结果,进行北印度洋海域海浪背景误差分析,得到海浪场背景误差方差和各向同性假设下背景误差相关长度的时空分布特征。按经验函数拟合该海域有效波高背景误差协方差时总残差平方和最小的原则给出了更为适用于该海域的描述公式。在上述工作基础上,采用最优插值同化方法将Jason-1和Jason-2卫星高度计有效波高数据连续同化到海浪模式Wave Watch Ⅲ,按业务化标准对2013年1月北印度洋海域的海浪场进行了同化预报试验,经浮标数据检验发现同化可使海浪24 h预报得到明显改进。     

海洋站自动观测数据在线质控系统开发与应用（英文）

海洋站自动观测数据主要质控手段为延时月报质量审核,尚没有实时在线质控系统得到业务化应用。本文提出了一种海洋站自动观测数据在线质控系统,通过对水文气象等海洋观测要素进行逻辑分析,确定其极值区间和变化率区间阈值,将实时海洋观测数据与阈值进行比较,对错误或异常数据发出警示信息,提醒观测员进行处理,实现对海洋观测数据的在线质控。     

基于雷达水位计的海浪波高信息提取算法及其精度评价

为了证明雷达水位计波高测量的有效性,基于PY30-1石油平台上的雷达水位计海面高度变化观测数据,开展了雷达水位计海浪波高信息提取算法研究。基于所发展算法提取海浪波高信息,与同一平台上的C波段测波雷达观测数据及平台附近的浮标观测数据进行了比对分析。结果表明,雷达水位计数据提取的海面波高数据与C波段测波雷达及浮标测量数据一致性较好,二者标准偏差分别为0.006和0.008 m,均方根误差(RMS)分别为0.55和0.60 m。波高小于4 m时一致性优于波高大于4 m的一致性,波高大于4 m时水位计提取的波高偏小。因此,雷达水位计可作为波高观测的重要数据源之一。     

Argo浮标观测溶解氧数据的原理与质量控制

Argo剖面浮标已成为海洋溶解氧观测数据的主要来源,截至2018年7月已在全球范围内获取了超过13万条溶解氧剖面,然而目前其数据的质量控制仍然存在不足。本文首先介绍了Argo浮标上携带的溶解氧传感器的测量原理、主要误差来源以及两种校正方法:气候态校正法与空气测量校正法,并提出了目前在溶解氧传感器数据质量控制研究亟需解决的技术问题,包括:①由于传感器伸出水面的高度不够,一些浮标并不能有效测量空气氧含量,因为无法进行空气测量校正方法;②Argo观测的溶解氧数据库中目前存在一些异常测量剖面没有得到有效剔除,影响校正系数的计算;③使用平均值确定校正系数的方法容易受到异常剖面的干扰。     

Argo溶解氧数据的气候态校正方法改进

Argo浮标观测的溶解氧数据的质量控制方法目前还还不够完善,其中传统的气候态校正方法存在的问题主要表现为会受到异常剖面和异常斜率系数的影响。本文针对这些问题,提出了一套气候态校正方法的改进方案,包括:1)使用中值法取代平均值法;2)利用比较浮标观测的溶解氧饱和度整个剖面与气候态剖面的方法,提出了一种异常剖面的剔除标准;3)提出了一种异常斜率系数的剔除标准。改进后的溶解氧剖面与气候态剖面更为接近,有效避免了异常剖面与异常值的影响,显著提高了Argo浮标观测溶解氧的整体数据质量。     

海洋垂直剖面水温实时监测浮标系统研制与应用

为了实时、连续地监测獐子岛海洋牧场养殖区域不同深度的温度状况,为海洋牧场构建和运行提供数据支持,项目组自行研制了海洋垂直剖面水温实时监测浮标系统,可以在水深≤50 m、风速≤60m/s、波高≤15 m的环境下应用。该浮标系统主要包括水面浮标载体子系统和剖面链观测子系统两部分,浮标载体子系统提供了安全可靠的工作平台;而剖面链子系统上的不同位置挂有多个水下传感器,用于测量相应位置的海水温度。耐压试验、温度标定、室内拷机、现场比测、海上拷机的检定数据表明该系统无渗漏、误差小、数据接收率100%。海上运行18个月的结果同样表明,浮标系统运行稳定,数据采集和接收率高,浮标电压稳定。实践表明该浮标系统具有测温精度高、结构简单、使用方便的优点,具有广泛的应用前景。     

中国近海中法海洋卫星波谱仪有效波高评估

研究有效波高（Significant Wave Height,SWH）的特征对海洋灾害预警和海洋生产安全具有重要意义。中法海洋卫星（China-France Oceanography SATellite,CFOSAT）上搭载的世界领先的SWIM波谱仪能够测量全球范围内的海浪参数。已有大量研究对CFOSAT海浪产品在全球范围内进行评估,然而对区域的研究相对较少。本研究采用中国近海39个浮标的海浪数据来评估2020年SWIM二级产品的数据质量,空间和时间匹配窗口分别为100km和5min。结果表明：经过对陆地干扰施加不同程度的控制,SWIM有效波高产品具有较高的精度。在完全去除陆地干扰后,星下点SWH与浮标观测的一致性较高,均方根误差为0.346 m,相关系数为0.943,散射因子为0.182。SWIM数据与浮标观测数据之间的总体差异随着SWH的增加而增大。6°、8°、10°入射角波束和合成波束SWH与浮标观测一致性良好,但精度略低于星下点SWH。这些发现都有力地证明SWIM二级产品在中国近海具有很高的可信度。     

再分析风场驱动下的南海波浪模拟误差

本文采用国际上广泛应用的3种再分析风场驱动WAVEWATCH III模型得到了南海波浪后报数据,并基于全球卫星高度计波高数据和我国沿海浮标实测数据对不同的风场计算结果进行了对比分析,分析表明3种风场的误差特征相差明显,其中ERA-40风场偏小,CFSR风场非常适合模拟常见天气的波浪过程,NCDC风场适合模拟大浪过程。论文重点以NCDC风场后报波浪数据分析了波浪模型模拟误差特点,发现在台风频发的的南海北部海域,再分析风场易低估大值波高,而在季风影响明显的南海南部海域,再分析风场易高估波高。浮标周边2°范围海域内的卫星高度计波高模拟误差趋势与浮标波高模拟误差趋势相似,浮标波高数据的统计特征值与"2度法"提取的卫星高度计数据统计特征值具有较高一致性。     

船载X波段测波雷达有效波高的误差分析

通过对2次海上作业期间船载X波段测波雷达数据对比分析,发现雷达测得的有效波高值在一段时间内存在较大误差。在2017年12月6日10:00至17:00期间,相比于人工目测值,雷达测得的有效波高值持续偏低。通过分析现场的天气与环境状况,并且对比相同海况下未受降雨影响和受到降雨影响时不同时刻的二维海浪谱,发现该段时间内因有降雨且能见度低,导致雷达测量的海浪谱能量异常偏低,信噪比SNR异常偏低造成X波段雷达测得的有效波高值异常偏低。在2018年4月11日船只路过5号大浮标和4号大浮标期间,相比于浮标测值,雷达测得的有效波高值异常偏高。通过查看系统中最大流速设置,发现设定的最大流速值过高(为50 m/s)。这样滤波器的带宽过大,大量噪声可能会被当成海浪信号通过滤波器,导致雷达反演的信噪比SNR异常偏高,造成X波段雷达测得的有效波高值异常偏高。通过分析误差产生的原因,对雷达设置的调整以及雷达系统的进一步完善有一定的参考价值。     

漂流式波浪浮标及其在西北太平洋的观测应用

波浪观测是海洋观测的主要内容之一,对海浪的现场观测和深入研究对准确预报海浪具有十分重要的意义。本文设计了一种新型漂流式波浪浮标,采用高精度惯性导航模块作为测量元件,同时高频获取三轴加速度、角加速度、欧拉角、地磁数据,通过内置ARM处理器对测量数据进行波浪参数的采集和解算。浮标具有整体体积小、成本低的特点,既可以漂流观测,也可以定点锚系观测,能够实现对海浪的长期、大范围、高精度观测应用。本文通过该漂流式波浪浮标在2019年西北太平洋航次的观测应用,对西北太平洋黑潮延伸体海区和日本海区域海浪的有效波高、周期等波浪要素的时空变化特征进行了详细分析,取得了良好的测量结果。     

基于人工神经网络的海洋锚系浮标表层水温序列异常检测研究

锚系浮标是业务化海洋观测系统的代表性设备,通常在海洋恶劣环境下运行,数据序列易受到影响而发生异常。以人工神经网络模型预测区间为判定阈,对山东褚岛锚系浮标表层水温序列进行了异常检测案例研究。结果表明,该方法检测自然环境因素带来的表层水温数据序列有效,未出现假阴性(漏报)或假阳性(误报)。对电源、通信等间接设备故障带来的异常有一定延迟,但能够识别出设备故障带来的所有极大异常和少部分非极值异常,异常检测率约为97.7%。对锚系浮标观测序列开展异常检测研究并分析设备故障特征,对保障海洋锚系浮标的长期稳定运行具有重要实际意义。     

实时和延时海洋观测数据质量评估方法研究

介绍了一套实时和延时海洋观测数据质量评估方法,及其在综合海洋观测系统服务平台框架下的未来展望。详细给 出了实时和延时海洋观测数据的自动化数据判别/检验方法、质控标准以及为数据管理和使用专门制定的数据质量评估标准。     

X-波段雷达近海海浪频谱反演的神经网络模型

X-波段雷达作为国内海浪观测的一种新工具,在海浪频谱获取和有效波高反演方面仍存在较多问题.本文利用非线性回归方法,将现场实测浮标数据频谱和雷达一维图像谱分别与标准频谱模型进行拟合,发现浮标频谱和一维图像谱具有标准频谱的特征,能够较准确地获取相应的谱参数.提出了建立由雷达一维图像谱参数反演海浪频谱参数的神经网络模型,同时在模型中加入影像序列信噪比,进而反演有效波高,并将反演结果与现场实测数据和传统算法(建立影像序列信噪比与有效波高之间的线性回归方程)进行了对比,结果表明,获取谱参数的误差和反演有效波高的平均误差在20％以内,而传统算法计算有效波高平均误差在20％以上.     

海洋站自动观测系统数据异常的检查方法研究

本文结合海洋站一线工作实际,通过对海洋站自动观测系统的研究,针对如何发现自动观测数据可能存在的数据缺失和异常情况,通过实时监控、数据资料的比对分析以及质控软件等手段,提出了海洋站自动观测系统数据异常的几种检查方法。