韓國海洋浮標實時數據采集與比對分析

盧勇奪，高志一，王朝陽，劉喜惠

（1.國家海洋環境預報中心，北京 100081；2.國家海洋信息中心，天津 300171；3.中國環境監測總站，北京 100012）

1 引言

作為認知海洋、保護海洋和經略海洋的重要基礎，海洋觀測一直是人類從事海洋活動以及開發利用海洋的首選項，其對海洋科學技術、海洋防災減災和海洋資源開發等具有非常重要的推動作用。自20 世紀70 年代起，美國、日本和歐盟等相繼建立了以重點沿海和海域為主要覆蓋對象的海洋立體觀測網，在全球海洋經濟活動和氣候變化研究中發揮了不可或缺的作用[1-3]。近年來，我國通過實施全球海洋立體觀測網工程，建立了以覆蓋我國管轄海域為主、西北太平洋為重點的海洋立體觀測網，為提升我國海洋災害應對和生態保護能力，以及氣候變化研究等提供了重要的基礎和支撐，推進了我國認識、開發和保護海洋等領域的研究進程。

韓國是我國的海上鄰國，位于亞洲大陸朝鮮半島南端，我國渤海和黃海東側。韓國三面環海，臺風（溫帶氣旋）通常經過海洋到達其陸上國土。海洋水產、旅游和造船等是韓國國民經濟的重要產業支柱，涉海海洋活動與海洋環境狀況密切相關，因此臺風監測和海洋氣象觀測是韓國氣象局（Korea Meteorological Administration，KMA）主要的業務組成部分。KMA 通過其網站等媒介對公眾發布臺風監測信息、海洋環境預報以及準實時海洋環境觀測信息等（網址：https://www.weather.go.kr/w/index.do.），為其國民和涉海單位提供大量海洋信息服務，在韓國海洋防災減災中發揮了重要作用。

我國是世界上遭受海洋災害影響最嚴重的國家之一，沿海地區海洋災害日益突出，海洋防災減災形勢十分嚴峻。據2019 年《中國海洋災害公報》數據，2019 年僅山東省受海洋災害影響造成的直接經濟損失就達到21.63 億元；1909 號超強臺風“利奇馬”在浙江省溫嶺首次登陸后，穿過江蘇進入黃海海域，于11 日20 時（北京時）在山東省青島市二次登陸，造成了重大經濟損失。海浪對海上船舶航行至關重要，2019 年我國近海共發生有效波高4.0 m（含）以上的災害性海浪過程39 次，損毀船只14艘，死亡（含失蹤）22 人。因此，增強海洋觀測能力，提升海洋監測水平，對提高海浪和風暴潮等海洋預警報能力與海洋防災減災具有非常重要的意義。

本文采用C++和Oracle 數據庫技術，實現了KMA 網站海洋浮標實時數據采集，并進行了浮標數據的存儲與處理；在此基礎上，利用與韓國西海170 浮標（以下簡稱西海170 浮標）距離相近的我國海洋浮標觀測網中的MF03007 浮標（以下簡稱MF03007 浮標）的同步觀測數據開展比對，對相關結果進行分析，為KMA 海洋浮標實時數據在我國黃海及其他海域的數據處理與應用提供參考。

2 數據采集與存儲

數據采集是指通過互聯網采集KMA 發布的韓國海域20 余個浮標站點的觀測資料，對其進行解析后存儲到實時數據庫中。數據采集流程如圖1所示。

圖1 韓國海洋浮標數據采集流程圖Fig.1 The data collection process chart of Korean marine buoys

數據共享是指定時導出數據庫中存儲的韓國海域浮標數據，以文本格式存儲到國家海洋環境預報中心局域網中，并通過甚小口徑衛星終端站（Very Small Aperture Terminal，VSAT）數據傳輸網分發數據，供相關預報員和研究人員等應用。數據存儲流程如圖2所示。

圖2 韓國海洋浮標數據存儲流程圖Fig.2 The data sharing process chart of Korean marine buoys

數據采集與存儲是使用C++開發語言在Visual Studio 2019 下完成的，并在Oracle 數據庫中建立實時庫用于數據存儲，數據采集規則、數據網頁地址、海洋浮標數據和采集日志等均采用字符型，采集日志與數據存儲采用文本格式，便于數據的應用與處理。數據文件格式說明見表1。

表1 韓國海洋浮標存儲數據格式說明Tab.1 The data storage format of Korean marine buoys

利用手工測試的方式對數據采集與存儲程序進行測試，需要輸入的數據有：數據采集規則和數據來源，采取查看數據采集日志和實時庫來測試程序的主要性能，包括采集的成功率和時效性。通過測試，數據采集成功率≥95%，信息準確率≥98%，漏采和信息錯誤主要發生在風向和波向上，程序的請求響應時間≤1 s。

3 數據比對與方法

海洋浮標能夠自動獲取海洋水文、氣象和生態等參數并傳輸給岸上數據中心，是一種較為理想的海洋觀測平臺，具有長期性、連續性和全天候等特點，是離岸觀測中最重要的手段之一[4-6]。KMA 網站的海洋氣象觀測主要通過海上浮標、波浪計和觀測船等實施，其中，韓國海洋觀測網絡由23處浮標、6 處雷達式波浪計、1 艘觀測船和1 處無人基地組成，浮標主要站位信息見表2。通過衛星通信網可將海洋觀測資料實時傳送到陸地，用于災害性海洋監測、海洋環境預報、海洋警報及海洋科學研究等。我國在黃海海域布放了10余個大型錨系浮標，形成了布局合理且運行穩定的浮標觀測網，通過岸上數據中心實現了實時數據的采集、傳輸、接收和處理等，為我國黃海、對馬海峽和日本海西部的海浪和氣象預報業務提供了重要的數據支撐。

表2 KMA海洋浮標站位信息簡表Tab.2 The location information table of Korean marine buoys

因受大陸影響，黃海海域的臺風（溫帶氣旋）相對較少，給臺風（熱帶氣旋）預警報工作以及海洋環境預警報能力的提升增加了難度，因此，實時的海洋觀測數據顯得更加珍貴。通過采集并分析韓國海洋浮標數據，可以評估該數據是否能有效補充我國在此海域的監測網絡，是否可用于進一步研究和認知此海域的海洋環境。針對西海170 浮標，我們選取了距其最近的我國黃海海域浮標MF03007，對2021年2月5日—3月8日（共計739個時次）期間的海洋觀測數據進行分析研究，為韓國海洋浮標觀測數據的處理應用提供一定參考[7-11]。

為檢驗分析結果，本文選取了西海170 浮標與MF03007 浮標數據的平均偏差（Bias）、均方根（Root Mean Square，RMS）、相關系數（Corr）等作為評價因子。平均偏差、均方根和相關系數的具體形式如下：

式中，xi表示西海170 浮標要素觀測值；yi表示與之對應的MF03007浮標要素觀測值；n表示數據個數。

4 分析結果與討論

為了方便對比分析研究，我們以MF03007 浮標與西海170浮標兩者同期相同的觀測要素為研究對象，其中風速、氣壓、有效波高、波周期、最大波高和水溫等要素的匹配數據為739 個，而風向要素由于缺測得到的匹配數據較少，為574 個。以MF03007浮標觀測數據為橫坐標，西海170 浮標觀測數據為縱坐標，做出兩者觀測數據的散點圖，具體結果見圖3。與此同時，為了定量分析韓國海洋浮標數據的基本情況，我們計算了西海170 浮標觀測數據相對于MF03007浮標觀測數據的平均偏差、RMS和相關系數，結果見表3。

從圖3和表3中可以看出2021年2月5日—3月8 日MF03007 浮標與西海170 浮標之間主要要素的散點分布。氣壓要素散點分布非常集中且均勻，相關性非常好，相關系數約為0.99，從其一次擬合函數來看，系數近似為1，常數約為23，擬合曲線基本與對角線平行，西海170 浮標氣壓相對較大。風速散點分布相對集中且均勻，主要位于對角線兩側，離散點較為零星，相關系數約為0.89，西海170 浮標風速觀測相對準確有效。風向分布較為離散，尤其是在0°和360°附近時，這有可能是風向測量比較敏感造成時，對風向0°或360°存在一定的測不準的情況，但風向相關系數依舊達到了0.63。有效波高散點基本均勻分布于擬合曲線兩側，相關度較好，相關系數約為0.92，總體RMS為0.42 m，與我國浮標波高觀測允許誤差0.3 m 基本相當，但波高≤2.5 m 時，西海170浮標有效波高相對MF03007浮標略小。波周期散點分布較為集中且均勻，散點分布于對角線上方，西海170浮標波周期相對MF03007浮標偏大。最大波高散點集中且均勻地分布于擬合曲線兩側，相關系數約為0.90，RMS 為0.77 m；與有效波高相比，盡管其相關系數略小，但當最大波高≤6 m 時，其分布更為集中且均勻。對于相對風速、氣壓和波高等海洋氣象觀測要素來說，外海海域水文要素常年變化較小，海域水溫集中在7～11℃，其散點分布較為離散，相關度較小，相關系數約0.56，且集中分布于對角線下方，西海170 浮標相對MF03007 浮標變化偏小，平均偏差為-1.40 ℃，這主要是兩浮標布放海域不同造成的。總體來說，西海170 浮標觀測結果與MF03007 浮標結果的相關性較高，誤差較小，數據質量較好，可有效補充我國黃海海域的浮標觀測，在該海域海洋觀測預警報和海洋科學研究等方面具有重要價值。

表3 MF03007浮標與西海170浮標主要要素觀測數據對比結果Tab.3 Comparison of the main observed variables between MF03007 and West Sea 170

圖3 MF03007浮標與西海170浮標主要要素觀測數據比對散點圖Fig.3 The scatter diagram of main observed variables between MF03007 and West Sea 170

5 結論與展望

針對KMA 網站發布的海洋浮標實時數據，采用C++語言和Oracle 數據庫，開展了海洋浮標數據的采集和存儲；在此基礎上，利用我國海洋浮標觀測網的黃海海域MF03007 浮標和韓國西海170 浮標2021年2月5日—3月8日的觀測數據，開展了主要觀測要素數據的對比工作。結論如下：

（1）兩個浮標的風速、氣壓、有效波高、最大波高和波周期等氣象要素數據散點分布相對集中且均勻，相關系數較大，尤其是有效波高和最大波高達到0.9，說明韓國與我國的浮標觀測性能相近，數據質量較好且準確性高，可較好地服務于黃海及韓國周邊海洋預警報業務和相關涉海研究。

（2）韓國浮標數據采集與共享程序運行穩定，建立國家海洋環境預報中心局域網數據共享文件夾，供預報員在海洋預警報業務和海洋科學研究等工作中調取和使用，為進一步認識研究我國周邊海域的海洋環境狀況提供支撐。

在下一步研究中，我們將針對更長時間序列的韓國浮標和我國浮標觀測網的數據進行對比研究，同時結合海洋浮標數據異常值檢測研究工作，提升我國及周邊海域海洋浮標的處理和分析能力，推動海洋浮標數據融合研究，為海洋防災減災和海洋環境評估科學研究等提供有價值的參考。