南海深海海底观测网试验系统海底动力观测数据集 中华文库

南海深海海底观测网试验系统海底动力观测数据集
作者：常永国　张飞　郭永刚　宋晓阳　杨杰　刘若芸
2019年12月24日
本作品收录于《中国科学数据》
常永国, 张飞, 郭永刚, 等. 南海深海海底观测网试验系统海底动力观测数据集[J/OL]. 中国科学数据, 2019, 4(4). (2019-10-28). DOI: 10.11922/csdata.2019.0035.zh.


    摘要&关键词

    摘要：南海深海海底观测网试验系统于2016年9月建设完成，通过光电复合缆为深海观测平台提供能源供给和通信传输链路，实现南海区域海底环境多参数实时、连续观测。其中海底动力平台于2017年6月布放于海底，搭载温、盐、深传感器（CTD）与声学多普勒流速仪传感器（ADCP），并于2017年7月开始采集科学观测数据。温、盐、深传感器观测要素包括温度、电导率、压力；声学多普勒流速仪观测要素包括流速。针对2017年7月至2018年12月传感器采集的海底动力原始科学观测数据，结合行业数据处理质控算法，去除异常值、补充缺失值，对数据进行统一格式化，最后形成本数据集，为海洋科学研究提供基础数据资料。

    关键词：南海；海底动力；温度；流速；电导率；ADCP；CTD

    Abstract & Keywords

    Abstract: The ocean dynamic datasets of seafloor observation network experiment system at the South China Sea was completed in September 2016. This system provided energy supply and communication transmission channel through optical fiber composite power cable for the deep ocean observation platform, enabling multi-parameter, real-time and continuous ocean observation. The Subsea Dynamic Platform with CTD and ADCP was deployed in June 2017, and the collection of observation data was started from July 2017, including the collection of temperature, conductivity, water pressure from CTD and velocity from ADCP. Based on the raw observation data collected by ADCP and CTD sensors from July 2017 to December 2018, the data processing and quality control algorithm is adopted to remove outliers, add missing values, format the data and finally produce the dataset. The dataset provides basic data for oceanographic research.

    Keywords: South China Sea; ocean dynamics; temperature; velocity; conductivity; ADCP; CTD

    数据库（集）基本信息简介

    数据库（集）名称 南海深海海底观测网试验系统海底动力观测数据集
    数据作者 常永国、张飞、郭永刚、宋晓阳、杨杰、刘若芸
    数据通信作者 张飞（zhangfei@mail.ioa.ac.cn）
    数据时间范围 2017年7月至2018年12月
    地理区域 中国南海（111.0675°E，17.5811°N）
    数据量 116 MB
    数据格式 *.NC
    数据服务系统网址 http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/823
    基金项目 国家高技术研究发展计划（2012AA09A400）；中国科学院信息化专项（XXH13506-308）。
    数据库（集）组成 数据集共包括4个数据文件，它们分别为：2017_ADCP_dataset.NC，数据量8.98 MB；2018_ADCP_dataset.NC，数据量17.6 MB；2017_CTD_dataset.NC，数据量29.5 MB；2018_CTD_dataset.NC，数据量60.6 MB。

    Dataset Profile

    Title The ocean dynamic datasets of seafloor observation network experiment system at the South China Sea
    Data corresponding author Zhang Fei (zhangfei@mail.ioa.ac.cn)
    Data authors Chang Yongguo, Zhang Fei, Guo Yonggang,

    Song Xiaoyang, Yang Jie, Liu Ruoyun

    Time range July 2017 to December 2018
    Geographical scope South China Sea (111.0675°E, 17.5811°N)
    Data volume 116 MB
    Data format *.NC
    Data service system <http://www.sciencedb.cn/dataSet/handle/823>
    Sources of funding National High-tech R&D Program of China (2012AA09A400); Special Project of Informatization of the Chinese Academy of Sciences (XXH13506-308).
    Dataset composition The dataset consists of 4 data files in total: 2017_ADCP_dataset.NC with data volume of 8.98 MB, 2018_ADCP_dataset.NC with data volume of 17.6 MB, 2017_CTD_dataset.NC with data volume of 29.5 MB, 2018_CTD_dataset.NC with data volume of 60.6 MB.


    引 言

    海洋蕴藏着丰富的油气能源、稀有矿产、海洋生物，同时海洋也是人类**活动的主要战场之一[1]。深海海底观测作为认识海洋、开发海洋的重要手段，在维护海洋权益、预警减灾、保护海洋环境、加强**建设等方面起着至关重要的作用[2][1]。

    中国南海是一个面积广阔的深水海盆，它西面及北面与亚洲大陆相邻，南及东南面有群岛环绕，主要通过东北面的吕宋海峡与濒临的西北太平洋相沟通[3]，太平洋的潮汐和黑潮通过该通道向南海输送能量和水体[4]，同时季风、环流以及复杂的海底地形也为海洋学科研究提供了得天独厚的条件[5]。在南海西北部，根据每个季节获取的1–2个月锚系观测，发现内潮动能在秋季最强，冬季潮汐动能最弱[6][7]；同样在南海西北部，科学研究发现全日潮在夏季最强，冬季最弱，半日潮无明显的季节性变化[8][6]。然而，南海深海观测由于受到能源供给与信息传输的限制，使得深海动力研究受到了限制[9][6]，南海深海海底观测网试验系统的成功实施，将有助于解决此困境。南海深海海底观测网试验系统在1800 m水深布放海洋化学平台、地球物理平台以及海底动力平台，于2016年9月开始长期、连续、实时的海洋观测，如图1所示[10]。其中海底动力平台搭载温、盐、深传感器（CTD）与声学多普勒流速仪传感器（ADCP），为深海海洋科学研究提供可靠海底动力基础数据资料。


    图1 南海深海海底观测网试验系统观测平台部署图


    1 数据采集和处理方法

    1.1 数据采集方法

    南海深海海底观测网试验系统海底动力观测数据集由南海深海海底观测网试验系统的海底动力观测平台获得。海底动力观测平台搭载CTD与ADCP（仪器性能见表1）于2017年6月接入观测网试验系统，水深约1800 m（图2）。其中CTD工作频率为1 Hz，间隔15 s进行一次采样；ADCP工作频率为150 kHz，观测层数30层，每层4 m，间隔10 min进行一次采样。本文整理2017年7月至2018年12月数据集，为海洋科学研究提供基础数据资料。


    表1 仪器性能

    仪器名称 仪器型号 仪器厂商 部署位置 部署深度
    CTD SBE 37-SM MicroCAT Sea-Bird 111.0675°E，17.5811°N 1800 m
    ADCP 150 kHz RDI Workhorse Sentinel ADCP Teledyne 111.0675°E，17.5811°N 1800 m


    图2 海底动力平台观测位置（以红色小旗表示）


    1.2 数据处理

    按照《海洋水文调查规范 第2部分：海洋水文观测》（GBT-12763.2-2007）第5.3.1节CTD资料处理规范与第7.3.2节ADCP数据处理规范[11][12]，南海深海海底动力数据处理步骤如下：

    （1）对传感器采集的原始数据进行验证转换；

    （2）采用多种质控算法对数据进行质控筛选，剔除坏值、补充缺省值等；

    （3）按照数据处理结果规定，生成相关数据资料文件。

    2 数据样本描述

    本数据集为文本数据，包括ADCP和CTD两种数据集：（1）表2定义了ADCP数据集观测要素量、要素类型、要素单位以及要素示例数据；（2）表3定义了CTD数据集观测要素组成与示例数据。


    表2 ADCP 数据要素组成与示例数据

    序号 观测要素 数据类型 单位 示例数据
    1 时间 字符串类型（yyyy-MM-dd hh:mm:ss） - 2017-07-01 15:00:00
    2 温度 浮点型（float） ℃ 2.56
    3 盐度 浮点型（float） ppt 35
    4 流速1 浮点型（float） mm/s 60
    5 流速2 浮点型（float） mm/s 9
    6 流速3 浮点型（float） mm/s 8
    7 流速4 浮点型（float） mm/s 2
    8 横摇 浮点型（float） ° −0.13
    9 艏向 浮点型（float） ° 39.42
    10 倾斜 浮点型（float） ° −0.37


    表3 CTD 数据要素组成与示例数据

    序号 观测要素 数据类型 单位 精度 样例
    1 时间 字符串类型（yyyy-MM-dd hh:mm:ss） - - 2017-07-01 15:00:00
    2 温度 浮点型（float） ℃ 0.002 2.5632
    3 电导率 浮点型（float） S/m 0.0003 3.16905
    4 压力 浮点型（float） psi - 2335.407
    5 盐度 浮点型（float） psu - 34.2936
    6 声速 浮点型（float） m/s - 1498.39


    3 数据质量控制和评估

    本数据集质量受到仪器设备采集精度、数据传输、数据处理等多个因素影响，本数据集通过以下质量控制方法来保障数据集质量。

    （1）传感器校准标定

    在传感器初始布放以及后期维护期间，定期对传感器进行标定、GPS授时校准，以防传感器数据漂移影响数据采集样本质量。

    （2）数据包验证转换

    海底动力传感器将采集数据通过接驳盒实时传输至岸基站上位机系统，上位机系统首先通过CRC32校验数据包完整性。如若不完整，则数据包丢弃；如若完整，则对数据包头与包体进行校验解析。

    （3）缺省值自动补全

    海底动力平台传感器在数据采样过程中，由于采样频率、水流环境、设备响应等多种因素，造成某些时刻流速数据丢失，所以本数据集在数据解析入库过程中对于缺省值统一采用“NaN”标记处理。

    （4）数据阈值区间验证

    CTD观测要素阈值区间见表4。


    表4 CTD传感器观测要素阈值

    序号 观测要素 数据区间
    1 温度 −5 ℃～35 ℃
    2 电导率 0 S/m～7 S/m
    3 压力 2000 psi～3000 psi


    ADCP观测要素阈值区间见表5。


    表5 ADCP 传感器观测要素阈值

    序号 观测要素 数据区间
    1 温度 −5 ℃～40 ℃
    2 盐度 0 ppt～40 ppt
    3 压力 2000 psi～3000 psi
    4 横摇 −20 °～20 °
    5 艏向 0 °～359.99 °
    6 倾斜 −20 °～20 °


    （5）异常值剔除[13]

    海底动力观测平台工作过程中的特殊现象（如动物群、浮游生物的影响等）引起观测要素明显异常，在数据剔除过程中与“左邻右舍”数据形成明显区别，则视为异常数据，最后由数据专家进行质量判定。

    （6）人工校验

    上述所有程序自动检测异常数据需经过数据专家人工判定，消除疑似异常值数据。此外，数据专家还需对数据日常抽检、校验以及判定，保障共享数据质量，为海洋动力学科提供高质量基础数据资料。

    4 数据使用方法和建议

    本数据集为2017年7月至2018年12月南海深海海底观测网试验系统海底动力传感平台采集，为南海海底动力学科提供温度、盐度、流速、压力等要素观测资料。

    本数据集存储格式均为Netcdf文件，研究人员可用HDFView或编写程序解析，查看文件内容。

    致 谢

    感谢中科院声学研究所南海站工作人员、中国海洋大学基于观测网的海底动力环境长期实时监测系统研发和集成课题组以及各合作单位在本数据集采集、存储和生产过程中给予的支持和帮助。

    参考文献

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    数据引用格式

    常永国, 张飞, 郭永刚, 等. 南海深海海底观测网试验系统海底动力观测数据集[DB/OL]. Science Data Bank, 2019. (2019-08-07). DOI: 10.11922/sciencedb.823.