【海洋技术】采用海洋剖面浮标建立台风实时检测

一、开展台风海域实时海洋监测具有重大国家需求

西北太平洋海域是全球热带气旋（台风）发生最为频繁和活跃的区域，同时也是登陆我国台风的主要源地。据世界气象组织统计，每年约有三分之二的热带气旋形成于北半球，一半以上发生在北太平洋海域，而这些热带气旋中约有80％会发展成台风。

热带气旋是影响我国的主要灾害性天气之一。通常伴随有巨浪、暴雨、狂风和风暴潮，造成洪涝，冲毁水库，引发山体滑坡和泥石流，对经过地区的人民生命财产和生产活动造成巨大威胁，对海上作业、海洋渔业和海水养殖业等造成重大安全隐患和经济损失。据统计，2011年我国沿海共发生风暴潮过程22次，其中台风风暴潮9次，5次造成灾害，直接经济损失近50亿元。到了2020年，我国沿海发生了 14 次风暴潮过程，其中有6 次台风风暴潮过程造成灾害，直接经济损失约6 亿元。与近十年（2011 － 2020 年）的统计资料相比，2020 年海洋灾害直接经济损失呈最低值，仅为平均值的 9%。与 2019 年相比，直接经济损失减少 93% 。随着全球气候变暖，台风灾害会呈现此起彼伏、愈演愈烈之势，成为我国海洋经济可持续发展的一个制约因素。

台风对我国所造成的灾害和损失都非常巨大，加大对相关基础研究的投入，势在必行；深化对台风生成与发展机理的认识，提高对台风的实时监测和预报能力，减少台风和风暴潮等气象和海洋灾害对我国沿海社会经济和人民生命财产带来的重大损失，无疑是国家防灾减灾的重大需求。

台风路径和台风强度预报是台风预报中的两个关键因子。过去几十年，台风路径预报水平有了显著提高，但对台风强度的预报精度始终不尽人意，依然是科学界公认的难题。其原因在于台风强度变化不但与大气复杂的涡旋动力学、热力学过程紧密联系，而且与台风下垫面上层海洋的相互作用存在紧密关系。海洋内部不同动力过程对台风的响应将调制海面状态，从而影响海气界面交换，进而影响台风结构和强度变化。在台风条件下，海洋的中尺度环流会对局地的动力和热力过程产生显著的影响，由此产生的近惯性内波将向海洋内部输入大量的机械能，从而增强局地的海洋混合，改变海洋的温、盐度结构；由Ekman抽吸、夹卷和湍流混合引起的次表层冷水上翻，使得海表温度降低，通过海气界面交换将抑制台风的增强。加强对台风条件下上层海洋的认识，将有助于人们了解海洋夹卷、湍流混合及近惯性内波等不同尺度过程的机制。

无论对于海洋科学还是大气科学，海洋与台风的相互作用过程都是过去和当前的研究热点与难点，还将是今后相当一段时间内的科学前沿问题。国际海洋与大气科学界近十年来推出了一系列大型的热带气旋研究计划。如，美国科学家在北大西洋进行了“耦合边界层海气交换”（CBLAST）试验，以便认识热带气旋与海洋的相互作用并改善预报模式；同时，还与台湾岛上的科学家合作实施了“太平洋台风对海洋影响”（ITOP）计划，曾利用科学调查船在台风暴发前、后进行重复海洋观测，虽能获得极其宝贵的海上第一手资料，但只是少量的非实时观测站点，而且还冒着生命危险。

我国对台风的监测主要针对台风的登陆过程，海上观测极为罕见。台风登陆后，主要利用沿海地区自动气象站、高空探测、沿海多普勒雷达以及特种观测设备（GPS/MET水汽监测和边界层气象梯度探测）对台风进行监测。近二十年来，我国开展的有关台风的观测或科研项目主要有：2001年实施的中国登陆台风试验（CLATEX）、2009年启动的国家重点基础研究发展规划（973计划）项目“台风登陆前后异常变化及机理研究”和2013年启动实施的另一个973计划项目“上层海洋对台风的响应和调制机理研究”等。这些研究计划或研究项目的一个重要特点是利用综合性的立体观测手段，企图设法了解上层海洋对热带气旋的响应机制和调制作用，并探讨利用海洋观测资料提高预报能力的可能性。

长期以来，由于缺乏台风生成源地及其移动路径附近海域长时间、大范围的实时海洋（次表层）观测资料，阻碍了人们对海洋与台风相互作用过程的深入了解和准确模拟，更无法获得台风预报所需要的、可靠的海洋初始场。如果能在台风路径附近海域快速、实时获取大范围内上层海洋的高质量、高分辨率观测资料，无论对研究上层海洋对台风的响应和调制机理，还是提高台风预报（路径、强度）精度，都会起到重要的推动作用。人们早就翘首以盼。

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二、自动剖面浮标给实时监测恶劣环境下的海洋带来了转机

过去的台风观测手段主要有抛弃式温度测量仪（AXBT）、抛弃式海流剖面观测仪（AXCP）、锚碇浮标以及调查船等。其中AXBT和AXCP通过飞机来投放，投放成本非常大，其观测寿命也比较短，无法获取长时间序列的资料。一些锚碇浮标的观测资料也被用于偶然经过的台风对海洋影响的研究，这种浮标可携带多种海洋或气象传感器，但其成本和维护费用都相当大，且容易受到人为因素的破坏以及恶劣天气的影响，难以构建用来专门观测台风的阵列或观测网。常规的船只走航或定点海洋观测，一般只能在台风发生前或过境后实施，尤其是台风发生前的海洋调查，不是离台风生成日期或源地、路径太远，就是离台风太近，形成的大风大浪导致调查船无法实施观测，而且也十分危险。

上个世纪末，卫星遥感技术的发展给恶劣天气下的海洋观测带来了曙光，其反演资料被广泛应用于热带气旋对海洋上层影响的研究。但卫星遥感只能观测海洋表面的温、盐度等海洋环境要素，而无法获取人们更关心的上层海洋（如500米水深以上）的环境要素资料。可见，上述这些观测手段受各自条件的限制，只能用于有限区域的观测，无法获取到大范围台风海域长时间序列的上层海洋资料。

本世纪初开始在全球海洋中构建的全球Argo实时海洋观测网，为人们带来了观测台风作用下的海洋是如何响应/反馈的希望和新思路。国际Argo计划自2000年启动以来，已经于2007年10月在全球无冰覆盖的大洋上建成了一个由3000多个自动剖面浮标组成的观测网（简称“核心Argo”），每个浮标能每隔10天自动观测1条0-2000 米水深内的温、盐度剖面，并通过卫星将观测资料经地面接收站和数据处理中心及互联网传递给用户。但早期的剖面浮标，大部分使用Argos卫星进行单向通讯，即无法在台风到达前或经过时能随时改变浮标的观测周期和测量深度等技术参数，实施对海洋的加密观测；而且数据传输速率也较慢（<1 bytes/s），无法满足高分辨率观测数据的传输要求。于是，人们开始尝试使用具有双向通讯、高速率传输（180-300 bytes/s）功能的铱卫星（IRIDIUM）通讯系统。

目前，在全球海洋近4000个活跃浮标中，已经有近80%采用铱卫星传输数据。需要指出的是，2015年9月，由中船重工七一0研究所自主研制的HM2000型剖面浮标，采用了我国的北斗卫星系统（BEIDOU）定位与传输观测数据，并具备与铱卫星相同的双向通讯功能，同样可用于台风海域的实时海洋监测。第一批（6个）HM2000型剖面浮标曾由中国科学院海洋研究所率先布放在西北太平洋西边界流海域（吕宋岛以东）；2016年9月，由中国Ａrgo实时资料中心承担的国家科技基础性工作专项“西太平洋Argo实时海洋调查”重点项目在我国南海海域布放了10个HM2000型剖面浮标。这些浮标的部分观测资料经过中国Argo实时资料中心的严格质量控制后，已经通过全球通讯系统（GTS）和互联网（WWW、FTP），与世界气象组织（WMO）和国际Argo计划成员国共享，并得到了国际Argo信息中心（AIC）的认可。

通过对各种观测仪器设备或观测系统的特点和优劣势的对比，人们普遍认为，利用自动剖面浮标（具有双向通讯、高速率传输功能的IRIDIUM和BEIDOU通讯系统）构建实时海洋监测网，对台风作用下的海洋进行大范围、长期、连续、实时监测，将会是今后一段时间内最理想、最有效的观测手段。

三、构思的西北太平洋台风海域实时海洋监测系统

西北太平洋台风海域实时海洋监测系统主要由海上实时海洋监测网、陆上数据自动接收/监视单元和数据处理与分发单元等三部分组成。其中，海上实时海洋监测网将由一批具有双向通讯功能的自动剖面浮标组成，可以实现在台风天气条件下对上层海洋进行加密观测的目标，实时获取台风源地及其经过前、后上层海洋的现场环境要素资料；陆上数据自动接收/监视单元通过建立北斗（或铱星）数据接收站，接收通过北斗/铱卫星传输的剖面浮标观测信息及数据，其中采用北斗卫星传输的浮标观测信息及数据，可以利用北斗剖面浮标数据服务中心（中国杭州）在国内直接接收，而采用铱卫星传输的剖面浮标观测信息及数据，则利用铱卫星地面服务中心（美国马里兰）间接获取；陆上数据处理与分发单元会对这些接收到的数据进行自动编码、实时质量控制等处理，快速分发到不同级别的资料用户手中。

台风海域实时海洋监测系统技术方案

１、实时海洋监测网

根据过去50年西北太平洋热带气旋出现频率的分布，选取10-23ºN、123-140ºE包围的区域作为实时海洋监测网的建设海区。拟建成一个由约30－45个自动剖面浮标（具有双向通讯功能）组成的西北太平洋台风海域实时海洋监测网，每年需补充布放的浮标数量约30个，形成对深海大洋长期、连续、高时空分辨率和高精度观测的能力，为促进台风研究和提高台风预测预报水平提供充足的数据源。

台风海域实时海洋监测网构建区域

２、数据自动接收/监视单元

针对国产与国外各种型号的自动剖面浮标，由于它们的通讯方式、信息编码方式、数据文件格式等各不相同，需要建立与之相匹配的统一的数据自动接收系统，形成对大量观测数据的自动批处理能力，需要自主研发数据自动接收/监视单元。

北斗剖面浮标数据接收/监视单元主要由北斗指挥单元、大屏拼接单元和数据存储/处理单元等组成。北斗地面接收站的主要设备包括北斗指挥机专用天线、北斗指挥机主机、工控机、大屏拼接墙、大屏拼接器、VGA矩阵和数据存储控制器等，具备管理并接收5000个浮标的能力，硬盘容量不小于20T。北斗指挥单元是数据接收/监视系统的核心，配备有北斗指挥机、工控机及GSM模块等硬件设备。北斗指挥单元通过与浮标进行通信实现对浮标状态（包括电池电压、传感器数据、沉浮调节装置和北斗通信终端等）的监测和工作参数的设定。工控机上配套安装有浮标态势显控软件，采用交互式图形操作界面设计，使检测和设定工作简单快捷，并可通过GSM模块发送手机短信方式提供浮标新剖面实时提醒功能。

北斗剖面浮标数据接收/监视单元

通过“HM系列剖面浮标数据接收/监视系统”单元和“北斗剖面浮标数据自动转发系统”单元，可以实现北斗剖面浮标数据的自动接收、浮标参数的调整以及数据自动转发等功能。

该系统的主要功能包括：1）自动接收及数据解码功能，能够自动接收多种型号（COPEX、HM系列）的北斗剖面浮标信息，并进行数据解码；2）实时海图态势显示功能，能够接收并实时显示海上工作浮标的漂移轨迹；3）实时图形界面显示功能，能够以图形和数据方式直观显示接收到的观测参数（如温度、盐度和深度等）数据；4）无人值守功能，整个系统工作过程全由计算机自动完成，无需人员值守，浮标浮出水面上传数据时，能够自动提醒相关操作技术人员；5）双向通信功能，能够设定或更改浮标工作参数，实现远程控制浮标工作状态等。

３、数据处理与分发单元

陆上数据处理与分发单元主要负责对国产剖面浮标的观测数据进行实时和延时质量控制，确保符合Argo计划对海洋环境资料观测精度的要求，通过互联网和GTS实现与国内外用户数据共享，需要自主研发。该单元将会对所有的包括通过北斗和铱卫星传输的剖面浮标观测数据，经信息自动提取（包括浮标技术信息和观测数据）后，按照国际Argo资料管理组规定的程序对压力进行实时校正，并对温、盐度观测剖面和卫星定位等数据进行实时质量控制，一般要求在获取浮标资料的24小时内完成，其中通过北斗卫星传输接收的观测资料，争取在获取2小时内即可完成。

自动剖面浮标资料实时质量控制流程

延时模式质量控制将在浮标布放后6个月进行，主要针对电导率传感器长期工作后可能会产生漂移的问题，需要收集该海域内高精度的船载CTD仪观测资料作为参考数据集，并建立历史CTD资料数据库。如果没有CTD背景数据库，则需挑选浮标附近高质量的历史Argo资料进行对比分析及其质量控制。

自动剖面浮标资料延时模式质量控制流程

四、台风海域实时海洋环境智能服务平台框架

全球Argo资料具有超海量、大覆盖、高频率等特点，如何对这些Argo资料进行高效存储，以解决今后Argo资料因高速增长、高频更新所带来的存储、更新与检索瓶颈；同时，如何将Argo资料和台风信息等多源海洋环境数据在统一的时空框架下快速集成和共享，从而实现台风海域Argo资料的快速查询，进行可视化、统计分析等增值服务，这些都是急需攻克和解决的问题。

１、平台框架设计

针对上述的现实需求，并基于在西北太平洋海域布放具有双向通讯功能的剖面浮标构建区域Argo实时海洋观测网的契机，研制台风海域实时海洋环境智能服务平台，旨在为国内相关研究项目或海洋、气象服务部门提供更加丰富的台风海域实时海洋环境数据与信息服务。整个平台包括两大单元，分别为西北太平洋台风海域海洋环境数据实时集成与管理单元和西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务单元。

西北太平洋台风海域海洋环境数据实时集成与管理单元基于海洋环境数据多源异构、海量递增的特点，采用全自动化准实时入库系统对海量Argo资料、台风资料、SST资料等进行入库，采用云存储技术与关系型数据库相结合，对大规模海量异构数据进行高效管理，同时在后台入库时监听海量数据和大量文件，针对不同时空分布下的海洋环境数据进行产品的自动化制作。

西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务单元采用了海量数据的分布式存储技术和分布式网络环境下的海量信息共享服务平台体系结构，以及WebGIS、RIA等支撑技术和规范体系，在空间信息共享与服务框架下，实现了对台风路径附近Argo剖面浮标位置的实时监控、漂移轨迹的可视化追踪，以及剖面资料的高效检索和实时绘制等功能。

台风海域实时海洋环境智能服务平台总体架构

２、基于混合数据库架构的Argo资料存储方案

台风海域实时海洋环境智能服务平台涉及的数据包括基础地理空间数据、海量的Argo元数据、观测剖面资料、台风数据和其他海洋环境数据以及相关衍生数据产品等，数据来源和数据格式各不相同。现有的空间数据库尽管可以对大规模异构空间数据进行管理，但其存储的容量和灵活性存在一定局限性；同时，日益递增的Argo观测资料以及大量的衍生数据产品对存储空间的需求越来越高，单机存储或者简单的集群共享已无法应对爆炸式增长的海量数据，存储系统的弹性扩展能力和性能要求需进一步提高。为此，提出了一种基于混合数据库架构的Argo资料存储模型，采用关系型/非关系型数据库相结合的分布式混合存储模型对大规模高速增长的Argo数据进行高效管理，实现数据多级多态存储、管理和实时更新。

HDFS是Hadoop实现的一个分布式文件系统，Hadoop是由Apache基金会开发的一个分布式系统基础架构，并具有高可靠性/可用性、高扩展性、高效性、低成本等多方面优点。PostgreSQL/PostGIS数据库是一个轻型、开源的空间关系型数据库，支持复杂查询、事务完整性等，可通过增加新的数据类型、函数、索引等进行扩展，并且提供了OGC规范中的点、线、面等几何对象类型以及空间索引和空间操作等能力。考虑到Argo数据兼具结构化与非结构化的数据特性，且数据总量增长迅速，采用传统单一的数据存储方式难以进行有效组织与管理。

本平台采用HDFS分布式文件系统和PostgreSQL/PostGIS数据库混合存储的架构。其中，HDFS集群的主节点采用双备份机制，仅一个节点负责与客户端和子节点交互，另一个备份节点仅负责主节点的备份。数据节点内的Argo剖面观测原始资料和网格化数据产品被分块到多个物理节点上存储，其网络路径索引不仅存放在主节点上，也被记录到PostgreSQL中（线1和线2）。同时，Argo浮标元数据和剖面观测数据中的结构化信息以表格形式存储于PostgreSQL。带有空间位置属性的Argo浮标空间信息、观测剖面空间信息以及浮标轨迹信息等则从Argo浮标元数据和剖面观测文件中抽取存放在PostGIS中（线3、线4和线5）。这种混合数据库架构的存储模式充分发挥了分布式文件系统和空间数据库各自的特点，实现了对Argo资料结构化数据和非结构化数据的高效存储和一体化管理，其高可扩展性也为日益递增的非结构化数据提供了硬件级的弹性扩展能力。

３、平台试应用

西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务平台于2016年10月安装在中国Argo 实时资料中心试运行，并具备了对外业务化运行的能力。用户可以通过访问西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务系统（单元），查询检索台风海域Argo资料及其衍生数据产品。

如对某个感兴趣的台风轨迹点，用户可快速查询到前后10天附近海域300公里范围内的浮标分布，并可显示相应浮标的动态漂移轨迹；同时，还可以把最近时刻的SST大面分布进行叠加显示分析。

台风路径附近浮标快速查询

台风路径附近浮标漂移轨迹

台风附近浮标位置及SST分布

实时显示的温、盐度垂直分布

对于查询到的浮标资料，用户可实时绘制温、盐度剖面图，并对剖面资料进行下载；对于衍生数据产品，用户可根据数据产品类型、各种时间尺度等不同需求组合查询查看温、盐度网格化产品等。

2013年7月全球海洋表层温度分布

2013年7月全球海洋150米层温度分布

遗憾的是，台风海域实时海洋环境智能服务平台在中国Argo 实时资料中心稳定运行２年后，出于某种原因，不得不中止运行。

五、利用剖面浮标观测资料研究热带气旋（台风）活动前景诱人

利用自动剖面浮标，特别是具有双向通讯功能的铱星和北斗剖面浮标，人们有能力对台风海域的海洋环境进行实时监测，从而可以大范围、长时间、高分辨率和实时地获取台风天气条件下的上层海洋环境资料。这些数据源对发展和完善海洋与台风相互作用的理论方法、耦合数值模式等相关基础研究均具有重要的科学意义和实用价值。

我国是较早使用铱卫星剖面浮标的国家之一。2010年就开始在西北太平洋海域布放该类型浮标，并使用铱卫星高传输速率和双向通讯的优势，开展了台风季节西北太平洋海域剖面浮标加密观测试验，获取了大量台风路径附近海域0～500 米、间隔2～3天的加密剖面资料，为研究上层海洋对台风的响应提供了难能可贵的现场观测数据。

利用投放在西北太平洋海域的剖面浮标观测资料，结合卫星资料和模式模拟，海峡两岸学者对台风过境海洋上层的响应过程做了不少探索性研究工作。卫星遥感资料主要用来描述海表面对热带气旋的响应，而剖面浮标观测资料（Argo资料）的优势则在于揭示上层海洋对热带气旋的响应过程。他们通过分析西北太平洋暖池区夏季由剖面浮标观测的次表层温、盐度剖面，发现大多数台风经过暖池区时，会引起海面盐度下降，并提出热带气旋带来的淡水输入有利于盐度的下降；而由西北太平洋浮标观测资料的统计分析结果则显示，台风造成的混合层盐度变化在台风路径两侧基本呈对称分布。还有人利用铱卫星剖面浮标的加密观测资料对2012年Bolaven台风的分析结果显示，台风路径左右两侧海洋表层和次表层呈不同的温、盐度变化过程；利用模式结合卫星和浮标观测资料的研究发现，台风作用下海洋上混合层深度会增加、并向大气释放潜热，以及台风中心出现强的冷水涌升等。

热带气旋的能量来自于海洋上层温暖的温度。它们的强风也推动了垂直海洋的混合，共同导致风暴经过后较冷的海面温度。这些冷尾迹已经在过程研究中，使用了有针对性的剖面浮标进行研究。热带气旋与剖面浮标之间的偶然相遇，也提供了对这些风暴冷尾迹的流域范围和全球影响的深入了解。有人还把浮标观测数据用于研究海洋与纳尔吉斯（Nargis） 气旋之间的相互作用，了解其迅速增强的情况。虽然北太平洋的海表温度特征在大约10天内消失，但浮标资料表明，它们的次表层特征持续了一个多月。在强热带气旋的大风半径内，平均存在约160 MJ m2的混合层热损失。根据浮标数据，估计热带气旋在全球尺度上每年从海洋到大气的净热量转移中会占很大一部分(1.87 PW)。此外，在研究海洋热含量对于热带气旋强度及其对风暴潮影响的预测、建立新的“海洋耦合潜在强度指数（OC_PI）”的热带气旋预报因子、次表层全球海洋增暖暂缓与超强台风“海燕”之间的联系等方面，也都使用到了台风过境海域的浮标现场观测资料。自动剖面浮标及其Argo资料的成功应用，大大加深了人们对台风活动的认知。

令人遗憾的是，至今仍未建立起针对台风海域的“实时海洋监测网”。