姜洪峰，鄭崇偉，陳飛，趙艷玲，韓玉康

1.31010 部隊，北京 100081

2.海軍大連艦艇學(xué)院，大連 116013

引 言

海洋氣象觀測數(shù)據(jù)及統(tǒng)計產(chǎn)品是開展海洋氣象預(yù)報、制作海洋氣候背景以及科學(xué)研究、工程建設(shè)的基礎(chǔ)和重要參考[1]。目前業(yè)務(wù)上使用的海洋氣象統(tǒng)計產(chǎn)品多為2010 年前的數(shù)據(jù)，且多為平均態(tài)的產(chǎn)品，有待補充和豐富。

與陸地上固定氣象觀測相比，海洋氣象觀測主要依賴船舶和浮標(biāo)等平臺開展觀測，存在著時空分辨率低、觀測不連續(xù)、資料量少等特點，由此導(dǎo)致海洋氣象統(tǒng)計產(chǎn)品樣本數(shù)少、結(jié)果可信度低等問題[2]。近年來，海洋氣象觀測數(shù)據(jù)量的增長較快[3]，如在臺灣海峽、呂宋海峽等航路較為繁忙的區(qū)域，0.5°方區(qū)內(nèi)的月平均統(tǒng)計樣本數(shù)維持在300-400 個，為制作海洋氣象統(tǒng)計產(chǎn)品提供了數(shù)據(jù)保證。

1 數(shù)據(jù)采集和處理方法

1.1 數(shù)據(jù)源

本研究數(shù)據(jù)來源于ICOADS 資料（下載網(wǎng)址：https://icoads.noaa.gov/），該資料是由美國海洋大氣局地球研究實驗室、國家氣候數(shù)據(jù)中心和美國國家自然科學(xué)基金委員會大氣研究中心的合作下建立的最新國際綜合海洋大氣資料集，從1784 年至今已有超過2 億次觀測報告，是目前世界上最全面、觀測數(shù)據(jù)量最大的海上觀測資料集。其中，海表面觀測資料主要是通過多個國家的船舶（商船、軍隊船只、科學(xué)考察調(diào)查船）、錨定浮標(biāo)和漂流浮標(biāo)、沿海觀測站以及海上平臺觀測得到的，范圍覆蓋全球海域（圖1）。從1980 年以后，海上觀測設(shè)備和方式逐漸多樣化，傳統(tǒng)的船舶觀測數(shù)量隨之減少，取而代之的是浮標(biāo)觀測[4]。

圖1 海洋氣象觀測點示意圖

1.2 數(shù)據(jù)收集與處理

在主要海洋氣象要素提取上，提取了業(yè)務(wù)上常用的海面氣壓、海面氣溫、露點溫度、海表溫度、風(fēng)速、風(fēng)向、總云量、低云量、低云狀、低云云底高、能見度和天氣現(xiàn)象12 個要素。為使數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確可靠地反映大氣真實的變化規(guī)律，需要對數(shù)據(jù)進行質(zhì)量控制。質(zhì)量控制按照氣象資料的類別分要素進行，各種質(zhì)量控制方案的選取遵循成熟性和實用性相結(jié)合的原則，在對實際資料進行大量質(zhì)量控制試驗和檢查的基礎(chǔ)上，提出符合資料實際情況的質(zhì)量控制方法和流程，對海洋氣象觀測資料進行質(zhì)量控制。對質(zhì)量控制后的海洋氣象觀測資料，按照0.5 度方區(qū)，分區(qū)制作了方區(qū)內(nèi)各月的常用海洋氣象要素統(tǒng)計產(chǎn)品。

2 數(shù)據(jù)樣本描述

2.1 數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)

本數(shù)據(jù)集包括兩部分內(nèi)容，總大小4.66 GB：一是質(zhì)量控制后的海洋氣象觀測數(shù)據(jù)，為非規(guī)則網(wǎng)格點數(shù)據(jù)，總大小4.65 GB，共12 個觀測要素。二是海洋氣象要素統(tǒng)計產(chǎn)品，為規(guī)則網(wǎng)格點數(shù)據(jù)，分辨率為0.5°×0.5°，總大小14.8 MB，共21 個統(tǒng)計要素。具體數(shù)據(jù)集組成如表1。其中，6 級大風(fēng)概率的定義為：該統(tǒng)計方區(qū)內(nèi)累年超過6 級大風(fēng)的觀測樣本數(shù)與所有觀測樣本數(shù)的比值；6 級大風(fēng)日數(shù)的定義為：只要當(dāng)天該統(tǒng)計方區(qū)（0-23 時）有1 個觀測時次出現(xiàn)超過6 級的大風(fēng)即認為出現(xiàn)1個6 級大風(fēng)日，然后逐年累加并取平均，即為各月平均大風(fēng)日數(shù)。7 級大風(fēng)、8 級大風(fēng)概率和日數(shù)的定義與6 級大風(fēng)的相同。本文的數(shù)據(jù)觀測時間均換算為北京時。

表1 數(shù)據(jù)集組成

2.2 數(shù)據(jù)屬性表

海洋氣象觀測數(shù)據(jù)表包括觀測點信息、觀測時間和要素數(shù)值3 部分內(nèi)容，數(shù)據(jù)表中的字段名稱、量綱、數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)樣例等信息具體如表2。

表2 海洋氣象觀測數(shù)據(jù)表內(nèi)容

3 數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和評估

3.1 氣象觀測資料質(zhì)量控制

氣象觀測資料的質(zhì)量控制方法主要包括：

一是按照各要素的氣候值范圍對各要素進行氣候?qū)W界限（表3）檢查。

表3 海面氣象觀測氣候?qū)W界限值

二是按時空分布進行各要素合理取值范圍檢查。首先根據(jù)已有的世界海洋氣候圖集中1°×1°經(jīng)緯網(wǎng)格累年各月各要素的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，計算出每月各要素5°×5°經(jīng)緯網(wǎng)格的合理取值范圍。對5°×5°經(jīng)緯網(wǎng)格內(nèi)每條觀測記錄進行范圍判別，若其要素值落在當(dāng)月該要素出現(xiàn)的合理范圍之外，則該要素加標(biāo)識符，不參加統(tǒng)計。若該月某要素5°×5°經(jīng)緯網(wǎng)格內(nèi)所有1°×1°經(jīng)緯網(wǎng)格均無上述多年平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，則該月5°×5°經(jīng)緯網(wǎng)格該要素出現(xiàn)的合理范圍視為缺測。

三是利用觀測報告內(nèi)部氣象要素之間的內(nèi)在聯(lián)系進行一致性檢查。對每條觀測記錄內(nèi)的要素進行相互匹配的檢查。如海氣溫差的絕對值應(yīng)小于15.5℃，低云量不能超過總云量，降水與云量的一致性檢驗等。若出現(xiàn)矛盾，則盡可能利用因果關(guān)系決定取舍。

四是連續(xù)性檢驗（表4）。對可疑的要素值，同一觀測平臺要素觀測值前后兩時次之差（相差3小時）是否處于合理范圍內(nèi)。

表4 海面氣象要素連續(xù)性檢驗取值范圍

其中，正確記錄標(biāo)記為0，錯誤記錄標(biāo)記為1，可疑記錄標(biāo)記為2。

3.2 氣象統(tǒng)計產(chǎn)品制作

舍棄錯誤數(shù)據(jù)和存疑數(shù)據(jù)，選用通過質(zhì)量控制的氣象數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計產(chǎn)品的制作。在100-170°E、5-45°N 范圍內(nèi)，劃分成0.5 度方區(qū)，凡位于某一方區(qū)內(nèi)的氣象數(shù)據(jù)均參與該方區(qū)產(chǎn)品的統(tǒng)計，形成141×81 的經(jīng)緯網(wǎng)格統(tǒng)計產(chǎn)品。

采用最優(yōu)插值法將統(tǒng)計生成的經(jīng)緯網(wǎng)格統(tǒng)計產(chǎn)品進行插值。若0.5 度方區(qū)內(nèi)樣本數(shù)小于10 個，則該方區(qū)數(shù)據(jù)使用最優(yōu)插值法得到的數(shù)據(jù)；對于樣本數(shù)大于10 個的方區(qū)則仍舊采用原方區(qū)統(tǒng)計數(shù)據(jù)。

在最優(yōu)插值法中，網(wǎng)格點的分析值是由網(wǎng)格點的初估值加上修訂值確定，修訂值由觀測值與初估值的偏差加權(quán)求得[5]：

其中，分析場xa和背景場xb是長度為n的向量；觀測場y0是一個長度為觀測總數(shù)的向量；H為線性觀測算子；W為權(quán)重矩陣。

4 數(shù)據(jù)價值

本數(shù)據(jù)集能夠以多種形式、相對客觀地刻畫西北太平洋海洋氣象要素變化和特征分布規(guī)律（如圖2-3），可滿足海洋環(huán)境保障對海洋氣候背景的需求，對掌握各季月、各海區(qū)氣候特點以及提高海洋氣象背景分析能力具有重要作用，可更好地為決策服務(wù)提供支持。

圖2 1 月、4 月、7 月、10 月平均風(fēng)速圖（單位：m/s）

圖3 東沙海區(qū)各月平均氣溫（℃）、6 級以上大風(fēng)概率（%）、降水概率（%）、雷暴概率（%）

數(shù)據(jù)作者分工職責(zé)

姜洪峰（1980—），男，遼寧寬甸人，碩士，工程師，研究方向為海洋環(huán)境保障。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)加工計算、統(tǒng)計產(chǎn)品制作。

鄭崇偉（1983—），男，四川宜賓人，博士，工程師，研究方向為海戰(zhàn)場環(huán)境建設(shè)、物理海洋學(xué)及海洋資源評估。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、統(tǒng)計產(chǎn)品制作。

陳飛（1984—），男，河北唐山人，碩士，工程師，研究方向為海洋環(huán)境保障。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)收集處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制。

趙艷玲（1980—），男，河北唐山人，博士，高級工程師，研究方向為海洋環(huán)境保障。主要承擔(dān)工作：統(tǒng)計產(chǎn)品加工、數(shù)據(jù)格式標(biāo)準(zhǔn)化處理。

韓玉康（1990—），男，山東萊州人，碩士，助理工程師，研究方向為海洋環(huán)境保障。主要承擔(dān)工作：數(shù)據(jù)加工計算，存儲設(shè)計。