2009-2012年南海海洋断面科学考察走航ADCP海流观测数据集

杨远征，徐超，李莎，何云开

1. 中国科学院南海海洋研究所，广州 510301

数据库（集）基本信息简介

引 言

中国南海不仅具有跨越热带和亚热带、毗邻粤港澳大湾区和海上丝绸之路贸易的重要通道等优越的地理位置，而且具有油气能源和生物资源等丰富的资源。南海典型断面科学考察，在科学研究方面可为南海水文、气象、生态、化学、地质等海洋学科的科学研究提供可靠的科学数据，在海洋环境保护方面可在科学合理开发利用该海域各类资源及海洋生态文明建设提供科学依据。因此，开展南海海洋断面科学考察具有重要意义[1]。2009-2012年南海海洋断面科学考察遵照国家科技基础性专项“南海海洋断面科学考察”任务要求在南海设置18°N、10°N和6°N断面，并设置沿东经113°一直到南沙群岛（6-18°N）纵向断面，在南海内部构建三横一纵为主的观测系统。图1为2009-2012年南海海洋断面科学考察站位图。

图1 2009-2012年南海海洋断面科学考察站位图

海流观测是南海海洋断面科学考察作业的重要内容之一，2009-2012年南海海洋断面科学考察海流观测采用的测量设备是声学多普勒流速剖面仪（Acoustic Doppler Current Profilers，以下简称ADCP）。ADCP是利用声波在流动液体中的多普勒频移来测流的海流观测仪器，具有准确率高、分辨率高和操作方便的特点，并且得到了广泛的应用，特别是许多国际性大型海洋调查研究项目都把ADCP作为观测仪器[2]。近年来，中国科学院南海海洋研究所逐年增加了南海海洋科学考察航次，除了南海海洋断面科学考察航次外，南海北部海洋观测开放航次自2004年以来累积了大量的ADCP现场海流观测数据。在数据采集时间上，南海北部海洋观测开放航次ADCP海流观测数据集是从2004年起每年夏末秋初（8-9月）常态化进行观测[3-4]。虽然南海海洋断面科学考察ADCP海流观测数据集只有四年的数据积累，但南海的环流具有明显的季节性特征[5]，因此具有 4个不同季节的南海海洋断面科学考察ADCP海流观测数据集为深入开展季风气候控制下的热带海洋环境演变过程的科学研究提供了可靠的数据支持。在观测区域上，南海北部海洋观测开放航次ADCP海流观测数据集主要是在南海海洋北部海域获取，而南海海洋断面科学考察ADCP海流观测数据集是在南海海洋断面区域内获取，观测区域更广，并且南海海洋断面科学考察在南沙海域获取了大量宝贵的连续的ADCP海流观测数据，为南沙海域物理海洋的特征变化及环流结构等科学研究提供数据基础。

1 数据采集和处理方法

1.1 数据采集

2009-2012年南海海洋断面科学考察ADCP海流观测4个航次都由中国科学院南海海洋研究所“实验3”号科学考察船实施。各航次数据采集时间见表1。

表1 2009-2012年南海海洋断面科学考察各航次数据采集时间表

（1）2009年4月28日至6月20日执行春季航次考察，由于需返航三亚接第二阶段考察队员上船，5月4日至5月17日没有执行考察作业；此次科考春季航次主要航行路线：113°E断面从北到南，6°N断面从东到西，由于KJ57站较靠近陆地，被取消考察，10°N断面从KJ58站位开始由西到东考察，18°N断面从西到东。

（2）2010年10月27日至11月28日执行秋季航次考察，由于强东北季风南下，10月27日至11月5日无法执行考察，11月6日才开始作业至11月23日结束；此次科考秋季航次主要航行路线：113°E断面从北到南，6°N断面从东到西，10°N断面从西到东，由于外国船只干扰，KJ59站被取消考察，18°N断面从东到西。

（3）2011年11月28日至2012年1月12日执行冬季航次考察，由于受天气影响，2011年12月24日至12月29日没有进行考察作业，并在2012年1月2日提前结束；此次科考冬季航次主要航行路线：113°E断面从北到南穿越南海，由于天气原因，未考察113°E断面上的KJ22站位至KJ28站位；6°N断面从东到西，由于天气原因，未考察此断面上的KJ56站位；10°N断面放弃KJ57站位考察从KJ58站位开始由西到东，由于天气原因，未考察此断面上的KJ62站位至KJ65站位及KJ68站位至KJ75站位；18°N断面只考察了KJ20站位就结束了冬季考察航次。

（4）2012年8月7日至9月12日执行夏季航次考察，由于受热带气旋影响，8月16日至8月18日中断了数据采集作业；此次科考夏季航次主要航行路线：18°N断面从东到西至KJ17站位时，由于西太平洋有台风生成，先到10°N断面的东面KJ75站开始由东往西调查；6°N断面从KJ56站由东往西；113°E断面从南到北完成此断面调查后到KJ18站完成18°N断面最后三站的调查。

每个航次采样使用美国TRDI公司OS38型和VM300型ADCP，OS38 型ADCP工作频率为38 kHz，宽带工作方式，最大观测深度1000 m。VM300型ADCP工作频率为300 kHz，窄带工作方式，最大观测深度200 m。

1.2 资料整理

ADCP原始观测数据参考《GB/T12763-2007海洋调查规范 第 7部分海洋调查资料交换》[6]第6.2.3节的方法以及通过ADCP自带软件WinADCP[7]设置相关参数导出整个断面所有剖面的数据后，并进一步处理得到各航次海流观测的经纬度、观测层、东分量、北分量、流速、流向、探头温度等信息，整理2009-2012年南海海洋科学断面考察ADCP海流观测数据集。具体步骤如下：

（1）通过ADCP自带软件WinADCP设置相关参数将ADCP原始二进制数据导出MAT文件格式的数据，用于数据后处理和质量控制。首先，公共参数主要是在“WinADCP Chart Options”菜单下的“Profile”、“Series”、“Ancillary”和“Processing”功能模块下进行设置；其次，导出参数主要通过“Export”菜单下的“Series/Ancillary”选项设置，其中“File Type”选“MAT”、“Bins”选“All”、“Series Data Types”下的“Velocity”选项全选、“Anc Data Types”选“Temperature”和“Depth”、“Bottom Track”选“Mag”和“Dir”和“Navigation”选“Lat/Lon”等。

（2）将导出的MAT文件进一步转换成ASCLL数据格式文件，并对资料的各要素进行初步的质量控制，主要是剔除航迹经纬度数值为30000的资料，以及剔除流速或流向的数值为-32768的资料；ASCII标准数据格式文件中，剔除不符合编码规定的可疑数据，详见第3章。

（3）ADCP数据标准化处理，主要是将数据统一转换成doc格式，并规范文件命名。文件命名由每个年份航次及相应型号ADCP数据组成，如文件“2009年南海海洋科学断面考察OS38型ADCP海流观测数据集”指2009年南海海洋科学断面考察OS38型ADCP观测数据，该文件是由数据记录年月、记录间隔时间和观测层深度命名的数据组成，如“200905_LTA_30min_38”，指2009年05月调查航次OS38型ADCP观测数据，“38”指38 m层观测的数据，“LTA”是记录间隔标识，“30min”指记录间隔为30分钟。

2 数据样本描述

本数据集是国家科技基础性工作专项南海海洋断面科学考察项目通过2009年春季、2010年秋季、2011年冬季、2012年夏季4个航次采集并经过处理的ADCP海流观测数据集。本数据集有2种型号ADCP海流观测数据：（1）OS38型ADCP观测60层，层间隔16 m，第一层深度38 m，记录间隔30 min；（2）VM300型ADCP观测54层，层间隔4 m，第一层深度10 m，记录间隔30 min。数据集参数包括日期、时间、纬度、经度、观测层、东分量、北分量、流速、流向、探头温度。表2列出了数据集中各参数的名称、单位和样例数据等信息。

表2 ADCP数据参数和样例数据

3 数据质量控制和评估

在数据采集过程中，会受到船速、仪器、海况以及ADCP参数设定等因素的影响[8]。为确保ADCP观测资料的质量，使用了系统误差订正和常规检验等质量分析和控制方法。ADCP数据的质量控制方面主要是对速率误差和方向误差（即为系统误差）进行修正[9]。

（1）方向误差主要是采集的数据由 ADCP观测仪器坐标系转换为地理坐标系过程中引入旋转角度误差（主要来源于ADCP传感器安装角度偏差和罗经测量的航向误差）[10]。为了避免方向误差，在每个航次考察初期，考察船以固定10节的航速走闭合圈进行走航ADCP自检观测，图2为OS38型走航ADCP在54 m水层自检观测海流图，图3为VM300型走航ADCP在50 m水层自检观测海流图。从海流观测图分析，2台走航ADCP传感器在考察船上的安装角度及罗经校对理想，认为使用这2台ADCP观测的海流数据质量可靠，数据可以使用。若自检的海流观测图的海流流向在闭合圈上基本不一致，那么ADCP传感器安装角度存在偏差，需通过用ADCP自带软件VmDas[11]软件的Reprocess Data功能设置Transform菜单中的ADCP Alignment Correction参数对观测资料进行安装角度订正处理。另外，由于考察船突然转向、加速与减速时会导致罗经产生所谓的冲击误差，这个误差在资料处理中是不能订正的[12]。因此，为了确保观测资料的质量，在数据采集过程中，尽量避免了考察船突然转向、急加速和减速。

图2 OS38走航ADCP自检观测（54 m水层）

图3 VM300走航ADCP自检观测（50 m水层）

（2）剔除没有记录到同步GPS资料以及由于水深超出底跟踪深度范围导致测得船速为0的资料。2011年冬季航次由于VM300型ADCP的GPS损坏，没有记录到同步的GPS资料，不能够处理出实际海流流速、流向数据，造成该航次的VM300型ADCP的海流观测数据空缺。

（3）南海海洋断面科学考察ADCP海流观测是ADCP在底跟踪和GPS跟踪模式下进行作业的。ADCP测得流速是海水相对于船体的速度，因此船速的准确度影响数据的质量。底跟踪模式下测得船速是通过跟踪水底的“运动”测量的，精度可达到1 cm/s[13]，而且该误差在数据处理过程中能被消除，因此底跟踪模式测得船速无需进行系统误差校正。GPS跟踪模式下测得船速受海况等环境因素和人为操纵船只因素等影响[8]，因此GPS跟踪模式下必须要进行系统误差的校正和船速的订正。本数据集最大观测深度为982 m，符合OS38型ADCP最大测量底跟踪深度（OS38型ADCP最大测量底跟踪深度理论值为2 km，实际只有1 km左右）。因此，为了提高海流流速精度，采用底跟踪观测的船速数据，这样无需进行船速误差修正，利用ADCP自带软件WinADCP[7]的processing功能处理出实际的海流数据。

（4）常规检验主要包括范围检验、非法码检验和连续性检验等。范围检验：经度范围超过108-122°E，纬度范围超过4-24°N，水深小于0或大于1000 m，该数据错误；流速范围超过-5～9 m/s，探头温度（水温）超过-40～40℃，该数据可疑。非法码检验：ASCII标准数据格式文件中，每一位编码规定了可以出现的属性有符号、字符和数字（包括空格），若文件中的编码出现了不符合上述规定的属性，该数据可疑。

另外，除了通过上述所描述的技术手段外，还结合该调查海域的历史研究成果，对转换得到的数据进行比对校验。

4 数据使用方法和建议

本数据集是历经4年共计4个不同季节的航次数据积累，为我国南海海洋的动力过程和海洋物理的特征变化等海洋科学研究提供了宝贵的现场资料。

为方便使用，我们提供了数据集doc电子资料，用户可以直接采用Microsoft Word程序浏览。

致 谢

本数据集的获取得到中国科学院南海海洋研究所海洋科学考察船队及“实验 3”号科学考察船队所有成员的大力支持和帮助，在此表示感谢。