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  • “北斗剖面浮标数据接收共享系统研制”等3个SOED国重室自主课题资助项目顺利结题
  • 作者:中国Argo实时资料中心   来源:中国Argo实时资料中心   发表时间:2017-10-11 10:50:18   点击:
  •       由中国Argo实时资料中心刘增宏副研究员、曹敏杰博士、吴晓芬助理研究员分别承担的卫星海洋环境动力学国家重点实验室自主课题项目“北斗剖面浮标数据接收共享系统研制”(项目编号SOEDZZ1502)、“西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务平台研制”(项目编号SOEDZZ1514)以及“西太平洋暖池海域热盐含量变异研究”(项目编号SOEDZZ1522)均于2017年8月顺利结题。

          现将三个项目的主要进展和取得的主要研究成果介绍如下:

    一、“北斗剖面浮标数据接收共享系统研制”项目

          1、主要进展:

          (1)北斗剖面浮标数据自动接收子系统

          该子系统用于实现北斗剖面浮标观测数据卫星编码的自动、批量接收,包括硬件和软件部分(图1)。2015年9月,课题组与中船重工第710研究所签订“北斗剖面浮标数据接收显控及测试分析”技术服务合同,并于当月由710所技术人员安装了北斗接收天线、指挥机和拼接大屏等硬件设备,同时还安装了HM系列剖面浮标数据接收/监视系统,并进行了系统的调试。2015年10月,该系统开始试运行接收由中科院海洋所牵头的先导专项布放的5个HM2000型剖面浮标观测数据。


    图1  北斗接收天线(左)和HM系列剖面浮标数据接收/监视系统(拼接大屏)

          2016年8月,课题组负责的科技基础性工作专项购置了10个HM2000型剖面浮标,在中船重工710研究所的协助下,更新了北斗接收天线和指挥机等硬件设施,可更便捷地批量接收浮标数据。

          (2)北斗剖面浮标数据解码、校正、质量控制及共享服务子系统

          该系统负责北斗剖面浮标数据的处理和分级分发,最终目标是实现自动、批量、业务化处理和分发浮标数据的目标。其中,浮标数据解码部分由HM系列剖面浮标数据接收/监视系统完成;而负责数据处理的是基于Linux操作系统的MATLAB脚本,主要包括数据重写、质量控制、NetCDF/BUFR/ASCII格式写入等脚本,其中NetCDF格式的数据用于提交给全球Argo资料中心(GDAC),包括浮标的元数据、剖面、轨迹和技术数据,BUFR格式数据提交至GTS,ASCII格式则提交至本地服务器和数据库。数据分发使用了Linux脚本,通过FTP协议实现数据推送,而整个数据处理和分发过程则通过crontab服务实现任务的自动调度。为了提高北斗剖面浮标数据的时效性,设置每1小时从北斗剖面浮标数据自动接收子系统转发新接收数据至北斗剖面浮标数据校正、质量控制及共享服务子系统,且每2小时运行一次数据处理和分发程序,从而大大提高了北斗剖面浮标从发送数据至数据分发和入库的时效性。

          由于布放在南海海域的部分浮标观测周期设置为1天,而参与国际共享的数据按国际Argo计划的要求为5天,为了实现分级共享目的,课题组为每个浮标设置了参数,通过MATLAB脚本可方便地提取参与共享的剖面数据。

          基于分布式数据库和Web GIS技术开发了“北斗剖面浮标数据共享服务系统”(图2),可自动接收经压力校正和质量控制后的浮标数据并进入数据库,为用户提供所有北斗剖面浮标观测数据的信息查询、显示和下载等共享服务,该系统已安装至解放军31010部队,为该部掌握南海水下海洋温盐跃层情况提供重要数据支持和检验作用。

          (3)筹建“北斗剖面浮标数据接收服务中心”

          初步建立了“北斗剖面浮标数据接收服务中心”,具备了业务化接收、处理和分发HM2000型北斗剖面浮标观测数据的能力(图3),并为中科院海洋所承担的先导专项及本课题组承担的科技基础性工作专项布放的14个HM2000型浮标提供数据接收和处理服务。该中心的筹建,也是继法国CLS和美国CLS America之后第三个有能力为全球Argo海洋观测网提供剖面浮标数据卫星接收服务的中心。


    图2  北斗剖面浮标数据共享服务系统


    图3  北斗剖面浮标数据流程

          2、取得的成果

          (1)北斗剖面浮标数据自动接收系统(包括硬件和软件部分),已业务化运行;

          (2)北斗剖面浮标数据解码、校正、质量控制及共享服务系统(软件),已业务化运行;

          (3)北斗地面接收站一套,主要包括北斗接收天线、指挥机、工控机、大屏拼接屏墙(46寸,2×2拼接墙)、大屏拼接器、VGA矩阵、数据存储控制器等,具备管理并接收5000个浮标的能力,磁盘容量20T。

          (4)受中科院海洋所委托,为其接收和处理了5个HM2000型浮标获取的530余条温、盐度剖面,其中148条剖面提交至全球Argo资料中心和GTS进行共享;

          (5)为课题组承担的科技基础性工作专项重点项目接收和处理了10个HM2000型浮标获取的1128条南海海域的温、盐度剖面,其中507条剖面提交至全球Argo资料中心和GTS与其他国家进行共享;

          (6)撰写研究论文3篇(出版中)。

    二、“西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务平台研制”项目

          1、提出了一种基于混合数据库架构的全球Argo数据存储与更新方法

          随着全球Argo数据量的不断递增,且由于Argo数据存在多源异构、动态多维以及海量等特性,全球Argo数据的高效存储与更新一直是一个难题。传统的文件存储方式无法对Argo数据进行快速的查询统计以及挖掘分析,而仅仅依靠关系型数据库也只能管理Argo数据中的结构化部分——元数据信息,无法同时有效地管理半结构化剖面观测数据,用户无法对浮标的漂移轨迹与剖面图进行实时绘制。为此,提出了一种基于混合数据库架构的全球Argo数据存储与更新方法,通过研究Argo数据结构化/非结构化等多种存储形态,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。利用分布式文件系统HDFS结合PostGIS空间数据库搭建了高可扩展的分布式存储平台,实现了大规模Argo数据的高效存储和一体化管理。

          2、提出了一种基于时空双重近似索引的台风海域Argo资料的快速查询方法

          随着全球Argo资料数据量的不断递增,如何从特定台风海域中快速统计查询出符合条件的Argo资料一直是科研人员的迫切需求。目前通常的方法是人工手动从海量的全球Argo资料集中进行层层筛选,挑选出符合条件的Argo资料,这种方法非常耗时,且经常会漏掉一部分Argo资料;另一种较为先进的方法是使用传统的数据库用一张表存储全部的全球Argo资料,然后进行查询,但使用该方法来进行查询的效率很低,当需要统计查询特定台风海域的Argo资料时,则需要遍历整个数据表从上百万条记录中查询特定的资料,也非常耗费时间,且对数据的可靠性也得不到充分的保障。为了克服现有技术存在的问题,提出了一种基于时空双重近似索引的台风海域Argo资料的快速查询方法。

          3、研制了西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务平台

          平台以异构云环境下分布式存储技术为支撑,构建了一个面向海量Argo数据的分布式数据库,实现了对大规模异构Argo数据、台风数据及其他海洋环境数据的高效管理;基于Flex RIA WebGIS技术研制了台风海域实时海洋环境智能服务系统,实现了对台风路径附近Argo剖面浮标的快速查询、浮标位置的实时监控、漂移轨迹的可视化追踪、观测参数的快速调整,以及观测资料的高效检索和统计分析等功能,可为实验室和国内相关研究项目及海洋、气象服务部门提供丰富的台风海域实时海洋环境数据与信息服务。

     

    图4   台风附近Argo及SST资料的实时查询                      图5   台风路径的实时动态显示

           4、该研究结果已获2项软件著作权登记

          (1)西北太平洋台风海域海洋环境数据实时集成与管理系统(发明人:曹敏杰,登记号:2016SR383092)

          (2)西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务系统(发明人:曹敏杰,登记号:2016SR383026)

    三、“西太平洋暖池海域热盐含量变异研究”项目

          1、针对热带西太平洋,尤其是暖池海域上层海洋热盐含量进行了分析

          暖池海域次表层热含量的变化要远远大于表层,而盐含量恰好相反,以表层变化为主,次表层变化不大,且热含量受ENSO事件影响较大,而盐含量受ENSO事件的影响并不大,以气候态变化为主;CSEOF分析表明,暖池海域热含量第一模态空间场具有显著的东—西反相位年际振荡,盐含量第一模态则呈正-负-正的三极子变化模态,且时间序列显示,热含量在2007年以后伴随ENSO事件经过了3次位相调整,而盐含量在2007年以后只经过一次位相调整。进一步分析表明,热含量变化主要受到ENSO、局地风和纬向流的影响,而引起盐含量变化的原因更为复杂,其中纬向流和淡水通量对研究海域盐含量的影响均为正反馈效应。

          该研究结果发表于《中国海洋大学学报》上。

    图6  暖池海域上层(0-120m)海洋热含量CSEOF分析第一模态空间场(1-6月)

          2、将研究区域扩大到热带太平洋海域(南北纬30°)进行分析

          针对热带太平洋海域混合层、温跃层及其相关参数的分布特征进行了研究,进而探究了上层海洋热盐含量在混合层、温跃层两个层次内的空间部分、季节和年际变化特征,依据这些成果,完成了一篇硕士毕业论文:“热带太平洋海域上层海洋热盐含量初步研究”。

          3、开发了一系列数据产品

          针对研究过程中计算获得的热盐含量数据集进行了更新(由原来的2014年7月更新到2015年12月),并开发了一套基于Argo资料的混合层、温跃层参数数据产品,撰写了“热带太平洋海域Argo衍生数据(热盐含量)产品用户手册”,可提供给国内相关研究项目查看及使用。

          在结果验证时发现,计算海域温跃层内热含量的这些分布特征与温跃层深度是一脉相承的,这也充分表明了上层海洋热含量受温跃层下界深度起伏不平影响所导致的结果。再对照混合层深度和混合层内的热含量分布,可以发现,只有温跃层内的热含量才能代表上层海洋,而以往利用SST或400m层热含量代替上层海洋热含量所获得的分析研究结果,由于受到早期观测手段或观测深度的限制,无疑会出现偏差或得出错误的结论,值得引起重视。

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