常用海洋数据资料简介.pdf

常用海洋数据资料简介.pdf

《常用海洋数据资料简介.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《常用海洋数据资料简介.pdf（9页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

第27卷第5期2010年10月海洋预报MARINEFORECASTSVol.27，No.5Oct.2010常用海洋数据资料简介李晓婷1，郑沛楠1，王建丰2，滕军1（1.解放军61741部队，北京，100081;2.中国海洋大学物理海洋实验室，山东青岛，266100）摘要：

本文介绍了物理海洋领域常用的各种数据资料，如地形数据（ETOPO），卫星遥感数据（AVHRR，Quick-SCAT，TOPEX/Poseidon，SAR，MODIS），观测和再分析数据（COADS，NCEP，EC-MWF），海洋模式数据（SODA，OFES），海洋调查数据（ARGO，WOCE，TOGA-COARE，CTD，XBT）和全球验潮站数据（UHSLC）等。

作者希望通过对这些数据资料的介绍，能对海洋科技工作者有所帮助。

关键词：

海洋数据；简介中图分类号：

P732文献标识码：

A文章编号：

1003-0239（2010）05-0081-09收稿日期：

2010-01-05基金项目：

国家基础研究规划项目（2005CB422303;2007CB411804）；高等学校引智计划（B07036）作者简介：

郑沛楠（1981-），男，博士，研究方向为海洋环流。

E-mail：

1引言要开发和利用海洋，首先必须认识海洋。

18721876年英国“挑战者”号的环球航行考察，标志着现代海洋学研究的真正开始。

在此之后的海洋学调查进入大发展阶段：

调查计划周密严谨，调查手段日益丰富，调查仪器和设备逐渐精良。

第二次世界大战更是在某种程度上极大地推动了海洋科学的发展。

二战之后，国际间政府和民间海洋科学组织相继成立，大大促进了海洋科学的国际合作调查研究。

专职研究人员增多和专门研究机构的建立，也是海洋科学独立形成的重要标志。

自上世纪50年代以来，现代海洋科学的发展势头迅猛。

人类对海洋进行观测和调查，旨在掌握其运动规律以及探索其与气候间的内在联系。

从刚开始的有限解析计算解和单船走航观测发展到数值计算解和多船多海域联合调查甚至到卫星遥感反演数据。

数据资料涵盖全球海底地形数据、海洋遥感数据、船测数据、浮标资料、模式同化资料等诸多方面。

如今，用“浩如烟海”来形容海洋数据亦不为过。

为了让广大海洋科技工作者能够快速有效的找到自己所需的数据资料，本文作者向大家介绍了目前国际常用的海洋数据资料的一些基本情况。

2地形数据ETOP数据是当今海洋模式中最常用的水深岸界数据，尤其是为大尺度的数值模拟提供了比较可靠，可用的水深数据，给海洋数值模拟带来了很大方便。

ETOPO5地形数据的全称是5-MinuteGriddedGlobalReliefDataCollection（五分网格全球地形数据集），它是NOAA（美国国家海洋大气局）收集各方面资料，经过处理得到的网格化地形数据。

ET-OPO5包含了一些网格化的全球地形数据和不同尺度的水深数据，数字化的陆地岸界，网格化的重力异常场等数据。

ETOPO5数据包含了630多兆的数据和程序，其中主要部分包含了：

（1）WDB（世界数据库II），其中包含了海岸线数据，河流和湖泊，行政边界的数据。

（2）ETOPO5世界范围内海拔和水深的五分网海洋预报27卷格数据，它是16bit的二进制数据。

（3）USGS：

分辨率为30的邻近美国的48个地区的海拔和沿岸水深数据，这部分数据来自于美国地质勘探和国家海洋服务数据（USGeologicalSurveyandNationalOceanServicedata）。

（4）PublicSoftware：

有关的图像处理软件。

2001年NOAA又推出了ETOPO21，并且在2006年6月又公布了ETOPO2v2（2-MinuteGriddedGlobalReliefData），ETOPO2和ETOPO2v2是在ETOPO5的基础上发展起来的，它包含了纬度-90+90，经度-180+180范围内分辨率为2的地形数据，对于美国附近海域的分辨率已经提高到3。

最新的ETOP数据是ETOPO1，ET-OPO12分辨率为1的全球地形模型，它包含了大陆的地势起伏和海洋中的水深数据，它是在众多全球和区域数据集的基础上建立起来的，并且加入了冰面的数据（包括南极和格陵兰岛的冰面）和岩基数据。

现在ETOPO2v2和ETOPO5版本的地形数据虽然已经被ETOPO1所代替，但是它们还不乏经典，仍然可以下载使用。

3卫星遥感资料自美国1978年6月22日发射世界上第一颗海洋卫星Seasat-A以后，俄罗斯、日本、法国和欧洲空间局等相继发射了一系列大型海洋卫星。

这些卫星一般搭载有光学遥感器和被动式微波遥感器等多种海洋遥感有效负荷，可供全天候海况实时资料。

基于航天事业的发展，卫星遥感资料的质量已经有了很大的提高，经常用于卫星进行遥感观测的传感器主要有：

辐射计、散射计、卫星高度计和合成孔径雷达等。

3.1辐射计资料辐射计（Radiometer）是一种根据被动遥感理论而制作的传感器，辐射计本身并不发射电磁波，它通过接收地球表面的反射和散射的太阳光，以及地球、海洋、大气表面自身所发射的电磁波来反演提取地球表面信息的。

它可以用来反演海水叶绿素浓度、悬浮泥沙浓度以及海水光学衰减系数、大气的状况，以及海表面温度和海表面上空水汽含量等信息。

常用的辐射计是AVHRR3（Ad-vangcedVeryHighResolutionRadiometer），AVHRR是NOAA系列卫星的主要探测仪器，它是一种五光谱通道的扫描辐射仪，各光谱通道的波长范围及地面分辨率（见表1）。

星上探测器扫描角为55.4，相当于探测地面2800km宽的带状区域，两条轨道可以覆盖我国大部分国土，三条轨道可完全覆盖我国全部国土。

AVHRR的星下点分辨率为1.1km。

由于扫描角大，图像边缘部分变形较大，实际上最有用的部分在15范围内（15处地面分辨率为1.5km），这个范围的成像周期为6d。

AVHRR可以用来观测反演地表植被覆盖情况、大气中雾的AVHRR/3通道特征通道号123A3B45星下点分辨率（km）1.091.091.091.091.091.09波长（um）0.580.680.7251.001.581.643.553.9310.3011.3011.5012.50对应的波段绿-红近红外近红外热红外热红外热红外典型应用日间云图和冰雪、植被图水陆边界冰雪探测夜间云图和海表面温度夜间云图和海表面温度海表面温度分布情况，以及海表温度分布等，反演的资料分辨率高、可信度强。

3.2散射计资料散射计（scatterometer）是一种专门监测全球海表面风的主动微波雷达，使用卫星携带的散射计可获得全天候、高分辨率的全球海洋近表面风资料。

散射计为一种斜视观测的主动式微波装置。

美国宇航局于1999年6月发射Quick-SCAT（quickscattersatellite）卫星，其上携带了双幅侧扫描的Ku表1AVHRR波段特征（引自http:

/noaasis.noaa.gov/NOAASIS/ml/avhrr.html）82李晓婷等：

常用海洋数据资料简介5期波段散射计Seawinds，美国宇航局喷气推进实验室物理海洋数据分发存档中心（PODAAC）4负责分发散射计Seawinds数据产品。

借助于风的近实时卫星遥感数据，并利用大气及海洋数值预报模型，可以改进全球和近海天气预报，改进风暴预警和监测水平。

散射计是以偏离星下点某一角度入射到海面的电磁波，透过布拉格共振波产生后向散射，量其后向散射能量而求得海面的粗糙度。

此海面粗糙度与海面风速有关，因此利用散射计不同角度的天线所收到的海面后向散射能量而得出海面风速大小及方向。

目前最常用的卫星散射计的资料是欧洲的ERS卫星及加拿大的RADARSAT卫星。

ERS-1，全称为EuropeanSpaceAgencyRemoteSensingSatellite，即“欧洲空间局遥感卫星”，ERS-1星载的主动微波遥感仪器（ActiveMicro-waveinstrumentation），其中的AMIWindMode即散射计。

散射计利用微波雷达的后向散射信号，可以确定平均海面雷达反射率。

然后，使用经验模式反演出海平面风场特性，如海平面的风速大小、风向。

为了消除散射计数据解译时的风向模糊，ERS-1卫星上的散射计采用前、中、后不同角度的三根单极化天线，工作频率使用C波段，5.3GHz,三个天线分别从45、90和135三个方向上进行海面雷达后向散射截面的测量，刈幅为500km。

此资料包括了风速、风向等信息。

风速范围124m/s,误差精度2m/s,风向范围0360，误差精度20。

风场产品是一组分布在500km500km海域内1919个格点的风矢量，其空间分辨率为2525km。

在一个轨道周期内，可产生70个500km500km区域的产品。

3.3卫星高度计资料高度计（Altimeter）可以实现对有效波高SWH、海表面高度SSH、海面地形等动力参数的测量，可以应用卫星高度计资料对大洋环流、海洋潮汐、中尺度海洋现象、大地水准面与重力异常、有效波高、海面风速、海冰、水深和ENSO等进行研究。

我国神舟飞船携带的是激光高度计，国外卫星通常携带的是雷达高度计。

最著名的高度计卫星是1992年8月，美国宇航局NASA与法国国家空间研究中心联合发射的TOPEX/Poseidon5。

T/P卫星测量海平面高度的精度可以达到2.4cm，平静海面条件的水平分辨率可以达到2.2km，标准偏差在14cm之间。

T/P卫星通过携带6台传感器共同完成海面地形测量任务。

2001年12月美国宇航局NASA与法国国家空间研究中心联合发射的Jason-1，是T/P卫星的后续卫星。

经过仪器误差修正、轨道误差修正和地球物理修正（包括大气对流层修正、大气电离层修正、潮汐修正和大气逆压校正等）后，用户即可按照需要进行相关研究工作。

Jason-1卫星的精度为3.0cm，其他的指标与T/P卫星一致。

1991年，欧洲空间局发射ERS-1卫星，星上装有微波散射计、雷达高度计和微波辐射计等遥感器，主要目的是开展卫星测量海洋动力基本要素，为用户进行业务服务及为世界大洋合作研究项目提供业务服务参数（包括海面风场、大地水准面、海洋重力场、极地海冰面积、边界线、海况、风俗、海面温度和水气等）。

高度计的测量精度为3cm；辐射计测量海面温度精度为5K。

EN-VISAT-1（Environmentalsatellite）卫星是ERS卫星的后续星，2001年底发射，卫星上装有13.5GHz/Ku波段的雷达高度计和用于电离层矫正的3.2GHz/S波段的微波辐射计。

它在平静海面条件下的水平分辨率比T/P卫星和Jason-1卫星都有了较大的提高，达到了1.7km。

该星将进行为期5年的对大气海洋、陆地、冰的测量。

该星测验数据连续，主要支持地球科学研究，并且可以对环境和气候的变化做出评估，甚至可以为军事、商业的应用提供便利。

2007年10月我国发射的首颗绕月探测卫星“嫦娥一号”，通过激光高度计获得了高分辨率的月球表面立体图像。

3.4合成孔径雷达资料合成孔径雷达（SAR）6是一种主动式微波遥感成像雷达。

迄今为止，已在一些发射的卫星上携有SAR，如SeasatSAR,AlmazSAR,JERS-1SAR和ERS-1/2SAR,与它们搭载在同一遥感平台上还装载着其他传感器。

由于海表面粗糙度不同，其通过测量海面后向散射信号，并通过处理能产生标准化后向散射截面图像。

标准化后向散射截面图像含带了海面83海洋预报27卷的信息，可以反映海面的粗糙度，这种遥感手段可以达到几米到几十米的分辨率。

同时，由于合成孔径雷达工作的频段是微波波段，即使在黑夜，仪器也能正常工作。

合成孔径雷达可以测量海表面风、内波、海浪的方向谱，还可以监测海冰的移动和海面的油膜，用途十分广泛。

SAR的全天候、全天时及能穿透一些地物的成像特点，显示出它与光学遥感器相比的优越性。

雷达遥感数据也在多学科领域中得到了广泛的应用。

星载雷达在20世纪90年代得到了迅猛的发展，特别是发展了极化雷达和干涉雷达技术。

在航天飞机成像雷达SIR-A、SIR-B和SIR-C/X-SAR成功地完成单波段、单极化和多波段、多极化成像飞行之后，现已开展航天飞机雷达地形测图（SRTM）飞行。

在雷达卫星1号基础上，加拿大在2001年发射的雷达卫星2号雷达具有全极化测量能力；欧空局在1999年11月发射的Envisat-1卫星上装载ASAR，有同极化和交叉极化两种极化模式；2002年发射的LightSAR将为L波段多极化及具有干涉测量、扫描模式的实用化成像雷达。

日本发射的ALOS/PALSAR亦为多极化、多工作模式雷达系统，它们将为数字地球的发展提供丰富的数据源。

3.5中分辨率成像光谱仪资料中分辨率成像光谱仪（MODIS）7是美国宇航局研制的大型空间遥感仪器，是搭载在Terra和Aqua卫星上的一个重要的传感器，是卫星上唯一将实时观测数据通过x波段向全世界直接广播，并可以免费接收数据并无偿使用的星载仪器。

MODIS具有从可见光、近红外到远红外的36个波段和2501000m的地表分辨率，每12d观测地球表面一次。

获取陆地和海洋温度、初级生产率、陆地表面覆盖、云、汽溶胶、水汽和火情等目标的图像。

在白天，所有波段均操作运行。

在轨道的夜间时段，只有热红外波段收集数据。

MODIS是一种按照摇扫扫描成像的辐射计系统，其观测地面刈幅2330km，穿轨迹视场55，仪器光谱范围：

（0.414.4）m。

由穿轨迹扫描反射镜、收集辐射的光具和带有光谱滤光片的线列阵探测器组件等部件构成。

探测器组件共4组分布在4个焦平面处。

MODIS提供全球所有表面的、阳光反射和日夜热辐射的较高辐射度分辨率的图像数据。

图像分辨率在0.251km之间。

36个光谱波段，其位置和带宽的选样，保证对地面或大气成像的最佳条件。

此外，在辐射度、灵敏度、光谱带宽和几何配准的精密度、和定标的准确度和精密度等技术条件上都达到较高水平，满足观测要求。

MODIS测量的基本目标可概述如下：

（1）陆地和海洋表面的温度和地面火情；

（2）海洋彩色，水中沉积物和叶绿素；（3）全球植被测绘和变化探测；（4）云层表征；（5）汽溶胶的浓度和特性；（6）大气温度和湿度的探测，雪的覆盖和表征；（7）海洋环流。

4再分析资料本节首先介绍主要运用于海洋模式驱动场的数据资料。

这些资料主要是基于观测数据的再分析数据。

4.1COADS8资料1981年1月NCDC（theNationalClimaticDataCenter）等多家部门联合经过4年的努力推出了海洋大气综合数据集COADS资料（ComprehensiveOcean-AtmosphereDataSet），COADS资料的最初版本包括了18541979年之间的海表面资料。

其中十年平均和月平均的资料的分辨率是11或者22。

这些数据是以二进制的数据包储存的。

COADS资料自2.0版本之后，展开广泛的国际交流合作，形成ICOADS（InternationalComprehen-siveOcean-AtmosphereDataSet）。

ICOADS是收集量最大的海洋表面数据集，拥有超过2108条1784年至今的原始观测记录，目前的最新版本是2.7。

该数据集是有来自许多国家的数据集加工合并而成的，包括来自船只（商业、海军、研究）的测量或观测数据，系泊浮标和漂浮浮标数据，海岸站点数据以及其它海洋台站数据等。

每个报告包括气象学和海洋学的单独观测变量：

海洋表面温度及气温、气压、湿度、经向和纬向的风速和云量等数据。

覆盖全球，取样密度随观测日期及观测点地理位置等不同。

ICOADS观测和统计的相关数据集是以月为基础的总结。

它存在两种分辨率格84李晓婷等：

常用海洋数据资料简介5期式的数据集：

11的19602007年之间的资料和22的18002007年之间的资料。

最近，很多国际合作者已经通过提供补充数据，增加元数据，在国际论坛支持此计划等方式对ICOADS提供援助，系统性质量的保证，统一格式的处理，数据无限制分配使这一数据集成为一个有重大意义并被经常引用的文档。

4.2NCEP911资料美国国家环境预报中心（NCEP）和美国国家大气研究中心（NCAR）对自1948年至现在来源于地面、船舶、无线电探空、探空气球、飞机、卫星等全球气象观测资料进行同化处理后，研制的全球气象资料数据库。

自美国NCEP/NCAR公布了NCEP/NCAR17层大气再分析资料以后,世界上许多学者利用这份再分析资料来分析各种各样大气环流和气候变化,得出了许多有益的结论。

该数据集涉及“等压面资料”、“地面资料”和“通量资料”，三类共32种要素场10。

等压面资料包含：

1000、925、850、700、600、500、400、300、250、200、150、100、70、50、30、20、l0hPa等压面资料，共17层。

地面资料包含：

温度、湿度、蒸发-降水、海平面气压、经-纬向风速、水深和海陆分布等。

通量资料包含：

向下长波辐射通量、向下短波辐射通量、总云量、向上长波辐射通量、向上短波辐射通量等。

NCEP/NCAR再分析资料采用网上通用数据格式（NetworkCommonDataFormat）。

它的文件名一般分为3部分：

变量名、特征名、后缀。

例如air.mon.mean.nc（文件中air表示变量是空气温度，mon.mean表示特征是月平均值，nc是Netcdf的后缀）。

Netcdf是一种自描述文件，文件本身包含了对自身数据的描述，为数据的使用提供了方便。

由于NCEP资料时间序列长，涵盖内容广，常被海洋学界用来研究大气对海洋的长期影响；NCEP资料（如海面风场、海面温度场、蒸发降水场和辐射通量场等）常用来作为海洋模式的驱动场资料。

4.3ECMWF12资料欧洲中期天气预报中心（TheEuropeanCentreforMedium-RangeWeatherForecasts）17是一个包括24个欧盟成员国的国际性组织，是当今全球独树一帜的国际性天气预报研究和业务机构。

其前身为欧洲的一个科学与技术合作项目。

1973年有关国家召开大会宣布ECMWF正式成立，总部设在英国的Bracknell。

ECMWF提供天气实测数据和模式预报产品以及用于全球海气模式运算所需的相关数据。

其使用的模式充分利用四维同化资料，主要提供10天时间的温度、压强、湿度和风场等的中期数值预报产品。

ECMWF再分析月平均资料数据集是按00、06、12、18四个时次分别统计，该数据集共有变量62个，其中高空11个，地面51个。

每一个变量每个时次为一个文件，文件名由文件名前缀（即变量的缩写）、统计方法及时次、存储格式三部分组成，例如：

文件名D.mon00.nc表示该文件是变量为散度（Divergence），统计方法为月平均的世界时00点资料，存储格式为netCDF。

所有的变量场都已格点化为2.52.5的网格资料场。

纬向144个点，第一个点（I=1）位于0E，坐标自西向东，最后一点位于2.5W（I144）。

经向73点，坐标由北极（J1）自北向南至南极（J=73）。

ECMWF的全球模式分辨率已经达到T799L91，到2009年ECMWF全球模式的水平分辨率已达到T1279，这样更便于研究局地极端气候和水文气象事件，并且更有效和更准确地做出预测和预警，从而为政策制定者和公众提供更可靠的信息；在目前气候与水文气象预测系统对极端事件预测存在较大的误差时，如何评估风险程度以及制定应对策略，特别是在脆弱和贫困地区。

下面介绍常用的经同化方法计算得到的海洋模式再分析资料。

4.4SODA13资料SODA海洋数据集由全球简单海洋资料同化分析系统（SimpleOceanDataAssimilation）产生，该系统是美国马里兰大学（UniversityofMaryland）于20世纪90年代初开始开发的分析系统，其目的是为气候研究提供一套与大气再分析资料相匹配的海洋再分析资料。

SODA海洋数据集包含的变量有温度、盐度、海流速度、海表风应力、两套海洋热含量数据（分别为海洋上层0500m热含量和海85海洋预报27卷洋上层0125m热含量）、海平面高度等。

SODA分析系统最初采用的是美国地球物理流体力学实验室（GFDL）的海洋模式MOM2，后来又引入了以POP数值方法和SODA程序为基础的全球海洋环流模式（GeneralCirculationOceanMode1）。

该系统用于同化分析的温度和盐度廓线数据多达7106个，其中2/3来自世界海洋数据库（WorldOceanData-base），其他来自美国国家海洋地理数据中心（NODC）的实测温度廓线数据、大西洋热带-海洋浮标组群（TAO/Triton）和全球海洋观测网（ARGO）的观测数据、综合海气数据集（COADS）的混合层温度数据、NCEP/NCAR（19482004年）或EC-MWF（19582001年）的再分析海表风场数据、全球降水气候计划（GPCP）的月平均降水通量数据、卫星海平面测高仪测得的海平面高度和改进的红外甚高分辨率辐射仪（AVHRR）测得的海表温度数据等。

4.5OFES1415资料坐落于日本横滨市金泽区的地球模拟器中心（TheEarthSimulatorCenter）隶属于海洋科学技术中心。

该中心的地球模拟器（EarthSimulator）是由该中心和宇宙开发事业团、日本原子能研究所等机构从1997年起开始联合研制的，2002年3月海洋科学技术中心地球模拟器中心正式运营。

地球模拟器把5120个超高速微处理器连接起来，每秒运算速度可高达40万亿次，其性能可与1020万台个人电脑相匹敌。

包括建筑物在内，占地面积3250m2，总投资大约4亿美元。

以美国海洋与大气局（NOAA）和地球流体动力学实验室（GFDL）开发的世界标准模型MOM3（模块化海洋模式第三版，ModularOceanModelversion3）为基础，该中心开发出了能用于地球模拟器的最佳并列化代码OFES（DatasetofOceanGeneralCirculationModelfortheEarthSimulator）。

由于地球模拟器的强大运算性能，OFES模型中设定的水平分辨率可为百米至千米量级，垂直分辨率为100300层，其时空尺度包含了从局部现象到全球现象的模拟。

模拟结果包括三维流速、温度、盐度以及二维的海表面高度等。

自2002年6月始，地球模拟器曾经连续两年半位居世界超级计算机第一的位置。

通过分析地球观测卫星、气象卫星及海洋浮标等获得的观测数据，可以了解全球变暖、大气和海洋污染、厄尔尼诺现象以及台风、暴雨的方位等各种全球性气候变化及地球变化情况。

用以分析和预测全球规模的气候变化及地球变化等现象。

2009年2月26日，地球模拟器完成了其升级工作。

升级后的地球模拟器由于计算节点性能的提高，节点数量减少到160个，占地面积也只有原先的一半，约为650m2。

新地球模拟器的计算能力为每秒131万亿次浮点运算，是旧机型的3.2倍，耗电量也降低了20%30%。

5海洋调查资料5.1ARGO1617资料海上浮标按工作方式分为两类：

一类是锚定浮标，一类是随水体运动浮标。

前者如“大西洋热带-海洋浮标组群”，后者如“ARGO浮标资料”。

ARGO（ArrayforReal-timeGeostrophicOcean-ography）即地转海洋学实时观测阵，是新一代全球海洋观测网计划的简称，也是一种自律式的拉格朗日环流剖面观测浮标的代名词。

国际Argo计划在全球大洋中每隔300km布放一个卫星跟踪浮标，目前已投放了3000多个Argo浮标，每个浮标每隔10天左右发送一组取自水下2000m到海面的温度和盐度剖面资料，数据通过卫星快速传送到气候（或海洋）预报中心，每