《海洋氣象觀測規(guī)范 漂流儀》編制說明

氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《海洋氣象觀測規(guī)范漂流觀測儀》編制說明一、工作簡況任務(wù)來源本標(biāo)準(zhǔn)由全國氣象儀器與觀測方法標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會（SAC/TC507）提出并歸口。2015年1月中國氣象局氣象探測中心下達(dá)（氣儀標(biāo)委函〔2019〕36號文），項目編號QX/T-2019-65，標(biāo)準(zhǔn)名稱為海洋氣象觀測規(guī)范漂流觀測儀。協(xié)作單位中國氣象局氣象探測中心、華云升達(dá)（北京）氣象科技有限責(zé)任公司。主要工作過程2019年，在中國氣象局氣象儀器與觀測方法標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會部署下，中國氣象局氣象探測中心牽頭組成海洋氣象漂流儀觀測規(guī)范準(zhǔn)編制小組，開始進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)編制工作調(diào)研，查閱國內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)等，為標(biāo)準(zhǔn)編制做好準(zhǔn)備。2018年10月，組織召開的編寫討論會上，經(jīng)過會議討論，觀測司建議海洋氣象觀測規(guī)范做成系列標(biāo)準(zhǔn)，海洋氣象漂流儀觀測規(guī)范是系列標(biāo)準(zhǔn)之一。2019年4月，標(biāo)準(zhǔn)編制小組明確了任務(wù)分工和時間進(jìn)度，確保按照中國氣象局要求的時間節(jié)點(diǎn)完成標(biāo)準(zhǔn)編制任務(wù)，經(jīng)過內(nèi)部討論編制形成標(biāo)準(zhǔn)工作組初稿。2019年9月，根據(jù)全國氣象儀器與觀測方法標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會下發(fā)《關(guān)于山洪標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)項目中期檢查活動的通知》（氣儀標(biāo)委函〔2019〕36號）對該標(biāo)準(zhǔn)項目進(jìn)行中期檢查匯報，并針對專家提出的相關(guān)問題進(jìn)行解答并修改。2019年10月，組織召開內(nèi)部編寫討論會，根據(jù)中期匯報中專家提出的意見進(jìn)行修改，對其中不易理解、不易懂的語言文字進(jìn)行修改，貼近海洋氣象觀測實(shí)際業(yè)務(wù)工作。2019年11月編制組對相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行了修訂和完善，形成標(biāo)準(zhǔn)征求意見稿。標(biāo)準(zhǔn)主要起草人及其所做的工作本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人為李肖霞雷勇鄒大偉張振魯楊志勇王亞靜。其分工如下：李肖霞：負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的申報、起草、修訂等組織工作。雷勇：負(fù)責(zé)漂流觀測儀的技術(shù)檢驗指導(dǎo)和標(biāo)準(zhǔn)審查工作。鄒大偉：參與標(biāo)準(zhǔn)校對修改等工作。張振魯：參與初稿修改工作。楊志勇：負(fù)責(zé)試驗方法的編寫工作。王亞靜：參與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)指標(biāo)編寫工作。二、標(biāo)準(zhǔn)編制原則和確定標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容的論據(jù)1．編制原則本標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)GB/T1.1-2009《標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第1部分：標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)和編寫》給出的規(guī)則起草，并堅持以下原則：（1）科學(xué)性和規(guī)范性本標(biāo)準(zhǔn)充分借鑒和參考了國內(nèi)海洋氣象科學(xué)研究、漂流觀測儀研制方面的成果和理念，力求在氣象觀測要素的選擇、傳感器技術(shù)原理及檢測方法、數(shù)據(jù)協(xié)議等方面，兼顧當(dāng)前主流技術(shù)和未來的發(fā)展趨勢，做到科學(xué)性和規(guī)范性。（2）簡化性、實(shí)用性原則在標(biāo)準(zhǔn)起草過程中，綜合考量行業(yè)現(xiàn)狀和實(shí)際使用需求，以及經(jīng)濟(jì)成本等因素，對同類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)做了分析篩選，除明顯不合理的或明顯落后于當(dāng)代普遍技術(shù)水平的個別指標(biāo)外，盡量涵蓋各廠商指標(biāo)。在試驗方法的選擇設(shè)計方面，盡量引用現(xiàn)有的成熟規(guī)范或經(jīng)過驗證的試驗方法，確保標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)用性。（3）協(xié)調(diào)性原則編寫組在收集已有的研究成果、查閱大量資料、征求多方意見后，在綜合考慮各方面需求和意見的基礎(chǔ)上對標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，達(dá)到內(nèi)容全面，規(guī)定具體，語言通俗，易于實(shí)施。2．主要內(nèi)容的依據(jù)（1）國內(nèi)外研究現(xiàn)狀調(diào)研1）應(yīng)用背景根據(jù)海洋氣象觀測的業(yè)務(wù)需求，為解決我國遠(yuǎn)海氣象探測手段的缺乏，海洋氣象漂流觀測儀的開發(fā)及應(yīng)用于2014年實(shí)現(xiàn)科技部重大科學(xué)儀器專項立項，目前海洋氣象漂流觀測儀已實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化批量生產(chǎn)，并在我國渤黃海海域、南海海域，以及西太平洋海域進(jìn)行了長時間觀測試驗，取得了大量現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，并經(jīng)過了多次臺風(fēng)考驗，成功獲取了多次臺風(fēng)天氣過程的實(shí)測數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)在氣象觀測及預(yù)報業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用，，海洋部門及氣象部門多個規(guī)劃及項目已設(shè)計了該儀器的布局，大量儀器已在多家單位應(yīng)用。為了統(tǒng)一海洋氣象漂流觀測儀觀測，需規(guī)范海洋氣象漂流觀測儀氣溫、氣壓、風(fēng)、海溫和鹽度等觀測要素的觀測技術(shù)要求、方法以及資料處理等內(nèi)容，特需要作為指令性項目制定觀測標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)揮儀器觀測效益。2）國外發(fā)展情況國外的漂流浮標(biāo)探測技術(shù)發(fā)展較早且達(dá)到了形成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的成熟度，早在上世紀(jì)70年代就多次在大型海洋科學(xué)調(diào)查中、熱帶海洋和全球大氣計劃等較大數(shù)量布放漂流浮標(biāo)進(jìn)行海洋氣象的觀測，世界氣象組織的JCOMM組織研制及使用了拉格朗日漂流浮標(biāo)，并于1987-1991年制定了SVP（漂流浮標(biāo)）的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵各國開展研究。1993年DBCP（資料浮標(biāo)合作組）通過研究，認(rèn)為在SVP上增加氣壓傳感器是可行的，表明SVP漂流浮標(biāo)可以同時為海洋學(xué)家和氣象學(xué)家提供觀測數(shù)據(jù)。1997年歐美各國科學(xué)家開始了SVP-B（增加氣壓傳感器）業(yè)務(wù)應(yīng)用，并不斷進(jìn)行試驗和完善改進(jìn)，2009年DBCP發(fā)布了SVP-B的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，并應(yīng)用了多年。我國國內(nèi)于1993年制定了漂流浮標(biāo)研制計劃，國家海洋技術(shù)中心于1994研制了FZS3-1型表層漂流浮標(biāo)并試驗成功，于2000年開始小批量生產(chǎn)，在2003年制定了漂流浮標(biāo)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在各種技術(shù)儲備條件下，海洋氣象漂流觀測儀由國家海洋局和中國氣象局相關(guān)技術(shù)單位在科技部重大儀器專項支持下于2015年研制成功，并進(jìn)行了多次不同海域的觀測試驗，并經(jīng)過了多次臺風(fēng)考驗，成功獲取了多次臺風(fēng)天氣過程的實(shí)測數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)在氣象觀測及預(yù)報業(yè)務(wù)中得到應(yīng)用，海洋部門及氣象部門多個規(guī)劃及項目已設(shè)計了該儀器的布局，部分儀器已應(yīng)用于預(yù)報及服務(wù)業(yè)務(wù)中。（2）參考依據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)包括：GB/T2423.1-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗A：低溫GB/T2423.2-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗A：高溫GB/T2423.3-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗Cab:恒定濕熱試驗GB/T2423.5-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗Ea和導(dǎo)則：沖擊GB/T2423.17-2008電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分：試驗方法試驗Ka：鹽霧GB/T4208-2008外殼防護(hù)等級（IP代碼）GB/T9254-2008信息技術(shù)設(shè)備的無線電騷擾限值和測量方法GB/T17618-2015信息技術(shù)設(shè)備抗擾度限制和測量方法參考的文獻(xiàn)資料主要包括：《GB/T14914-2006海濱觀測規(guī)范》《GB/T12763.1—2007第1部分總則》《GB/T12763.2—2007第2部分海洋水文觀測》《GB/T12763.3—2007第3部分海洋氣象觀測》《GB/T13972—1992海洋水文觀測儀器通用技術(shù)條件》《HY/T059—2002海洋站自動化觀測通用技術(shù)要求》（3）產(chǎn)品組成漂流觀測儀的組成部分包括：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、電源供電系統(tǒng)和漂流浮標(biāo)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)四個主要部分，如圖1所示。

圖1海洋氣象漂流觀測儀總體結(jié)構(gòu)圖根據(jù)《海洋氣象觀測漂流儀功能規(guī)格需求書》和應(yīng)用產(chǎn)品分析，漂流觀測儀觀測要素包括海面氣、海面氣溫壓、海面風(fēng)向風(fēng)速、海水表層溫度、海水表層鹽度、海水表面溫度等要素。觀測站設(shè)備采用模塊化設(shè)計，根據(jù)當(dāng)?shù)赜^測需求、海域氣象條件、周邊海洋氣象觀測站點(diǎn)情況、特殊觀測任務(wù)等實(shí)際需要，按照針對性原則選擇一種或多種觀測要素組合方式。4）技術(shù)指標(biāo)主控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以低功耗、多功能的微處理器為核心構(gòu)成主控制及數(shù)據(jù)采集器。通過配置氣象和海洋水文傳感器及相關(guān)的數(shù)據(jù)采集處理構(gòu)建漂流浮標(biāo)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；浮標(biāo)的姿態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)使用九軸姿態(tài)和GPS實(shí)時監(jiān)控浮標(biāo)的定位和姿態(tài)信息，同時為觀測數(shù)據(jù)的訂正提供校準(zhǔn)參數(shù)；以北斗衛(wèi)星通訊為主數(shù)據(jù)通訊手段，同時預(yù)留了ARGOS衛(wèi)星及國產(chǎn)低軌衛(wèi)星通信方式；電源系統(tǒng)為整個漂流浮標(biāo)觀測系統(tǒng)提供電源，以大容量鋰電池為主電源，同時配置太陽能輔助充電功能；為了最大限度地降低設(shè)備的功耗,有效地延長設(shè)備的運(yùn)行壽命，所有主要部件和器件配置獨(dú)立的電源控制管理；所有的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)通信、狀態(tài)檢測操作等等嚴(yán)格按照時序控制管理執(zhí)行，時序通過GPS或北斗進(jìn)行準(zhǔn)確校時。主控制及數(shù)據(jù)采集器的功能要求：（1）對各種氣象水文傳感器、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息、浮標(biāo)姿態(tài)信息以及浮標(biāo)位置信息等按照預(yù)定的采樣頻率進(jìn)行采樣；（2）對氣象水文要素測量值進(jìn)行轉(zhuǎn)換，使傳感器的測量采樣值轉(zhuǎn)換成氣象水文單位量，得到相關(guān)的采樣瞬時值；（3）對采樣瞬時值，根據(jù)規(guī)定的算法，計算出瞬時氣象值，又稱氣象變量瞬時值；（4）根據(jù)質(zhì)控算法對采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查和標(biāo)識；根據(jù)姿態(tài)信息、位置信息等對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行修正；（5）具有電源控制系統(tǒng)，特別是主要部件和器件應(yīng)具有獨(dú)立的電源控制功能，降低能耗。（6）漂流觀測儀測量技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足下表1的要求表1漂流觀測儀測量技術(shù)指標(biāo)比對觀測要素測量范圍分辨力測量精度備注海面氣壓900hPa亠-1100hPa±0.1hPa±1hPa海面風(fēng)速Om/s亠-60m/s±0.1m/s±1m/s（或10%）海面風(fēng)向0°?360°±1°±15°海面氣溫-15°C?40C±0.1C±0.5°C海水溫度-2°C--40C±0.01C±0.1°C海水鹽度（電導(dǎo)率）0mS/cm/?65mS/cm±0.01mS/cm±0.05mS/cm海面紅外測量溫度-2C--40C±0.3°C±1C5）數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、通訊協(xié)議等要求1）規(guī)定數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法的必要性。為了保證漂流觀測儀的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、一致性和可比性，規(guī)定其采樣、算法和質(zhì)控方法是必要的。2）數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法的合理性。本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的數(shù)據(jù)采用處理算法和質(zhì)控算法，是根據(jù)《GB/T33703-2017自動氣象站觀測規(guī)范》規(guī)定而確定。并且通過實(shí)踐驗證了其合理性（2016年-2019年中國氣象局氣象探測中心在不同海區(qū)漂流觀測儀實(shí)驗外場對比觀測試驗確定。3）本標(biāo)準(zhǔn)中各要素的采樣頻率和計算方法如下表所示，主要參考《GB/T33703-2017自動氣象站觀測規(guī)范》和《GB/T33697-2017公路交通氣象監(jiān)測設(shè)施技術(shù)要求》等。表中的算術(shù)平均法、滑動平均法、單位矢量平均法、累計值算法，以及各氣象要素的極值和最大值采用的極值算法，參考《GB/T33703-2017自動氣象站觀測規(guī)范》。表2氣象要素采樣頻率及瞬時值的計算方法氣象要素采樣頻率瞬時值的計算方法海面氣溫6次/min或30次/min算術(shù)平均值法海水溫度海面紅外測量溫度海水鹽度（電導(dǎo)率）海面氣壓海面風(fēng)速4次/s瞬時風(fēng)速：以0.25秒為步長求3秒滑動平均值；2分鐘平均風(fēng)速：以1秒為步長計算每分鐘的1分鐘、2分鐘滑動平均值；10分鐘平均風(fēng)速：以1分鐘為步長（取1分鐘滑動平均值）計算每分鐘的10分鐘滑動平均值。海面風(fēng)向1次/s瞬時風(fēng)向：使用單位矢量平均法求1分鐘、2分鐘平均，以1分鐘為步長（取1分鐘平均值）計算每分鐘的10分鐘平均。6）數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、狀態(tài)信息、遠(yuǎn)程控制等要求——數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、狀態(tài)信息的要求參考了GB/T33703-2017自動氣象站觀測規(guī)范》的規(guī)定。——遠(yuǎn)程控制的規(guī)定，滿足了中國氣象局對綜合氣象觀測系統(tǒng)智能化發(fā)展需求提出的相關(guān)功能要求。1）數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊笃饔^測儀的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)應(yīng)按照規(guī)定時序間隔發(fā)送觀測數(shù)據(jù)、浮標(biāo)的地理坐標(biāo)信息以及浮標(biāo)狀態(tài)信息等數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信以北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)為主通信系統(tǒng)，另外還需要預(yù)留ARGOS衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)或國產(chǎn)低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)；為了提高通信效率，具有對測量數(shù)據(jù)能夠進(jìn)行編碼壓縮處理的功能。數(shù)據(jù)傳輸以定時主動上傳的方式進(jìn)行。2）數(shù)據(jù)存儲的要求——漂流觀測儀的觀測數(shù)據(jù)在設(shè)備自帶存儲器中按照要求的格式存儲，存儲空間可存儲不少于180天的觀測數(shù)據(jù)等。3）數(shù)據(jù)通信格式——由于海洋氣象漂流觀測儀采用北斗衛(wèi)星通信為主通訊方式，而北斗衛(wèi)星數(shù)據(jù)通信的帶寬指標(biāo)：a）通信頻度：1次/每分鐘；b）數(shù)據(jù)幀長度：三72字節(jié)。c）對海洋氣象漂流觀測儀的數(shù)據(jù)通信采用了最大限度的壓縮。數(shù)據(jù)格式包括兩種分別為不帶紅外測溫數(shù)據(jù)格式和帶紅外測溫數(shù)據(jù)格式。三、主要試驗（或驗證）的分析、綜述報告，技術(shù)經(jīng)濟(jì)論證，預(yù)期的經(jīng)濟(jì)效果1本標(biāo)準(zhǔn)界定的漂流觀測儀測試情況綜述2016-2019年探測中心先后開展六次海洋氣象漂流觀測儀的相關(guān)試驗。試驗方案遵循由于近海海況和天氣情況相對比較簡單，故先對設(shè)備進(jìn)行近海試驗，取得一定效果后再進(jìn)行遠(yuǎn)海試驗。通過每一次試驗和數(shù)據(jù)分析來發(fā)現(xiàn)設(shè)備的問題，針對問題提出改進(jìn)方案，并最終確定設(shè)備穩(wěn)步運(yùn)行的技術(shù)指標(biāo)。2測試綜述1）威海國家淺海綜合試驗場近海試驗及“張騫號”首航南海海域試驗，重點(diǎn)是積累試驗經(jīng)驗，測試儀器性能。分別于2016年5,7月在威海進(jìn)行兩次近海試驗，采用跟船布放方式，2016年7月在南海東沙附近海域進(jìn)行試驗，根據(jù)近海試驗情況，對部分性能進(jìn)行改進(jìn)。2）中國氣象局大氣試驗基地靜態(tài)對比試驗，為進(jìn)一步獲取儀器在實(shí)驗室的性能數(shù)據(jù)，采用溫濕壓聯(lián)合試驗箱對儀器傳感器進(jìn)行檢測對比。該次試驗于2017年4月在北京南郊中國氣象局大氣試驗基地開展。3）博賀岸上對比試驗，本次試驗于2017年5月在廣東博賀開展，對比觀測時間較短，相對于南郊靜態(tài)試驗，可以看作為試驗室外性能數(shù)據(jù)對比收集。4）博賀海上試驗，本次試驗采用定點(diǎn)錨系方式，處于海上觀測平臺儀器周邊，重點(diǎn)是考察儀器在海洋中長期觀測其性能情況，期間傳感器性能、材質(zhì)等均有所改進(jìn)，獲得了較長時間相對連續(xù)的觀測數(shù)據(jù)。5）西太平洋海上試驗，本次試驗于2017年10月西太平洋海上開展試驗，重點(diǎn)考察觀測儀遠(yuǎn)洋環(huán)境適應(yīng)性，獲取長時間連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。6）南海海域大型觀測試驗，本次試驗于2018年4月在我國南海海域開展大型觀測試驗，重點(diǎn)考察漂流觀測儀的儀器性能和獲取南海海域水文和氣象要素數(shù)據(jù)。3結(jié)論通過6次海上觀測試驗的數(shù)據(jù)綜合分析表明：1）漂流觀測儀傳感器、采集系統(tǒng)、太陽能供電系統(tǒng)、北斗通訊系統(tǒng)和數(shù)據(jù)接收平臺工作正常，海洋環(huán)境適應(yīng)性良好，特別是在西太平洋試驗中，面