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2022年 第12期
29
赵聪蛟，宋琍琍，余骏，刘希真，陈思杨，张晓辉，刘瑞娟
(浙江省海洋监测预报中心 杭州 310007
)收稿日期:2022-04-19；修订日期:2022-11-16
基金项目：浙江省自然资源厅科技项目 海洋浮标监测数据质量控制技术研究 (2022-86)；自然资源部海洋生态系统动力学重点实验室开放研究基金项目(M E D 202003)；海洋赤潮灾害立体监测技术与应用国家海洋局重点实验室开放研究基金项目(MA T HA B 201709)；海洋公益性行业科研专项项目(201305012-4).
作者简介：赵聪蛟，工程师，硕士，研究方向为海洋浮标和海洋生态预警通信作者：宋琍琍，教授级高级工程师，研究方向为海洋生态预警和监测
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摘要：准确有效的数据是开展各项海洋科学研究的基础和前提㊂与传统采样监测流程不同，海洋浮标在线监测从样品采集到数据结果完全实现自动化，数据质量控制的重点也不再聚焦于样品采集和分析测试阶段㊂文章选用浙江近年的浮标监测数据，结合浮标监测特点，从浮体稳定性㊁仪器设备校准㊁系统运行维护㊁数据传输接收㊁比对监测和异常值判定等关键环节，对浙江近岸海洋浮标监测数据质量控制体系进行设计，重点聚焦异常值判定和比对监测；建立质量控制方法库，提出浮标数据质量控制的有效㊁可信和相对准确3个层级的异常值判定规则，具有首创性，其中第一层为去除明显的故障值㊁异常值和离值等无效数据后得到的有效数据集，第二层是经方法库选取合适的质控方法处理后得到的可信数据集，第三层是根据现场比对监测结果验证后的相对准确数据集㊂以浙江海洋浮标监测数据为基础提出的浮标监测数据质量控制体系的设计思路和方法，将有助于整体提升浙江近岸海域浮标在线监测数据质量，可为全国海洋浮标监测数据质量控制以及相关数据质量控制提供参考㊂
关键词：海洋浮标；在线监测；质量控制；异常值；比对监测
中图分类号:P 714;P 76 文献标志码:A 文章编号:1005-9857(2022)12-0029-08
D e s i g no f Q u a l i t y C o n t r o l S y s t e mf o rM a r i n eB u o y
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t i o n a l s a m p l i n g m o n i t o r i n g p r o c e s s ,i t i s f u l l y a u t o m a t e d f o rm a r i n e b u o y m o n i t o r i n g f r o ms a m -p l e c o l l e c t i o n t od a t a r e s u l t s ,a n dt h e f o c u so f d a t a q u a l i t y c o n t r o l i sn o l o n g e r f o c u s e do nt h e s a m p l e c o l l e c t i o n -a n a l y s i s a n d t e s t i n g .I n t h i s s t u d y ,t h e q u a l i t y c o n t r o l s y
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30海洋开发与管理2022年d i n g s i x i t e m s:f l o a t i n g b o d y s t a b i l i t y,i n s t r u m e n t e q u i p m e n t c a l i b r a t i o n,s y s t e mo p e r a t i o n a n d m a i n t e n a n c e,d a t a t r a n s m i s s
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K e y w o r d s:M a r i n eb u o y,O n l i n e m o n i t o r i n g,Q u a l i t y c o n t r o l,A b n o r m a ld a t a,C o n t r a s tm o n i t o-r i n g
0引言
准确有效的数据是开展各项海洋科学研究的基础和前提，监测数据的质量控制通常与数据的获取和分析同时开展㊂数据获取的流程通常为采样准备㊁样品采集和预处理㊁样品储存和运输㊁实验室分析㊁数据处理㊁数据归档[1]，其中数据的质量控制应贯穿于整个流程㊂
因数据获取方式不同，质量控制方法略有侧重㊂海洋站观测数据具有长期性㊁连续性和近岸性特点，获取温盐㊁潮汐㊁波浪和气象四大类数据的质控流程通常为数据采集㊁传送和转化，质控方法的选择和处理以及质控结果的显示和存储，常用的质控方法有极值控制㊁狄克逊检验㊁C o c h r a n检验㊁全等性检验㊁相关性检验和相邻站一致性检验[2-3]㊂谭哲韬等[4]介绍范围检查㊁相关性检验和连续性检验等14种海洋观测数据质量控制方法的原理；赵秀玲等[5]从准备㊁实施和内业分析3个方面介绍海洋调查数据的质量控制要求㊂
船舶走航采样监测的质量控制工作通常分为采样前㊁采样中和采样后3个阶段㊂采样前主要从管理制度㊁人员和仪器设备等方面加强质量控制[6-7]㊂采样中的水质样品通常采用现场空白样㊁现场平行样以及现场加标样或质控样等进行样品采集㊁储存和运输的质量控制[6-8]，生物样品通常要现场固定㊁防止污染以及选择合适的样品容器，沉积物样品要有代表性㊁避免水体搅动以及规范预处理和储存[8]㊂采样后将样品带回实验室进行分析测试，通常采用室内空白样㊁平行样㊁质控样或加标样以及质控图进行质量控制[7-8]，必要时开展一致性检验和异常值剔除[9]㊂
自A r g o计划实施以来已获取海量全球海洋温盐剖面数据资料，常采用阈值㊁轨迹㊁与可信数据比对以及基于 三倍标准差 的异常数据检测等方法开展质量控制[10-13]㊂福建和广西是我国较早开展海洋水质浮标在线监测的沿海地区：张江龙等[14]从规章制度㊁实验室条件㊁设备维护和校准㊁数据检查和审核以及记录等方面介绍厦门近岸海域水质自动监测系统运行过程中的质量保证和质量控制措施；舒俊林等[15]从规章制度㊁人员素质㊁仪器设备维护与保养㊁软件系统维护㊁周报和月报制作以及资料归档等方面介绍广西近岸海域自动监测系统的质量保证和质量控制㊂中国环境监测总站等单位联合编制的‘近岸海域水质自动监测技术规范“(H J 73l-2014)在标准量值传递㊁仪器性能审核㊁校准和比对以及数据有效性检查等方面提出系统运行的质量保证和质量控制方法[16]㊂此外，还有少数报道
第12期赵聪蛟，等：浙江海洋浮标监测数据质量控制体系设计31木薯去皮机
介绍浮标监测叶绿素㊁温度㊁盐度和氮磷营养盐等参数的质量控制方法[17-19]㊂
由于浮标所处的海洋环境十分复杂，随着时间的延长，监测数据可能发生渐变式整体偏移㊂张宇等[20]研究浙江海域水质浮标监测数据中的这一异常现象，根据酸碱度(p H值)㊁溶解氧(D O)和叶绿素(C h l-a)三者的相关性特性，建立基于相关性的渐变异常数据自动识别质控方法㊂已有研究大多仅提出监测资料或浮标监测的普适性质量控制方法，虽然有少数报道对叶绿素等个别参数进行研究，但仍停留在探索阶段，没有深入研究浮标所载仪器设备监测参数集的质控方法和质控结果，也没有具体量化较长时间序列的各监测参数集的数据质量㊂
浙江近岸海域浮标实时监测系统自2011年正式启动建设，至2017年年底已完成18套海洋水质浮标的建设任务(其中宁波有7套)[21]，这些浮标已获取大量的常规水质㊁气象㊁营养盐和特征参数数据㊂本研究选用浙江近年的浮标监测数据，从浮体稳定性㊁仪器设备校准㊁系统运行维护㊁数据传输接收㊁比对监测和异常值判定等关键环节，设计浙江近岸海洋浮标监测数据质量控制体系，并以此为指导开展浙江海洋浮标监测数据质量控制，以期整体提升浙江近岸海域浮标在线监测数据质量，为客观反映海洋环境质量及其变化趋势㊁准确预警赤潮等海洋生态问题和突发状况以及助力海洋经济健康有序发展提供有效基础数据㊂
1研究对象
本研究采用浙江近岸海域11套海洋水质浮标，其中包括嘉兴1套㊁舟山4套㊁台州3套和温州3套㊂浙江近岸海域浮标实时监测系统(不含宁波)自2011年正式启动建设,2012年8月在台州大陈海域投放第一套试点海洋水质自动监测浮标，至2017年3月完成全部11套浮标的建设任务[21] (表1)㊂纱
根据投放地点的功能区特点，浮标具有不同的监测参数㊂浮标1~6所在海域为赤潮高发区㊁增养殖区㊁贝类种质保护区和排涝通道，监测参数为常规水质㊁气象和营养盐；浮标7~11所在海域为滨海隧道定位
旅游区㊁核电温排水区和石油储备基地附近，监测参数为常规水质和气象，且浮标10增加核辐射监测
参数，浮标11增加碳氢化合物监测参数㊂其中，常规水质参数包括水深㊁水温㊁盐度(电导率)㊁浊度㊁溶解氧㊁p H值和叶绿素a；气象参数包括风向㊁风速㊁雨量㊁气压㊁气温㊁湿度和光照度；营养盐参数包括氨氮㊁硝酸盐氮㊁亚硝酸盐氮和活性磷酸盐㊂
表1浙江近岸海域海洋水质浮标基础信息
序号浮标名称投放地点
所属
海域
投放年月
1嵊泗浮标嵊泗海水增养殖区(赤潮高
发区)
舟山2015-08
2东极浮标普陀中街山海洋特别保护区
(赤潮高发区)舟山2015-08
3三门浮标三门湾(增养殖区和贝类种
质保护区)
台州2015-08
4大陈浮标椒江大陈海洋特别保护区
(赤潮高发区)台州2012-08
5乐清湾浮标乐清湾(增养殖区和温岭江
厦排涝通道)
温州2013-08
6南麂浮标2南麂列岛海洋自然保护区
(赤潮高发区)温州2015-09
7普陀浮标普陀滨海旅游区舟山2013-08
8温岭浮标温岭滨海旅游区台州2013-08
9南麂浮标1南麂列岛滨海旅游区温州2012-11 10秦山浮标秦山核电站温排水排放口嘉兴2017-03 11岙山浮标岙山码头石油储备基地附近舟山2013-08
2数据来源
自浙江海洋浮标实时监测系统省级监控平台提取上述11套海洋水质浮标2020 2021年连续2年的水温㊁盐度㊁p H值㊁溶解氧㊁叶绿素a㊁浊度㊁氨氮㊁硝酸盐氮㊁亚硝酸盐氮㊁活性磷酸盐和碳氢化合物11项监测参数集，开展质量控制技术研究㊂浮标运行维护㊁仪器设备性能核查和现场比对监测等数据分别来自浮标系统运行维护服务商和浮标属地建设任务承担单位㊂
3质量控制体系设计
区别于传统船舶走航的监测流程，海洋浮标在线监测无须人工现场采样㊁样品预处理和运输以及室内测试分析，从样品采集到数据分析完全实现自
32海洋开发与管理2022年
动化，数据质量控制的重点也不再聚焦样品采集和分析测试阶段，而是从浮体稳定性㊁仪器设备校准㊁系统运行维护㊁数据传输接收㊁比对监测和异常值判定等关键环节开展质量控制，保证浮标监测数据的有效性㊂
3.1浮体稳定性
浮标浮体为圆饼形，直径为2m或3m，设计海上使用寿命为15年，目前未超过使用寿命㊂浮体标架上安装的太阳能电池板和蓄电池为各传感器和数据传输提供动力，警示灯㊁雷达反射器和防撞环可避免往来船只碰撞㊂浮体下方安装的稳定锤可保证浮标水平稳定，并通过双锚设计保证浮标稳定在预定海域范围内㊂通过运行维护检查浮体各组成部分的紧固程度和运行状态，确保浮体及所载仪器设备处于稳定工作状态㊂
3.2仪器设备校准
仪器设备在投入使用之前或维修后再次使用之前，须经过检测㊁校准或性能核查，以保证仪器设备在海上的正常运行㊂对多参数水质传感器以及氨氮㊁硝酸盐氮㊁亚硝酸盐氮和活性磷酸盐等传感器进行定期性能核查，包括检出限检查㊁稳定性检查㊁标准曲线检查㊁量程漂移和零点漂移等；对p H 值㊁溶解氧㊁浊度和叶绿素a等传感器进行校准；对碳氢化合物和核辐射传感器进行性能检测校准㊂3.3系统运行维护
通过例行维护㊁应急维护和年度整体维护，保证浮标系统的正常稳定运行㊂通常情况下例行维护为每月开展1次，维护内容包括浮体和传感器清洁㊁试剂更换㊁仪器设备校准㊁紧固件检查以及通信检查等㊂受台风和恶劣海况影响，或发生渔船碰撞㊁断电或通信故障等突发事件时，立即开展应急维护㊂每年开展1次整体维护，包括将浮体拖上岸进行清洁后重新涂刷防腐材料，以及将各传感器带回实验室进行检测和校准等㊂
3.4数据传输接收
监测数据经加密处理后，采用G P R S/C D MA 或北斗系统实时传输至浙江海洋浮标实时监测系统省级监控平台㊂通过该平台每日监控数据传输接收情况，查看各浮标数据接收是否正常㊁数据入库是否正常㊁有无异常值或故障值以及经纬度是否明显偏移㊂一旦发现数据缺失㊁通信中断和经纬度明显偏移等情况，须立即采取措施加以解决㊂
3.5比对监测
每个浮标每年开展6次现场采样比对监测，即每2个月开展1次㊂采样方法和要求为：在距离浮标10m范围内布设1个采样点，采样前用G P S定位并记录经纬度；采集海水表层(离海面0.5~ 0.8m，与传感器同一高度)样品，整点采集并连续采集5次以上，与在线监测时间保持同步㊂
表层海水温度㊁p H值和浊度均在现场完成比对分析，溶解氧㊁盐度㊁叶绿素a和碳氢化合物样品经现场采集处理后带回实验室完成比对分析㊂样品现场固定㊁运输和实验室分析应符合‘海洋监测规范“(G B17378-2007)和‘海洋调查规范“(G B/T 12763-2007)的要求㊂各比对参数的分析方法和依据标准如表2所示㊂
表2各比对参数的分析方法和依据标准比对参数分析方法依据标准
水温温度计法G B17378.4-2007/25.1
盐度盐度计法G B17378.4-2007/29.1 p H值p H值计法G B17378.4-2007/26溶解氧碘量法G B17378.4-2007/31叶绿素a分光光度法G B17378.7-2007/8.2
浊度浊度计法G B17378.4-2007/30.1
氨氮次溴酸盐氧化法G B17378.4-2007/36.2硝酸盐氮锌镉还原比法G B17378.4-2007/38.2亚硝酸盐氮盐酸萘乙二胺比法G B17378.4-2007/37活性磷酸盐磷钼蓝分光光度法G B17378.4-2007/39.1碳氢化合物荧光分光光度法G B17378.4-2007/13.1
水质监测的质量控制采用平行样，其中p H值和溶解氧采用100%的现场平行样，碳氢化合物采用10%的现场平行样㊂
3.6异常值判定
建立异常值判定方法库，将已见诸报道的方法纳入方法库，并针对各参数特点进行适宜性筛选㊂海洋监测异常值判定方法主要包括:
(1)标定[22]㊂室内标定由国家标准计量单位进
第12期赵聪蛟，等：浙江海洋浮标监测数据质量控制体系设计33
行，现场标定选用有效期内的标准物质㊂主要适用参数为水温㊁盐度㊁p H值㊁溶解氧㊂
(2)值域检验[9]㊂检验参数是否超出对应的经验值域㊂主要适用参数为盐度㊁水温㊁p H值㊁透明度㊁溶解氧㊂
(3)检出限检验[9]㊂利用仪器设备的检出限范围检验参数的最小值㊂主要适用参数为海洋环境要素㊂
电源转换电路(4)最大污染倍数检验[9]㊂利用参数最大污染等级的倍数检验该参数值域的最大值㊂主要适用参数为重金属㊁有毒污染物㊁化学需氧量㊁活性磷酸盐㊁溶解无机氮㊁总氮㊁石油类㊁硫化物㊂(5)专家经验检验[9]㊂利用专家经验对参数进行审核确认㊂主要适用参数为大气干沉降和湿沉降㊂
(6)极值检验[4]㊂根据对海洋的基本认知，结合海洋环境要素的历史极值等统计经验，判定参数是否异常㊂主要适用参数为海洋环境要素㊂(7)相关性检验(一致性检验)[3-4]㊂根据同一时刻和同一地点的监测数据的相互关系(是否符合一定的物理联系)进行检验㊂主要适用参数为风速与风向㊁风速与浪高㊁水温与气温㊁盐度与雨量㊁水温与寒潮以及浮标观测要素㊂
(8)连续性检验[2,23]㊂通过确定要素相邻时刻间的差值进行检验㊂主要适用参数为海洋站㊁浮标站和验潮站等定点和长时间监测资料㊂(9)等值检验[24]㊂在一定深度范围内出现多个相同的监测值，推测可能是仪器设备故障造成的可疑值㊂主要适用参数为A r g o监测要素㊂(10)逆温检验[4]㊂通常海水温度随深度增加而逐渐降低，若出现逆温且超过一定的阈值，可判定为异常值㊂主要适用参数为水温㊂(11)尖峰检验(牛眼检验)[24]㊂由于仪器设备性能或操作等原因，可能出现明显不合理的较大突变即 牛眼 ㊂主要适用参数为A r g o监测要素㊂(12)深度递增检验[4]㊂现场监测的水温和盐度等剖面深度均是从海表单调往下递增，据此检验数据异常值㊂主要适用参数为水深㊂(13)密度递增检验[25-26]㊂下层海水密度总是大于上层海水密度，据此检验数据异常值㊂主要适用参数为深层水温和盐度㊂
(14)陆地位置检验[4]㊂经纬度是否在预定范围内㊂主要适用参数为仪器设备及其载体㊂(15)垂直梯度检验[4]㊂相邻2个深度值对应监测值的垂直梯度是否超出一定阈值㊂主要适用参数为盐度㊂
(16)局地最大深度检验[25]㊂深度监测值是否比该地的海底深度更深㊂主要适用参数为水深㊂(17)局地
气候态检验[10,27]㊂根据局地历史监测数据的统计分布特征或概率分布界定阈值，据此标记可疑值㊂主要适用参数为水温㊁盐度和溶解氧等剖面资料㊂
(18)温度-盐度图检验[4]㊂将监测的温-盐曲线与事先构建的气候态温-盐曲线进行比较，检验异常信息㊂主要适用参数为水温和盐度㊂(19)非法码检验[28]㊂根据各类要素的数据编码格式，对不同位置出现的符号㊁数字或字符进行范围检验㊂主要适用参数为水温㊁盐度㊁海浪㊁海冰和气象等海洋站监测数据㊂
(20)全等性检验[28]㊂部分参数相对于固定的海洋站往往是长期不变的，据此检验参数是否保持不变㊂主要适用参数为资料类型㊁经纬度㊁水深㊁监测方法㊁仪器设备㊁海拔高度㊂
(21)24h滑动平均[29-30]㊂对某数据序列在逐一小区间上不断进行局部平均，即可得出较平滑的监测结果，而滤掉频繁起伏的随机误差㊂主要适用参数为浮标监测叶绿素㊂
(22)渐变异常数据自动识别[20]㊂在一定时序上参数之间的相关性是稳定甚至一致的，据此开展自动识别㊂主要适用参数为p H值㊁溶解氧和叶绿素㊂
(23)现场比对监测[15,31]㊂现场人工采样监测结果与同一时刻浮标在线监测结果进行比对㊂主要适用参数为浮标在线监测数据㊂(24)实时质量控制[10]㊂对72h内获得的浮标监测参数进行垂向斜率统计检测㊁与同浮标历史对比检测以及浮标漂移速度检测等㊂主要适用参数为A r g o监测要素㊂
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