骆敬新，刘克修，范文静，祁冬梅，刘振民

(国家海洋信息中心 天津 300171)

1 前言

全球海平面观测系统 (GLOSS)，是由政府间海洋学委员会 (IOC)在1985年成立的一项国际间的合作计划，由世界气象组织 (WMO)和政府间海洋学委员会 (IOC)联合成立的海洋学和海洋气象学技术联合委员会 (JCOMM)为其提供技术支持，代表了世界水位观测技术的前沿。我国水位观测以海洋站观测为主，通过对沿岸水位的观测，获取观测数据，开展潮汐潮流预报，风暴潮等海洋灾害预警报，海平面与气候变化研究等一系列的研究和实际应用，在海洋领域发挥了重要的作用。通过对GLOSS现状的研究，了解其目前工作的重点、技术现状、工作中的注意事项和要求，为我国的海洋站观测提供一些引导性建议，使我国海洋站观测的资料和成果更加完善，应用领域更加广阔，应用价值得到更大效能的发挥。

2 全球海平面观测系统发展现状

2.1 全球海平面观测系统的发展阶段和目标

全球海平面观测系统从1985年成立，发展到今天经历了几个主要的发展阶段。GLOSS建立之初，其主要目的是配合科学研究的需要，对全球及区域的水位观测进行协调和管理。1990年，形成了由全球约300个观测站组成的核心网络。到1997年，根据科学研究和应用的需要，以及在数据使用中暴露出来的一些问题，确立了下一步的4个工作重点:① 水位观测要满足海平面变化的长期趋势和加速度的研究;②利用水位观测网数据对卫星高度计数据进行校准;③水位观测尽量满足大洋环流研究的需要;④将全球定位系统GPS对陆地高程变化的监测纳入到计划中来。

1997年以后网络和通讯技术快速发展，并且在此过程中经历了印度洋海啸 (2004年)和日本的海啸 (2011年)全球瞩目的灾害性事件，GLOSS也不断地升级和调整，到 2012年，GLOSS强调加强2个方面的工作:① 核心网络中的各站的水位观测数据要完成实时/准实时的上报，为满足这一需要针对验潮站的供电系统、数据采集平台和通讯程序包进行升级。GLOSS强调，这样做最大的好处能够及时地发现观测站点的故障，提高站点运行性能，保障业务化海洋学的顺利运行。②核心网络的所有验潮站配备全球导航卫星系统 (GNSS)，这一升级主要用于配合卫星测高数据的校准，更好地确定相对于地心的海平面上升速度以及局地海平面变化［1］。

2.2 GLOSS的资料中心

GLOSS目前主要包含6个全球的资料中心，其中5个，包括持久海平面中心 (Permanent Service For Mean Sea Level)、延时资料中心(Delayed Mode Data Centre)、快速资料中心(Fast Delivery Center)、水位联合档案中心(Joint Archive for Sea Level)、水位实时资料监控中心 (Sea Level Station Monitoring Facility)已经运行多年，另外一个验潮站的全球导航卫星系统资料中心 (TIGA)正在建设之中。

2.3 GLOSS水位观测数据在科学和实际中的应用

水位观测数据是最有用的海洋学要素之一，传统的应用是用于潮汐表编制和港口运行，除此，对于科学家开展海洋环流和全球气候变化研究、对于沿岸工程和基础设施的建设设计、业务化海洋学的运行 (例如风暴潮或海啸产生的洪涝预、警报)都有重要的作用。

2.3.1 海平面的长期变化研究，大洋环流研

究，特别是卫星高度计数据校正

进行海平面变化趋势及加速度的研究。此应用尤其注重数据的准确性。水位观测资料必须被认真地校准、检查和评价，观测数据也必须连测到基本水准点，进一步校准到国家高程基准网，甚至校准到全球高程基准网，而且所有的这些过程都应该被记录下来，很好地保存，以提高水位观测数据的准确性，为观测数据的高效应用提供保障［2］。

水位观测资料还可用于帮助海洋环流振荡的监测，帮助开展沿岸上升流的监测和研究，在海峡两岸的水位观测可以监测狭窄通道海流的变化，位于深海海岛站的水位观测数据还用于对涡旋的辨别和研究，特别是对于用于大洋环流研究的卫星高度计资料，通常需要利用准确的水位观测资料进行数据订正和对比验证。

2.3.2 沿岸工程和基础设施的建设设计

众所周知，在沿岸防御设施和其他基础设施设计时，通常需要沿岸水位极值的概率估计，确保能够抵御可能出现的洪涝风险。这当然也需要连续多年的水位观测资料，而且准确度越高越好。

2.3.3 确定高程基准

许多国家陆地高程测量的基准都是以一段时间的某地的平均海平面为基础的，这个高程基准用途广泛，作用巨大，在联合国海洋法公约上经常引用此类基准，政府间的划界也常常以此为依据。例如我国的黄海高程基准、吴淞高程基准等等基准均属于这种情况。理论最低潮位通常被用于设定潮汐预报或海图的基准，理论最低潮位的推算，也需要以持续一段时间的观测数据为基础。

2.3.4 业务化海洋学的应用

水位观测数据应用于风暴潮的预报模型中已有多年的历史，它为预报模型的业务化运行提供基础数据信息，除此还应用于生态和水质模型预报之中。

自从2004年印度洋海啸后，为满足海啸监测和预警需要，提高了对水位数据高频观测和数据传输的要求，2005年，印度洋海啸预警系统 (IOTWS)建立并开始业务化运行。太平洋海啸预警系统 (PTWS)以及其他区域性的业务化运行系统，如:加勒比地区、东北大西洋、地中海等地的海啸预警系统也基于高频观测和传输的水位数据建立起来。

2.3.5 潮汐表编制和港口运行

自从18世纪以来潮汐表就是水位观测资料最主要的产品之一。虽然潮汐表的制作不需要长期的数据支持也可以完成，但是由于自然或人为的原因常常会引起当地潮汐特征的变化，因此长期进行水位监测及时掌握当地潮汐特征的变化，对于潮汐表的更新是非常必要的。港口运行更是依赖于实时监测的水位资料，其实也可以算作业务化海洋学的一部分。

各种应用之间可以相互依赖相互促进，例如:在工程设计时，由于沿岸的工程和基础设施的设计寿命通常几十年甚至超过1个世纪，因此在工程设计，进行极值估计时要考虑海平面上升的长期变化趋势;另外一个例子就是在业务化海洋学应用之前先开展质量的监控，很快地发现数据的异常和错误，并及时纠正错误，对形成高质量的延时数据有很大的促进作用，从而有利于延时资料的应用。

3 全球海平面观测技术现状及要求

GLOSS有专门的协调组和专家组，编制相应的技术手册，为各成员国提供技术的支持和帮助。截至目前已经完成了Ⅰ～Ⅳ版的《水位观测技术手册》 (Manual on Sea Level Measurement and Interpretation)的发布，分别发布于1985年、1994年、2000年和2006年。每个版本都是根据当时的形势需要，介绍最适用的和最前沿的技术和要求，旧的版本仍然会包含部分有意义的内容，因为不需要再进一步强调，所以在新的版本中没有提及，如果想对水位观测技术有更深入的了解，需要对4本手册都进行详细的阅读 (www.pol.ac.uk/psmsl/manuals)。

3.1 验潮站和观测仪器

《水位观测技术手册》对验潮站站址选择和验潮井设置的条件和要求、水位观测仪器进行了详细地介绍，按照仪器的不同类型，分别介绍了其结构、原理、性能、优缺点，甚至价格区间。

水位观测仪器的主要类型有:标杆或水尺;浮力式水位计;以上在前3版介绍。第4版主要介绍了以下仪器:压力水位计;声学水位计;激光验潮仪。

3.2 基准控制和连测

在《水位观测技术手册》的4个版本中对潮高基准控制和连测都有介绍，且越新的版本越强调了其重要的作用。

(1)介绍基准和连测的一些概念和测量要求，包括基本水准点 (TGBM)、GPS水准点(GPSBM)、连测点 (CP)、验潮水尺零点、国家连测网、海图基准等。

(2)局地水准点之间连测，要求要定期对局地水准点网进行高精度的连测，至少每年重复一次，并由负责机构对测量结果充分地做好记录，连测频率的确定取决于该地区的地质条件，在不稳定的地面，需要进行更频繁的水准连测。

(3)广域的水准连测通常延伸到10 km或更远的距离，可以监测局地基本水准点的变化情况，能够判断局地相对海平面的变化是否适用于周边更广阔的区域。但是由于连测距离远所以误差会比较大，使用时应该注意。

(4)潮位基准的大地测量技术和方法，包括:GPS测量技术、DORIS测量技术、绝对重力测量。

3.3 数据传输技术

数据传输的技术主要包括以下几种类型:无线电广播，适于较近距离;公共电话交换网用户中继线拨号或专用电话线;在固定线路不可行的地方，利用手机通讯;互联网技术;更偏远的地区，可以使用移动卫星通讯;全球电信系统(GTS)是被广泛应用于气象组织进行环境数据实时传输和交换的系统，建议推广应用于水位数据传输中。

3.4 资料处理技术和数据质量控制

《水位观测技术手册》的几个版本对资料处理的技术陆续进行了简单介绍，例如:传统的资料提取方法、质量控制方法、极值估计法等。

GLOSS中由延时数据中心和水位联合档案中心开展延时资料的质量控制。目前随着实时和准实时资料量的增大和需求的增加，对实时的资料质量控制功能更加关注。实时资料质量控制的目的是检出尖峰和缺测等异常情况，在数据显示在公共Web页面和风暴潮预报同化系统之前完成自动检测。“快速和高效”要求必须利用数据质量控制软件完成这项工作。目前，比利时佛兰德斯海洋研究所开发了GLOSS实时资料监控系统。手册还专门强调了防止数据错误的方法之一是连续数据流的人工监视，例如，英国的风暴潮预报服务系统，西班牙港务局开发的水位数据质量控制系统。质控软件和人工监视相结合应该是相对完美的质量控制手段。

3.5 水位测量新技术

对浮标载GPS和全球导航卫星系统(GNSS)进行了简单的介绍。

3.6 GLOSS对水位观测的要求

《水位观测技术手册》中指出:水位观测的目标是在任何时候，在任何潮汐、海浪、海流、天气等条件下水位记录准确度都应该优于1 cm。GLOSS对水位观测的具体要求如下:

3.6.1 水位数据观测频率要求

如果用于海啸预警则需要有1分钟或甚至更短时间间隔 (15秒)，验潮站应该尽量配备海啸信号记录设备;有可能的情况下最好也记录下波浪信号，这要求水位观测的采样频率为1秒。如果要避免波浪的影响则要经过足够长一段时间的平均，一般持续时间为6分钟或15分钟。各种应用对验潮站的观测频率要求见表1。

表1 各种应用对验潮站的观测频率要求［1］

3.6.2 验潮仪计时要准确

验潮仪的计时同样影响水位精度，验潮仪的计时精度要优于1分钟，一般电子验潮仪都具有秒或更好的精度，但为保证其准确性，防止时间的漂移，观测设备的时钟校准功能仍非常必要。

3.6.3 基本水准点的设置和连测

水位观测必须相对于一个固定、永久的当地基本水准点，并与几个辅助的标志物进行连测，以防止其移动或破坏。另外应定期 (至少每年)进行基本水准点和验潮零点之间的连测，准确度要求达到毫米量级，如果验潮仪处于不稳定的地面，必须开展更频繁的水准连测。

3.6.4 配备GPS/GNSS大地监测设备

用于研究长期趋势、海洋环流和高度计订正的水位观测需要配备GPS接收机 (或其他大地测量设备)，其位置要与验潮仪尽可能的接近，并定期 (至少每年)进行GPS水准点和验潮零点、基本水准点之间的连测。

3.6.5 数据的记录与传输

水位观测站要求在观测站当地记录存储数据的同时还要配备自动数据传输设备，通过卫星、互联网等将数据传输到GLOSS的相应数据中心。

3.6.6 开展其他要素的辅助观测

水位观测应该进行大气压力的辅助观测，如果有可能的话也要开展风和其他环境参数的观测，这些要素与水位数据分析直接相关。

3.6.7 观测仪器和方法改变时的要求

当水位观测在由一个“更好的”方式取代时，水位数据的时间序列记录可能会出现系统性跳跃。不同的仪器均存在系统误差，新技术与旧的技术相比在概念理解上必然有一些差别，在获得足够的经验之前，必须始终沿用旧的方式。

3.6.8 开展实时/准实时数据传输和质量监控

实时数据质量监控中心要定期 (每天)进行数据的检查，将仪器故障告知操作者，保证数据形成长期稳定的时间序列。在进行系统升级时优先考虑那些不能进行实时或准实时传输资料的站，也就是不能进行实时质量监控的那些站。

4 对我国海洋观测站工作的启示

通过对全球水位观测系统发展现状的研究，得到对我国海洋站观测的一些启示:

4.1 加强水位观测基准的核定和连测，监测观测站附近地面的升降运动

局地的相对海平面变化的原因重要的组成可能是陆地的纵向升降运动，为了确定相对于地心的全球海平面升降和局地海平面的变化，验潮站附近纵向陆地球垂直运动的监测和准确的大地连测是非常必要的。

从水位数据应用的角度，统一的水位观测基准对于海平面长期变化趋势研究、卫星高度计的校准、海洋环流研究、业务化海洋学运行等都是非常重要的。GLOSS《水位观测技术手册》中每一个版本都拿出一个重要的章节对验潮基准控制和连测的概念、技术方法、管理要求进行详细的介绍，对于验潮站附近大地高程变化的监测更是反复强调。

从1997年GLOSS将GPS监测地面沉降纳入到计划之中，到现在正在建设的GNSS资料中心，充分体现了GNSS对地面高程连续监测的重要性。GLOSS技术材料中指出GPS接收器要尽量安装在离验潮站接近的地方，距离大约几百米以内，要定期 (至少每年)进行GPS水准点与基本水准点的连测［2］。

最近几年我们国家对基准核定工作给予了高度的重视，技术得到了很大的提高，管理也越来越完善，取得了不少的成果，但是如果要想使基准核定工作更加完善，仍需要大家继续努力。例如:我们国家海洋站从2008年开始开展GPS观测，到目前为止由于时间序列短、稳定性差等问题，目前还没有充分发挥其应有的作用。提高GNSS观测技术和管理水平、资料处理能力、加强GNSS资料的应用以及建立GNSS资料管理和监控中心，对于提高验潮站基准核定的能力有很大的帮助。

4.2 以提高数据的可用性为目的来开展海洋站观测工作

数据的不同应用对于观测的准确性、观测频率和传输时效提出了不同的要求。最早的水位观测数据主要用于潮汐表的制作、港口运行、高程基准的制定等方面，对水位观测准确度或观测频率要求不是特别高。目前为了满足气候变化研究预测、大洋环流研究、风暴潮、海啸预警等需要，对观测数据的准确度、观测频率和数据传输频率有了更高的要求。以目前的观测仪器和设备的能力以及数据传输的能力，在技术上满足上述要求已经不存在困难，但是往往由于局限于传统的观测思路和方法，造成获取的观测数据不完整、准确率低，不能满足部分应用需要。如果所有的应用都被重视，在有限的人力投入、适度经济支持的基础上，为验潮站观测确定更加科学合理的工作内容和流程，完善的管理制度，那么获取的数据将会更加准确、完整，取得的结果才能满足上述各种应用的需要，数据的可用性得到最大效能的发挥。

4.3 各观测要素之间有着重要的相关，会对水位观测的准确性产生影响，应该重视和加强各他要素的同步观测

气象学要素对水位观测数据影响比较大，典型事例就是风暴潮增减水，其中有2个关键的气象因素:气压和风。1 hPa的气压增加会导致海平面降低1 cm，风对海面的拖曳力和风速的平方成正比［2］;水位如何进行时空变化与风驱动海洋环流和海洋上层热容量相关［1］;气温、气压、水温等可能会影响部分水位观测仪器的准确性。

因此，开展气压、风、降水、水温、盐度、海流、海浪、地面沉降、能见度和相对湿度等要素的观测，对于保障水位观测数据的准确性，充分发挥水位观测数据的可用性有很大的作用。

4.4 尽量维护数据的均一、稳定并正确填报

当水位观测在由一个“更好的”方式取代时，水位时间序列记录可能会出现系统性跳跃。不同的仪器均可能存在系统误差，新技术与旧的技术相比在概念理解上必然有一些差别，在获得足够的经验之前，必须始终沿用旧的方式。仪器的更换造成的数据差异比实际测量误差要大得多［2］。

验潮零点的变动、环境的变化、仪器的变更、站址的变迁等会直接造成数据的不均一、不稳定，影响气候变化研究和结论，对水位资料的使用效果也会产生大大的影响。除此以外，其他各观测要素的均一性、稳定性同样也需要保证。例如:温盐传感器因为生物体滋生，导致观测结果产生漂移;降水观测仪器在维护时因为清洗，造成观测数据结果有降水记录;气压、气温、风等要素的观测也要注意其观测仪器高度的变化会对数据不均一造成严重的影响［3－4］，因此一定要注意仪器高程的变化，正确的填写数据报表文件，尤其文件表头中的高程信息。

4.5 加强元数据信息的记录和收集

水位的研究内容广泛，简单的水位高低的测量不能满足实际应用的需要，数据必须被认真地校准、检查和评价，必须连测到基本水准点，进一步连测到国家高程系统，甚至全球高程系统。所有的这些过程都应该被记录，存成文件，存档，认真保护起来，以便以后作为重要的资源应用到工程建设和长期气候变化等工作之中［2］。GLOSS的各资料中心都开展了元数据的收集和使用，其他国家在进行水位观测时，也非常注重元数据的采集和保存，例如:美国NOAA的水位观测，从其水位与海流观测网(TideandCurrents.noaa.gov)发布的信息可以看到除水位观测数据，其中还收集了基准连测、站位、环境、仪器等大量元数据信息。

在气候变化研究时，资料的均一化检验和处理必须以元数据信息为依据，这些信息包括:观测站的地理信息、历史沿革信息等;局地环境信息;仪器信息 (仪器类型、仪器的安装和防护、资料记录和传输方式)、观测过程实践(观测人员、要素、时次、常规维护、观测现场的数据校正)，数据处理过程 (数据计量单位、计算方法、质控处理方法等)、历史事件 (社会和政策变化、夏时制)等［5］。

因此，首先应该进一步明确元数据信息的内容，建立标准规范，保证信息的完整，然后认真地记录、归档和存储，为数据的质量控制处理、均一化提供依据，从而使观测数据的可用性大大提高。

5 总结

为了获取准确有效的水位观测资料和成果，使水位观测资料的应用价值得到更大效能发挥，在我国的海洋站观测工作中，以下几个方面应该尤其给以重视:要注意加强水位观测基准的核定和连测，充分发挥全球导航卫星系统(GNSS)应有的作用，监测并确定观测站附近地面升降运动;要以提高数据的可用性为目的开展海洋站观测工作;各观测要素之间有着重要的相关，应该重视和加强各要素的同步观测以提高水位数据的准确性;尽量维护数据的均一、稳定，并正确填报数据文件;要加强元数据信息的记录和收集。

［1］The WMO/IOC Joint Technical Commission for Oceanography and Marine Meteorology(JCOMM).The Global Sea level Observing System IMPLEMENTATION PLAN 2012［EB/OL］.［2013 －10 － 10］.http://www.gloss － sealevel.org/publications/documents/GLOSS_Implementation_Plan_2012.pdf.

［2］The WMO/IOC Joint Technical Commission for Oceanography and Marine Meteorology(JCOMM).Manual on Sea Level Measurement and Interpretation Volume IV:An Update to 2006［EB/OL］.(2006 －09 －21)［2013 －10 －10］.http://www.psmsl.org/train_and_info/training/manuals/manual_14_final_21_09_06.pdf.

［3］国家海洋局北海分局.GB/T14914海滨观测规范［M］.北京:中国标准出版社，2006.

［4］天津大学水文水力学实验室.海洋石油工程环境水文分析计算［M］.北京:石油工业出版社，1983.

［5］李庆祥.气候资料均一性研究导论［M］.北京:气象出版社，2011.