 Advances in Geosciences 地球科学前沿, 2013, 3, 277-282 http://dx.doi.org/10.12677/ag.2013.35038 Published Online October 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ag.html) Online Analysis on Temperature Anomaly of Oceanographic Hydro Survey Data* Honglei Dai1, Chunyu Wang2, Maoyi Tian1, Litao Han1 1College of Geomatics, Shandong University of Science of Technology, Qingdao 2Weifang Henxin Engineering Consulting Company, Weifang Email: Dai.Honglei2011@gmail.com Received: Jul. 19th, 2013; revised: Aug. 22nd, 2013; accepted: Sep. 3rd, 2013 Copyright © 2013 Honglei Dai et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: Based on the collected data of the US East Coast ov er the last 30 years (1977 to 2011), this paper introduced the IOOS system which can au tomatically analyze and plot the temperature change curve and the temperature anomaly change diagram, analyzed and discussed the oceanic temperate change pattern, and verified the global climate warming trend. Keywords: Integrated Ocean Observing System ; Temperate and Temperature Anomaly; Gunplot; Oceanic Hydro Survey Data 海洋水文水温采样数据在线分析* 戴洪磊 1，王春玉 2，田茂义 1，韩李涛 1 1山东科技大学测绘学院，青岛 2潍坊恒信工程咨询有限公司，潍坊 Email: Dai.Honglei2011@gmail.com 收稿日期：2013 年7月19 日；修回日期：2013 年8月22 日；录用日期：2013 年9月3日 摘 要：基于美国东部沿海过去 30 多年来(1977~2011)的海洋水文采样数据，介绍了基于网络 GIS 的可自动分 析和绘制海洋温度变化及温度异常值变化的IOOS 在线系统，分析和讨论了美国东部沿海在过去30 多年来的海 洋温度和温度异常值的变化规律和分布模式。通过数据分析，验证了海洋气候的持续升高趋势。 关键词：IOOS 系统；温度和温度异常；Gunplot；海洋水文采样数据 1. 引言 随着越来越多的关于温室气体和温室效应的研 究和讨论，全球气候变暖成为过去一个多世纪以来的 研究热点[1-3]。许多环境科研工作者在陆地上进行了大 量的观测和实验，已经验证了全球变暖确实已经发生 了很长时间[4-7]，本文将从海洋监测温度的变化出发， 验证全球变暖趋势。 下面采用集成海洋观测系统(Integrated Ocean Observing System—IOOS)的第四个选项“Temperature & Salinity Anomalies (By Region)，见图 1”，对海洋水 文温度变化和温度异常值变化进行在线分析。 IOOS 系统是利用开源软件 Gnuplot[8]作为绘制温 度和温度异常变化图形的工具，采用 Perl脚本语言作 为主要编程语言，Apache HTTP Server作为主要网络 应用程序服务器引擎，Oracle 10g 为后端数据库。科 研人员可以使用此系统很容易地从后端海洋水文采 *基金项目：山东省“泰山学者”建设工程专项经费资助。 Copyright © 2013 Hanspub 277  海洋水文水温采样数据在线分析 Figure 1. User interface of IOOS 图1. IOOS系统界面 样数据库中提取符合用户选择的数据，生成温度变化 曲线或者某区域的温度异常变化直方图，同时可以下 载以文本格式保存的绘图数据等。 2. IOOS系统体系结构 图2为IOOS系统设计的三层应用程序体系结构， 包括客户端组件，Apache HTTP服务器端组件和 Oracle 数据库端组件[9,10]。用户在客户端 的系统 界面 通过选择不同选项进行各种查询，然后提交到 HTTP 服务器端。HTTP 服务器接收到用户查询参数后，生 成SQL 查询语句，然后提交到 Oracle数据库端检索 用户所需数据。Oracle 数据库完成数据检索之后， HTTP 服务器将调用 Perl 脚本程序预先处理和格式化 检索后的数据，传输到 Gnuplot 绘制海洋温度和温度 异常变化的图形，最后系统将图形传送回客户端的用 户。如果用户在客户端修改了任何查询参数，并将新 的查询参数提交给HTTP服务器，则系统又开始另一 个生成海洋温度曲线和温度异常值变化直方图的循 环。此系统适用于利用各种不同工具和方法采集的海 洋温度数据的在线分析。 3. 海洋温度和温度异常图形绘制 从1977 年起，东北渔业科学中心开始采集包括 东缅因湾(GOM East—Gulf of Maine East)，西缅因湾 (GOM West)，乔治峡区(GB—Gorges Bank)，北中大 西洋海岸(MAB—Mid-Atlantic Bight North)和南中大 西洋海岸(MAB South)5个区域的海洋水文数据，并以 Figure 2. System infrastructure of IOOS 图2. IOOS系统体系结构 Copyright © 2013 Hanspub 278  海洋水文水温采样数据在线分析 采集航次为单位存储在Oracle 空间数据库中。用户可 以查询不同区域在不同时间段的海洋温度和温度异 常的变化情况，利用IOOS 系统可以绘制每个区域在 某时间段的温度变化曲线和温度异常变化的直方图 2 种不同的图形。 3.1. 海洋温度变化曲线的绘制 IOOS 系统向用户提供下面 2种绘制温度变化曲 线的方式： 1) 针对特定区域的温度变化分析：即用户从 5 个地理区域中先选择某一地理区域，然后绘制此区域 在一年或者多年内的海洋温度变化曲线； 2) 针对特定年度的温度变化分析：即用户先选择 某一特定年度，然后绘制某个地理区域或者多个地理 区域在此年内的温度变化曲线。 对于上面这两种绘图方式，IOOS 系统均向用户 提供海洋表面温度和海底温度两个绘图类别。比如， 图3是用户利用选项 1)绘制的北中大西洋海岸在 1977 年到 2011年间海洋表面温度的变化曲线情况。 在图 3中，左侧是用于绘制右侧北中大西洋海岸 在1977 年到 2011年之间的温度变化曲线的海洋表面 温度数据，图中由多种不同颜色的曲线代表不同年度 的温度变化。在这些曲线的走势上，用户可以看到北 中大西洋海岸的海洋表面温度在不同年代的区别以 及在这 34年间整体的温度变化模式。其基本规律为： 海洋表面温度在 1到100 天内最低，温度在 100 到200 天内逐渐升高，在200天到275 天时温度达到最高， 然后温度下降开始另一个循环。研究人员可以利用此 系统通过绘制多年的温度变化曲线去寻找海洋温度 有无变暖的趋势及变化模式。 图4是IOOS系统绘制的北中大西洋海岸在 1977 年到 2011年间的海底温度变化曲线情况。 从图 4中的曲线中，可以看到北中大西洋海岸海 底温度在过去 34 年内的变化模式。同海洋表面温度 的变化相比，用户会发现下面几个现象： 1) 在同一年度内，海底和海面的温度在0到100 天内几乎相同； 2) 在同一年度内，在0到100 天之外，海洋海底 温度通常低于海面温度； 3) 在同一年度内，海洋表面温度在200~275 天达 Figure 3. Ocean surface t emperature change curves along the Mid-Atlantic bight north (1977-2011) 图3. 北中大西洋海岸(MAB North)海洋表面温度变化曲线(1977~2011) Copyright © 2013 Hanspub 279  海洋水文水温采样数据在线分析 Figure 4. Ocean bot tom temperature change curves along the Mid-Atlantic bight north (1977-2011) 到最高温度，变化区间为 15℃~22℃之间；但是海底温 年度内，最高的海面温度几乎可以达到 20℃ 特定 年度 3.2. 温度异常值变化直方图的绘制 温度异常是指当前实际温度监测值与根据长期 监测 选择某一年或者几年的时间段绘制温度异常值变化 是正值，这表明在1977 年到2011年间，北中 大西 体来讲， 大约 有很多大于 1℃， 最大 图4. 北中大西洋海岸(MAB North)海洋海底温度变化曲线(1977~2011 ) 度是在 225 天到300天内达到最高温度，区间为10℃~ 14℃之间； 4) 在同一 之上，但是海底温度一般都在14℃之下。 如果用户利用选项 2)，IOOS 系统可以绘制 内某个地区或多个地区的温度变化曲线，这样有 利于研究人员对同一年度内不同地理区域的温度变 化情况进行比较，此处不再详细讨论。 的温度历史记录系列计算的温度平均值(或称参 考值，比如从 1977 年至今所采集的历史温度监测平 均值)之差。通过观察温度异常值很容易判断温度的变 化，即正的温度异常值代表监测时刻的海洋温度比历 史记录的海洋平均温度高，负的温度异常值代表监测 时刻的海洋温度比历史记录的海洋平均温度低。IOOS 系统的温度异常值变化直方图是针对某特定区域绘 制的，即用户从系统界面先选择某一特定区域，然后 直方图。图 5和图 6是北中大西洋海岸(MAB North) 在1977 年到 2011年间海洋表面和海底的温度异常值 变化的直方图。 比较图 5和图 6，用户会发现下面几个有趣的现 象： 1) 从整体上来说，大部分海洋表面和海底温度异 常值都 洋海岸的海洋表面和海底温度高于历史记录的 海洋表面/海底温度平均值，从数据和图形看来，海洋 温度在过去34 年来具有明显的变暖趋势。 2) 分开来讲，海底温度异常值在 1983 年到2011 年间出现少数负值外，其余基本为正值，整 2/3多的海底温度异常值为正值，少于 1/3海底 温度异常值为负值。由此可以看出，海洋表面温度异 常值更能体现海洋变暖的趋势。 3) 海洋表面的温度异常值变化均比海底温度异 常值变化大，海洋表面温度异常值 增值为3.55℃，不过海底温度异常值基本在[0, 1] 度之间，最大增值为2.83℃。 Copyright © 2013 Hanspub 280  海洋水文水温采样数据在线分析 Figure 5. Ocean surface temperature anomaly change diagram along the Mid-Atlantic bight north (1977-2011) 图5. 北中大西洋海岸(MAB North)海洋表面温度异常值变化直方图(1977~2011) Figure 6. Ocean bottom temperature anomaly change diagram along the Mid-Atlantic bight north (1977-2011) 图6. 北中大西洋海岸(MAB North)海洋海底温度异常值变化直方图(1977~2011) 4. 结论与 本文通过介绍IOOS系统，向研究人员展示了利 曲线和温度异常变化 直方图 2种图形的功能，并通过分析北中大西洋海域 讨论 用IOOS系统进行绘制温度变化 Copyright © 2013 Hanspub 281  海洋水文水温采样数据在线分析 (M 域在 1977年到 201 AB North)的温度异常变化，验证了北中大西洋海 1年间的海洋气候变暖趋势。这与 北京 [6]、以及水利部南京水文资源研究所的唐海行[9]工程 年份出现 使 参考文献 (References) [1] J. T. Houghton, Y. Ding, D. J. Griggs, et al. Climate change 2001: The scientific basis. Cambridge: Cambridge University Press, 2001: 944. . Global warming [M]. 北京: , 白人海. 中国东北近 50年干旱发展及对全球 全胜, 丁玲玲. 中国南方过去 400 年的极 杰, 李忠勤, 王飞腾. 近50 年气候变化背景下 对东江流 .info/ d the 大学的谢安教授[4]，西北师范大学的张明军教授 [2] J. Houghton. 戴晓苏, 矿玉, 译 气象出版社, 1998. 师的研究结果一致，也与1998 年11月由世界气象组 织和联合国环境规划署建立的政府间气候变化专门 委员会(IPCC)的第三次评估报告和一系列特别报告与 技术报告结果一致，即主要结论认为：从 1860 年以 来全球气温平均升高了0.4℃~0.8℃，近百年来最暖的 在1983 年之后，近 20 年气温持续升高 20 世纪 90年代成为140 年中最暖的阶段；20 世纪北半 球温度的增加可能是过去1000 年来最高的[11]。 采用 IOOS 系统，结合我国沿海收集的海洋气象 温度监测数据，可以对我国太平洋近海的气温变化进 行分析，目前作者还没有见国内有类似IOOS 系统的 成果刊出，但是随着我国海洋强国战略的推进，各类 海洋监测数据的在线分析平台会逐步得到研发并投 入使用。 [3] 李国琛. 全球气候变暖成因分析[J]. 自然灾害学报, 2005, 14(5): 38-42. [4] 谢安, 孙永罡 气候变暖的响应[J]. 地理学报, 2003, 58(z1): 75-82. [5] 郝志新, 郑景云, 葛 端冷冬变化[J]. 地理学报, 2011, 66(11): 1479-1485. [6] 张明军, 王圣 中国冰川面积状况分析[J]. 地理学报, 2011, 66(9): 1155-1165. [7] 唐海行, 陈永勤. 应用随机方法研究全球气候变暖 域水资源的影响[J]. 水科学进展, 2000, 11(2): 159-164. [8] Gnuplot. Gnuplot homepage, 2006. http://www.gnuplot [9] H. L. Dai, W. B. Liu and L. S. Chen. An approach on rendering GIS vector maps onto Internet. TSU GIS 2004-The 1st Annual GIS Symposium at TSU, 19-20 May 2004, Troy. [10] B. Plewe. GIS online: Information retrieval, mapping, an internet. Santa Fe: On Word Press, 1997: 311. [11] IPCC. Climate change 2001: The scientic basis. In: J. T. Ho- oughton, Y. H. Ding, D. J. Griggs, et al., Eds., Contribution of working group I to the third assessment report of the intergov- ernmental panel on climate change. Cambridge: Cambridge Uni- versity Press, 2001: 944. Copyright © 2013 Hanspub 282 |