Океан покрывает приблизительно 71% поверхности Земли. От прогнозирования траекторий тайфунов и развития морских ферм до обеспечения безопасной морской навигации и смягчения последствий морских катастроф — и даже до исследований глобального изменения климата — практически каждое современное исследование в области морской науки опирается на один важнейший ресурс: данные об океане.

Для тех, кто только начинает работать в морской сфере, настоящая проблема часто заключается не в «нехватке данных», а скорее в «избытке данных». В действительности, океанографические данные не существуют изолированно; вместо этого они превратились в всеобъемлющую экосистему, охватывающую «наблюдение — дистанционное зондирование — моделирование — ассимиляцию — интеллектуальный анализ».

Почему морская наука все больше зависит от данных?

В прошлом человечество в основном полагалось на научно-исследовательские суда.буйковые станцииа также ручные наблюдения для изучения океана. Хотя этот подход обеспечивал высокую точность, он страдал от ограниченного пространственного охвата и длительных циклов наблюдений.

Сегодня, благодаря достижениям в области спутникового дистанционного зондирования, автоматизированных платформ наблюдения, плавучих зондов Argo, численных моделей и технологий ассимиляции данных, океанографические наблюдения вступили в настоящую эру «больших данных». Ее определяющие характеристики можно суммировать следующим образом: огромный масштаб, обширный охват, высокая скорость и многомерное богатство.

• Объём данных вырос с гигабайтного (ГБ) до петабайтного (ПБ) уровня.
• Временной охват расширился с нескольких десятилетий до периодов, превышающих столетие.
• В настоящее время пространственный охват распространяется на весь мировой океан.
• Наблюдаемые параметры охватывают множество измерений, включая температуру поверхности моря, соленость, океанические течения.волныполя ветров, концентрация хлорофилла, морской лед и многое другое.

Одновременно с этим разрешение данных продолжает улучшаться — если исторически глобальные модели океана имели разрешение в 1°, то сейчас они приближаются к разрешению в 1/12° или даже к масштабам менее километра. Наши возможности по изучению мелкомасштабных океанических структур, таких как мезомасштабные вихри, прибрежные фронты и внутренние волны, достигли уровня, намного превосходящего то, что было возможно ранее.

В некотором смысле, современная морская наука в настоящее время переходит от парадигмы, основанной на «эмпирических данных», к парадигме, основанной на «данных».

Откуда в основном берутся данные об океане?

Глобальная экосистема данных об океане формируется в совокупности международными морскими организациями, метеорологическими центрами, спутниковыми системами и национальными сетями наблюдений по всему миру.

• NOAA (США): Один из важнейших мировых источников данных об океане, предоставляющий набор бесплатных, общедоступных и долгосрочных исторических данных, включая реанализ NCEP/NCAR, данные наблюдений ICOADS, данные о температуре поверхности моря AVHRR и глобальную систему прогнозирования GFS.
• Европа (ECMWF и ESA): Данные реанализа ERA5 от ECMWF стали важнейшим источником данных об атмосферном воздействии для исследований взаимодействия атмосферы и океана; серия спутников Sentinel от ESA демонстрирует значительные преимущества в дистанционном зондировании с использованием радиолокационных данных, высокоточном наблюдении за поверхностью моря и мониторинге морского льда.
• Азия (JMA): Данные COBE-SST Японского метеорологического агентства (JMA) широко используются в исследованиях, касающихся северо-западной части Тихого океана, ENSO и климата Восточной Азии.

Какие типы данных об океане существуют?

Современные данные об океане в основном делятся на четыре основных типа:батиметрические данные, данные дистанционного зондирования, данные натурных наблюдений и данные реанализа.

Батиметрические данные морского дна

Это составляет основу всех океанографических исследований. Если сравнить численное моделирование океана с «строительством здания», то батиметрия — глубина и топография океанского дна — послужит «фундаментом». К наиболее классическим глобальным батиметрическим наборам данных относятся ETOPO и GEBCO; последний стал международно признанным стандартным базовым картографическим источником для определения топографии морского дна.

Данные дистанционного зондирования со спутников

Это служит «основной силой» в современном океанографическом наблюдении. Его ключевые преимущества заключаются в широком пространственном охвате, высокой частоте обновления и возможности одновременного глобального наблюдения.

• Температура поверхности моря (ТПМ): Такие наборы данных, как MODIS, AVHRR и OISST, широко используются в исследованиях, связанных с ENSO, морскими тепловыми волнами, течением Куросио и прогнозированием рыболовства.
• Поля ветра на поверхности моря: Эти данные, получаемые в основном со спутников-скаттерометров (например, ASCAT, SeaWinds и китайских спутников серии HY-2), имеют решающее значение для исследований тайфунов, ветровых волн и взаимодействия атмосферы и океана.
• Высота поверхности моря (SSH): Спутники-альтиметры, такие как TOPEX/Poseidon, Jason и HY-2A, отслеживают изменения уровня моря, мезомасштабные вихри и траекторию течения Куросио.
• Радиолокатор с синтезированной апертурой (SAR): Характеризуется всепогодной, круглосуточной работой и высоким разрешением, позволяя получать информацию о поверхности моря даже ночью или под облачным покровом. Он широко применяется для мониторинга морского льда, разливов нефти, внутренних волн, океанских волн и морских судов.

Данные наблюдений на месте

Хотя пространственное покрытие этих данных ограничено по сравнению с дистанционным зондированием, они обеспечивают высочайший уровень точности и служат важным эталоном для всех океанографических исследований.

• Буи Argo: Эти плавучие зонды, функционирующие как «автоматизированные CTD-зонды», дрейфуют по всему мировому океану. Они периодически опускаются и поднимаются, автоматически измеряя температуру, соленость и давление и передавая данные в режиме реального времени. Тысячи буев Argo, развернутых в настоящее время по всему миру, в совокупности представляют собой крупнейшую в истории человечества сеть океанографических наблюдений.
• Наблюдения с помощью CTD-зонда: они остаются «стандартным оборудованием» в океанографических исследованиях, обеспечивая высокоточные профили температуры и солености.

Куда движется будущее океанографических данных?

Будущая траектория развития океанографических данных ясна и определенна:

• Более высокое разрешение: переход от разрешения в километрах к разрешению в сотнях метров.
• Расширенные возможности работы в режиме реального времени: постепенное создание комплексной системы «Океан в режиме реального времени».
• Интеграция данных из различных источников: объединение спутников, буев, численных моделей, беспилотных платформ и искусственного интеллекта для совместной работы.
• Интеллектуализация: Искусственный интеллект глубоко проник в морскую науку, охватывая прогнозирование состояния океана с помощью ИИ, восстановление недостающих данных, обнаружение вихрей, получение данных дистанционного зондирования и многое другое.

Морская наука вступает в совершенно новую эру:

| Большие данные об океане + Искусственный интеллект = Основной двигатель будущих исследований океана

Мы твердо убеждены, что истинная ценность данных заключается в их эффективном сборе, глубокой интерпретации и разумном применении.

С нетерпением жду возможности пообщаться с вами для более подробного обсуждения.