海洋观测技术 -海洋观测技术的发展历程

6 P+ P! _$ I9 B- F

我国海洋资料浮标观测技术的发展起步较晚，但经过长期的努力与积累，取得了丰硕成果。在“十五”和“十一五”期间，我国的海洋资料浮标观测技术达到产品化阶段，并开始浮标网的建设。

一、我国海洋资料浮标观测技术的发展现状

8 z& O6 J6 |! Y; _

⒈ 我国总体技术水平与国际相当

我国从1965年开始研制海洋资料浮标，经过近50年的发展，在国家863等计划和有关部门的支持下，取得了丰硕的成果，已经基本掌握了关键核心技术，总体已经达到国际先进水平。我国研制的第一个海洋资料浮标诞生于1965年，为船型结构，如图1(a)所示。此后， 在国家的支持下，浮标技术大力发展，目前，已经形成了直径从10m到3m的产品系列(如图1(b)～(e)所示)，完全能够满足我国近海长期业务化观测的需求，其中研制的3m直径小型浮标为2008年奥帆赛提供了大量有效数据，受到各界一致好评。深远海观测浮标方面也开展了部分工作，研制了工程样机，取得了一定成果，布放海域最深达到3500m，最远至印度洋和格陵兰海海域。

图1  我国自主生产的海洋资料浮标代表产品

我国的海洋资料浮标研制虽然起步较晚，但在某些方面的水平已经达到国际领先水平。观测参数种类多于国外产品；采用了多种数据通信手段，其中北斗通信方式是我国独有；数据传输间隔方面有多种传输间隔可供选择。我国已经初步建立了包含约130个浮标的近海浮标观测网，浮标种类主要由图1中的浮标和波浪浮标组成，图2给出了由山东省科学院海洋仪器仪表研究所生产的浮标沿海分布图，该研究所生产的浮标占全国业务化浮标总数的90%以上。

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图2   我国部分浮标分布图 

⒉ 专用型浮标研究取得一定成果

* c9 J' a5 a1 j4 f+ V

在通用型浮标研究成果的基础上，综合国外的研究成果，我国在专用型浮标研究方面也取得了一定的成果，研制了多种专用浮标。

⑴海洋剖面观测浮标

“十五”期间，国家海洋技术中心研制了利用马达驱动的剖面观测系统(图3(a))， “十一五”期间中船重工710所研制了利用浮力控制的剖面观测浮标系统(图3(b))，中科院海洋所研制了波浪能驱动式的剖面观测浮标系统(图3(c))，3种系统均经过了海上测试， 最大布放水深达4000m，能观测海水温度、盐度、深度和海流等参数。

7 V' O x# T& D

图3   我国研制的海洋剖面观测浮标 

⑵光学浮标

2005年，在863计划的支持下，中科院南海所突破水下光辐射测量的子母浮标设计和集成、海面和水体表层高光谱辐射测量、水体吸收/散射高光谱测量、锚链式水下多光谱辐射测量、海洋光学仪器窗口防污染等关键技术，研制了我国第一台光学浮标，如图4所示， 并布放于青岛海域。

图4   我国研制的光学浮标

# H D8 p3 ]" _: q* O

⑶通量观测浮标

9 S: K3 T* {0 r |7 d

2012年，山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制了圆盘形海气耦合观测浮标，布放于格陵兰海海域；中科院海洋所研制了多浮筒结构的通量观测浮标，如图5所示。

1 a% a6 I( D) w B2 P; h; s- P# Q

图5 我国研制的海气通量观测浮标 

⑷波浪浮标

我国的浮标测波技术取得丰硕成果，代表成果是山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制的0.9m直径的SBF3型球形测波浮标(图6(a))，其观测结果精度与国外产品相当，已经成为相关部门的业务化观测装备，广泛应用。此外，还有中国海洋大学研制的SZF型椭球形波浪浮标(图6(b))。

图6 我国研制的波浪浮标 

4 J/ }! f: n- V. s

⑸核辐射监测浮标

, Y; `9 I _) u. b! [) M0 F; X

2011年国家海洋技术中心研制了核辐射监测浮标，如图7(a)所示，用于海洋核辐射污染应急监测；山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制的用于浮标的放射性综合监测系统于2013年11月通过验收如图7(b)所示，该系统可实时连续监测和分析海水中放射性核素总量， 甄别Cs-137、Co-60、I-131等多种核素并计算其活度，具备海洋核污染预警功能。

7 ` p3 ~7 s$ Y0 z5 [9 Z# s' r/ ?

图7   我国研制的核辐射监测浮标 

此外，通过消化吸收国外先进技术及自主创新，我国还研制了海冰浮标、声学浮标、赤潮浮标、子母浮标和通信中继浮标等专用型海洋资料浮标，表1列出了国内海洋资料浮标的优势科研机构。

# j c Z; O+ K: U3 ~) o9 v

表1 国内海洋资料浮标的优势科研机构

- Q; R; _) ]2 d: R* T. |4 J7 U

机构名称

4 [4 S0 r3 y" M W2 m* P

主要技术与产品

山东省科学院海洋仪器仪表研究所

专注于各种海洋仪器装备研发, 主要产品有大型浮标、中型浮标、小型浮标、波浪浮标、通量观测浮标、船型浮标、水质监测浮标、海床基、潜标等。

国家海洋技术中心

6 P9 r" E7 _, `. a1 G: P

从事海洋高新技术及前瞻性、基础性、通用性技术的研究与开发, 主要产品：多功能海洋环境监测浮标、海洋动力环境监测浮标、小型生态水质监测浮标、海床基观测系统、潜标剖面观测系统。

- o9 z( S |: F) v

中国海洋大学

0 u* U) D) e e$ z! b* ?

从事海洋科学研究及海洋观测技术、装备研发, 主要产品有波浪浮标和小型浮标。

中船重工 710 所

从事水下无人平台总体与系统集成技术、海洋动力环境监测技术, 主要产品：实时通信潜标。

中山市仪器探海有限公司

- E1 ]( j% V5 {9 g L, j3 D Z; ]) R, R

公司以中国科学院南海海洋研究所从事浮标研究的技术班底为骨干, 开展浮标的研究和设计制造, 主要产品有波浪浮标、气象水文浮标、水质浮标、航标等。

: z# f ~( u, d$ b: h

综上所述，我国在海洋资料浮标观测技术方面虽然已经取得了丰硕的成果，海洋资料浮标观测技术总体达到国际先进水平，能够满足沿海海域业务化运行的需求，但与国外海洋技术大国相比还存在较大差距，主要体现在搭载的仪器设备的性能、测量精度和工作可靠性等方面，但在系统集成、布放回收等方面差距已不明显。

⒊ 内外同类海洋资料浮标典型参数对比

通过上面的对比分析可以看出，我国的海洋资料浮标观测技术与国外同类产品相比已经基本一致，在有些方面甚至要由于国外同类产品。

; P# I" ^" Z( n: P

美国、挪威和加拿大这3个在海洋资料浮标制造领域具有较高水平，表2列出了我国代表产品与这三个国家4款优秀产品的系统参数对比。从表中可以看出，在监测参数总数方面， 我国与国际上的主流浮标一致，甚至比大部分浮标的观测参数多；在数据接收率方面，与国外产品一致，都大于95%，保证了数据的有效性；在数据传输间隔方面，国外的产品都只有1种，而我国的则有4种间隔可选，灵活性更好；在数据通信种类方面，我国的浮标与国外浮标相同，都是采用卫星、VHF/UHF 电台和GPRS/CDMA，其中北斗卫星短报文通信则是我国独有的。

4 J# G' M: _2 ^% S7 B

表2      系统典型参数对比

浮标种类

型号

0 M$ r: @* X) h

监测参数总数

数据接收率

数据传输间隔种类

1 f+ T) I% u' W1 K0 w; d

通信方式种类

中国

FZF

16

>95%

4

3

5 R/ d0 K6 s9 K% C U {( Q0 K( E

挪威AANDI

' q1 B! m: D) v0 ?# r, W e

DB4700

16

. X# x W6 H \. h

>95%

H, ~: k0 b6 i; F4 C) ?) s

1

3

, M/ T( u5 W, ]9 E& q9 K5 A: ~+ y

加拿大AXYS

9 i; H+ r5 d1 E" o# k3 T: B

NOMAD

# S/ {5 H) @$ @$ v7 v2 i: Z

15

>95%

' c6 {& y' ?8 d( a4 x: s% D w

1

3

! s$ F) J: b$ R* C8 E% B

挪威OCEANOR

SEAWATCH

14

>95%

1

3

美国WHOI

ASIMET

10

: j( C* o; v5 T2 f: N! o

>95%

' l! m# g. J5 E; H! ?7 C

1

& Z5 b, j, z) ~! K! J& O \% z

3

海洋资料浮标观测参数也是重要指标之一，表3给出了我国浮标和国外浮标观测参数的测量范围和准确度方面的对比。

表3    主要观测参数对比

V( x2 N, C K* S

项目

中国浮标

国外浮标

5 B, \3 [5 s* d8 J

测量范围

准确度

$ M" n6 C. J# h4 w% J; a

测量范围

准确度

+ P% s u" V$ t L6 ?

水文

水温

−2～32℃

±0.01℃

; \: N4 l( N* E: f9 _

−2～32℃

& H* O, e/ w3 k$ G: y _3 N: G

±0.01℃

' R: B5 ~6 {3 x9 F2 p8 I4 o

盐度

# g, G9 ^: A3 z1 E/ r6 Y) z

0～70mS/cm

±0.005mS/cm

$ G+ U+ L3 ~5 z5 P1 k

0～70mS/cm

1 H! N% z% P; [6 N' h& L

±0.005mS/cm

+ O' b) z/ b! m0 o9 K

浊度

0～1000NTU

±2%

0～1000NTU

/ I* V9 }1 E S' r+ g

±2%

气象

, ~% @: H2 C2 Z% P) i

气温

−50～50℃

! P3 k% v% l+ M i# _+ l

±0.1℃

−50～50℃

@. o7 Y" v, H5 b

±0.1℃

气压

500～1100hpa

±0.3hpa

500～1100hpa

8 K7 Y& y6 [# b( l' J

±0.3hpa

湿度

! b, a$ D: j/ ^1 k: ~" N( v

0～100%

8 k6 Y' w6 W8 y& j8 e

±2%

' [/ S% d, a% ?7 J

0～100%

1 N Z; k7 B* H3 s7 n

±2%

风速

% L8 I9 J) W7 c

0～100m/s

2 D2 m& m3 W* o; P; J

±0.3m/s

5 \1 U- K Q1 C1 Q

0～100m/s

9 j% Q' N' _: T3 `

±0.3m/s

风向

7 P s# f- l, b" l1 v

0°～360°

0 }9 S3 j: k% w0 M3 I7 O5 B

±3°

0°～−360°

±3°

4 h1 a/ O+ ^# A7 a/ p2 ]. {

辐射

0～2800W/m2

% \& B) b6 Y! o3 M+ s

±3%

0～2800W/m2

±3%

雨量

& V! U! u' c# j- d1 x

0～2000mm/h

' ?+ e) M& k8 T) ?( w

±3%

& y1 `9 L; M7 M8 G) k7 P1 ~

0～2000mm/h

$ M1 Q9 M: U) V; {" d' K8 C: [0 r

±3%

7 r" S) N5 M+ h/ I5 ]4 B' h' c9 J, o

能见度

0～75000m

±20%

0～75000m

" z, T8 w! a# p% @) b" m! ~% d& F

±20%

动力

波高

% N* Y+ t# j* \" { t+ r

0.2m～20m

4 o4 B+ f- Q5 |; h! K6 K- m

±(0.1+H*5%)m

−20～20m

±0.5%

波向

0°～360°

±10°

: `% C2 T0 f% d4 ^

0°-360°

0 e# K/ Y; B" r8 W

±2°

' T4 |! O" F: p( d- `% [

波周期

2～30s

5 p* d# ?" Y6 q( g

0.25s

1～30s

1%

) D8 l, R+ O* q. B

流速

2 m1 ^5 u7 k* X. P, w R9 Y

0～300cm/s

±0.15cm/s

# S7 b3 C% S9 _2 d5 {, G" \

0～300cm/s

% c& c' g/ d/ N# o& d; K

±0.15cm/s

$ Q- `+ U/ N: l; w" a% c; y( b

流向

. b1 |- B# z. W) g1 h% P. x

0°～360°

w1 d+ {" z0 l/ q4 l

±7.5°

0°～360°

5 L* E( I9 y0 C

±7.5°

2 a2 t9 x+ h5 h/ H

生态

$ p1 _8 j; X [ {( r0 H- A; k

叶绿素

0～400μg/L

! I, N; o+ N/ S! E

0.1μg/L

0～400μg/L

( d% c+ t2 g9 X( a# @# W( G

0.1μg/L

, D* h: ]0 C* ~8 ~

溶解氧

* A) ^) `& V9 H+ ?) t

0～50mg/L

$ r1 Q, H4 t U5 B+ W

±1%

T$ ^! S) q; q( ? d0 q

0～50mg/L

±1%

7 c, l3 ^: h- F2 w, y. q

从表3中可以看出，绝大部分观测参数的测量范围和精度两者之间是相同的，但个别参数方面还存在较大差距，如波浪观测方面，国外的波向测量准确度是±2°，而我国的则是±10°，波高和波周期方面的观测也存在一定的差距，这种差距是由涉及海洋资料浮标的整体技术水平造成的。需要说明的是，表3中的大部分参数的传感器都是进口产品，仅波浪传感器是我国自主研发产品。

/ w5 g4 \! g% g' W$ B

二、海洋资料浮标观测技术发展趋势

海洋资料浮标观测技术水平是一个国家海洋装备制造水平的综合体现。综合我国的海洋战略发展规划与需求以及全球对海洋关注的日益增强，海洋监测对观测技术和装备的需求将进一步增强。随着科技的进步和发展，为了满足不断增长的海洋研究和观测需求，海洋资料浮标观测技术将得到大力发展，功能和应用领域将进一步扩展。

综合国外的核心关键技术、国内外发展现状、国内外同类浮标的性能对比以及我国当前的海洋观测需求，海洋资料浮标的发展大致呈现以下趋势：

⒈ 海洋资料浮标观测由单点向网络化综合化发展

. v6 R8 w6 b3 V

长期、综合观测是海洋观测的大趋势。由各种近海、远海定点观测平台相结合，大、中、小型浮标相协同，观测站位疏松、紧密相弥补而组成的区域/全球定点观测系统，能够准确、有效、快速及时地提供多种时空间分辨率的综合立体的海洋浮标网络观测数据，是海洋资料浮标由单点向综合化发展的必由之路。如美国NDBC管理数以千计的浮标，构成综合浮标网， 使海洋观测进入多层、立体、多角度、全方位、全天候的新时代，如由70多个浮标组成的TAO浮标网。我国在上海和福建海域也建立了初步的海洋立体观测网，但在观测和应用效果方面与国外还存在较大差距。

) T$ E0 o( C* q! w( J* w! Z6 _1 w

⒉ 通用型浮标向高精度、多参数、多功能综合观测发展

, Z4 p% K+ s4 Y0 V! ~ j

随着海洋观测技术的进步以及人们对海洋环境认识的不断深化，应用通用型浮标进行业务观测的用户对海洋观测数据质量的要求不断提高，主要包括：观测参数测量准确度的提高， 如高精度观测海流、盐度、温度等参数；随着科学研究的突破和新发现，观测参数增多，尤其是近年来生态观测需求不断增加，如CO2、总有机碳(TOC)和化学需氧量(COD)等参数；观测功能增强，同一个平台能同时观测多个参数，如荷兰DATAWELL公司最新的DWR4型产品， 不但能够高精度观测波浪，还能同时高精度观测表层海流。

⒊ 专用型浮标向专业化发展

随着新时期海洋科学问题的出现，以及海洋工程的新需求，需要一些针对特殊问题，具备特殊功能的专业化浮标，如国外的海气通量观测浮标、剖面观测浮标、海啸浮标、海洋酸化观测浮标、海冰观测浮标等，国外这类浮标种类越来越多，技术越来越先进，功能越来越专业化。我国在此欠缺很多，由于其涉及很多专业科学问题和技术难题，难度较大，亟需大力发展。

⒋ 深远海观测浮标向业务化观测发展

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深远海观测是我国深远海战略的有力保障和支撑。美国、日本等国早已实现数千米的深海浮标业务化观测，美国更是研制了高效易布放浮标系统(用于DART计划的第三代高效易布放(ETD)海啸浮标)。而我国由于受到深远海浮标布放和回收成本巨大、周期长、海上作业困难等各种限制，亟需研发易布放和回收的低成本浮标系统，关键技术主要包括深海锚系的设计及材料的选择、链接部件设计、浮球位置和大小的设置，牢固紧凑的标体结构设计。

% Q/ ^- M( V) f% G6 k9 k& k7 ~

⒌ 数据传输向大容量、实时传输方向发展

数据实时传输具有重要意义，特别是深远海大容量实时数据传输，如美国NDBC的BuoyCAMs技术目前可以传输浮标及周边实况图像数据，每15分钟更新一次。我国随着浮标观测参数、观测功能的增加，数据量也在增加。目前，深远海数据通信受限于通用的海事卫星、北斗卫星通信数据量和价格的限制，如何进行大容量、实时数据传输是目前急需解决的技术难题。另外，稳定高效的海洋资料浮标水下数据传输技术还不是很成熟，因此高效稳定的水声、激光数据传输也是一种重要发展方向。

⒍ 海洋资料浮标能源补给向多样化发展

4 b1 Y) t- D0 e4 L5 X1 L \8 L8 y

目前，太阳能供电技术已经非常成熟，绝大多数浮标都采用太阳能加蓄电池的混合能源补给方式。但随着长期连续观测要求的提高、搭载传感器的增多及观测功能的扩展，这种能源补给方式注定将不能满足需求，甚至会限制浮标应用的扩展。随着风能、波浪能、温差能等发电技术的发展与成熟，这些技术必将成为浮标能源补给的重要方式。加拿大AXYS公司的WindSentinel浮标已经在太阳能加蓄电池的基础上，率先增加了风电和发电机两种能源补给方式。我国则依然采用太阳能和蓄电池混合的能源补给方式。

⒎ 海洋浮标建造将更多采用新材料

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海洋浮标长期工作于海洋环境中，面临高盐、高湿、高温、暴晒、生物附着等恶劣环境， 对材料要求特别高。国外的浮标已经开始大量采用复合材料、合金材料等，如加拿大AXYS公司的多款浮标采用泡沫浮体，挪威AADI的DB 4700浮标采用聚乙烯浮体。我国也开始尝试新材料浮体，但依然以钢结构为主。将来，我国的浮标也将采用高性能、耐腐蚀的新材料新技术，这不仅可有效增强浮标的生存周期，而且可大大降低成本。

⒏ 浮标用传感器技术

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从表3中可以看出，海洋传感器依然是我国的弱势，虽然我国已经能够自主生产部分传感器，但在精度、实时性、长期可靠性和稳定性方面还存在很大差距。高技术含量的传感器则完全受制于人，如ADCP、叶绿素、CO2、溶解氧等基于声学和光学原理的传感器完全依赖进口产品。

■本文取自于山东省科学院海洋仪器仪表研究所王波、李民、刘世萱等人的论文“海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势”，发表在《仪器仪表学报》（2014年第11期），选取了其中的一个章节，编发时对章节、内容与图片排版进行了重新整理。本文单独成篇，组稿/溪流，版权归原作者所有，用于学习与交流，转发请备注出处。

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