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海洋观测技术的实际应用
( n& j% @. h. n2 f4 f7 p 陈鹰等 海洋装备 2021-03-22
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海洋观测，是一切海洋活动的开始，是透明海洋、智慧海洋和海洋信息化的重要基础。0 g6 v2 f- q: s' Y! w0 L. ?
海洋中从海面到海底，温度是如何分布的？长江口的近海海域的海底，溶解氧浓度有多高？印度洋的盐度和大西洋的盐度相比较，哪个更高？太平洋海底洋中脊周边生活着的虾类，它的生活规律是怎样的？这些问题的回答，就必须要通过海洋观测技术，获得海洋中的数据来解决。 : i+ D7 m8 m$ L4 g
提要：此文从定义开始介绍海洋观测技术，指出了海洋观测技术的重要意义，提出了海洋观测的数学表达。同时进行了海洋观测技术的分类和不同观测技术的性能比较分析，并阐述了间接观测技术和直接观测技术的组成和应用领域。最后通过实例，进一步说明了海洋观测技术的应用。 ) g) @1 m- ~% J1 e5 q" S
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) J3 p( y) }: ?* q! |* h f: L- n; S 何为海洋观测技术
K! ^/ b# V2 t2 Z8 | 海洋观测，是通过技术手段获取海洋或海底特定地区的时间序列数据。海洋观测的任务有 / {* R3 l4 |8 h$ x, D' W8 }- ~
1）观察未知海洋世界
/ p' p+ A+ ]% V0 N& G 2）监测评估人为作业对海洋带来的影响 ' Q8 u" F) |. a7 _5 `# g* U8 m
3）观测海洋特定地区 ( e2 R7 y8 |/ n( l( c0 B" S9 M
4）监控海洋，保护国家安全，等等 6 } U7 D I2 Q7 q! |
海洋观测，是一切海洋活动的开始，是透明海洋、智慧海洋和海洋信息化的重要基础。顾名思义，海洋观测技术，是获取海洋或海底特定地区的时间序列数据的技术。海洋观测技术的实现，通常是利用传感器及其平台技术，或通过多次采样分析，对海洋环境各量在一段时间内的感知和认识，而针对的对象通常是动态变化的。 2 L' P" b6 [5 M, X* N! s
海洋观测的数学表达式为：
8 S! l2 G7 ~* x' S6 }& A' l Y(t) = F（X1，X2，X3，...，Xp，t）
7 K6 f$ S3 x( ]: { 其中Y(t) 是观测值，X1，X2，X3，...，Xp表示为各种测量对象的值， t为时间。 2 X8 ]# |/ I5 [3 v$ g- F
从数学表达式中可以看出，海洋观测得到的是一组时间序列数据，是随时间变化而变化的一组数据。因此，观测的对象是时变的，是动态的。当观测对象是不变的，譬如海底地质现象的观测，那么在这个式子中的时间t无意义了，这时，数学式子则变成： 9 D# n# }# G2 | n# |2 N4 `
Y = F（X1，X2，X3，...，Xp） . [) g+ u8 V- v. P5 p
这式子表达的是海洋探测。海洋探测是获得一组数据，与时间无关，故通常用于时不变对象的观测或者是资源探测、海底物体寻找等方面。
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; ^. t; k' c, u) R: E& j3 Q 海洋观测技术分类
4 F( I) U5 i3 O, \' U5 M: y1 ]- X 海洋观测技术的分类，主要可从这样三个维度来考虑：一是观测形式；二是观测方法；三是观测区域。重点是观测方法。
1 }$ Z" y! G% l6 A 海洋观测形式有固定式和移动式两种，可称为定点式海洋观测技术和移动式海洋观测技术。传感器挂在浮标上的观测、基于海底原位观测站的观测是定点观测，而利用水下滑翔机携带传感器遨游海上的，则属于移动观测。
* Q6 i. l2 l. `* |9 G, g" ] 按海洋观测方法的不同进行分类，可分为间接观测技术 (indirect observing)与直接观测技术(direct observing)两种。间接观测技术，通常是通过水面运载工具或潜水器，进行采样作业或离线观测作业，把样品或数据取回到实验室，再进行分析处理，获得观测结果。直接观测技术，则直面对象，通过传感器件，加之信号传输通道，在线地实时获得海洋观测数据结果。 $ K' r; h" S) q& k% O: r6 `, a
海底间接观测主要指采集海水、（微）生物和海底物质样品，并在实验室进行样品分析从而实现观测的一种手段。这种手段通过样品的获得并进行对一些物理化学量的测量数据分析，获得目标结果。具体实现方法如拖网、CTD、多管、箱式、抓斗、热流计、大洋钻探计划等。图1是美国阿尔文（Alvin）载人深潜器在热液地区进行热液水体采样的照片。  ) z' w/ V3 `) T+ a: l
图1 热液采样器在东太平洋隆起地区热液口进行采样作业 ( P3 V' y/ B7 Y. P+ D
有一些原位观测系统，把观测器放在海底观测对象附近，对观测对象进行不间断地观测与记录，同时把数据存放在自容式存贮器中。间隔一段时间后取回实验室进行数据分析，获得过去一段时间内的观测结果。这种方式尽管实时性较差，但非常实用且经济。原位观测，英文称为in-situ observing，是特别强调海底某一具体位置上的观测，对海洋技术是一种很大的考验。在海底放置海底观测器，进行长期观测，并将数据采入随之带入海底的数据采集系统。系统回收后，在实验室中将数据导入计算机中再进行分析。这样的方式，也可称为海底原位观测站，是间接观测技术的一种重要形式。图2 所示是美国科学家对海底热液地区所实施的一项原位观测活动。  + I1 U; Y0 P; |/ X1 J$ |
图2 东太平洋隆起洋脊地区的热液原位观测站 - ]/ T# j) `& |' O/ X. f
海洋直接观测是把观测器直接放到观测对象的附近，研究人员在线实时获得观测数据。如水下遥控潜水器把水下摄像机带到观测对象旁边，将视频图像信号通过潜水器的光纤直接传到海面，可实现人类对海底各种科学现象的直接观测。建设海底观测网络，是把各种观测传感器连接在网络上，直接传到陆地，并通过internet传遍全球，帮助科学家实现对海底某一关注地区的长期、在线的直接观测。 $ B- y' ]/ G4 U$ N( c( ~; d
海洋间接观测和海洋直接观测，最大的区别是在于有无用光电复合缆（有时只是具有通讯功能的缆绳）。1 R9 |" {7 | T" O$ v5 N n
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用缆就意味着海洋观测信号可以做直接获取，可以做到在线、实时的观测。同时，如果是采用光电复合缆的话，还意味着电能的无限供给，也即观测时间的无限制，做到长期的观测。从观测方法的要点、特征、基本组成单元和载体（或平台）技术四个方面对海洋间接观测和直接观测进行归纳，可用表1来清楚地表示。 & e7 v D( Q: Q+ r4 l" u
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表1 海洋间接观测和海洋直接观测之归纳 # G' C0 ~4 E) h4 t$ ]! ]
- h* m. ?. o; }- _' Q- M/ J 另一个分类的维度，是根据观测的区域不同进行分类。对海洋的观测，主要是对这样三个不同区域进行观测：海面、海水、海底。也就是说，将海洋观测技术分为海面观测技术、海洋水体观测技术（或称海中观测技术）和海底观测技术。对海面的观测，主要是开展海水与空气界面间关系的研究。这方面的工作，除了对海洋进行观测之外，还涉及到海洋表面的大气部分，如海面气温、风向、风速的观测。从技术手段上来看，可采用海洋遥感技术。对海洋水体的观测内容十分丰富，在物理上可对涌、浪、潮、流、温度、浊度、盐度等量的观测与数据采集；在化学上和生物上可对海洋中的化学和生化量的观测，对二氧化碳、pH、DO（溶解氧）、营养盐、叶绿素、重金属、蛋白质等含量的观测与分析等。对海底进行观测，' O7 a. Y9 A, {! G# m: E' @ g
* a4 Z- S9 m+ U1 L, q$ l6 X 是近几年来随着科学技术的不断发展和完善，特别是海洋技术的发展，涌现出来的“新生事物”。对海底开展物理、化学和生物上的观测之外，还可对地形地貌进行观测，对海底某一现象进行观测，以及在地球物理方面进行观测，如地震波的观测等。 2 A* {- ~! r1 ]/ W1 Z5 x- P
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海底是地球上人类最不熟知的区域之一。作为海洋组成的重要部分，海底观测历来是人类努力希望实现的一项工作。由于技术上的困难，使得这项工作远远不能满足科学研究发展的需求。除了要了解海底的海床构造、深度，更要了解海底的岩石与沉积物的物理化学组成等海底情况。特别是随着海底矿藏（海洋石油）、深海热液、天然气水合物等现象的发现，海底观测的内容更加丰富，也更加迫切。图3所示的是某一海底热液地区的生态系统，对这样的海底观测，就需要依托多方面的技术来开展。 
" N6 l! h& d% J, b c# q% D+ M 图3 海底热液地区的生态系统
7 e% u2 [3 u# x. q, M/ q: X 近年来，国内外的一些科学家们提出了海底海洋的概念。认为在海床的底下，还有大量的水域。在这些水域中，也发现了丰富的生命现象，故被誉为深部生物圈。事实上，深海天然气水合物，也可以看作是海底海洋的另一种形式。如上所述，海洋的观测又增加了一项新的内容——海底海洋的观测。这方面的观测，需要对海底海洋的结构构造、岩石沉积物的物理化学组成以及海底海洋水体中的物理、化学及生化量的观测。 ; p7 C* \- H! Q1 S+ {
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: W! ?/ f6 X/ B7 H8 M7 n. X 海洋观测技术分析 2 D/ m4 ]5 K! \/ }! t" n
通过采集样品，送到实验室进行分析，是十分传统而常用的手段。这种方法一直在大学里教授，并广泛用于当前的海洋科学的研究当中。由于出海采样耗时，且航次通常要持续一段时间，回到岸上再送到实验室分析获得数据，“间接”时间是比较长的，通常几天、几周甚至一年以上。当然，实验室分析仪器部分能够带到船上，这样当天就可以得到数据，“间接”时间大大减少。随着海洋技术的进步，直接或“准直接”获得数据的情况越来越多。当然，不同的观测方法，“间接程度”有别。例如采样或岸上实验室分析间接时间最长；水下滑翔机观测，间接时间可能数天；海洋卫星或有缆的海底观测网络可以在线获得实时的数据，也就是说是直接获得数据。图4显示了不同观测方法的“实时性”对比。  5 a! b! V h; A e7 N/ G
图4 海洋观测实时性与成本 : _" O! `+ H* B% A& ~+ L. ?
不同的观测手段，观测涉及范围也是相去甚远。譬如海洋卫星的观测范围很大，甚至可覆盖一个海区。而一个海底原位观测站，其观测范围只有传感器能及的很小范围。图5显示了不同观测技术的观测范围与成本的比较。当然，从观测精度来讲，海底原位观测站的观测精度，一般来讲要比海卫星要高许多。  " ]0 n1 a+ C# w: I" ~; ?6 T& c
图5 海洋观测范围与成本
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海洋观测技术实例介绍
2 `) K! z) O+ g3 l 最后，让我们通过几张图片，来介绍一下不同的海洋观测技术的组成和性能。 ' i- x2 h5 n7 g! a4 w2 ]; ]: Q$ n
9 P$ R# c- h1 P2 J$ ^ 图6 海洋漂流浮标的工作流程
% p6 v w7 `, ? 图6显示了海洋漂流浮标的工作流程。很多人都知道，世界各国共同实施了ARGO计划，在世界各大洋中布放了大量的漂流浮标，来开展对海洋的动力参数甚至生化参数的大范围观测。截止2017年3月，世界各大洋中正在工作的漂流浮标共有3936个。其中美国贡献量最大，布放了2210个浮标。英法德日澳等国积极参与了这项计划，我国也积极参与并布放了117个浮标，并在国家海洋局第二海洋研究所（杭州）设立了ARGO数据处理中心。从图6表示的漂流浮标工作流程中，我们可以看到，我们通常是8-10天之后通过卫星获得一批数据，随着浮标的漂流，我们可以获得一个海洋切面上的海洋动力参数，如确定深度下的温度、盐度甚至流速等等。这些数据，很好地支撑了海洋科学研究，海洋大气预报等工作。 $ r* d$ s) H) R9 u& C5 B
图7显示了一个海底原位观测站在海底热液地区工作的情景。这个原位观测站是用来观测热液烟囱的温度变化的
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。这个系统用一个不锈钢圆锥筒，里面正交分布三层热电偶，并配套设计自容式信号采集系统和电池仓，我们给这个系统一个俗称——高温帽。通过载人深潜器布放到2000多米的海底并搁置在热液口上端，15天之后再通过深潜器下潜回收高温帽，从而获得15天时间内的温度连续变化曲线。可见这是一个典型的间接观测系统。
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图7 高温帽在热液口附近观测作业
( @* S' D3 i) W! V9 Z) ` 图8是一个海底观测系统示意图。海底观测系统通过布置海底光电缆，连接海底的观测系统与岸基站。显而易见，这样的系统可以在线、实时地获得海底的实测数据。海底观测系统的关键部件是布放在海底的接驳盒，它承担着连接海上海底的重任，进行着海底的电能接驳与分配，信号的上接下联。海底观测站通常需要高压通电，光缆通信，布放时需要采用有缆无人遥控潜水器来操作，成本是非常高的。维护起来也十分不便。 
+ l. S/ |' I* x2 }' [ 图8 海底观测系统 * A0 F2 J! u0 U0 ^: C# @- p# h
采用无人自主式潜水器（AUV）搭载传感器进行观测，是一种传统的观测手段。然而AUV自带电池，工作时间颇短，需要常常回收到船上进行充电（同时下载数据），然后再放回大海工作，效率甚低。如果利用海底观测网络对AUV进行充电并下载数据，既可提高AUV的工作效率，又可解决海底观测网络观测范围有限的矛盾。因此，国内外科学家们正在致力于AUV+海底观测网络的观测系统研究。图9显示了海底观测网络与AUV“搭桥”的工作原理图，通过在海底观测网络和AUV之间设置“DOCK”系统，解决AUV与海底观测网络的电能/信号连接问题。
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$ Q }# U9 A) M8 g3 o 并在2017年5月12日，在中国南海海域成功实施了百米深度的AUV对接海底观测网络的试验工作。
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3 O3 h- }0 V7 r' ?; v8 Q 图9 海底观测网络与AUV“搭桥”的DOCK系统
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结语
+ [2 c1 u; N$ Y% ` 海洋观测技术在海洋科技领域中扮演着重要角色，它推动着海洋科学研究的进步和海洋各项事业的发展。海洋观测技术还有待于进一步的完善，在“深度”、“广度”、“精度”、“持续度”和“经济度”等五个纬度上有很大的提升空间。发展海洋观测技术，海洋技术研究人员义不容辞。让我们共同努力，用先进的海洋技术，推动国家海洋事业进步，为人类的科技文明发展作出贡献。 ( J8 N1 y5 W- P0 P, @8 f! H
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