国内锚定式水体剖面观测技术的发展与现状

图 1 三锚式浮标综合观测平台实际运行图

Fig. 1 The current running situation of three-anchor buoy integrated observation platform

我国在水下观测系统技术方面的发展状况较国外落后很多, 在观测技术方面除一些通信技术和中心控制技术外, 其他如传感器技术、系统结构设计技术和能源供给技术等均落后世界水平 5 年以上。这基本上就确定了国内在水体剖面观测的落后现状, 虽然整体情况不容乐观, 但我国在水下观测系统技术的研制方面也作了许多尝试, 并取得了显著进步。 我国在 2004 年初步研制了适用于极区冰盖下的锚定式垂直剖面测量装置, 具有温度、盐度、海流剖面数据获取功能, 并可利用声学进行数据传输, 在南海进行了海试。 2007 年国家海洋技术中心研制了利用动力驱动的水体剖面观测系统, 中船重工 710研究所研制了一种采用可控浮力实现观测系统升降的深海定点垂直剖面观测系统, 观测装置可沿系留缆上下升降, 进行剖面水体数据的往复获取。 2008 年中国科学院海洋研究所参照加拿大的“海马”, 研制了波浪能驱动的水体剖面观测系统, 该系统是一种波浪驱动式垂直剖面测量平台, 该平台通过高效的波浪能传递装置, 采用特殊的棘爪驱动结构, 可以完全依靠波浪的能量在水表面以下特定的深度循环往复运动。利用潜标进行水体剖面观测的技术, 我国起步较晚, 初期以研制自容式潜标系统为主, 布放水深有限, 随着应用需求的增大和技术的进步, 我国潜标的研究进展较快, 最大布放水深可达到 6 000 m, 但观测内容主要为剖面海流, 比较单一, 且核心传感器还依赖于进口, 我国科学家主要进行平台的设计和研发。利用海床基进行水体剖面观测的目的主要解决海床基动力要素综合自动监测系统的实时监控。自2008年以来, 我国在观测技术方面的进步更是成绩斐然,主要是通过西太平洋深海科学观测网、南海潜标观测网和中国科学院近海观测研究网络三大体系的构建和完善, 全面、系统提升我国在海洋观测网建设、海洋观测技术研发等方面的能力和水平, 甚至在某些海洋观测技术的研发与集成方面已经站在了该领域的国际前沿, 逐渐呈现出系统性突破初露端倪的态势。

图 2 基于大型浮标的自由伸缩式海洋剖面观测系统示意图和实际照片

Fig. 2 The schematic and photo of free-retractable ocean profile observation system based on large buoy

1 西太平洋深海科学观测网及其锚定式水体剖面观测技术

中国科学院海洋研究所在战略性先导专项“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”的支持下, 在热带西太平洋区域, 自主建立了国际领先的西太平洋深海科学观测网, 该观测区域拥有全球海洋中最大的暖水体-热带西太平洋暖池、全球最强劲的Walker环流和Hadley环流的对流中心和上升流分支, 暖池在赤道太平洋上的东西移动及相应的大气环流变化, 通过季风系统深刻影响着我国气候的变化[28-30]。西太平洋深海科学观测网2013年开始规划建设, 2014年开始船基的综合考察和第一批潜标布放, 2015年成功回收第一批潜标, 获取到宝贵的第一批潜标数据, 2016年, 再次成功实现了潜标维护和数据回收, 标志西太平洋深海科学观测网已经实现稳定运行, 并成功进行了深海潜标数据的实时化传输, 破解了深海潜标实时数据传输这一海洋观测技术难题。西太平洋科学观测网经过多年的建设, 已经建设完成20套深海潜标、4套大型浮标, 通过这些设备稳定获取到大量的连续观测数据, 使我国深海连续和实时观测能力稳步提升。

西太平洋科学观测网在水体剖面观测技术应用的深海潜标数据实时回传方面取得重要突破, 科学家通过融合感应耦合和水声通信技术, 实现深海潜标最上面的一个距离海表面还有400~500 m浮体, 与卫星进行实时通讯, 将潜标实时获取的深海水体剖面数据及时地通过卫星传回陆地实验室, 截至2017年9月, 深海数据已成功连续实时回传260天, 数据回传率95%以上, 创造了国内外有明确文献记录实时获取深海数据的最长工作时间。

2 南海潜标观测网及其锚定式剖面观测技术

南海是我国建设海洋强国的核心战略海区, 是我国进行深海研究的天然实验室, 自2009年以来, 中国海洋大学在南海连续布放潜标观测系统, 构建了国际上规模最大的区域潜标网—南海潜标观测网, 完成了南海深海盆地潜标观测的全覆盖, 观测海域横跨吕宋海域、南海深海盆、南海东北部和西北部陆坡陆架区, 实现了对南海大尺度环流、中尺度涡、小尺度内波、微尺度混合等多尺度海洋动力过程的长期连续观测。截至2017年, 南海潜标网累计布放潜标304套次, 回收成功率100%, 目前南海潜标网保持同时在位观测潜标42套, 获取的观测数据支撑了众多南海多尺度动力过程的重要科学发现, 对南海海洋科学规律的认知又提升到一个新的水平, 尤其是为南海环境安全保障、资源开发利用、生态环境保护和气候变化应对提供了丰富、重要的平台和数据支撑。南海潜标网在水体剖面观测技术方面突破了水下观测平台沿缆往复稳定可靠运动控制技术和水下剖面测量等关键技术, 可实现近实时的水体剖面参数卫星传输。

3 中国科学院近海观测研究网络及其锚定式剖面观测技术

2007年开始, 中国科学院在创新三期中部署建设了近海海洋观测研究网络, 重点对我国东海、黄海、南海北部海域进行长期定点综合观测, 该网络是中国科学院五大基础系统建设的重要组成部分, 由黄海海洋观测研究站、东海海洋观测研究站、胶州湾海洋生态系统定位研究站、西沙海洋观测研究站、南沙海洋观测研究站、大亚湾海洋生物综合试验站、海南热带海洋生物实验站、牟平海岸带环境综合试验站、黄河三角洲滨海湿地生态试验站共9个科学院野外台站以及中国科学院开放航次断面组成, 实现点-线-面结合, 空间-水面-水体-海底一体化的多要素同步观测, 同时兼有全面调查与专项研究功能, 为海洋科学研究和区域海洋经济发展提供坚实的数据支撑和保障。

在水体剖面观测技术的研究和应用方面, 隶属于中国科学院近海观测研究网络的黄海站和东海站作了大量工作, 其中在黄海站首先开展了自容式水体剖面观测的应用, 自2009年5月开始, 在北黄海长海县附近海域开始布放水体剖面观测浮标, 该种剖面观测采用浮标锚系系留自容式传感器的方式, 从水下2 m开始, 每隔2 m在包塑缆锚系上安装1台自容式传感器, 自海面至海底共安装18台传感器, 可同时获取18层海水的的海洋环境参数, 这些环境参数具体包括水温、盐度、浊叶、叶绿素、溶解氧, 海面上配置的直径2 m钢制浮标体的底部加装有剖面海流计, 可进行全水层剖面的海流观测, 整套系统构成自容式水体剖面观测浮标, 目前该浮标系统已经稳定运行10年, 已经连续获取到121个月的剖面观测数据, 但采用自容式垂直剖面观测方式存在明显的技术缺陷, 即只能定期进行设备回收和数据提取, 不能进行剖面观测数据的实时传输和查看。

为解决水体剖面观测数据实时传输问题, 黄海站采用感应耦合技术, 于2018年5月建设完成一套感应耦合垂直剖面综合观测浮标系统并在威海荣成海域顺利布放, 该系统既对海表面各观测参数进行实时观测, 又通过先进的水下感应耦合传输技术实现了剖面水体中水温、盐度、深度、浊度、叶绿素、溶解氧、pH值等多参数的长期、定点、连续、实时观测, 具有结构简单、功耗低、传输距离远、可靠性高、装拆方便且安装位置可任意更换、后期维护工作成本低、工作难度较小等诸多优点。目前, 该系统已经在威海荣成附近海域连续稳定运行超过16个月, 获取常规观测数据88.2万余条, 垂直剖面观测数据达14.5万余条。

东海站的水体剖面观测技术应用更加丰富和多样化, 并且在近海海域的应用中取得了一些具有显著代表性和影响力的成果, 首先是基于10 m浮标载体的锚链式自容式剖面观测系统的试验, 为满足定点海域长期水体观测数据的需求, 东海站依托1套10 m直径的综合海洋观测研究浮标, 从2014年10月至2015年11月, 开展了连续13个月的垂直剖面全水层观测系统试验, 采用锚链10、20和30 m水深处挂载自容式传感器的方式, 获取到8个周期共412 d, 518万条的有效剖面观测数据, 剖面观测参数有水温、盐度、深度、浊度、叶绿素和溶解氧。试验充分证明了依托大浮标进行锚链式剖面观测方法的实用性和可推广性。

其次东海站研制了国内首套超大型浮标三锚式浮标综合观测平台, 三锚式浮标综合观测平台在观测技术方面是一项创新性的应用工程, 浮标综合观测平台直径15 m, 是国内首套直径最大、观测参数最全、智能化程度最高的海上综合观测和试验平台(图 1), 整个平台主要由浮标主体、锚泊系统和传感器等部分组成, 采用三锚固定观测系统方式, 克服了单锚浮标系统随潮、流作用, 活动范围较大, 在进行剖面参数长期观测时锚系易与剖面观测系统发生纠缠等缺点; 同时, 该平台预留多种观测井、仪器舱, 可根据实际应用或科学需求, 以及针对突发生态灾害等问题, 进行短期的专项观测, 是实用、简易的海上试验综合观测平台。在具体观测内容和方式上, 具有海气界面观测、通量观测、水面观测、水体观测、海底观测等多项综合观测以及应急生态灾害专项监测诸多功能于一体的特点。该平台的应用解决了我国近海获取实时、长期和连续的剖面水体数据的观测技术难点, 为建立涵盖海洋大气、海洋表层、剖面水体和海底的全尺度观测体系弥补了关键一环, 是一种适应目前我国近海海洋观测需求的创新性海洋综合观测平台, 大大提升中国近海海洋观测研究网络的观测能力, 为我国海洋科学基础研究、防灾减灾等提供更加丰富、完备的数据支撑。

东海站第三项涉及水体剖面观测的技术研发是进行刚性剖面观测技术-自由伸缩式智能化剖面观测浮标系统的研制和应用。该系统充分利用大型海洋综合观测浮标在位生存能力强的优势, 能够在无人值守条件下, 采用智能控制与自由伸缩式刚性结构体技术结合的方式进行海洋剖面观测, 可对剖面水体的水温、电导率、深度、浊度、叶绿素、溶解氧、pH值等多参数要素进行长期、定点、连续、实时观测(图 2)。该系统的一个显著特点是智能判断, 浮标系统的智能控制功能采用了AI技术, 根据浮标上配置的各类传感器获取的实时数据对海况进行判断, 从而对伸缩装置的运行状态进行自动控制, 实现自主智能控制对水面下一定深度水体的多项环境参数进行长期、连续、定点、实时观测。自由伸缩式智能化剖面观测浮标系统还进行了多项技术创新, 包括采用太阳能-波浪能多源组合供电模式、视频实时监控功能、多层通量风的观测功能等。该浮标系统具有安全稳定、推广性强、可利用现有的浮标观测网络构建一个观测范围广阔的水体垂直剖面观测网络系统的优势, 有效增加和拓展我国近海水体剖面观测的深度和内容, 为海洋基础和应用等学科研究的深入开展, 取得突破性、创新性研究成果起到更加全面的系统支撑作用。

节选自下文，参考文献略

—END—引文出处: 锚定式海洋水体剖面观测技术的研究与应用[J]. 刘长华,王春晓,王旭,贾思洋. 海洋科学,2019,43(12):139-147.转载请注明信息来源及海洋知圈编排