海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势.pdf

第 35 卷 第 11 期 仪器仪表学报 Vol. 35 No. 11 2014 年 11 月 Chinese Journal of Scientific Instrument Nov. 2014 收稿日期: 2014-07 Received Date: 2014-07 *基金项目: 国家自然科学基金(61201097、41305024、41205024)、国家海洋局海洋公益性项目(201405022-2)、山东省自然科学基金 (ZR2012DL14、ZR2013DM013、ZR2013DL009)、山东省科学院科技发展基金、青岛市科技攻关(12-4-1-52-hy)项目资助 海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势* 王 波 1, 2, 李 民1, 2, 刘世萱1, 2, 陈世哲1, 2, 朱庆林3, 王红光3 (1. 山东省海洋环境监测重点实验室 青岛 266001; 2. 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 青岛 266001; 3. 中国电波传播研究所 青岛 266106) 摘摘 要要: 海洋资料浮标是一个涉及电子、通信、控制等多个领域的复杂系统, 可以在各种复杂的海洋环境中提供长期、连 续、实时、可靠的海洋观测数据, 是海洋观测技术中最可靠、最有效、最重要的手段之一。本文简述海洋资料浮标的系统 结构及其关键技术, 分析了我国海洋资料浮标技术的技术水平及其与国际先进水平的差距; 重点总结了近年来国内外海洋 资料浮标技术发展与应用现状, 对比分析了我国典型代表浮标与国外同类浮标的系统参数及观测参数, 在此基础上, 结合 我国当前面临的形势及迫切需求, 展望了海洋资料浮标技术的发展趋势。 关键词关键词: 海洋资料浮标; 海洋环境; 海洋观测; 发展趋势 中图分类号中图分类号: P715.2 TH766 文献标识码文献标识码: A 国家标准学科分类代码国家标准学科分类代码: 170.6050 Current status and trend of ocean data buoy observation technology applications Wang Bo1, 2, Li Min1, 2, Liu Shixuan1, 2, Chen Shizhe1, 2, Zhu Qinglin3, Wang Hongguang3 (1. Shandong Provincial Key Laboratory of Ocean Environment Monitoring Technology, Qingdao 266001, China; 2. Institute of Oceanographic Instrumentation, Shandong Academy of Science, Qingdao 266001, China; 3. China Research Institute of Radio Wave Propagation, Qingdao 266106, China) Abstract: Ocean data buoy is one of the most reliable, most valid and most important ocean observation techniques, which involves many fields such as electronics, communications, control and so on. Ocean data buoy can provide long-term, conti- nuous, real-time, reliable observation data under complicated ocean environment. The system structures and key techniques of ocean data buoy are briefly described. Technical gap between China and developed countries and domestic technical level of ocean data buoy technique are also analyzed in detail. The current development and application status of ocean data buoy tech- niques are reviewed. System and observation parameters of typical data buoys manufactured by China and developed countries are contrastively analyzed. Finally, the future directions are presented based on previous analysis and Chinas current situation and the urgent demand. Keywords: ocean data buoy; ocean environment; ocean observation; development 1 引 言 海洋资料浮标(ocean data buoy)是一种用于获取 海洋气象、水文、水质、生态、动力等参数的漂浮式 自动化监测平台, 它是随着科技发展和海洋环境监 测、预报的需要而迅速发展起来的新型海洋环境监测 设备, 具有长期、连续、全天候自动观测等优点, 为 海洋预报、防灾减灾、海洋经济、海上军事活动等服 2402 仪器仪表学报 第 35 卷 务1, 对沿海国家和地区的国计民生和国土安全等多 个方面都具有重大意义, 因此受到世界各国的极大重 视和大力发展。海洋资料浮标是海洋观测中最重要、 最可靠、最稳定的手段之一, 是海洋观测资料 4 大来 源之一。 目前, 海洋资料浮标按照应用形式可以分为通用 型和专用型浮标。通用型浮标是指传感器种类多、测 量参数多、功能齐全, 能够对海洋水文、气象、生态 等参数进行监测的综合性浮标; 专用型浮标是指针 对某一种或某几种海洋环境参数进行观测的浮标。 此外, 按照锚定方式可以分为锚泊浮标和漂流浮标; 按照结构形式可分为圆盘型、圆柱形、船型、球型、 环形等1。 海洋资料浮标的发展已经有几十年的历史, 许多 技术已经成熟。随着全球气候变化等科学问题研究的 深入和我国海洋战略的实施, 以及新理论、新技术、 新方法的不断发展, 对海洋资料浮标观测技术提出 了新要求、新标准和新问题2-4。本文从通用型和专 用型浮标的角度, 简述海洋资料浮标的关键技术及 其水平, 综述国外浮标观测技术发展现状, 结合我 国的现状及迫切需求, 指出我国海洋资料浮标的发 展趋势, 为我国海洋资料浮标观测技术的发展提供 参考和依据。 2 海洋资料浮标系统与关键技术 海洋资料浮标涉及力学理论、系统论、控制论、 信息论以及传感与检测技术、通信技术、电子技术等 多方面的理论及技术体系, 是一个复杂系统1。 2.1 海洋资料浮标系统概述 海洋资料浮标是一个复杂系统, 涉及结构设计、 数据通信、传感器技术、能源电力技术自动控制等多 个领域, 是多个学科的综合与交叉。海洋资料浮标系 统可以分为六大部分1: 浮标标体部分、数据传输与 通信部分、数据采集与控制部分、传感器部分、系留 系统部分、能源供给部分。 通过以上部分的交叉和组合可以形成能满足不 同观测需求的浮标系统, 如水上海洋资料浮标、水下 潜标和海床基、海冰浮标等。同时, 随着科技的发展 和需求的增加, 各项技术也在不断的丰富和发展, 如 新材料在浮标平台结构中的使用、基于北斗卫星的通 信系统、基于波浪能的剖面观测浮标等。 2.2 海洋资料浮标关键技术 海洋资料浮标是一个复杂系统, 涉及多个学科、 多个关键技术, 经过多年的发展, 部分关键技术已经 成熟。但随着应用需求的增加以及新原理、新材料和 新技术的不断涌现, 海洋资料浮标关键技术也在不断 的发展和变化。与浮标系统结构对应, 浮标关键技术 总体可以分为六部分。根据国际上的发展趋势以及我 国当前面临的形式和迫切需求, 表 1 概括了当前亟需 发展的部分核心关键技术。在双向通信交互技术、水 下数据实时传输技术、传感器总线式处理控制技术方 面处于国际先进水平, 其他技术均落后世界水平 5 年 以上。 表 1 海洋资料浮标核心关键技术列表 Table 1 Key Technologies of ocean data buoy 技术类别 核心关键技术 浮标结构设计技术 (1) 新型深远海定点平台设计技术 (2) 新型定点平台性能评价技术 (3) 低成本易布放回收平台技术 数据传输与通信技术 (4) 安全高效的数据传输技术 (5) 双向交互通信技术 (6) 水下数据实时传输技术 数据采集与控制技术 (7) 新一代智能数据采集控制技术 (8) 总线式传感器控制技术 (9) 海洋传感器的即插即用技术 (10) 采集数据质量控制技术 传感器技术 (11) 高精度、 高可靠性传感器技术 (12) 多功能、多参数传感器技术 (13) 智能传感器技术 系留技术 (14) 牢固耐用锚系设计技术 (15) 新材料新工艺锚系技术 (16) 深海系泊技术 能源供给技术 (17) 深海平台长期稳定供电技术 (18) 太阳能、 风能及混合供电技术 (19) 波浪能和潮汐能利用技术 (20) 大功率综合供电技术 第 11 期 王 波 等: 海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势 2403 3 国外海洋资料浮标观测技术的发展现状 国外海洋资料浮标观测技术的发展历史悠久, 加 之先进科技成果的应用, 因此其技术水平和成果具有 很好的代表性和指导意义。 3.1 通用型海洋资料浮标观测技术已经成熟 通用型海洋资料浮标主要指当前已经产品化, 并 且能够满足常规海洋参数观测业务化运行的浮标。国 外海洋资料浮标的发展始于上世纪 20 年代, 发展至 今已经取得了大量优秀成果。当前, 美国、加拿大、 挪威等海洋科技强国的通用型海洋资料浮标观测技 术已趋成熟, 不但功能齐全, 可靠性高、精度高、稳 定性好, 而且形成了功能多样的产品系列, 制定了相 应海洋环境监测规范和标准, 已经在各沿海国家实现 了长期业务化运行。 海洋资料浮标观测技术应用的优秀代表是美国 国家海洋和大气管理局(National Oceanic and Atmos- pheric Administration, NOAA)的国家资料浮标中心 (National Data Buoy Center, NDBC), 其管理的海洋资 料浮标遍布全球, 锚系浮标包含了从 12 m 到 1.5 m 直 径的多个系列，如图 1(a)所示, 长年工作于海上提供 了大量珍贵的海洋数据; 世界气象组织(WMO)和政 府间海洋学委员会(IOC)的数据浮标合作小组(DBCP) 也管理着众多的海洋资料浮标, 用于全球气象预报等 领域; NDBC 管理的锚系浮标实现了全球分布如图 1(b)所示5。 国外已经将锚系浮标观测技术扩展到深远海, 如 印度洋、南北极、赤道附近等。随着海洋环境监测要 求的不断增加和提高, 建立了大区域、高密度、多参 数、多功能的海洋浮标监测网, 如美国 NDBC 用于热 带海洋大气观测的 TAO(tropical atmosphere ocean)浮 标网, 由大约 70 个锚系浮标组成。 图 1 美国 NDBC 管理的多种锚系浮标及全球分布图5 Fig. 1 Moored buoys organized by NDBC and its world distribution5 3.2 重点发展多种专用型浮标 专用型浮标是浮标观测技术水平良好体现, 也是各 国在海洋资料浮标领域研究、 制造、 应用方面综合实力、 技术水平和创新水平的标志之一。 针对特定的应用需求, 国外研制了多种专用浮标系统, 代表成果有海洋剖面浮 标、海上风剖面浮标、海啸浮标、波浪浮标、光学浮标、 海冰浮标、海气通量观测浮标和海洋酸化观测浮标等。 以下概述这几种专用型浮标的基本情况和代表产品。 海洋剖面观测浮标: 能够观测海水参数的垂直变 化剖面的浮标系统。水下剖面观测浮标最早的代表是 美国伍兹霍尔研究所(WHOI)6设计的具有自动升降 功能的剖面观测系统 MMP(mclane moored profiler), (如图2(a)所示)和加拿大Bedford研究所7设计的海马 (Seahorse)波浪能驱动剖面观测系统, 如图 2(b)所示。 2013 年挪威的 SAIV AS 公司8利用浮标搭载电动绞 车的方式研制了自动剖面观测系统, 如图 2(c)所示。 此外, 意大利、韩国等国也纷纷开发了自己的剖面观 测浮标, 有的甚至都已经业务化运行多年。 2404 仪器仪表学报 第 35 卷 图 2 国外海洋剖面观测浮标 Fig. 2 Overseas products of ocean moored profilers 海上风剖面浮标: 海上风剖面观测浮标则是近几 年出现的新成果, 主要测量海上低空(小于 1 km)的风 场剖面, 代表成果是 2009 年加拿大9AXYS 生产的 WindSentinel(图 3(a)和 2013 年挪威10OCEANOR 公 司生产的 SEAWATCH Wind LiDAR 浮标(图 3(b), 都 是通过搭载激光雷达实现底层风剖面观测。 图 3 国外的海洋风剖面浮标产品 Fig. 3 Overseas products of ocean wind profiles 海啸浮标: 通过实时监测海面波动情况, 及时确 认是否发生海啸以及发生海啸的大小程度, 为海啸预 警提供非常重要和珍贵的数据。美国 NOAA 早在上 世纪 90 年代初就开始了海啸浮标的研制及系统建设, 取得了优秀成果, 2001 年建立了第一代 DART 系统, 2005年开始第二代DART系统(DART II)的建设, 2007 年开始高效易布放(ETD)海啸浮标的研制和全球布网 (DART III, 图 4(a), 迄今为止, 已经在全球范围内布 放了超过 60 个海啸浮标(图 4(b)11。 图 4 美国 NOAA 海啸预警系统 Fig. 4 Deep-Ocean Assessment and Reporting of Tsunamis system of NOAA, American 波浪浮标: 专门用于波浪参数观测的浮标, 绝大 部分波浪浮标都采用球形标体, 以具备很好的随波 第 11 期 王 波 等: 海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势 2405 性。波浪观测是海洋环境观测的重要参数之一, 也是 海洋环境观测的难点之一。当前代表波浪观测最高水 平的浮标是荷兰 Datawell公司13的波浪骑士, 其他还 有加拿大 AXYS 公司14的波浪浮标，如图 5 所示。 图 5 国外波浪浮标代表产品 Fig. 5 Overseas products of ocean wave buoys 光学浮标: 以光学技术为基础, 可连续观测海 面、海水表层、真光层乃至海底的光学特性的浮标。 第一台光学浮标于 1994 年诞生在美国, 此后, 英国、 日本和法国等发达国家也研制了自己的光学浮标, 代 表产品有美国的 MOBY15和法国的 BOUSSOLE16, 分别如图 6 所示。 图 6 国外光学浮标代表产品 Fig. 6 Overseas products of optical buoys 海冰浮标17: 布放于南北极海冰区域能够观测 包括海冰在内的海洋环境参数的浮标, 既可以监测海 冰自身的热力及动力过程, 同时可以加载相应的海洋 及大气参数观测的传感器, 用于海洋及大气边界层物 理过程观测。当前, 有 7 种以上常用海冰浮标适合于 南北极海冰地区的观测，如图 7 所示。 图 7 国外海冰浮标代表产品17 Fig. 7 Overseas representative products of ocean ice buoys 17 海气通量观测浮标: 用于观测大气和海洋之间能 量和水的相互运动和交换过程, 对全球气候变化和预 报及大气环流研究等领域具有重要作用和意义, 主要 观测风速、风向、温度、湿度、压强、长短波辐射、 降雨等参数, 代表成果是美国伍兹霍尔海洋研究所 (WHOI)18的 ASIMET(Air-Sea Interaction METeorol- ogy)系统以及迈阿密大学19的 ASIS(Air-Sea Interac- tion Spar)系统，如图 8 所示。 2406 仪器仪表学报 第 35 卷 (a)美国 WHOI 产品18 (b) 迈阿密大学产品19 (a)WHOI18 (b) University of Miami19 图 8 国外的海气通量观测浮标 Fig. 8 Overseas products of air-sea fluxes observation buoys 海洋酸化观测浮标: 用于观测表层海水和大气的 CO2浓度, 用于观测海洋酸性变化的浮标。2013 年 8 月, 美国 NOAA 在大西洋北极圈附近布放了第一个海洋酸 性观测浮标, 该浮标安装了由 PMEL 公司生产的 MAPCO2系统20， 如图9所示。 2004年开始, 美国NOAA 在部分已有观测浮标平台基础上, 增加 CO2和 pH 观测 参数, 执行海洋酸化观测计划。目前 CO2观测浮标大约 有 12 个, 分布在太平洋、大西洋和印度洋等海域。 图 9 国外 MAPCO2观测浮标20 Fig. 9 Overseas MAPCO2 observation buoy20 海洋放射性监测浮标21: 2005年希腊利用浮标搭 载 3 个 NaI 晶体能谱仪检测海水中 射线能谱, 实现 了海洋辐射在线原位监测, 如图 10 所示。 (a)浮标系统结构21 (b)辐射检测传感器22 (a) Buoy system21 (b) Radioactivity sensor22 图 10 海洋放射性监测浮标 Fig. 10 Ocean radioactivity monitoring buoy 总体来说, 国外海洋技术强国的海洋资料浮标观 测技术处于领先水平, 不但技术先进, 功能齐全, 大 部分都已经处于长期业务化运行阶段, 而且具有观测 精度高、长期稳定性好、功能齐全、功耗低等特点。 其观测范围已经扩展到深远海, 组成了业务化的观测 网, 并且向着全球高密度布网发展。具有原始创新和 高技术水平的各种专用浮标观测技术发展迅速。表 2 给出了国外海洋资料浮标方面的优势科研机构及其 简要信息。 表 2 国外海洋资料浮标的优势科研机构 Table 2 Foreign advanced research intuitions of ocean data buoy 机构名称 国家 主要技术与产品 NDBC 美国 美国 NOAA 下属的集研发、生产、应用、管理于一体的综合性单位, 主要产品有 12m-1.5m 直径各 类浮标、海啸浮标、波浪浮标等。 伍兹霍尔研究所(WHOI) 美国 专注于海洋科学与海洋工程的非盈利私人研究和教学机构, 主要代表产品海气通量浮标、海洋剖面 浮标、潜标系统等。 斯克里普斯海洋研究所 美国 美国太平洋海岸的综合性海洋科学研究机构。主要代表产品海气通量浮标、直立水中的 FLIP 平台。 华盛顿大学 美国 研制第一台监测海洋酸化的科考浮标。 迈阿密大学 美国 海气通量观测浮标。 SEABIRD 美国 从事海洋传感器及综合观测系统集成, 主要产品有 CTD。 AXYS 加拿大 从事海洋浮标监测系统的研发、布放、维护和高精度海洋监测数据实时记录、传输技术, 主要产品 有风剖面浮标、波浪浮标、船型浮标及各类传感器。 RBR 加拿大从事海洋传感器研发、以及海洋浮标检测系统。 OCEANOR 挪威 从事实时海洋、河流、湖泊、地下水和土壤环境监控技术和设备的研发, 主要产品有 SEAWATCH 系列浮标、波浪浮标、水质浮标、风剖面浮标。 AANDERAA 挪威 从事海洋仪器的研制与开发, 主要产品有声学多普勒流速剖面仪。 DATAWELL 荷兰 从事海洋测量设备的研发, 主要产品是波浪骑士系列波浪浮标及船载传感器。 第 11 期 王 波 等: 海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势 2407 4 我国海洋资料浮标观测技术的发展现状 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。 4.1 通用型观测浮标已实现业务化运行, 构建浮标 观测网, 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23-24。 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11(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10 m 到 3 m 的产品系列(如图 11(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 3 m 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 3 500 m, 最远至印度洋和格陵兰海海域。 (a)船型浮标 (b)10 m 浮标 (c)6 m 浮标 (d)3 m 浮标 (e)复合材料浮标 (a) Ship hull (b) 10 m diameter (c) 6 m diameter (d) 3 m diameter (e) Composite hull 图 11 我国自主生产的海洋资料浮标代表产品1 Fig. 11 Representative products of ocean data buoys with Chinas independent intellectual property rights1 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 11 中的浮 标和波浪浮标组成, 图 12 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。 图 12 我国部分浮标分布图1 Fig. 12 Distribution of most of all buoys in China 4.2 专用型浮标研究取得一定成果 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。 海洋剖面观测浮标: “十五”期间, 国家海洋技 术中心25研制了利用马达驱动的剖面观测系统(图 13(a), “十一五”期间中船重工 710 所26研制了利用 浮力控制的剖面观测浮标系统(图 13(b), 中科院海 洋所27研制了波浪能驱动式的剖面观测浮标系统 (图 13(c), 3 种系统均经过了海上测试, 最大布放水 深达 4 000 m, 能观测海水温度、盐度、深度和海流 等参数。 光学浮标28: 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 14 所示, 并布放于青 岛海域。 2408 仪器仪表学报 第 35 卷 (a) 马达驱动25 (b) 浮力控制26 (c) 波浪能驱动27 (a) Motor driving25 (b) Buoyancy driving26 (c) Wave driving27 图 13 我国研制的海洋剖面观测浮标 Fig. 13 Products of ocean profilers manufactured by China 图 14 我国研制的光学浮标2829 Fig. 14 Optical buoys manufactured by China28-29 通量观测浮标: 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30 , 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31，如图 15 所示 。 (a) 圆盘形30 (b) 多浮筒形31 (a) Discus hull30 (b) Multi-pontoon hull31 图 15 我国研制的海气通量观测浮标 Fig. 15 Air-sea fluxes observation buoys manufactured by China 波浪浮标32: 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 0.9 m 直径的 SBF3 型球形测波浮标(图 16(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 16(b)。 (a) SBF3 型 (b) SZF 型 (a) SBF3 (b) SZF 图 16 我国研制的波浪浮标32 Fig. 16 Ocean wave buoys manufactured by China 32 核辐射监测浮标: 2011 年国家海洋技术中心研制 了核辐射监测浮标， 如图 17(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 17(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。 (a) 圆柱形 (b) 圆盘形 (a) Pontoon hull (b) Discus hull 图 17 我国研制的核辐射监测浮标 Fig. 17 Ocean radioactivity monitoring buoys manufactured by China 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17、声学浮标33、赤潮浮标、 子母浮标34和通信中继浮标35-36等专用型海洋资料 浮标, 表3列出了国内海洋资料浮标的优势科研机构。 第 11 期 王 波 等: 海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势 2409 表3 国内海洋资料浮标的优势科研机构 Table 3 Advanced research intuitions of ocean data buoy in China 机构名称 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 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。 中国海洋大学 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 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。 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。 4.3 国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。 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 4 给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。 海洋资料浮标观测参数也是重要指标之一, 表 5 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。 从表 5 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, 这与本文 2.2 节中表 2 所 列出的核心关键技术是一致的。 需要说明的是, 表 5 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。 5 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 表4 系统典型参数对比 Table 4 Comparisons of typical system parameters 浮标种类 型号 监测参数总数 数据接收率 数据传输间隔种类 通信方式种类 中国 FZF 16 95% 4 3 挪威 AANDI DB 4700 16 95% 1 3 加拿大 AXYS NOMAD 15 95% 1 3 挪威 OCEANOR SEAWATCH 14 95% 1 3 美国 WHOI ASIMET 10 95% 1 3 2410 仪器仪表学报 第 35 卷 表5 主要观测参数对比 Table 5 Comparisons of main observing parameters 项目 中国浮标 国外浮标 测量范围 准确度 测量范围 准确度 水 文 水 温 232 0.01 2 - 32 0.01 盐 度 070 mS/cm 0.005 mS/cm 0 70 mS/cm 0.005 mS/cm 浊 度 0 100 0 NTU 2% 0 1000 NTU 2% 气 象 气 温 5050 0.1 5050 0.1 气 压 5001100 hpa 0.3 hpa 5001100 hpa 0.3 hpa 湿 度 0100 % 2% 0100% 2% 风 速 0100 m/s 0.3 m/s 0100 m/s 0.3 m/s 风 向 0360 3 0360 3 辐 射 0280 0 W/m2 3% 0280 0 W/m2 3% 雨 量 0200 0 mm/h 3 % 0200 0 mm/h 3 % 能见度 0750 00 m 20 % 0750 00 m 20 % 动 力 波 高 0.2 m20 m (0.1+H*5%) m 20+20 m, 0.5% 波 向 0 - 360 10 0360 2 波周期 2 30 s 0.25s 130 s 1 % 流 速 0 300 cm/s 0.15 cm/s 0300 cm/s 0.15 cm/s 流 向 0 - 360 7.5 0360 7.5 生 态 叶绿素 0 - 400 g/L 0.1 g/L 0400 g/L 0.1 g/L 溶解氧 0 - 50mg/L 1% 050mg/L 1% 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37-38。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 2.2 节中表 1 所列的核心关键技术、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: 5.1 海洋资料浮标观测由单点向网络化综合化发展 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 (tropical atmosphere ocean) 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。 5.2 通用型浮标向高精度、多参数、多功能综合观测 发展 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 第 11 期 王 波 等: 海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势 2411 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。 5.3 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。 5.4 深远海观测浮标向业务化观测发展 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, 详 见本文 3.2 节)。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。 5.5 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。 5.6 海洋资料浮标能源补给向多样化发展 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。 5.7 海洋浮标建造将更多采用新材料 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。 5.8 浮标用传感器技术 从表 5 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。 参考文献 1 王军成. 海洋资料浮标原理与工程 M. 北京: 海洋出 版社, 2013. WANG J CH. Ocean data buoy: Principles and engineering M. Beijing: Ocean Press, 2013. 2 KUANG X H, WANG Z Y, YANG C, et al. The design of the monitoring system based on marine environment buoy J. Advanced Materials Research, 2013, 605: 1769-1771. 3 安培浚, 高峰, 曲建升. 对地观测系统未来发展趋势及 其技术需求J. 遥感技术与应用, 2007, 22(6): 762-767. AN P J, GAO F, QU J SH. Trend and technology require- ments of earth observing system J. Remote Sensing Technology and Application, 2007, 22(6): 762-767. 4 蔡树群,张文静, 王盛安. 海洋环境观测技术研究进展 J. 热带海洋学报, 2007, 26(3): 76-81. CAI SH Q, ZHANG W J, WANG SH AN. An advance in marine environment observation technology J. Journal of Tropical Oceanography, 2007, 26(3): 76-81. 5 NDBC. 2014-06-06. /. 6 MORRISON A T, BILLINGS J D, DOHERTY K W. The 2412 仪器仪表学报 第 35 卷 McLane Moored Profiler: An autonomous platform for oceanographic measurements C. OCEANS 2000 MTS/IEEE Conference and Exhibition, RI, USA, 2000, 1: 353-358. 7 HAMILTON J M, FOWLER G and BEANLANDS B. Long-term monitoring with a moored wave-powered pro- filer J. Sea Technology, 1999, 40: 68-69. 8 KOLDING M S, SAGSTAD B. Cable-free automatic pro- filing buoy J. Sea Technology, 2013, 54(2): 10-12. 9 AXYS Technologies Inc. WindSentinel technical update No.4 R. AXYS Technologies, Sydney, BC, 2013. /wp-content/uploads/2013/12/ WindSentinel-Technical-Update-No.4-Vindicator-Validation. pdf. 10 MATHISEN, J.-P. Measurement of wind profile with a buoy mounted lidar C. DeepWind 2013, Norway: 2013:1-10 11 TANG L, TITOV V V, CHAMBERLIN C D. Development, testing, and applications of sitespecific tsunami inunda- tion models for realtime forecasting J. Journal of Geophysical Research, 2009, 114(C12025):