海洋观测史.doc

海洋遥感观测海洋遥感是利用传感器对海洋进行远距离非接触观测，以获取海洋景观和海洋要素的图像或数据资料，其发展历程大致可分为起步期（1939-1969）、试验期（1970-1977）、研究期（1978-1991）、应用期（1992-至今）。起步期（1939-1969）：海洋遥感开始于第二次世界大战期间(1939年9月-1945年9月)，首次利用航空遥感方式完成了河口海岸制图与近海水深测量的工作。1950年美国航空遥感与海洋调查船完成了大规模湾流考察，这是人类首次在物理海洋学研究中利用遥感技术。卫星遥感始于1957年苏联发射第一颗人造卫星。1960年4月美国宇航局(NASA)发射第一颗电视与红外观测卫星TIROS-I，卫星在获取气象资料的同时还获取了无云海区的海表面温度场资料，从而拉开了利用卫星遥感资料进行海洋研究的帷幕。试验期（1970-1977）：1969年NASA在Williams大学召开研讨会，推动了1973年天空实验室(Skylab)航天器和1975年地球实验海洋卫星(GEOS-3)高度计的发展。其中Skylab航天器证实了可见光与近红外遥感对地球进行连续观测的潜力，而GEOS-3则是首次利用卫星遥感测量海表面高度的卫星。随后，NASA在此基础上研制了一系列高分辩率多光谱扫描仪，这些扫描仪装载在Landsat系列卫星上沿用至今。美国海洋大气局(NOAA)在1970年1月发射改进型TIROS卫星，又在1972-1976年发射NOAA系列卫星(NOAA-1至5)，这些卫星装载的红外扫描辐射计与微波辐射计，可以用来估计海表面温度、大气温度以及湿度剖面等海气参数。研究期（1978-1991）：1978年NASA连续发射了三颗卫星，喷气动力实验室(JPL)的Seasat-A卫星，Goddard空间飞行中心(GSFC)的TIROS-N与Nimbus-7卫星。这三颗卫星构成了海洋卫星的三部曲，它标志着卫星海洋遥感新纪元的开始，并反映了可见光、红外、微波海洋遥感的概貌，充分展现了卫星对海洋的监测能力。Seasat-A卫星上装载了微波辐射计(SMMR)、微波高度计(RA)、微波散射计(SASS)、合成孔径雷达(SAR)、可见红外辐射计(VIRR)等5种传感器。提供的海洋信息包括海表面温度、海面高度、海面风场、海浪、海冰、海底地形、风暴潮、水汽和降雨等。虽因电源故障，Seasat-A寿命仅为108天，却获得极其宝贵的海洋资料，因此Seasat-A被称为卫星海洋遥感的里程碑。TIROS-N卫星上装载高级甚高分辨率辐射计(AVHRR)和TIROS业务化垂直探测器(TOVS)。NOAA于1981年推出卫星海表面温度业务化反演算法(MCSST)，因此TIROS-N奠定了卫星海表面温度进入气象、海洋业务化预报的基础。Nimbus-7卫星上装载了7种传感器，其中多通道扫描微波辐射计(SMMR)和沿岸带海色扫描仪(CZCS)与海洋观测有关。CZCS属于海色传感器，它奠定了海色卫星遥感的基础。1978-1986年间CZCS提供了8年的全球海色图象以及海洋次表层叶绿素浓度参数，为海色研究提供了宝贵的数据资料。应用期（1992-至今）：1992年美国与法国联合发射的TOPEX/Poseidon卫星，开启了海洋综合探测卫星的新时代。卫星上载有一台美国NASA的TOPEX双频高度计和一台法国CNES的Poseidon高度计，用于探测大洋环流、海况、极地海冰等参数。在此之后，海洋观测卫星开始大量发射。截止到2012年10月，在轨海洋卫星数量为115颗，涉及超过30个空间机构。预测到2030年将陆续发射156颗卫星，届时总数将达到271颗。中国海洋遥感观测始于1988年“风云一号”的发射，这是中国自行研制与发射的首颗极地轨道气象卫星，除气象数据外还可获取海洋水色图像、海表面温度等参数信息。2002年5月，中国首颗海洋卫星“海洋一号A”的成功发射，标志着中国海洋卫星遥感与应用迈入一个崭新的阶段，结束了中国没有海洋卫星的历史。2007年，“海洋一号B”发射成功，2011年“海洋二号”发射成功，弥补了中国海洋动力环境要素观测的空白。未来中国将发射“海洋三号”雷达卫星，众多海洋卫星将组成中国海洋环境的立体监测网。海洋调查船海洋调查船是专门从事海洋科学调查研究的船只，是搭载海洋仪器设备直接观测海洋、采集样品和研究海洋的工具。海洋调查船按其调查任务可分为综合调查船、专业调查船以及特种调查船。海洋调查船的发展已有100多年的历史。第一艘海洋调查船是英国的“挑战者”号(H.M.S.Challenger)，它由军舰改装而成。在1872-1876 年，“挑战者”号进行了为期三年零五个月的大洋调查，将人类研究海洋的进程推进到新的时代。此次考察活动首次利用颠倒温度计测量了海洋深层水温，同时测量了海底地形、环流、海水透明度、海水盐度等，采集了大量海洋动植物标本和海水、海底底质样品。此次海洋调查被西方的科学家誉为近代海洋科学的“奠基性调查“奠基性调查”。限于当时的技术条件，后续的海洋调查船都是以生物调查为主的综合性海洋调查船，直到1925年德国海洋调查船“流星”号(Meteor)问世之后，综合性海洋调查船才由以生物调查为主的时代进入了以海水理化性质和地质地貌调查为主的时代。“流星”号首次装载电子回声测深仪，获得了7万个以上的海洋深度数据；首次清晰地揭示了大洋底部起伏不平的轮廓；揭示了海洋环流和大洋热量、水量平衡的基本概况。“流行”号开启了继“挑战者”号之后的海洋调查船的新时代，调查方法更科学，观测精度更高。随着海洋科学的发展，50年代以后，综合性海洋调查船已不能满足海洋学各分支学科深入调查的需要，从而陆续出现了各种专业调查船和特种调查船。60年代是新建海洋调查船的大发展时期，1962年美国建造的“阿特兰蒂斯II”号(AtlantisII)首次装载电子计算机，标志着现代化高效率海洋调查船的诞生。20世纪70年代以来，随着科学考察的深入，南北极的奥秘和环境资源价值不断被发现，极地领域的竞争愈发激烈，权益争端不断加剧，美苏两国竞相建造极地考察船。其中最著名的是1973年美国建成的“极星”号，其次是苏联1975年建造的“M.萨莫夫”号大型极地考察船。目前，全球超过40个国家拥有海洋科学考察船，总数量超过500艘，欧美等发达国家无论在数量还是技术水平上都处于领先地位。1956年，中国第一艘海洋调查船“金星”号由远洋救生拖轮改装而成，适用于浅海综合性调查。1965年，中国第一艘自行设计和建造的海洋科学调查船“东方红”号下水。1986年，中国第一艘极地科学考察船“极地”号前往南极进行科考活动。目前，全球超过 40 个国家拥有海洋科学考察船，总数量超过 500 艘，欧美等发达国家无论在数量还是技术水平上都处于领先地位。纵观近年来全球科学考察船的发展，具有以下明显趋势： 1）数量增多，向着现代化、大型化、综合化发展；2）以全球级、大洋级科学考察船为主，近岸级协同发展； 3）装备性能明显提高；4）低噪声、绿色节能指标越来越高。海洋浮标海洋浮标是一类用于承载各类探测海洋和大气传感器的海上平台，是海洋立体监测系统中的重要组成部分。海洋浮标作为一种新兴的现代化海洋监测技术，在研究海洋和大气的相互作用及全球气候变化、预报全球性和地区性海洋灾害、监测海洋污染、校验卫星遥感数据的真实性、以及作为平台用于水声通信和水下定位等方面发挥了重要作用。相比其他监测手段，海洋浮标在工作寿命时间内可在恶劣的海洋环境条件下对海洋环境进行自动、连续、长期的同步监测，是海洋观测岸站、调查船和调查飞机在空间上和时间上的延伸扩展，且费用相比调查船低廉。根据浮标在海上所处位置不同，可分为锚定浮标、潜标、漂流浮标等。海洋锚定浮标最早出现于第二次世界大战期间(1939年9月-1945年9月)最早出现于第二次世界大战(1939-1945年)期间，德国在大西洋、英吉利海峡和北海等海区投放若干气象浮标，搜集有关温度、湿度、气压、风力和风速等气象信息。20世纪60年代初，美国开始研制多要素观测的海洋资料浮标，对海洋进行更有效的观测。其他海洋发展国家如德国、英国、法国、加拿大、挪威、日本、意大利、前苏联等也相继展开了浮标的研制工作。1970年美国率先成立了专门管理海洋资料浮标的国家资料浮标中心(National Data Buoy CenterDBC)。NDBC 的成立，使美国锚泊浮标趋于定型、完善，并进入实用阶段。70年代后期，随着计算机技术和卫星通信技术在浮标应用中的出现，使得浮标技术发展进入了飞跃期。海洋潜标系统是对海洋水下环境进行长期、定点、多参数剖面观测系统，是海洋环境立体观测系统的重要组成部分。50年代初， , 美国首先发展了潜标系统，用于次表层或深海的海洋环境监测。从60年代初到80年代初，美国平均每年布设50-70套潜标系统。在墨西哥湾和西北太平洋的一些观测站、经常保持20套左右的潜标系统。日本于70年代初开始研制和使用潜标系统，主要用于黑潮研究。80年代中期，潜标与锚泊浮标相结合形成绷紧式锚泊浮标系统，在“热带海洋大气阵列(TTropical Atmosphere/Ocean arrayAO)”中得到应用。 自20世纪70年代以来，潜标系统得到广泛的应用。漂流浮标是根据各种科学试验和海洋环境监测计划的需要而发展起来的一种移动 观测平台。从70年代初发展了单参数漂流浮标以来, 经过几十年的努力, 已形成了适合不同目的的漂流浮标，为海洋工程、海洋运输、海洋资源开发、海洋气象预报、海洋灾害预警、以及各类海洋研究等提供服务。著名的Argo计划所采用的浮标就是漂流浮标。在全球海洋观测计划(GOOS)中应用了漂流浮标；1984年美国人用飞机将漂流浮标空投到JOSCPHINE咫风中, 监测咫风的发展、强度和轨迹；在1985年政府间海洋学委员会(IOC)和世界气象组织(WMO)发起了热带大洋及其与全球大气的相互作用(TOGA)计划，随后在其中中用了大量漂流浮标, 为厄尔尼诺和南方涛动现象研究提供了非常宝贵的海流风、气压及温度资料。1989年IOC和WMO又发起了全球海洋观测计划(GOOS)，并在其中也应用了漂流浮标。目前，美国、日本等海洋发达国家逐步建立了关键海域的浮标监测网，国际上，Argo计划、热带大气海洋观测网锚碇系列(TAO)计划的实施。这些都为海洋工程、海洋运输、海洋资源开发、海洋气象预报、海洋灾害预警、以及各类海洋研究等提供服务，海洋浮标在海洋监测中进入了商品化和实用化阶段。海洋浮标在中国的开发研制始于20世纪60年代中期。1965年8月至1966年10月，中国海洋仪器会战期间，研制成功了第一台海洋浮标(H23)。经过起步阶段(1965-1975)、研究试验阶段(1975-1985)和实用化阶段(1985-1990)的不断发展，90 年代开始正式投入使用，到目前为止中国已经进入了海洋浮标监测的大国俱乐部。潜水器潜水器又称为深潜浅器，它是一种自带推动力的海洋考察设备，既能在水面行驶，又能在水下独立开展工作。主要用来执行水下考察、海底勘探、海底开发和打捞、救生等任务，并可以作为潜水员活动的水下作业基地。潜水器主要分为载人深潜器(Human Occupied VehicleHOV)和无人深潜器(Unmanned Underwater VehicleUUV)。1554年意大利人塔尔奇利亚发明的木质球形潜水器，对后来潜水器的研制产生了巨大影响。1717年英国哈雷设计了第一个有实用价值的潜水器，此后直到六十年代20世纪60年代，人类对潜水器的研制主要致力于下潜深度。1960年第一艘载人深海潜水器 “曲斯特1”号在太平洋马里亚纳海沟下潜到10916m(海沟最深点为11034m)，创造了目前为止人类下潜最深海沟的历史。1964年美国建造的“阿尔文(Alvin)”号开创了人类探测海洋资源的历史。1974年经过改装后“阿尔文”号的工作深度达到4500m，可搭载三名人员进行为期6-8小时的水下工作时间，完成了众多具有影响价值的作业。如1966年初，“阿尔文”号和另一台遥控潜水器一起打捞起掉落在地中海的一颗氢弹；1977年，在将近2500m深处的加拉帕戈斯(Galapagos)断裂带首次发现海底热液和其中的生物群落；1979年，在东太平洋洋中脊发现第一个高温黑烟囱；20世纪80年代，成功地参与了对泰坦尼克号沉船的搜寻和考察。至今“阿尔文”号已累计完成5000次以上的下潜作业，为深海研究作出了巨大贡献。1964年美国建造的“阿尔文(Alvin)”号开创了人类探测海洋资源的历史。1974年经过改装后“阿尔文”号的工作深度达到4500m，可搭载三名人员进行为期6-8小时的水下工作时间，完成了众多具有影响价值的作业。如1966年初，“阿尔文”号和另一台遥控潜水器一起打捞起掉落在地中海的一颗氢弹；1977年，“阿尔文”号在将近2500m深处的加拉帕戈斯(Galapagos)断裂带首次发现海底热液和其中的生物群落。1979年，“阿尔文”号在东太平洋洋中脊发现第一个高温黑烟囱。20世纪80年代，“阿尔文”号又成功地参与了对泰坦尼克号沉船的搜寻和考察。至今“阿尔文”号已累计完成5 000次以上的下潜作业，为深海研究作出了巨大贡献。除各种有人深潜器之外，60 年代以后无人深潜器的发展也引人瞩目。无人深潜器是一种能模仿人进行某些活动的自动机械，能够在人难以适应的深水环境中代替人进行工作。目前，无人深潜器有无人遥控潜水器系缆式(Remote Operated Vehicle ROV)和自主式水下机器人无系缆式(Autonomous Underwater VehicleAUV)两种，前者需要水面母船传输动力并进行遥控，后者可以自行机动，具有一定的自主功能。下表是国内外ROV和AUV的简要介绍。表 1 国内外ROV介绍ROV名称时间/年国家最大下潜深度/m备注Poodle1953美国-世界第一台ROV海鲀3K1987日本3300-海沟1995日本11000世界下潜最深ROVVictor1999法国6000-HR-011983中国200中国研制的第一艘ROV海马2014中国4500首台自主研制4500m级ROV表 2 国内外AUV介绍AUV名称时间/年国家最大下潜深度/m备注SPURV1957美国-世界第一台AUV逆戟鲸1980法国6000世界首台深水AUV(6000m)探索者1994中国1000中国第一艘AUV潜龙一号2013中国6000首台自主研制的AUV目前全世界有各种载人深潜器 200 多艘，有的最大作业深度达 6000 米，主要用于海洋油气开发。6000 米以上的深度，显现了国际深潜器向大深度发展的技术能力。无人遥控潜水器全世界约有1000多艘，其中6000m级10多艘，现已发展到第三代智能深潜器。随着新技术以及新材料的不断涌现，极大地促进了深潜器技术的提高。如：耐压材料新型化；浮力材料轻便化；观察设备高清化；作业工具模块化；水声通信可靠化；能源供给经济化。“蛟龙”号是中国自行设计、自主集成研制的深海载人潜水器。2009年至2012年，“蛟龙”号接连取得1000米级、3000米级、5000米级和7000米级海试成功。2012年7月，“蛟龙”号在马里亚纳海沟试验海区创造了下潜7062米的中国载人深潜纪录，同时也创造了世界同类作业型潜水器的最大下潜深度纪录。这意味着中国具备了载人到达全球99.8%以上海洋深处进行作业的能力。Argo观测网Argo计划(ARRAY for REAL-TIME GEOSTROPHIC OCEANOGRAPHY)，也称“Argo全球海洋观测网”。是由美国等国家大气、海洋科学家于1998年推出的一个全球海洋观测试验项目，在全球大洋中每隔300公里布放一个卫星跟踪浮标，总计为3000个，组成一个庞大的Argo全球海洋观测网。旨在快速、准确、大范围地收集全球海洋上层的海水温、盐度剖面资料，以提高气候预报的精度，有效防御全球日益严重的气候灾害给人类造成的威胁，被誉为“海洋观测手段的一场革命”。2001年3月召开的第三次国际Argo科学组会议上，澳大利亚和美国宣称已率先在东印度洋和东太平洋施放了21个Argo浮标，从而正式拉开了Argo全球海洋观测网建设的序幕。中国于2001年10月正式加入国际Argo计划，成为继美国、日本、加拿大、英国、法国、德国、澳大利亚和韩国后第九个加入Argo计划的国家。2007年11月1日，国际Argo 计划已经实现了其最初提出的在全球海洋上建成由3000个Argo剖面浮标组成的实时海洋观测网的目标。2012年11月4日由印度布放的编号为“2901287”的Argo浮标，收集到具有里程碑意义的第100万条观测剖面数据，标志着包括中国在内的由世界多个沿海国家共同参与的大型海洋国际合作观测计划步入了一个新的发展阶段。Argo观测网的建立，使得海洋资料从表层向深层拓展，推动了海洋科学研究从二维向三维延伸。如，在海洋垂直结构方面，Dong等利用Argo剖面证实南大洋上层海洋会出现逆温层，且逆温层不仅发生在冬季，在其他季节也会出现。Adrian等基于Argo浮标，揭示了季内震荡(Madden-Julian Oscillation)的热带深海区域成分。Oka等利用Argo数据发现冬季黑潮延伸体