國內海洋浮標監(jiān)測系統研究概況*

趙聰蛟，周 燕

（1．浙江省海洋監(jiān)測預報中心 杭州 310007；2．浙江省水產技術推廣總站 杭州 310012）

國內海洋浮標監(jiān)測系統研究概況*

趙聰蛟1，周 燕2

（1．浙江省海洋監(jiān)測預報中心 杭州 310007；2．浙江省水產技術推廣總站 杭州 310012）

文章介紹了國內海洋浮標監(jiān)測系統的類型、系統組成、監(jiān)測資料的質量控制和應用概況。將國內常見的海洋浮標監(jiān)測系統劃分為8個類型。監(jiān)測系統通常由浮標系統、錨泊系統和岸站系統3部分組成，其中浮標系統通常包括浮體、標架、供電設備、防護設備和各類傳感器等。近年來研制開發(fā)集水文氣象水質生物監(jiān)測于一體的多參數海洋自動監(jiān)測浮標系統是一個重點，但已有浮標系統監(jiān)測資料的質量控制和應用還有待進一步研究。

海洋；監(jiān)測；浮標；類型；系統組成

海洋浮標是海洋環(huán)境自動觀測平臺，是現代海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統的重要組成部分。它具有自動、長期、連續(xù)收集海洋環(huán)境資料的能力，即使在惡劣環(huán)境，在其他現場監(jiān)測手段都難以或無法實施監(jiān)測的時候，海洋浮標仍能有效工作［1］。我國的海洋浮標研究起步于20世紀60年代，代表性成果是HFB－1型海洋水文氣象浮標［2］。2002年初我國正式加入國際Argo計劃，并成立中國Argo實時資料中心［3］，承擔中國Argo浮標的布放、實時資料的接收和處理、資料質量控制技術／方法的研究與開發(fā)等。半個世紀以來，我國先后以國家 “863”計劃、“973”計劃、國家自然科學基金項目、科技部國際科技合作重點項目、科技部基礎研究重大項目前期研究專項、國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項、國家海洋局青年基金項目、中科院裝備項目和創(chuàng)新項目等形式，以及山東、上海、廣東、浙江等省市科技支撐項目等形式，投入大量專項經費用以支持海洋浮標監(jiān)測系統的研究。這些項目吸引了國內許多科研院所和高等院校來承擔或參與海洋浮標監(jiān)測系統的研究、開發(fā)與應用，主要有國家海洋局系統單位、中國科學院系統單位，科研院所和高等院校。在取得了一系列科研成果和經驗的同時，也開發(fā)了一些測波、流、光以及海洋通信等的專用浮標監(jiān)測系統［4－7］。近年來國家和沿海省、市、自治區(qū)開始著手研究集成水文氣象水質生物等指標于一體的海洋在線自動監(jiān)測浮標系統的開發(fā)應用，可獲取近海常規(guī)水文、氣象、水質、生物等指標數據，用以反映海洋環(huán)境狀況。

浙江省海洋與漁業(yè)局于2011年正式啟動“浙江省近岸海域浮標實時監(jiān)測系統建設”項目，計劃在5年內基本建成能覆蓋浙江省近岸海域的浮標實時監(jiān)測系統，以獲取常規(guī)水文、氣象、水質 （含營養(yǎng)鹽）、海洋生物以及油類等參數數據，為海洋生態(tài)環(huán)境保護和防災減災提供決策支撐，為社會公眾提供海洋生態(tài)環(huán)境狀況實時信息服務，為節(jié)能減排提供環(huán)境基礎資料。本文在查閱歷史文獻資料的基礎上，介紹了國內海洋浮標監(jiān)測系統的類型、系統組成、監(jiān)測資料的質量控制和應用概況，為 “浙江省近岸海域浮標實時監(jiān)測系統建設”以及國內同類項目建設提供技術參考。

1 海洋浮標監(jiān)測系統的類型

1.1 按大小劃分

按浮體大小可劃分為大型浮標、中型浮標、小微浮標。大型浮標，直徑通常大于或等于10 m，造價高，容量大、壽命長、抗惡劣環(huán)境、抗破壞性強，適合長期定點測量。中型浮標，直徑通常為1～5 m，造價較低、運輸、布放和維護方便，適用于近岸海域水文氣象或短期專題監(jiān)測。小微浮標，直徑通常在1 m以下，體積小、重量輕、成本低，便于快速布放回收，也可用于一次性拋棄式波浪監(jiān)測。

1.2 按功能劃分

按浮標主要功能用途可劃分為水文氣象浮標、水質浮標、導航浮標、波浪浮標、海洋光學浮標、海冰浮標、聲吶浮標、通信浮標等。

1.2.1 水文氣象浮標

海洋水文氣象浮標通常是指直徑不小于10 m，能夠全天候、連續(xù)、自動采集和傳輸海上水文氣象資料的圓盤型浮標［8］，監(jiān)測系統由浮體、錨系和岸站接收裝置組成，浮體上承載各類傳感器。主要觀測項目包括：風向、風速、氣溫、濕度、氣壓、降水、能見度、水溫、鹽度、波浪、海流、葉綠素和濁度等。觀測資料可用于長期和短期的天氣預報、海象預報以及自然災害 （如颶風、海嘯）警報等［9－12］。在海洋環(huán)境監(jiān)測中，海洋水文氣象浮標是世界上應用最早，也是使用數量最多的一類浮標。回顧世界各國海洋浮標的發(fā)展歷史，幾乎無一例外都是從研制水文氣象浮標起步的［1］。我國海洋水文氣象浮標監(jiān)測系統研制起步最早，技術也最為成熟，目前尚在服役期的海洋水文氣象浮標監(jiān)測系統多為山東省科學院海洋儀器儀表研究所研制。因浮體較大，可加載多種儀器設備，在開展海洋綜合監(jiān)測應用方面潛力較大，例如可開展定點定位水文氣象業(yè)務監(jiān)測，或者可作為一些特殊儀器設備的海上工作平臺等。

1.2.2 水質浮標

水質監(jiān)測浮標是一種監(jiān)測海洋環(huán)境和海洋水產養(yǎng)殖區(qū)水質污染狀況的浮標系統，由浮標、錨系和接收站等部分組成，監(jiān)測要素包括磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮、鹽度、p H、溶解氧、水溫等，可自動完成數據實時采集、處理、存儲及傳輸。浮標上還可以加載葉綠素、濁度、深度、電導率等監(jiān)測儀器，用于海洋環(huán)境污染監(jiān)測、港灣工程、水產養(yǎng)殖、赤潮預報以及海洋研究［13－16］。國家海洋技術中心和國家海洋環(huán)境監(jiān)測中心等單位對海洋水質浮標監(jiān)測系統的研制開發(fā)做了大量工作。

1.2.3 導航浮標

導航浮標是保障海上船舶安全航行的重要設施，為海上船舶在夜間或霧天、陰天等惡劣條件下提供可視信號，為海上船舶安全導航。通常由浮體、塔架、錨泊系統、導航設備和動力系統組成。導航浮標多為大型浮標，浮體直徑一般大于10 m，布置于航道的兩側，當能見度低于某一設定值時，航標燈將以某一個相同的閃爍頻率同步導航。浮標塔架上還可以加載某些測量儀器，以搜集海洋水文氣象數據資料［17－19］。導航浮標的主要用途是為船舶安全航行導航，船舶碰撞、臺風過境都會造成的其位置偏移，為船舶安全航行造成威脅。因此，導航浮標的定位和偏移報警成為其開發(fā)研究的關鍵技術。中山市探海儀器有限公司以中國科學院南海海洋研究所從事浮標研究的技術班底為骨干，開展浮標的研究和設計制造，實現了導航浮標的產品化生產。

1.2.4 波浪浮標

波浪浮標是一種無人值守的能自動、定點、定時 （或連續(xù)）地對海面波浪的高度、波浪周期及波浪傳播方向等要素進行遙測的小型浮標測量系統［20］，主要由浮體、錨系和岸站3部分組成。浮體多為橢球形，直徑通常在1 m以下，承載波高傾斜一體化傳感器、數據發(fā)射機、發(fā)射天線、電池和錨燈；錨系多采用單U形環(huán)系留結構，便于水面浮體的固定；岸站部分包括岸站接收機和上位機，用于監(jiān)測數據的接收、處理［21－22］。波浪浮標可以實現對海洋波浪的長期、實時、定點觀測，目前主要用于近海海洋監(jiān)測站、近海海洋工程測量及海洋調查考察等領域。中國科學院南海海洋研究所、中國海洋大學、山東省科學院海洋儀器儀表研究所等單位對波浪浮標都進行了比較深入的研究和探索，取得了豐富的成果和寶貴的經驗，并已實現產品化生產，如SZF型波浪浮標和OSB系列波浪浮標。

1.2.5 海洋光學浮標

海洋光學浮標是對海洋光學特性進行時間序列上的綜合性檢測的一種工具，由標體系統、通信系統、錨系和岸站接收中心組成。為減小浮標體及其上層建筑的陰影效應對光輻射測量的影響，保證高海況條件下浮標體的穩(wěn)定性，中國科學院南海海洋研究所研究設計出了由子、母浮標組成的海洋光學浮標監(jiān)測系統［23］，母標體直徑2～2．8 m，子標體略小；承載的主要設備是光學儀器，可用于連續(xù)觀測海面、海水表層、真光層乃至海底的光學特性，以獲取相應層面的太陽輻射高光譜數據；也可加載實時圖像監(jiān)測系統，實現海面與水體實時采集數據的圖像可視化［24］。海洋光學浮標在海洋水色遙感現場輻射定標和數據真實性檢驗、海洋科學觀測、近海海洋環(huán)境監(jiān)測和海洋軍事科學方面有著重要的應用價值。

1.2.6 海冰浮標

海冰浮標是一種能夠在北極和南極海域進行海洋環(huán)境監(jiān)測的重要技術裝備，由浮體、錨系和傳感器組成［4］。浮體直徑小于1 m；氣象傳感器安裝在冰面以上，溫鹽深傳感器分別安裝在冰下5 m、25 m和50 m深處；錨系配重，以減少水下系統的漂移［25］。該浮標可以在惡劣環(huán)境下實現無人值守的全天候、全天時、長期連續(xù)觀測，不僅可以監(jiān)測海 （冰）氣交換界面的環(huán)境參數 （如表層冰溫、氣溫、氣壓、風向、風速），還可監(jiān)測水下環(huán)境剖面參數 （如溫度剖面和鹽度剖面）；對于研究海冰生成與融化過程的環(huán)境條件、探測極區(qū)的氣象與水文參數、追蹤浮冰的漂流方向和路徑以及對洋流的研究均具有重要價值［26］。我國在海冰浮標的開發(fā)和應用方面均投入了大量科研力量，推動了極地海冰浮標觀測研究的進程，如2003年國家海洋技術中心就在北極布放了自行研制的極區(qū)衛(wèi)星跟蹤水文氣象觀測浮標，并取得了寶貴連續(xù)的海冰和氣象等數據資料［27］。

1.2.7 聲吶浮標

聲吶浮標是探測水下目標 （潛艇）的浮標式聲吶儀，是一種水聲遙感探測器。它與浮標信號接收處理設備等組成浮標聲吶系統，用于軍事領域航空反潛探測和固定聲吶監(jiān)視系統對水下潛艇的預警。聲吶浮標通常分為航空聲吶浮標和錨系聲吶浮標兩大類。航空聲吶浮標裝備于反潛巡邏機、反潛直升機和某些水上飛機上，由機上的投放裝置以一定陣式逐個有序地布放在潛艇可能存在的區(qū)域四周，或遮攔在其航線前，形成浮標陣；反潛機布標后，在浮標區(qū)上空盤旋，監(jiān)聽浮標發(fā)來的信號，可獲知某個浮標附近是否存在潛艇，并測得其位置和運動信息。航空聲吶浮標又分為主動式和被動式兩種，一般初始探測時主要使用被動浮標，進入攻擊階段再使用主動浮標對目標精確定位［28］。錨系聲吶浮標是在航空聲吶浮標的基礎上發(fā)展起來的，由飛機或艦船布設錨定于海底，用于彌補固定聲吶監(jiān)視系統的探測盲區(qū)。中船重工集團第715研究所和海軍航空工程學院為我國聲吶浮標的研制和應用做了大量工作。

1.2.8 通信浮標

通信浮標 （拖曳浮標）作為潛艇在水下實現和外界通信的媒介，是一種典型的通過一種組合的系留／傳輸線與潛艇相連接的水面下方的運載工具，可實現潛艇與戰(zhàn)斗群的信息互通，大大提升潛艇的隱蔽通信功能［29］。另一種通信浮標，主要由浮體、錨系組成，用以完成水下測量裝置與水面艦船平臺或岸基平臺之間的數據傳輸和指令中繼［30］。

1.3 按錨系劃分

按是否有錨系，可以劃分為有錨系留浮標、無錨浮標。有錨系留浮標多為大型浮標，如導航浮標、水文氣象浮標、水質浮標等，錨系置于海底，用以浮標定位，防止走標；少數為中小型浮標，錨系懸浮于水體中，用以浮體的定位和減少水下系統的漂移，如波浪浮標和海冰浮標。無錨浮標，浮標沒有錨系，懸浮于水體之上，在指令控制下上下運動，如潛艇通信浮標，可通過系留／傳輸線與潛艇相連接，實現信息傳輸。

2 海洋浮標監(jiān)測系統組成

海洋浮標監(jiān)測系統通常由浮標系統、錨泊系統和岸站系統3部分組成。

2.1 浮標系統

包括浮體、標架、供電設備、防護設備和各類傳感器等。

2.1.1 浮體

浮體是塔架和各類儀器設備在海上的承載體，形狀有圓盤形、圓柱形、船形、球形、橢球形、圓臺形等［31］。考慮到牢固耐用和減輕自身重力，浮體材質多采用復合型材料，如造船鋼 （3C）、PVC、鋁合金、超強離子聚合膠、玻璃鋼等，且除設備艙外其他艙室均填充浮力材料。目前浮體生產已經實現國產化，如國家海洋技術中心、山東省科學院海洋儀器儀表研究所、中船重工集團第715研究所 （杭州應用聲學研究所）等科研單位已經有浮體產品化生產。今后的研究重點要向質輕、防腐、防生物附著、耐用等方向發(fā)展。

2.1.2 標架

標架通常采用普通鋼 （A3）、不銹鋼材質，上面安裝氣象傳感器、警示燈、GPS定位儀、雷達反射器、太陽能電池板等。近年來又選用鋁合金材料，在確保標架堅固耐用的同時減輕標體重量。

2.1.3 供電系統

浮標通常被布放于遠離岸邊的海水中，這就要求其具有獨立的供電系統。小型浮標一般配備一次性鋰－錳干電池或堿性電池提供能量。中型浮標均采用太陽能電池和蓄電池組合供電，例如廈門灣海洋水質在線監(jiān)測浮標配置3塊MSX20R型海洋級超強太陽能電池板，儲電系統選用100AH／20 HR LCX1265CH型高性能蓄電池，整個系統由太陽能電池板、保護電路和蓄電池組成。大型導航浮標因其結構和功能特點而采用柴油發(fā)電機供電，同時也配備蓄電池組。當前的常規(guī)方式是為海洋浮標監(jiān)測系統配備太陽能電池，考慮到陰雨天氣和風浪的影響，除常規(guī)太陽能電池以外，還可以考慮研制配備風力發(fā)電機、波浪發(fā)電機等，采用風光波能互補供電，保障海上長期陰雨天氣、惡劣海況下的不間斷供電。

2.1.4 防護設備

為避免浮體及設備受外力 （如漁船）沖擊而損壞，在標架上安裝警示燈和雷達反射器，同時在浮體最大直徑外圍及標架周邊設置防撞橡膠圈。為能實時掌握浮標錨泊位置，浮標上還裝有GPS衛(wèi)星定位系統，浮標一旦發(fā)生漂移或丟失，可及時到現場修正或按移動軌跡找尋。

2.1.5 防污損措施

為避免和減少海水侵蝕和生物附著對浮體的負面影響，保障正常工作，對浮體及水下儀器和錨系進行防污損處理是十分必要的。傳統的做法是涂覆防污涂料，如氧化亞銅、氧化汞等無機毒物和有機錫化合物、有機鉛等［32］。近年來，通常采取對浮標水線以下部分設置犧牲陽極進行陰極保護的措施［33］，并對浮標全部外表面進行噴鋁防腐處理，在浮標下水前，水線以下表面涂覆長效防污漆，以防止海洋生物的附著。對浮標系統進行定期維護并清除附著生物也是一種有效的防護辦法。

2.1.6 傳感器

不同功能的浮標承載不同類型、不同數量的傳感器。水文氣象浮標承載水文氣象傳感器，可監(jiān)測風速、風向、氣壓、氣溫、流速、流向、水溫等參數；水質浮標承載水質、營養(yǎng)鹽傳感器，可監(jiān)測水溫、p H、鹽度、溶解氧、營養(yǎng)鹽（磷酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽）、氨氮等參數，還可以加測濁度、葉綠素和藍綠藻等參數。此外，一些專項浮標承載溫鹽傳感器、波浪傳感器、光學儀器等，可獲取深海溫鹽剖面數據、波浪數據、海洋光學特征數據等。目前，光照、水深傳感器已經實現國產化生產，但水質、氣象、營養(yǎng)鹽傳感還主要依賴進口，如美國Wetlabs公司生產的水質和磷酸鹽傳感器，芬蘭Vaisala公司的六要素氣象傳感器，意大利Systea公司生產的三通道 （氨氮、硝氮和亞硝氮）傳感器。進口傳感器不僅價格昂貴，且試劑更換、儀器檢修周期長，一旦發(fā)生故障，容易造成監(jiān)測中斷。雖然水質、氣象、營養(yǎng)鹽傳感器也有國內產品，但相關技術參數與國際先進水平相比還存在一定差距，還需要國內相關科研單位繼續(xù)努力。

2.1.7 數據采集、存儲和傳輸

海洋浮標監(jiān)測系統數據采集普遍采用了高可靠性、低能耗微處理機作為數據采集控制的核心，各傳感器在指令控制下開展自動、長期、連續(xù)監(jiān)測數據的采集，如美國Campbell Scientific Instrument公司的CR10X型測試與控制系統。浮標上裝有大容量存儲卡或存儲硬盤，可將各測量項目采集的數據進行快速存儲。浮標的數據傳輸系統主要采用無線通信方式，目前應用較多有：GSM、CDAM和GPRS通信方式、Inmarsat－C海事衛(wèi)星以及銥星衛(wèi)星通信方式。海洋浮標監(jiān)測系統的數據采集與傳輸可同時進行，數據傳輸采用加密模塊處理，確保數據傳輸安全，通過數據軟件可瀏覽實時數據、報表；存儲系統可采用太陽能和電池雙相供電，不會因連續(xù)陰雨天氣造成數據丟失；快閃存儲器容量大，并可根據要求擴展容量，確保數據的存儲安全。一旦遇到惡劣天氣，可通過主控平臺切斷數據傳輸，但數據采集、存儲仍能正常工作，不會造成惡劣天氣時的數據漏測。

2.2 錨泊系統

錨泊系統由錨、錨鏈和系鏈環(huán)組成，它是浮標定位的重要設施。大型導航浮標定位常采用鋼筋混凝土錨旋和大抓力錨，以防止走錨。中型水文氣象、水質監(jiān)測浮標通常采用全錨鏈單點系泊，錨錠為水泥沉塊或鋼錠，以鋼絲繩或有檔鑄鋼錨鏈與浮體相連。也有少數采用三錨系留，以加強浮體的穩(wěn)定性。錨泊系統的設計經驗性很強，不只與錨、鏈組成有關，更與所投放浮標海域環(huán)境有關。海況良好的海域，風浪較小，錨由纜繩或鋼絲繩系留固定；海況惡劣的海域，風浪大，除了增加錨重外，還要考慮選用彈性錨鏈系留，以緩沖風浪的沖擊力，確保錨泊系統位于預定區(qū)域。淤泥底質海域可選用三叉抓錨，便于錨系抓陷固定；砂石底質海域通常選用錨定固定，可以是單錨、雙錨或多錨。

2.3 岸站系統

岸站系統由岸站計算機、衛(wèi)星通信機、打印機和電源等設備組成，完成浮標傳輸數據的接收、處理和存儲。按照通信方式可分兩類：一類是短波通信接收岸站，接收短波通信機發(fā)來的信息，如FZF2－1型及FZF2－2型海洋資料浮標系統的接收岸站；另一類是衛(wèi)星通信接收岸站，如FZF2－3型浮標和水質監(jiān)測浮標的接收岸站。

3 海洋浮標監(jiān)測數據的質量控制

浮標承載的各類儀器設備和傳感器受海水侵蝕、生物附著污染、漁船等外力碰撞，容易導致傳感器靈敏度受損，使監(jiān)測值產生較大偏差。因此，必須對浮標監(jiān)測數據進行質量控制。國際Argo計劃資料組根據不同的Argo資料用戶，建立了兩個資料質量控制模式：實時質量控制模式和延時質量控制模式。由于實際海況的復雜多變，這兩種模式在實際應用時都需要進行完善和訂正。

水質監(jiān)測浮標數據質量控制方法研究較少，目前普遍采用的一種方法是進行比對監(jiān)測和偏差分析，即人工現場監(jiān)測與浮標監(jiān)測同時進行，再將兩種方法獲取的數據進行偏差分析。張彩云等以廈門西海域水質自動監(jiān)測浮標采集的葉綠素資料為例，通過建立域值初檢驗、異常值檢驗和均方差檢驗剔除其中的不良數據，同時采用現場調查對浮標葉綠素資料進行驗證，結果表明二者的變化趨勢相當一致，但浮標測量的葉綠素值只約為現場葉綠素值的1／2。孫喜艷等選取溫度、風向和風速3個參數，計算偏差，進行比對分析，結果表明：現場測定溫度高于浮標測定值，而風速稍小于浮標測定值，風向的轉變比較一致［12］。

4 海洋浮標監(jiān)測資料的應用

我國目前已完成投放的浮標種類多，數量大，每年獲取的監(jiān)測數據也非常豐富，浮標監(jiān)測數據的應用自然成為一個重點也是一個難點。近年來，我國利用參與國際Argo計劃的機會，利用Argos漂流浮標資料對南海、東海和西太平洋黑潮入侵的主要特征及其季節(jié)變化進行了較好的研究，對海流水團變化、海水溫－鹽度分布特征、混合層深度變化、反氣旋渦特征、水層對臺風過境的響應等的也進行了較好的研究。

近幾年，山東、廣東、廣西、海南、天津、浙江等沿海省、市、自治區(qū)陸續(xù)在所轄海域投放了水質在線監(jiān)測浮標，對其監(jiān)測資料也進行了一些探索應用，但研究成果較少，難度也較大。目前僅在應用浮標監(jiān)測資料進行赤潮預報方面取得了較好的效果［16］，赤潮暴發(fā)前往往會出現一些前兆，如溶解氧、p H值會出現增加的趨勢，葉綠素會出現較大波動的異常現象，再監(jiān)測浮游生物量是否出現異常現象，就可進行赤潮發(fā)生情況的判斷，進行預警預報。集水文氣象水質傳感器于一體的多參數監(jiān)測浮標資料的應用還有待進一步研究。

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浙江省近岸海域浮標實時監(jiān)測系統建設項目和 “浙江近岸海域海洋生態(tài)環(huán)境動態(tài)監(jiān)測與服務平臺技術研究及應用示范”（201305012）．