我國海洋水文調查設備的發展歷程

路曉磊,陳默,王小丹,周寅

(1.國家海洋局北海海洋技術保障中心 青島 266033;2.哈爾濱工程大學水聲技術國防科技重點實驗室 哈爾濱 150001)

0 引言

中華人民共和國成立70年來,我國的海洋調查技術在各方面都取得了突破性進展。海洋水文調查作為海洋調查的基本內容之一,也經歷了從無到有,能力從弱到強的轉變,調查設備不斷更新換代,許多設備從調查初期的仿制到如今自主研發,實現了從“跟跑”到“并跑”再到“領跑”的跨越式發展。

海洋水文調查要素一般包括:水溫、鹽度、海流、海浪、透明度、水色、海發光等[1],其中透明度、水色、海發光觀測較為簡單,本研究著重介紹我國溫鹽、海流、海浪觀測設備以及海洋浮標和潛標的發展歷程。海洋水文調查跨度時間長,涉及設備眾多,本研究僅就所掌握的資料對重點設備進行梳理和總結。

1 海洋水文調查的發展歷程

1958年9月至1960年12月開展的“全國海洋綜合調查”開啟了我國大規模海洋水文調查的序幕,此次調查歷時2年多,完成了91條斷面、624個大面站、327個連續站的調查[2]。通過這次調查初步掌握了我國近海海洋要素的基本特征和變化規律,出版了多部專著,改變了我國缺乏基礎海洋資料的局面,為我國海洋科學發展奠定了基礎。全國海洋綜合調查結束后,在國家科學技術委員會海洋組領導下,在渤海、黃海海域開展了“近海海洋標準斷面調查”[3],并一直持續到今天。20世紀70年代我國開展了“東海大陸架調查”和“南海中部調查”[4]。此后我國陸續開展了一系列的重大專項調查及國際合作調查。如1975—1980年開展的“第一次全國海洋污染基線調查”,1980—1987年開展的“全國海岸帶和海涂資源綜合調查”[5],1985—1990年中美在赤道和熱帶西太平洋開展的海洋大氣相互作用合作科學考察,1986—1992 年開展的“中日黑潮合作調查”[6],1988—1995年開展的“全國海島資源綜合調查”,1996—2002年開展的“第二次全國海洋污染基線調查”[7],2000—2003年開展的“西北太平洋海洋環境調查與研究”,2004—2012年開展的“中國近海資源環境綜合調查與評價”專項調查[4]等。2012年國家海洋局啟動實施了“全球變化與海氣相互作用”專項,標志著我國的海洋調查全面進軍深遠海。此外,我國還開展了一系列的南北極科學考察、大洋科考調查等。我國的海洋水文調查技術在上述調查中取得了突破性進展,調查手段不斷豐富,調查設備也越來越先進。

2 海洋水文調查設備的發展歷程

我國在海洋水文調查中使用的調查設備隨著科學技術的發展而不斷更新換代,大致可分為3個階段。第一階段為20世紀80年代以前,調查設備主要是機械式的,體積普遍較大,操作較為復雜,精度和穩定度較差[8],如表面溫度表、顛倒溫度表、雙聯浮筒測流裝置、印刷海流計、直讀式海流計、手搖絞車等;第二階段為20 世紀80 年代至21 世紀初期,隨著電子技術的快速發展,逐漸開始使用以電子計算機和自動化為主的裝備,測量精度、靈敏度、穩定度等大大提高,如溫鹽深剖面測量系統(CTD)、聲學多普勒流速剖面儀(ADCP)等;第三階段為21世紀至今,隨著傳感器技術、通信技術和遙感技術的發展和廣泛應用,除了CTD、ADCP 等設備不斷升級外,結合實時、自主式、長時間序列觀測的需要,出現了船載測波雷達、自沉降式剖面測量系統(Argo 浮標)、拋棄式溫鹽深剖面測量系統(XBT、XCTD)以及潛標、浮標觀測系統等,發展趨勢呈現網絡化、智能化。

2.1 溫鹽觀測設備

20世紀80年代前,溫鹽觀測設備主要依賴進口設備和仿制的國外某些常規產品,設備基本都是純機械式的,如顛倒溫度表、表面水銀溫度表、機械式深度溫度計、氯度滴定計等。1965—1966 年和1971—1976年的兩次全國海洋裝備會戰推動了我國海洋儀器設備的發展,突破了一些關鍵技術,研制成功了多種設備,如SZC4-1 型自容式溫鹽深自記儀、SZC5-1溫鹽深自記儀、SZC3-1溫鹽深探測儀等。但受制于國內的工業和電氣化水平,并沒有形成產品生產能力。

20世紀80年代,我國成功研制了最大工作深度分別為60 m 、1 000 m 、3 000 m 、6 000 m 的實時傳輸和自容式的溫鹽深剖面儀。如國家海洋局海洋技術研究所研制的SZC11型6 000 m 溫鹽深自記儀,在1985 年的西北太平洋錳結核調查和1987 年中日聯合黑潮調查中發揮了重要作用。1984年,國家海洋局第三海洋研究所研制了SZC7-2型拋棄式溫深儀[9]。

“九五”以來,溫鹽傳感器在國家“863”計劃的支持下快速發展,攻克一些關鍵技術,取得了一批高新技術成果,但距離世界先進水平還有一定的差距,特別在深遠海調查設備方面差距更大。我國深遠海調查中,溫鹽測量主要有船載觀測、走航觀測、錨系觀測和拋棄式觀測等4種方式。其中:船載觀測中最常用的直讀式CTD 為SBE 911plus CTD,自容式CTD 為SBE 917 CTD;走航觀測中常用的CTD 有MVP200、MVP300等;錨系觀測中常用的CTD 有SBE37、SBE39等;大范圍的海洋調查中常輔以拋棄式溫鹽深儀(XCTD)和拋棄式溫深計(XBT)等,常用的有日本TSK 公司的XCTD 和XBT。此外,根據海洋調查的不同需求,CTD 上一般還會搭載各類傳感器,如溶解氧、p H、濁度和葉綠素等傳感器。

2.2 海流觀測設備

20世紀80年代前,我國的海流觀測設備主要是純機械式海流計,如厄克曼海流計、印刷海流計。代表性產品是天津氣象海洋儀器廠仿制的HLJ1型印刷海流計,它曾在我國早期海流觀測中發揮過重要作用并一直沿用至80年代中期[9],其流速為3～148 cm/s,流向為0°～360°(精度±5°),印刷時間間隔為5、10、15、20、30、60分鐘6種,最長連續工作時間為57天,最大使用深度為250 m(HLJ1-1型)和1 200 m(HLJ1-2型)。

20世紀80年代,主要使用直讀式海流計、數字式轉子海流計和聲學海流計。如:青島海洋大學研制的SLC9-2型直讀式海流計,適用于錨定船上進行200 m 以淺不同深度處的水流速度和流向觀測,同時它還可以用浮子把探測器漂離船體測量表層流速度和方向[10];海洋技術研究所研制的SLY5-1型海流計和中國科學院海洋研究所研制的SLC16-1型海流計,流速測量范圍分別為0.02～2 m/s、0.03～3.5 m/s,流向測量范圍不變,精度略有提高,均為±4°數字式轉子海流計[11]。中國科學院海洋研究所和國家海洋局第三海洋研究所先后研制成功聲學多普勒海流計。此外,國外的海流觀測設備逐步進入中國市場,如挪威安德拉RCM 系列海流計、日本ALEC 公司的AEM213-D 型直讀式電磁海流計等。

20世紀90年代后,隨著聲學多普勒流速剖面(ADCP)技術的發展,ADCP 成為主要的海流觀測設備。根據安裝方式的不同,ADCP 可以分為走航式、坐底式、錨系式、拖曳式等幾種。目前國際上領先的ADCP生產企業有美國的TRDI公司、挪威的諾泰克公司等。我國的“雪龍2”號、“向陽紅01”號、“向陽紅06”號、“科學”號等遠海調查船均裝備了TRDI公司的OS-38型船載走航式ADCP。定點式ADCP主要用于潛標、浮標等觀測平臺中,常用的調查設備有TRID 公司的WHS-300 k Hz、WHS-600 k Hz、諾泰克公司的“闊龍”“浪龍”系列等。我國從20世紀80年代后期開始ADCP 的相關技術攻關和樣機研制工作,“七五”期間,中國科學院聲學所研制了拖曳式ADCP 試驗樣機[12];“八五”期間,國家海洋局對走航式ADCP進行了立項研制并完成了試驗樣機[13];“九五”期間,中國科學院聲學所和國家海洋局海洋技術研究所共同負責了國家“863”計劃ADCP 相關關鍵技術攻關和樣機研制,并通過了“863”專家組驗收。目前國產ADCP產品中,中國船舶715 研究所生產有SLS 系列自容式ADCP和SLC系列走航式ADCP,中國科學院聲學所研制的RIV300、RIV600、RIV1200 系列自容式ADCP等,部分產品性能已能達到國際先進水平。

2.3 海浪觀測設備

20世紀80年代之前,海浪觀測手段主要依靠人工測波,利用望遠鏡、秒表等輔助設備,用純人工的方法觀測波浪要素[14]。80年代中后期開始使用岸基光學測波儀[15],也屬于人工觀測。90年代,隨著浮標技術的不斷進步,波浪浮標成為海浪觀測的主力設備,波浪浮標一般都采用球體設計,以便具備良好的隨波性。山東省科學院海洋儀器儀表研究所、國家海洋技術中心、中國海洋大學先后研制了SBF3-X 型、SBA3-2型、SZF 型波浪浮標。荷蘭Datawell公司生產的 MARK 型“波浪騎士”(Waveriders)波浪浮標,作為國際上公認領先的測波設備也在國內廣泛應用[16]。目前,除波浪浮標外,海浪測量設備主要還有海洋衛星和測波雷達,如“海洋二號”系列衛星,包括2011年發射的HY-2A 衛星、2018年發射的HY-2B 衛星以及2018年發射的中法海洋衛星(CFOSAT)等,可對海面風場、海流、海浪、海面溫度等海洋動力環境參數進行全天時、全天候監測。測波雷達方面,國家海洋技術中心、哈爾濱工程大學、中國海洋大學等均研制了相關的X 波段測波雷達樣機[17],也引進了如德國Ocean Waves公司生產的Wa MosⅡ測波雷達等相關設備。

2.4 海洋浮標和潛標

我國的海洋浮標研制起步于1965年,首套浮標為船型結構[18]。20世紀70年代,山東省科學院海洋儀器儀表研究所自主研制了HFB-1型海洋水文氣象浮標,曾在我國的海洋環境觀測中發揮過重要作用。20世紀80年代之后,在國家“863”計劃等項目的支持下,研制成功了直徑3～10 m 的一系列浮標產品,如FZF2-1型(后發展為FZF2-2型、FZF2-3型、FZF3-1型)、FZF4-1 型等大型海洋資料浮標,直徑均為10 m[19]。海洋資料浮標能夠長期、連續、全天候自動觀測,可以獲取海洋水文、氣象、水質、生態、動力等海洋環境參數[20]。我國的海洋資料浮標在性能上總體達到了國際先進水平,可完全滿足我國近海長期業務化觀測需求。2012年,由國家海洋局第一海洋研究所自主集成研發的我國首套深海浮標“白龍浮標”布放安達曼海,2019年,中國第35次南極考察隊在西風帶布放了我國首個西風帶環境監測浮標。此外,我國也研制了海洋剖面觀測浮標(Argo浮標)、通量觀測浮標、核輻射監測浮標、海冰浮標、光學浮標、聲學浮標、赤潮浮標、波浪浮標、子母浮標、通信中繼浮標等專用浮標[21]。

潛標系統作為海洋調查的重要設備之一,一般由水下部分和水上甲板單元組成。水下部分主要包括主浮體、探測傳感器、纜繩、玻璃浮球、聲學釋放器、重力錨等組成[22]。我國潛標系統的研制工作始于20世紀80年代,經過30余年的發展,我國的潛標技術在設計建模、布放深度、系統回收率和可靠性等方面已經達到世界先進水平。中國海洋大學首次在我國南海建設了國際上最大規模的區域潛標觀測網。2017年,中國科學院深海科學與工程研究所在馬里亞納海溝“挑戰者”深淵中布放回收了萬米錨系潛標系統,獲得了深淵中多層深度近一年的溫鹽和海流連續觀測數據。

3 問題及建議

3.1 存在的問題

經過幾十年的發展,我國的海洋水文調查設備獲得了飛躍性發展,取得了豐碩的成果,成功解決了一些關鍵核心技術,有的產品性能已經達到了國際先進水平,但也存在著很多問題。主要表現為:①海洋傳感器核心技術依然落后,面臨“卡脖子”問題。雖然我國已能自主研發部分傳感器,但在精度、可靠性、穩定性等方面與國外傳感器相比仍處于劣勢,大部分設備仍處于集成創新階段。②產業化水平低,技術研發與資本市場未能有效結合。由于海洋設備研發周期長、耗資大、需求有限,因此投資風險較高,資本參與的積極性不高,研究機構主要為高校和研究院所,經費主要依靠國家撥款,設備也主要用于科研項目,沒有形成需求驅動,產學研未能有效結合。③用戶對于部分國產產品信心不足,購買意愿低。

3.2 建議

(1)建議盡快出臺國家層面“海洋強國”的頂層設計和長遠規劃,從政策層面鼓勵支持企業投入前沿基礎研究和核心技術研發,激發創新活力。制定相應的利益共享和分配機制,提高企業積極性,充分利用資本力量,加快科技成果轉化。

(2)加強軍民融合,實現軍民優勢互補。完善軍民協同創新機制,促進軍民科技互融互通和轉化應用。整合運用軍地科研力量和資源,引導軍地科研人員加強基礎技術研究,聯合攻關核心技術,補齊核心技術短板。