船載海洋生態在線監測技術研究與應用進展

王 寧, 程長闊, 楊鵬程, 李 燕, 司惠民, 任永琴

船載海洋生態在線監測技術研究與應用進展

王 寧, 程長闊, 楊鵬程, 李 燕, 司惠民, 任永琴

(國家海洋技術中心, 天津 300112)

船載海洋生態在線監測系統是海洋生態在線監測的一種重要手段。本文介紹了船載在線監測系統的組成和功能, 系統全面地論述了國內外船載在線監測系統的研究和應用現狀, 重點論述了典型應用案例歐洲FerryBox系統的發展歷程、監測方式、成果應用以及運行管理體系等, 為中國船載海洋生態在線監測技術的研究和應用提供建設性意見。

船載; 海洋環境; 在線監測; 生態監測

在線監測技術已在全球范圍內多個海洋立體觀測體系中得應用[1-3], 所支持的技術包括衛星遙感、浮標陣列、海洋觀測站、水下剖面、海底觀測網絡和科學考察船等, 提供實時或準實時的基礎信息和產品服務, 為海洋生態與環境研究、海洋資源開發利用和軍事海洋學研究等提供了資料[4-5]。

與浮標、固定站等定點在線監測手段相比, 船載海洋生態在線監測系統(以下簡稱船載在線監測系統)機動性強、監測范圍廣, 既可用于常規定期走航監測, 獲取生態區和功能區的大范圍本底數據; 又可臨時快速安裝到小型商業船和漁船上, 用于災害和突發事故的應急監測, 能夠在海洋環境中動態地跟蹤監測, 實現空間和時間上的高分辨率, 是在線監測的重要手段之一。

利用機會船和志愿船開展海洋生態在線監測的歷史由來已久, 20世紀30年代, Reid[6]等首次嘗試采用新研制的連續式浮游生物記錄儀安裝到拖船以及志愿船只上, 通過走航測量定期收集北海浮游動物和仔魚的分布。與此同時, 挪威人使用了游輪沿挪威海岸線定期自動采集鹽度和溫度數據。1993年芬蘭海洋研究所(FIMR now SYKE)在Alg@line項目支持下, 在波羅的海開始定期采用渡輪在線監測藻類水華及營養鹽分布等[7]。隨著傳感器技術和集成通訊技術的發展, 船載在線監測技術在國外廣泛用于業務化海洋觀測、監測和科研應用等領域, 為環境監測提供預警和評價數據, 或為科學研究者提供建模所用數據, 用于對生態系統和海洋學模型的驗證和測試。歐洲的FerryBox系統是船載在線監測技術的典型應用案例, 世界上其他國家如澳大利亞、美國和加拿大等, 船載在線監測技術也已經得到廣泛應用, 中國在近年來也逐漸開展了相關技術的研究和應用, 但同國外仍存在一定的差距。

本文系統全面地介紹國內外船載在線監測系統的研究和應用現狀, 重點介紹了典型應用案例歐洲FerryBox系統的發展歷程、監測方式、成果應用以及運行管理體系等, 為中國船載海洋生態在線監測技術的研究和應用提供建設性意見。

1 船載在線監測系統組成及功能

船載在線監測系統一般由采樣系統、采集傳輸系統、遠程數據管理軟件、清潔單元、傳感器/分析儀器、輔助系統等組成, 如圖1所示。在現場無人值守情況下, 系統能夠實現基于時間或地點(GPS)的水樣采集、分配、過濾、測量、實時監控和數據傳輸全程自動化, 并實現現場及遠程參數設置、工作狀態監控、數據編輯分析、系統安全控制故障報警等功能。

2 國外船載監測系統研究與應用現狀

2.1 歐洲船載監測系統(FerryBox)

歐洲FerryBox系統是歐洲全球海洋觀測系統(european global ocean observing system, Euro-GOOS)7個觀測部分的其中之一[8], 該系統主要基于船載觀測平臺運行, 旨在促進歐洲海洋觀測基礎設施之間的科學協同和技術協作。FerryBox觀測系統向橫跨所有歐洲海洋區域的EuroGOOS提供歐洲海洋監測數據, 也是歐洲海洋觀測數據網絡(european marine observation and data network, EMODnet)和哥白尼海洋環境監測服務(copernicus marine service, CMEMS)監測數據的重要來源[8-11]。

圖1 船載在線監測系統的組成

2.1.1 FerryBox系統發展及應用情況

最初的FerryBox觀測系統是由歐盟資助(2002年—2005年)[9-10], 主要在志愿船、商船及貨輪安裝并進行自動測量。早期由于傳感器發展及維護成本的要求, FerryBox系統一般包括4個標準測量參數, 即溫度、鹽度、溶解氧和濁度。隨著傳感器技術以及維護水平的發展, 越來越多的傳感器應用到了FerryBox系統, 包括pH、二氧化碳分壓、葉綠素、營養鹽等[11-14]。

在所有的FerryBox系統中, 數據都記錄在船上的數據記錄器上。數據可以實時地發送到岸上(在有衛星連接的5～10 min的間隔)或當渡船已經到達港口時(用于GSM連接)再發送。

經過十多年的發展, FerryBox觀測系統已經發展到一個成熟的階段。主要的成果是開發了適合不同鹽度、溫度、葉綠素熒光、溶解氧和濁度傳感器的多種流路系統, 并開發了一種防止生物淤積在系統內的沖洗系統。因此, FerryBox系統在流量的堵塞、數據的收集和存儲等技術細節方面現在都已經很完善, 并且高度成熟。目前已經安裝在客船、貨船、調查船、集裝箱船、滾裝船、巡邏船等多種船只, 在歐洲40余條航線上進行在線監測, 部分仍在運行的代表性航線的監測參數及監測頻率如表1所示, 航線遍布英國東岸北海、大西洋、北大西洋、挪威海、波羅的海和地中海[12-17], 航線圖如圖2所示。

FerryBox系統獲得的數據在歐洲環境監測和科學問題研究中發揮了重要作用, 安裝在志愿船上的FerryBox系統定期提供固定航線的高頻率表層海水測量數據, 包括水溫和鹽度在內的重要生態參數, 為沿線海域尤其是為北海、英吉利海峽等海域水質模型的建立提供了基礎數據, 揭示水團性質的變化, 并利用模型進行環境預測等[10, 14, 16]。通過連續監測記錄了波羅的海藍綠藻災害的發生或早期預警, 建立了營養鹽濃度與赤潮的關系, 評估了波羅的海中藍藻的發生與營養鹽、鹽度和溫度的關系, 理順了跨國界營養化和浮游植物生產力的相互關系[11-12]。利用FerryBox數據結合遙感可以估算赤潮的空間擴展, 并對衛星數據進行驗證等[17]。

表1 FerryBox計劃代表性航線監測要素及頻率

圖2 FerryBox計劃航線圖

2.1.2 FerryBox系統運行管理體系

FerryBox系統的運行由EuroGOOS組織下成立的歐洲FerryBox觀測任務小組統一協調組織, 他們建立了觀測平臺門戶網站促進歐洲海洋觀測基礎設施的科學協同和技術合作, 并建立了較為完善的運行管理體系, 具體包括:

(1) FerryBox系統在系統功能設計、傳感器選型、接口設計、數據格式、操作規程等方面有統一的標準和技術要求。歐洲應用的FerryBox系統雖然生產廠家不盡相同, 但相互之間都有可比性。

(2) 系統和設備均經過測試和檢驗, 并在航線上至少運行1 a, 才能達到應用技術要求。主要對不同FerryBox系統的可操作性、可靠性和長期穩定性進行比較。測試和評估不同市售標準傳感器的各項性能指標, 保證不同型號設備之間的數據可比性。

(3) 系統運行過程中, 對設備進行定期質量控制, 通過FerryBox水路循環系統的水路分支取樣進行實驗室分析, 并將分析結果與 FerryBox監測數據對比, 進行數據檢驗。

(4) 有較為完善的運維措施, 定期對設備進行維修保養、清洗、校準、備件更換等, 保障系統的長期運行。

(5) 建有穩定的技術保障團隊, 在FerryBox項目中, 每一個系統都有大約3～4個人(包括科學家、技術人員和支持人員)。

(6) FerryBox系統的所有運營商都為各自的系統應用建立個人網站、網頁、數據檢索和 DOR公共信息服務。用戶可以生成圖形, 注冊的用戶也可以提取數字數據。國家海洋學中心NNC.NOC建立了動態的FerryBox網頁和數據服務, 提供了由中心操作的FerryBox系統的信息。用戶可以查看圖表和動畫, 生成數據圖, 也可以檢索軌道信息。可以在沒有訪問限制的情況下從在線數據庫中提取準實時和原始數字數據。

2.1.3 FerryBox系統供應商概況

FerryBox主要生產商有德國4H-JENA、SubCtech公司、英國CTG公司挪威Aanderaa公司等, 具體信息如表2所示。以德國4H-JENA產品應用最多, 從2001年起, 4H-JENA工程公司研發了超過70套Ferry-Box及便攜式FerryBox系統。圖3～圖4為4H-JENA工程公司在德國和希臘安裝的FerryBox系統。

表2 FerryBox主要生產商

圖3 德國黑爾戈蘭島安裝的FerryBox系統, 2003年

雖然FerryBox系統的生產廠家略有不同, 但均進行了統一任務規劃及數據聯網, 他們采用的傳感器和設備基本是一致的, 因此數據具有可比性、連續性, 應用率較高。

2.2 國外其他船載在線監測系統研究及應用現狀

借鑒歐洲FerryBox系統的成功運行經驗, 美國、加拿大、日本、澳大利亞等國家也相繼開展了類似的船載在線監測項目。

在美國北卡羅來納州一個大河口, 采用船載監測系統測量水質指標, 分析水質、人類活動和氣候因素之間的關系, 建立水質變化模型[18]。在加拿大喬治亞海峽, 裝有儀器的渡輪對生物要素葉綠素開展走航監測, 用來評估弗雷澤河洋流對浮游植物生物量的影響[19]。邁阿密大學和郵輪運營商(皇家加勒比郵輪有限公司)建立了特定的合作關系, 沿著游輪的航線開展在線測量, 獲得了連續8 a大量大氣和海洋的綜合監測數據, 這些數據已被用于研究大加勒比地區的海洋酸化[20]。在Oleander項目中, 連續的船載ADCP測量被用來研究墨西哥灣流的變化情況, 該項目是一項跨機構合作, 目的是在新澤州和百慕大之間海域高頻率的收集海洋洋流、表層海水溫度、表層海水鹽度、表層二氧化碳等基礎數據[21]。其他類似的船載系統也在日本[22]和澳大利亞[23]運行了一段時間。

3 中國船載在線監測系統研究及應用現狀

國內船載在線監測系統研究和應用較少, 在“十一五”863項目的支持下, 自然資源部北海局和東海局分別在向陽紅08號船[24]和原海監47號船上建設了船載集成監測系統, 用于渤海生態環境的預警監測和東海赤潮災害的預警監測, 實現了對溫度、鹽度、溶解氧、濁度、pH、葉綠素、營養鹽、化學需氧量(chemical oxygen demand, COD)、生化需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)、總磷、總氮等參數的走航監測。國家海洋技術中心研制的船載便攜式在線監測系統安裝在小型商業船上對天津紅線區內大神堂海域開展了多次走航式監測, 實現常態化實時的海洋大范圍監測, 為紅線區預警監測和監管提供了數據支撐[25]。

中國海洋大學[26]、清華大學[27]等也相繼開展了船載海洋生態監測系統的研究開發工作, 可集成多種水質監測設備, 實現數據的無線傳輸等功能, 但后續應用報道較少。

國內一些公司如杭州淺海、北京歐仕科技、上海澤銘等也在其官網登出相關船載集成監測系統信息, 可根據用戶的選擇定制系統功能和監測要素, 如表3所示, 宣傳圖片與外國產品類似。

表3 國內公司船載在線監測系統監測要素

4 結語

近年來, 中國涉海相關部門積極開展了海洋生態環境在線監測系統建設和業務化運行工作[28-33]。目前業務化運行的海洋生態在線監測系統主要采用岸基站[34]和浮標[35-36]兩種手段, 船載在線監測系統雖然已開展了初步應用, 但尚未進入到業務化體系中。為提升中國的海洋生態監測能力, 應加強船載在線監測系統的應用, 建議開展以下幾方面工作。

1) 充分參考歐洲FerryBox應用及管理模式, 制定統一的標準和技術要求, 明確設備功能和選型、數據接口、數據格式、傳輸方式等。形成在線監測系統在硬件方面的標準化, 增加不同站點設備之間的互換性, 降低在線監測建設和運維成本。

2) 對設備和系統進行測試評估和試運行檢驗, 綜合評估國內外產品在可靠性、準確性、適用性、維護難度、性價比等方面的優劣, 結合需求科學選型, 推進多參數、營養鹽等較成熟國產設備的逐步應用。

3) 建議選擇固定航線的貨船或客船搭載在線監測系統, 并對航線進行仔細的評估, 以判斷是否滿足監測或研究任務的目標。根據船舶基礎條件的不同, 設計不同的進樣和安裝方式, 做到“一船一方案”, 滿足差異化需求。

4) 建立系統運行維護管理制度, 細化船載在線監測系統管理職責分工、日常維護保養細則、質量保證與質量控制實施細則、信息上報制度、專業服務機構維護維修管理辦法、經費使用與管理辦法、運行考核辦法等。

5) 建立專業的維護隊伍和管理團隊, 建立與之匹配的運維保障能力, 從而完成數據日常運維、質量控制、設備報錯等日常任務。定期開展技術培訓和交流, 提高整體運維能力。建立長效財政投入機制, 完善保障措施, 保障在線監測工作的持續運行。

6) 加強后端數據應用軟件和模型的開發, 同海洋生態系統監測、海洋災害預警、基礎性監測等業務化需求緊密銜接, 推進數據的有效應用。

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Research and application progress of shipborne marine ecological online monitoring technology

WANG Ning, CHENG Chang-kuo, YANG Peng-cheng, LI Yan, SI Hui-min, REN Yong-qin

(National Ocean Technology Center, Tianjin 300112, China)

shipborne; marine environment; online monitoring; ecological monitoring

The shipborne marine ecological online monitoring system is an important means of online monitoring of marine ecology.In this paper, the composition and functions of the system are introduced, and the research and application status of the system at home and abroad are discussed systematically and comprehensively.Emphasis is placed on the development history, monitoring methods, achievement applications, and operation management system of the European FerryBox system, which provides constructive suggestions for the research and application of the shipborne marine ecological online monitoring technology in China.

Jan.5, 2021

[National Key Research and Development Program, No.2017YFC1403804]

王寧(1980—), 女, 山東濰坊人, 碩士, 主要從事海洋生態在線監測技術研究, 電話: 13821282829, E-mail: wangning0825@ 126.com

P76

A

1000-3096(2021)10-0133-08

10.11759/hykx20210105003

2021-01-05;

2021-01-27

國家重點研發計劃項目(2017YFC1403804)

(本文編輯: 譚雪靜)