海洋觀測儀器管理初探

侯玉玲 ,馬昕 ,劉永正 ,荊瑩 ,劉賽賽

(1.中國海洋大學國有資產與實驗室管理處 青島 266100;2.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室/深海圈層與地球系統前沿科學中心 青島 266100)

0 引言

21世紀是海洋的世紀,海洋對我國未來的發展具有不可替代的作用,發展海洋觀測儀器和技術在防御海洋災害、應對海上突發事件、維護國家海洋權益、保障海上航道安全、開發利用海洋資源、促進海洋科學研究等方面具有重大戰略需求。海洋科學研究關注的核心問題是海洋是否正在改變,改變的趨勢、后果及程度,以及改變對地球環境和包括人類在內的地球生命系統的影響。海洋科學研究以觀測資料為基礎,而目前人類對海洋特別是深海區域知之甚少。探求海洋奧秘、剖析海洋現象、發現科學規律、推動海洋科學進步,已成為海洋觀測儀器和技術發展的巨大源動力。

《國家自然科學基金“十三五”發展規劃》明確指出,國家自然科學基金委員會(NSFC)重點支持以海洋經濟為代表的“藍色學科”,優先把海洋過程及其資源、環境和氣候效應、全球環境變化與地球圈層相互作用、地球環境演化與生命過程等列入重點發展的傾斜支持學科[1]。目前,我國在逐步優化科學基金資助布局[2],以科學問題為牽引,促進國家海洋科學研究。該過程將推進海洋觀測儀器(系統)在新的海區以及新的海洋觀測儀器(系統)在熱點海區的應用,這對儀器的管理以及保障國有資產提出了新的挑戰。

海洋觀測儀器具有價值高、難回收、易丟失等特點,不同的海洋觀測儀器在使用過程中又存在諸多差異。從實際出發,分析海洋觀測儀器的特性和操作場景,制定針對海洋觀測儀器的管理規范和風險防控機制,對進一步規范和加強海洋觀測儀器管理,防止國有資產損失具有重要意義。本研究將以海洋觀測儀器為例,探索海洋觀測儀器管理的基本規范。

本研究梳理海洋觀測儀器管理中的主要問題,以物理海洋學海洋觀測儀器為例進行分類,論述相較常規固定資產其特殊性,并給出中國海洋大學的試點管理辦法。

1 海洋觀測儀器管理的主要問題

海洋觀測儀器與常規固定資產不同,其特殊的使用環境及其特殊性,導致海洋觀測儀器的使用與管理存在以下問題。

1.1 入賬管理困難

《政府會計準則第3號》確認“固定資產是指政府會計主體為滿足自身開展業務活動或者其他活動需要而控制的,使用年限超過1年(不含1年)、單位價值在規定標準以上,并且使用過程中基本保持原有物質形態的資產,一般包括房屋及構筑物、專用設備、通用設備等”。從價值上看,通常將1 000元以上的資產作為固定資產,1 000元以下的資產作為低值設備或耗材管理,海洋觀測儀器設備一般單價較高,在價值確認上比較明確。但在使用年限及使用方式上,海洋觀測儀器設備存在使用時間無法確定、回收使用困難等現實問題,將此類海洋觀測儀器納入固定資產進行管理勢必會造成管理上的困難,也給儀器設備的管理和使用人員帶來壓力;若將其作為耗材管理,由于海洋觀測儀器設備的價值往往較高,批量數額巨大,高校在該類設備上的投入無法以固定資產價值體現,在一定程度上又影響了國家配套資金的分配,也難以對海洋觀測儀器設備進行有效的管理。

1.2 使用環境特殊

海洋觀測儀器設備的使用場景、使用時間和使用操作等方面都不同于一般的實驗設備。首先,海洋觀測儀器設備主要安裝在海洋科考船、布放在近海或深遠海中,少部分使用在模擬海洋環境實驗室中。存放地點的特殊性導致資產管理部門難以對海洋觀測儀器設備實現有效監管。其次,海洋觀測儀器設備的使用時間有其自身的規律性,觀測儀器往往使用機時較長,測量儀器和采樣儀器僅僅在隨船進行教學實驗或科學考察時使用,航次完成時便閑置,因此在使用機時和共享使用方面難以達到一定的考核標準。

1.3 報廢報損材料不全

海洋觀測儀器設備發生損壞或丟失往往難以打撈甚至難以追尋,因現場記錄不完整、丟失時間不確定、布放時未進行圖片、視頻等方式的取證導致無法提供證據材料,這給儀器設備報廢、報損的申報鑒定和責任追究帶來一定困難。

海洋觀測儀器設備因其應用場景的特殊性在入賬、使用和報廢處置方面都存在諸多管理方面的問題,因此,充分了解和掌握海洋觀測儀器設備的特性,結合中國海洋大學在海洋觀測儀器設備使用管理中遇到的實際問題,探索建立符合海洋觀測儀器設備特點的管理體制機制,對加強海洋觀測儀器設備的規范化管理,提高資產管理效益和管理水平具有重要意義。

2 主要儀器分類

按照不同的分類依據,可以將海洋觀測儀器進行不同分類。例如,對于不同型號的溫鹽深測量儀(Conductivity、Temperature、Depth,CTD),有用于船載的CTD,有用于潛標的自容式CTD,不同工作狀態的CTD,其損壞或丟失的可能性不同,管理的方式和手段也不盡相同。因此本研究認為,在海洋觀測儀器管理中,需要考慮海洋觀測儀器的使用狀態區分管理,針對物理海洋中海洋觀測儀器的使用狀態,將海洋觀測儀器分為船載儀器、自主可移動觀測儀器(系統)和長期固定儀器(系統)。

2.1 船載儀器

(1)Seabird 911Plus:是唯一工作水深突破萬米的高精度CTD 設備。設備由水下單元和甲板單元組成,水下單元配有極高精度的鉑電阻溫度傳感器、電極式電導率傳感器和石英壓力傳感器。通常科考船均安裝該型號CTD。

(2)直讀/走航式聲學多普勒海流剖面儀(ADCP):TRDI公司推出的船載測流系統,它的聲學換能器由數百個小換能器組成,通過以相控陣原理為基礎的波束形成電路構成4個聲波束。聲學換能器的體積和重量僅為常規換能器的1/10左右,從而簡化了換能器船底安裝的結構。

以CTD 和ADCP 為例可以看出,船載儀器通常安裝固定到作業船只,科考船交付時通常已安裝完畢,該類儀器使用可靠性高,出現丟失的可能性極低。

2.2 自主可移動觀測儀器(系統)

自主可移動觀測儀器根據是否回收分為拋棄式和可回收兩大類。

(1)拋棄式海氣通量浮標:我國自主研發以海氣界面關鍵要素的全球性觀測需求為導向,以湍流熱通量準確評估為應用目標,平臺技術的研究本質是為全球范圍高時空分辨率的海氣界面關鍵要素的準確獲取提供一種小型化、輕質化和低成本的觀測手段,為海氣界面交換的協同觀測提供一種新型有效的觀測方式。該儀器通常用于走航觀測,到達預定位置將儀器投放海中,不進行回收。

(2)Argo浮標:Argo浮標原名ARGO 浮標,是用于實施國際地轉海洋學實時觀測陣計劃(Array for Real-time Geostrophic Oceanography,ARGO)。Argo浮標可在海洋中自由漂移,不僅可自動測量海面到一定水深之間的海水溫度、鹽度和深度,還可跟蹤其漂移軌跡,獲取海水的移動速度和方向。通常Argo浮標投放海洋后不進行回收。

(3)水下滑翔機(Glider):Glider是一種在水下以鋸齒形航線航行的自治式觀測設備,基于浮力驅動,可搭載溫鹽深測量儀等多種傳感器,可用于大范圍海洋水下環境觀測。目前,我國所使用的不同型號滑翔機均為自主研發設備。其中青島海洋科學與技術國家實驗室海洋觀測與探測聯合實驗室(天津大學部分)的“海燕-10000”深海滑翔機在馬里亞納海溝首次下潛至8 213 m。Glider均為回收式。

(4)波浪滑翔器:我國自主研發的波浪滑翔器用其特殊雙體結構轉換波浪起伏為前向動力的無人水面船,利用海洋波浪和太陽能源完成長時序、大尺度的海上航行觀測而無須頻繁人工維護,此外,具有極端海況下的可靠工作能力和綜合集成多類型科學傳感器的搭載能力,是適合構建全球大洋海氣界面業務化觀測的重要基礎平臺。經過長期自主摸索和試驗[3-4],我國自主研發的“海哨兵”波浪滑翔器(圖1)初步完成了系統構建和示范運行,開始應用海洋和大氣觀測中[5-6]。該儀器通常在投放海洋后,人為設定路線,在一定時間后到達預定區域收回。

圖1 “海哨兵”波浪滑翔器隊列Fig.1 The array of“Haishaobing”Wave Glider

通過以上4類自主可移動觀測儀器的介紹可以發現,自主可移動觀測儀器通常搭載多要素傳感器,以CTD 為例,根據使用狀態不同和使用時間不同,以上4類均需要安裝溫鹽深傳感器。同時目前大多數自主可移動觀測系統國外對中國處于封鎖狀態,均需要我國自主研發。

2.3 長期固定儀器(系統)

海洋觀測中長期固定儀器(系統)常見的為潛標和錨系浮標(圖2)。

圖2 長期固定儀器(系統)Fig.2 Diagram of long-term fixed instrument(system)

(1)潛標:海洋潛標系統是對海洋水下環境進行長期、定點、多參數剖面觀測的儀器設備系統,是海洋環境立體監測系統的重要組成部分。海洋潛標系統具有觀測時間長、隱蔽、測量不易受海面氣象條件影響等優點。

(2)錨系浮標:將浮標錨定于海洋特定的位置,可以對錨定位置海區進行自動、長期、連續測量。用于獲取海洋水文氣象、水質、海嘯、海冰等物理、生化參數的水面漂浮式自動監測平臺,它具有全天候、全天時穩定可靠的收集海洋環境資料的能力,并能實現數據的自動采集、自動標示和自動發送。

長期固定儀器(系統)根據研究目的設計安裝不同要素傳感器,通常通過每年1～2次正常維護可長時間使用,但在特殊海區受生物腐蝕、強流、臺風等過程影響,會出現不同程度的損壞或丟失。

3 使用環境特殊性

3.1 動力環境復雜

中國海洋大學目前項目研究的目標海域主要為西北太平洋、印度洋和中國近海(渤海、黃海、東海和南海)海區。以西北太平洋為例,西北太平洋是全球海洋動力過程最為豐富的海區之一。西北太平洋存在一支強勁的西邊界流——黑潮,長期平均流速可以超過1 m/s,黑潮及其延伸體在非常狹窄的區域內從低緯度向高緯度輸送大量的熱量,使得該海域存在非常顯著的海氣溫差,強烈的海氣相互作用伴隨著高度活躍的海洋動力過程使得該地區海洋與大氣運動具有顯著的多尺度特征,在海洋和大氣相互作用下西北太平洋常年海浪較大,年平均波高超過1 m。西北太平洋是系統性海洋觀測相對缺乏的海區之一。從長期觀測角度而言,海洋動力和生態要素觀測主要依靠傳統的大型錨系浮標和潛標。然而,目前幾乎所有的錨系觀測系統集中在熱帶海區,全球中高緯度海域特別是海氣相互作用和海洋動力過程最為豐富的黑潮延伸體海區仍然是長期連續觀測的“荒漠區”。目前,“透明海洋”計劃黑潮觀測區是該海區我國長期維持的觀測[7]。然而“狹窄”的強流區存在較強的水平流速剪切和垂向流速剪切,對于海洋觀測系統的鏈接結構破壞較大。同時活躍的海氣相互作用伴隨劇烈的天氣尺度過程,這對于海面以上儀器的傳感器具有一定的破壞性,容易導致儀器部分或全部功能失效。

3.2 人為破壞

西北太平洋、印度洋以及中國近海豐富的海洋動力過程,孕育了全球最豐富的初級生產力和漁業資源[8-9],豐富的漁業資源促使該海區大量海洋捕撈活動。以中國南海為例,鳶烏賊、鯖科、鲹科和金槍魚屬4類大宗經濟魚類是南海主要的經濟漁業資源[10],小型漁船可進行海上經濟作業。同時南海作為我國最大邊緣海毗鄰菲律賓、馬來西亞、文萊、印度尼西亞、新加坡、泰國、柬埔寨、越南等國家,國際政治形勢較為復雜。海上作業漁船和復雜的形勢均會對工作的儀器帶來不可預估的影響。2021年2月,漁民不慎將廣東海洋大學海洋觀測儀器打撈上船,被我國海警人員追回。漁網捕撈儀器不僅增加儀器丟失的風險,還會增加傳感器損害的可能性,使得傳感器使用年限降低。我國科研人員布放長期觀測儀器以及自主設計的海試儀器(如智能浮標)因為鄰國人員打撈而丟失的事情時有發生。不具備定位發射裝置的自容式儀器尋找非常困難,同時因為海洋走航觀測具有周期性、長間隔性的特點,發現儀器丟失時,通常很難再次找到。

3.3 操作因素

海洋觀測儀器具有重量大、體積大的特點,該特點增大了操作難度。對于搭載科考船進行的海洋觀測儀器觀測通常可以通過絞車、規范的實驗操作流程有效避免因為操作不當導致的海洋觀測儀器丟失。但是受制于客觀條件,仍存在借助漁船或其他船只進行海洋觀測儀器觀測或布放的情況,依靠人力或非專業設備增加了海洋觀測儀器直接丟失的情況。

浮標、潛標等觀測系統通常搭載多種觀測傳感器(圖2),通過繩索鏈接,觀測系統跨過整個海深,外大洋通常4 000～6 000 m。整個系統設計時需要考慮配重、儀器工作時間、耐壓等因素,布放和回收時需要考慮海況、儀器布放和回收順序等,人為計算、操作的失誤也會導致儀器損壞和丟失。

4 管理措施

針對中國海洋大學儀器使用狀態,以及海洋觀測儀器使用的特殊性,中國海洋大學采取的管理辦法為以下內容。

儀器設備管理部門應針對海洋觀測儀器的特性和使用場景加強對海洋觀測儀器的管理,盡量減少海洋觀測儀器的損失。

(1)建立海洋觀測儀器設備操作規范,加強對實驗技術人員的培訓和指導,打造海洋觀測的專業化隊伍。中國海洋大學“東方紅”系列科考船組建了由首席科學家、船上海洋觀測實驗技術人員和相關專業教學科研人員在內的海洋調查科考隊伍,編制了船載儀器設備操作規程,實驗人員操作經驗豐富,能夠確保海洋觀測儀器規范、安全使用。

(2)建立海洋觀測儀器分類管理機制,正確區分拋棄式、長期固定布放回收式和船載海洋觀測儀器的特性。對于浮標、玻璃浮球等一次性投放且使用年限不超過一年的海洋觀測儀器作為耗材管理;潛標等海洋觀測儀器因使用環境的特殊復雜性難以有效監管,使用年限、回收結果等存在不確定性,管理部門應根據此類儀器的特性和使用記錄情況確認儀器報廢、報損的依據,進行合法有效地處置。

(3)建立海洋觀測儀器損壞、丟失應急處置預案,將正在發生或已發生的事故后果減輕到最低程度。事故的應急處置應分事前、事中和事后3個階段,事前制定應急處理措施,明確處置程序;事故發生時按流程及時匯報、組織打撈或報有關單位協助找尋,并做好事故現場記錄;事故發生后應及時對事故進行評估鑒定,認定相關責任,上報管理部門依法依規進行賠償或追求責任人責任。

(4)建立以第三方商業保險機構為保障的海洋觀測儀器風險管理機制,減少國有資產損失。高校等科研單位應加強與社會保險機構的合作,針對海洋觀測儀器設備的特點探索風險防控的新機制和新模式,制定海洋觀測儀器的研制、使用的專業化保險保障方案,為科研人員和海洋觀測儀器提供有力保障。

5 總結與展望

在國家實施海洋強國戰略,鼓勵科學技術創新,突破封鎖的背景下,如何有效管理海洋觀測儀器是科研人員與管理人員共同面對的問題,有效合理的管理不僅保護國有資產的價值,同時保護科研人員的科研積極性。國內高校尚無有效的儀器管理辦法或規定,均處于“摸著石頭過河”的階段。為了逐步制定合理的海洋觀測儀器管理辦法,本研究進行了初步基礎性研究,以物理海洋觀測儀器為例,結合儀器使用特點,進行了儀器分類,討論其使用環境的特殊性,結合中國海洋大學科研和管理,提出試點的儀器管理措施。

目前,該研究尚屬初級階段,管理措施也僅在試點實施階段,針對海洋生物、海洋地質、海洋化學等學科有待研究。研究過程發現,該問題需要多部門、多學科相關人員共同探索。未來中國海洋大學將繼續探索海洋觀測儀器管理的相關問題,期待國內高校及科研院所多交流,形成既能使國有資產有效管理,又能保護科研人員調查、實驗積極性的管理制度。