淺談國外海洋資料浮標標體發展歷程

◎郭少瓊 劉愉強

1.廣東工業大學；2.國家海洋局南海調查技術中心

1.前言

人類賴以生存的地球，海洋占了表面的70%以上，約為三億六千一百萬平方千米。在人類數千年的文明歷史進程中，海洋作為人類生活的環境，一直受到人們極大的關注。它調節著地球的氣候，蘊藏著取之不盡、用之不竭的動力資源、礦產資源、生物資源和化學資源，它是天然的交通大道和國防前哨，又是認識宇宙、發展自然科學理論的理想試驗場。進入20世紀60年代后，海洋進一步成為國際上的重點研究對象之一。從20世紀70年代以來，人們探索海洋已不再局限于傳統的了解海洋的一般狀況，而是通過各種手段和途徑以期全力提高海洋綜合開發利用能力為主體的科學研究活動。

1872—1876年，英國皇家學會組織并主持“挑戰者”號在大西洋、太平洋和印度洋進行了歷時三年半的環球調查，全部航程達126000千米[1]，至此，開始了系統的和有目的的科學海洋考察。20世紀50年代以后，由于海洋在戰略和經濟上的意義日趨重要，世界上相繼建立了不少與海洋有關的國際機構，并多次組織了規模宏大的國際海洋聯合考察，如1955年由美國加利福尼亞大學克里普斯海洋研究所發起的“國際北太平洋合作調查”計劃，美、日、蘇、加等國的21艘船只參加，調查涉及水文、氣象、生物、化學各學科。此外，1960年在哥本哈根召開了國際海洋學研究政府間會議，組成了隸屬于聯合國教科文組織的政府間海洋學委員會，該機構已成為全世界海洋事業的中心。1991年，海洋觀測系統（GOOS）成立，有利于協調各國觀測資源，積極應用新技術和新手段，使得全球海洋觀測能力持續提升。目前已形成了由剖面漂流浮標、多種形式的錨系浮標和平臺、海洋站、海洋高頻雷達站、調查船、志愿船、水下滑翔器和動物遙測等多種觀測手段組成的全球觀測網絡，并通過世界氣象組織—政府間海洋學委員會海洋與海洋氣象原位觀測聯合支持中心進行觀測平臺和數據的整合與監控[2]。

作為海洋環境監測自動化重要設備之一的海洋資料浮標，在海洋觀測網中的地位越來越受到重視，它與衛星、飛機、調查船、海床基及海濱測量構成現代化海洋大氣環境立體監測系統。與船只、飛機、海島等方式相比較，海洋資料浮標既經濟靈活，又以全天候定點連續觀測的優勢被越來越多的國家廣泛應用在海洋天氣預報、海洋資料開發、國防建設和科學研究上。

2.國外海洋資料浮標標體的發展歷程

2.1 二十世紀發展情況

海洋資料浮標是根據海洋天氣預報、海洋資料開發和科學研究的需要而發展起來的一種新型海洋水文氣象觀測平臺。其研究工作從60年代初始于美國，到60年代中期以后，一些科學技術發達的國家（如英國、日本、法國、西德、挪威、加拿大、蘇聯、意大利等）也相繼開展了浮標的研制工作[3]。

美國在60年代末、70年代初用12米直徑圓盤型浮標，但由于造價問題而使其發展受到限制。1973年通過對浮標造價、壽命及性能的綜合考慮，將12米浮標的尺寸按比例縮為10米。1974年，美國國家資料浮標中心在其浮標網中所使用的浮標已有三種類型：排水量為90噸和52噸，直徑為12米和10米的鋼制圓盤型殼體浮標以及排水量為8.7噸，長為6米的NOMAD船型殼體浮標。NOMAD船型浮標是從Roberts浮標發展而來的，第二代NOMAD船型浮標取名VENOMAD浮標，由Aldi公司承擔制造。VENOMAD浮標采用5086鋁合金建造，甲板和側板厚度12.7毫米，底板厚15.9毫米，底部約有2948公斤（6500磅）袋裝鉛粒壓載，使其達到設計的排水量，并避免大角度傾斜時壓載物的移動。浮體有3個電池艙和1個電子儀器艙，呈船形殼體，長6米，寬約3米，深2.1米，初穩心高0.52米，重心高1.29米，排水量8732公斤（19250磅），儲備浮力8845公斤（19500磅），橫搖周期3.5秒，縱搖周期2.4秒，縱/橫搖2.6弧度/秒2。

圖1 VE-NOMAD浮標

圖2 美國海洋資料浮標類型示意圖

圖3 DS14型海洋資料浮標總裝圖

從1985年開始，美國國家資料浮標中心決定用造價僅為12米浮標1/25的3米直徑圓盤型浮標逐步代替在海況不大惡劣海區的6米船型NOMAD浮標站位，用NOMAD浮標取代12米圓盤型浮標站位，12米浮標只用于海況條件特別惡劣的海區（如白令海）。由于布放不多，美國國家資料浮標中心決定不再生產12米浮標。據統計，截止至1990年，在其領海海域布放的各類浮標（直徑12米、10米、3米的圓形浮標和6米船形浮標）總數中，3米小浮標約占總數的50%以上。

英國第一代資料浮標的典型代表是DB1型，其殼體直徑為8米，重量為40噸左右。第二代浮標是DB2和DB3型，是為英國新的四年海洋水文氣象資料收集計劃而設計的，它們是DB1型的改進型，其殼體直徑為6米，重22噸；1985年英國又研制了3米直徑、重3噸的Seawatch型圓盤型浮標，取代DB2型的站位，DB2型將被移至別的海區。另外，英國的Marex技術有限公司從1975年起到1985年1月間制造了37個3米直徑圓盤型浮標，這些浮標除英國布放用外，還遠銷世界許多國家。

其中DS14型海洋資料浮標是英國Marex技術有限公司生產的代表型產品。DS14型海洋資料浮標主要參數：圓環狀殼體外徑2.8米，內徑1.65米，高0.9米；三腳架高度1.2米，桅桿長度4米，傳感器圈直徑1.25米；龍骨長度6.8米，配重重量268公斤～293公斤；龍骨和殼體的重心在殼體底板下方1.1米處，浮心在殼體底板上方0.26米處；浮標總重量2600公斤，儲備浮力2100公斤。DS14型海洋資料浮標在結構方面有兩個特點：第一，采用圓環狀殼體。整個圓環隔成6隔密封的浮力艙，允許其中任意2個進水后殼體保持不沉。圓環中部分成7個儀器井，供安放儀器艙之用。儀器艙用聚乙烯材料制作，密封，呈圓筒狀，直接浸泡在井內海水中。第二，鑒于浮標桅桿高度與殼體直徑之比遠大于1，在殼體下面專門設置了龍骨和配重。當浮標在風浪作用下傾斜時，龍骨和配重產生反向力矩，使浮標迅速恢復平衡，從而保證浮體具有良好的隨波性能，有利于波高的精確測量。截止到1990年底，此種小浮標在世界各海域共布放40多個，使用面很廣。

2.2 二十一世紀發展情況

進入21 世紀，國外的海洋資料浮標產品主要是以小型浮標為主，如美國InterOcean systems公司海洋監測浮標（OFFSHOREMONITORING BUOY），法國IXsurvey公司iXBuoy II浮標，挪威輝固公司Wavescan浮標。

圖4 海洋監測浮標

圖5 iXBuoy II浮標

圖6 Wavescan浮標

美國InterOcean systems公司海洋監測浮標是美國新型的小型海洋資料浮標的代表，其浮體采用聚脲彈性體，呈扁狀圓盤形，桅桿采用鋁合金材料，龍骨采用鋼材，使得浮體穩性和隨波性兩者之間達到了比較合理的平衡。其主要技術性能參數見表1。

表1 海洋監測浮標體主要性能參數

法國IXsurvey 公司生產的iXBuoy II海洋資料浮標整體采用了5083鋁合金材料。其浮體分成3個浮力艙，浮力艙填充高密度聚氨酯泡沫。浮體周圍用橡膠帶作護舷，有利于浮體在惡劣海況下可以快速維護浮標上的傳感器，從而減少維護時間。其主要技術性能參數見表2。

表2 iXBuoy II浮標體主要性能參數

挪威輝固公司的Wavescan浮標呈圓盤狀，為了方便運輸，浮標可以拆分為兩半。在浮標體龍骨底部安裝一個配重，可防止浮標傾覆。浮體材料為聚乙烯，桅桿為鋁合金材料，龍骨為不銹鋼材料。其主要技術性能參數見表3。

表3 Wavescan浮標體主要性能參數

3.結束語

建設海洋觀測網是提高我國海洋綜合實力的基礎性工作，是建設海洋強國的重要抓手。海洋資料浮標基于其自身無人值守、實時原位觀測海洋環境、不受氣候限制等優點被廣泛使用，己經成為各國海洋觀測體系中不可缺少的手段。經過半個多世紀的發展，在全球海洋觀測網中，海洋資料浮標標體已系列化、標準化。如美國形成了直徑12米、10米、3米的圓形浮標和6米船形浮標等各類浮標體。同時，海洋資料浮標標體又趨于一致化。目前國內外的海洋資料浮標標體都是以圓盤形為主，船形、異形等已退出歷史舞臺；歐美等國家海洋觀測網中海洋資料浮標標體則以小型、圓盤形浮標體為主。