知识窗▏海洋环境观测技术
组稿/溪流
当今世界，人口增多，陆地资源日益匮乏，环境状况渐趋恶化，越来越多的人把目光投向了海洋；一些国家也相继制订了21世纪的海洋发展战略，并称21 世纪是海洋科学的新世纪。开发利用海洋资源，发展海洋经济，保护海洋环境，是发展海洋事业的主要任务，而海洋观测是研究海洋、开发海洋和利用海洋的基础，海洋观测技术的发展对于提高海洋资源的开发能力、促进海洋经济的发展、提高海洋环境监测能力等都起着重要的作用。
⒈ 浮标和潜标技术
浮标、潜标技术是六十年代由一些海洋发达国家开始使用并发展起来的；浮标、潜标系统是海洋环境调查的重要技术装备，具有在恶劣的海洋环境条件下，无人值守的长期、连续、同步、自动地对海洋水文、气象诸要素进行全面综合监测的特点，是海洋观测岸站、调查船和调查飞机在空间上和时间上的延伸扩展，是离岸监测的重要手段。具有其他调查方法无法代替的作用。潜标系泊于海面以下，并可通过释放装置回收，具有获取海洋水下环境剖面资料的能力，并具有隐蔽性好不易被破坏的优点，得到了广泛的应用。
锚系海洋资料浮标是海洋监测的重要技术之一。随着科学技术的进步，浮标的自动化水平、通信能力、可靠性、工作寿命都越来越高。近几年，海洋资料浮标技术向多参数、多功能及立体监测方向发展，其进展主要表现在以下几个方面：
⑴新技术、新材料的使用促进了浮标总体技术的发展。浮标体采用铝、泡沫塑料或玻璃钢混合结构，重量轻，布放和回收方便，新研制的螺旋形弹性系留索具有高强度、高弹性、螺旋形伸缩、可通电等优点，可从水面向水下仪器供电，又能将水下仪器的观测数据送回平台进行储存和遥测。
⑵小型化、多参数和水文剖面参数测量：计算机技术、低功耗和太阳能技术的应用，使得浮标装载的测量仪器设备实现了小型化和低功耗，给浮标小型化提供了足够的空间，并实现了多参数观测，同时有较好的水动力特性，能较为方便地满足水文剖面监测对浮标的要求。大大减小了浮标的制造和运行费用，使用方便、灵活，易于运输。
⑶除资料浮标通常用的气象水文传感器外，增加了测量传感器如光辐射传感器、生物光学传感器、温度传感器、电导率传感器、ADCP等，增强了功能。利用连接在系留系统中的弹性元件的调节作用，使系留索处于绷紧状态。浮标始终运动在水面，随波性良好，使波浪参数的测量更加准确。并由过去单一的消耗式发展为消耗式和可回收式兼有标型。
⑷应用感应耦合数据传输技术，进行水下CTD剖面测量数据实时传输：采用技术先进的感应耦合传输式温盐深传感器，安装在水下系留索的不同深度，利用包塑系留钢索与海水构成感应回路，通过系留缆将测量数据传输到浮标数据舱内，实现了从水面到水下的立体实时观测。利用低轨地球通信卫星，实现浮标遥测遥控指令和数据的双向传输，使浮标发出的信息量大幅度提高，同时可将岸站的遥测遥控指令通过卫星送到浮标上，使浮标在受控条件下全天候和全天时作业。
⑸海洋资料浮标在海洋动力环境监测、海洋污染监测、卫星遥感数据真实性校验、水声环境监测、水声通讯和水下GPS定位等方面正发挥着越来越重要的作用，海洋资料浮标技术的发展对海洋观测和海洋环境监测起着举足轻重的作用。
⑹ADCP应用于小型浮标进行海流剖面测量：主要监测参数如下：风速、风向、气温、湿度、气压、表层温度、盐度、剖面温度、盐度、波浪参数、海流剖面等。
⑺利用GPS和Arg os双重定位，大大提高了定位精度；测量参数迅速增多，功能显著扩大；智能自动沉浮式标型大量应用；从大洋发展到主要用于近海。
⒉ 岸基台站观测技术
岸基台站观测是指在沿岸或石油平台设站，作为固定式的海洋观测平台，对沿岸海域的水文气象环境进行观测，或对环境质量进行监测。岸基高频地波雷达可用于测量海冰、海面风场、海浪场、海流场等海面环境参数，它是利用高频电磁波沿导电海水表面的绕射特性，实现对大面积海表状态和海上移动目标的超视距探测。岸基台站是我国海洋环境监测网的主要组成部分，发展岸基台站观测技术是发展我国海洋观测技术的重要内容。
岸基台站观测主要靠海洋观测仪器设备来实现，观测仪器设备主要有压力式无井验潮仪、浮子式数字记录有井验潮仪、空气声学水位计、声学测波仪、加速度计式遥测波浪仪、自动测风仪、感应式实验室盐度计、电极式实验室盐度计、pH 计、DO测定仪、ZQ A型海洋水文气象自动观测系统等。
近几年，美国、英国、加拿大、澳大利亚等国家相继开发出多种海洋环境监测高频地波雷达，英国、加拿大等国家研制的作用距离为200km左右的中程高频地波雷达已用于海洋环境监测。加拿大设在纽芬兰岛的中程高频地波雷达，使用40元宽带单极天线组成相控阵，天线阵孔径为870m，工作频率为5.8MHz，测流有效距离超过200km，获得了径向表面流、浪场、风场等参数。我国高频地波雷达海洋环境探测技术研究解决了相控阵天线、宽频带收发开关、超角分辨率扫描、雷达回波的信息提取和解释等关键技术，目前，使用高频地波雷达的近海观测系统正在不断发展和完善中。
⒊ 船基海洋观测技术
利用船舶作活动平台进行海洋调查和观测是海洋调查观测技术发展的重要方面，是建设海洋环境立体监测网的重要内容。
海水的温盐深是海洋的基本参数，温盐深的测量是海洋中最基本的水文测量，温盐深测量技术的研究是海洋观测技术研究的重要内容。温盐深探测仪(CTD)是海洋监测中的重要仪器，用于测量水体的电导率，温度及深度三个基本的水体物理参数。根据此三个参数，还可以计算出其它各种物理参数，如声速等，用以研究海水物理化学性质、水层结构和水团运动状况，是海洋及其它水体调查的必备设备。
海水运动是乱流、波动、周期特性潮流与稳定的“常流”综合作用结果。这些流动具有不同尺度、速度与周期，并且随风、季节和年份而变。其强度一般由海表面向深层递减。海水还有沿一定路径、方向基本朝向一个方向的大规模的运动，这种准定常运动称为常流（余流）。它是由各种原因，例如风的作用，海洋受热不均匀，地形的影响等产生的。海流观测是海洋观测中的重要内容，目前国内外的海流测量仪器有很多。ADCP测量技术是当前海流测量的最有效手段；此外，ADCP还可用于海水浊度测量及海底沉积的观测。世界上第一台商品化的声学多普勒海流剖面仪(ADCP)生产于70年代中期；1985年后，ADCP逐渐普及；进入90年代，ADCP的使用更加普遍。在80年代窄带ADCP技术(NBADCP)的基础上，90年代相继发展了宽带ADCP技术(BBADCP)、相控阵ADCP技术(PA-ADCP)、声相关海流剖面测量技术(ACCP)以及测量一个水平面上海流分布的ADCP技术。普通的ADCP，不论是船载式/拖曳式/坐底式，还是自容式/直读式，均测量一个垂直面上的海流分布。在多数情况下它们能够满足使用需要，但在某些情况下，例如测量特别狭窄海峡的海流，则遇到了问题。许多狭窄的海峡往往是交通要道，其海流特别是涨潮流和落潮流通常很大，海流的实时信息对于在这种海峡航行的船舶安全至关重要。在航道的中央难以长期使用坐底的、直读的ADCP测流。原因是海流强大、交通繁忙,坐底的、直读的ADCP不便布放和维护。另一个原因是强流不断地冲动ADCP和水下信号传输电缆，可能使其挪位或遭受损坏，现代的ADCP技术已经从垂直方向测量朝水平方向测量发展。
水声探测技术是水下海洋环境观测、目标探测的主要手段，其基本内容有声层析技术、声成像技术、高分辨率声学多波束测深技术、多功能海底地层剖面声探测技术、多媒体声通信技术等。合成孔径声纳(SAS)是军民两用的水下目标声成像探测技术。以往各种声探测技术对水下物体的探测都是根据回波的变化分析物体的形态，不能直接成像；而这项技术是采用收发分离的模式，将接收阵分为两个模块，提高了回波的信号空间分辨率，形成了声成像能力。国外目前的发展趋势是提高分辨率和作用深度。
⒋ 海洋遥感技术
海洋遥感技术包括航空遥感和卫星遥感，它具有宏观大尺度、快速、同步和高频度动态观测等优点，因其大范围高效率的优势正受到科技工作者的青睐，成为海洋表面环境观测的首选技术，是现代海洋观测技术的主要发展方向。
航空遥感主要用于海岸带环境和资源监测、赤潮和溢油等突发事件的应急监测、监视及卫星遥感器的模拟校飞和外定标，其离岸应急和机动监测能力、良好的分辨率、较大的空间覆盖面积及较高的检测效率，是其它监测手段不能替代的。主要的遥感器有侧视雷达、成像光谱仪、红外辐射计、激光荧光计、激光测深仪等。目前采用无人机作为遥感监测的平台已经成为海洋监测的发展趋势。
卫星遥感技术是20世纪60年代以后发展起来的一门技术，它遥感范围广，同步性强，资料提供及时，可大大提高海洋预报和资源探测能力。目前，全球在轨运行的海洋遥感卫星很多，主要的星载遥感器有雷达散射计、雷达高度计、合成孔径雷达、微波辐射计、可见光/红外辐射计及海洋水色扫描仪、全色相机等，星载遥感器的重点研究内容是合成孔径雷达(SAR)。我国海洋遥感应用技术取得了很大进展，在可见光和红外遥感方面，发展了海洋赤潮监测和速报技术，悬浮泥沙浓度、初级生产力、海冰厚度和范围的反演等技术；在微波遥感方面，发展了潮汐、海面风浪场、海底地形的反演技术；在遥感数据同化方面，发展了表面流场和温度场的同化技术。
⒌ 海床基观测技术
海床基是放置在海底的观测系统，主要采用各种仪器探测海底附近的海洋参数，还可以采用声学仪器测量海洋的剖面参数。为了回收，海床基系统有声学释放装置。以美国为首的西方国家近几年比较重视水下长期无人监测站的建设，主要用于长期监测海洋生态系统环境变化的趋势。国内的海床基研究是从九五期间开始，当时是用于长江河道内观测高浓度泥沙的主要装备，十五期间研制的海床基主要用于近海的动力要素的监测，提供潮汐、潮流、波浪、风速等参数，要求能在水下长期监测，并保证可靠回收。
海床基是一种在海底工作的自容式综合测量装置，可布设于河口、港湾或者近海海底，对悬浮泥沙参数以及引起悬浮泥沙运移的海洋动力参数进行长期、同步、自动测量，为分析研究各种海洋动力条件下特别是大风浪条件下悬浮泥沙的运移规律提供资料，适用于海洋工程、港湾码头建设的前期调查和海上工程设施(平台)的灾害预报及海洋研究。
⒍ 水下自航式海洋观测平台技术
水下自航式海洋观测平台是20世纪80年代末、90年代初期在载人潜器和无人有缆遥控潜器( ROV)的技术基础上迅速发展起来的一种新型海洋观测平台，主要用于无人、大范围、长时间水下环境监测，包括海洋物理学参数、海洋地质学和地球物理学参数、海洋化学参数、海洋生物学参数及海洋工程方面的现场接近观测。
水下滑翔机器人是一种新型的水下监测平台，它是一种将浮标技术与水下机器人技术相结合、依靠自身净浮力驱动的新型水下机器人系统，具有浮标和潜标的部分功能。水下滑翔机器人具有制造成本和维护费用低、可重复利用、投放回收方便、续航能力长等特点，适宜于大量布放，适用于大范围海洋环境的长期监测。
水下滑翔机器人可用于建设海洋环境立体实时监测系统，有助于提高对海洋环境测量的时间和空间密度，实现对海洋环境的大尺度测量，是海洋环境立体监测系统的补充和完善，在海洋环境的监测、调查、探测等方面具有广阔的应用前景。
无论何种海洋观测技术手段都有其缺陷。例如，无论是浮标、潜标、岸基台站还是船基海洋观测技术，它们只能观测到有限的点、面或层次的海洋环境要素，对于利用船基海洋观测技术的大面站观测还存在着因船体晃荡引起误差、所得到的观测资料非同步等弱点；海洋遥感技术虽具有宏观大尺度、快速、同步和高频度动态观测等优点，但只能观测到海面的一些环境要素，而对于海洋次表层以下的环境动力特征则鞭长莫及，同时受制于云量、扫描轨道和频率等因素。
海洋观测技术发展的最终目的是有助于我们认识、了解海洋。由于海洋辽阔，因此不可能对整个海面、全部水深都布设观测仪器，只能在个别比较重要的观测点进行监测，获得有限的实时同步观测资料，进而利用比较优化的三维数值模式对相关的海洋环境要素进行数值模拟；而同步观测资料一方面可以作为资料，同化应用到模式中，对数值模拟结果进行校正，另一方面则可以用于验证数值模拟结果的可靠性。例如，仅利用NASA的海表温度卫星遥感资料与数值模式的结合来同化模拟黄、东、渤海的三维温度场，便有助于改善模拟结果。因此，只有将海洋同步观测技术与数值模拟技术有机地结合，才能更好地认识和了解浩瀚的海洋。
海洋观测技术发展还必须注重为社会经济发展和海洋资源开发的防灾减灾服务，加强对地震海啸、风暴潮和孤立内波等灾害性强海洋动力过程的监测技术和预警研究。地震引发的海啸、台风引起的风暴潮不仅给沿海地区人民的生命财产带来严重的损失，而且对海上交通运输、军事活动、近海和沿海的油气开发、海洋工程、渔业和养殖业都造成严重的影响。孤立内波则主要对海上石油平台、石油钻井机和海底输油管线等具有强大的破坏力。目前，我国针对上述几类自然灾害的海上实测数据监测和积累甚少。因此，加强对灾害性强海洋动力过程监测技术的研究、应用和预警系统的建设，是海洋观测技术发展的迫切需要。
■本文主要参考文献是《海洋环境观测技术研究进展》，作者为蔡树群等，中国科学院南海海洋研究所，发表在《热带海洋学报》上。文章作了删选及补充，相关版权归原作者所有。