建设海洋强国，维护海洋和平安宁丨海洋环境安全保障技术发展现状和展望 - 海洋环境数据分析

编织自己的梦想 · 发表于海洋技术专业 2024-4-17 06:15:57

本文刊载于《中国科学院院刊》2022年第7期“专题:海洋观测探测与安全保障技术”

毛华斌1,2 吴园涛3 殷建平1,2 练树民1,2*

1 中国科学院南海海洋研究所

2 广东省·中国科学院应用海洋生物学重点实验室

3 中国科学院重大科技任务局

海洋观测技术的不断进步为海洋环境安全提供了越来越多的技术手段。海洋环境安全保障技术在“一带一路”倡议中有着不可或缺的作用，不仅对海洋强国建设、国家海上安全维护有着极为关键的作用，还将对推动构建“海洋命运共同体”，落实海洋可持续发展目标发挥积极的作用。

2019 年，习近平总书记在青岛会见应邀出席中国人民解放军海军成立 70 周年多国海军活动的外方代表团团长时，提出“海洋命运共同体”重要理念。习近平总书记深刻指出，“我们人类居住的这个蓝色星球，不是被海洋分割成了各个孤岛，而是被海洋连结成了命运共同体，各国人民安危与共。”“大家应该相互尊重、平等相待、增进互信，加强海上对话交流，深化海军务实合作，走互利共赢的海上安全之路，携手应对各类海上共同威胁和挑战，合力维护海洋和平安宁。”当前，建设海洋强国业已成为中华民族伟大复兴中国梦的核心工作，是保障国家总体安全、促进经济发展、维护海洋权益和拓展战略空间的迫切需求，而建设强大的海防则是实现这一伟大目标的基石。本文重点介绍了我国海洋环境安全保障技术发展现状，并对下一步工作提出了思考和展望。

1 海洋环境安全保障技术体系的构成

海洋环境安全保障技术主要实现对海洋环境信息的获取、反演、资料同化、预报，分析其分布特征及变化规律；根据海洋环境信息需求，实现海洋环境要素收集，形成态势分析结果，为海洋安全提供支撑保障。

1

海洋环境参数感知技术

海洋环境参数感知技术即对海洋环境参数的获取、传输、存储的技术，主要有卫星观测技术、科考船观测技术、岸基和潜/浮标观测技术、移动平台观测技术和海底观测网技术等。

2

数据集成与分析技术

海洋环境数据的多源性、多数据格式、多尺度及动态性，决定了必须进行数据集成，否则就无法进行有效地组织、管理和应用。理想的集成技术应该从需求概念模型入手，在不同的需求之间探讨集成的可能性。

3

应用保障技术

应用保障技术是指紧密结合海洋环境信息需求，以海洋环境参数获取为依托，以计算机、通信、网络等技术为服务平台，针对海洋环境要素及态势，充分应用资源为海洋环境安全提供支持保障。

2 海洋环境安全保障能力发展现状

二战期间，海洋环境安全保障技术主要保障海上航行安全和登陆，保障的具体内容为流、浪、潮信息和大气的风、温、湿信息。保障产品为描述为主、定量为辅的状态，以图集、报告为主体。海洋环境安全保障技术的应用层次已然成为了海上活动安全的关键所在。20 世纪 80 年代开始，海洋环境保障技术得到极大发展。海洋环境安全保障技术发展使得多平台、立体化、区域性、常态化、自动化的观测网络体系得以构建，并提供实时观测信息和层次化信息产品，许多产品正进入业务化运行阶段。

海洋环境感知技术

海洋环境感知技术根据方式不同，大体可分为利用卫星技术的遥感观测、多种手段结合的海洋观测、长时间序列高频的海底观测网观测。

1

海洋遥感

海洋遥感作为重要的海洋环境感知技术之一，在海洋环境安全保障实践中具有独特的优势。海洋遥感，可进行大面积、同步海洋环境监测，并提供多种海洋环境要素。

2

海洋观测

全球海洋观测网计划是 1998 年推出的一个通过剖面浮标阵构成的全球海洋观测试验项目，旨在快速、准确、大范围地收集全球海洋上层的海水温度、盐度剖面资料，以提高气候预报的精度。

3

海底观测网

海底观测网融合物理海洋、海洋化学、海洋地球物理、海洋生态等多学科，解决深海电力输送和实时传输海洋观测数据的技术难题，实现了从海底到海面全天候、长期、连续、综合、实时、原位观测。

数据集成与分析技术

1

数据集成技术

海洋环境监测数据集成，即从布放在高空、海表、海底等不同环境的海洋观测设备回收数据，并发送到具有分析处理能力的信息中心进行加工和处理。按传输信道的类型，主要传输手段可分为无线传输和有线传输，或特殊的“布放-回收”手段等。

1.无线传输。不仅能满足远距离、全球尺度的通信需求，也为运动中的数据传输节点提供通信能力支撑，充分适应传输机动性。

2.有线传输。有线传输较适用于离岸距离近、安全性高、隐蔽性好的环境观测设备信息传输，为近岸长期固定观测站提供通信支撑。

3. “布放-回收”手段。在距离基地较远，卫星、遥感等观测或通信手段无法覆盖的地区，可以采用自动化海洋观测设备“布放-回收”的形式，直接回收自容式观测设备获得的环境数据。

2

数据分析技术

随着信息技术的快速发展，目前人类已进入大数据时代。大数据与人工智能方法在一定程度上能够补充和辅助传统的数值预报技术，在传统海洋预报薄弱的环节中，对于某些预测预报的问题，经典数学模型和传统海洋理论不容易进行精确的描述，人工智能技术反倒可能成为研究的长项。

应用保障技术

1

海洋数值模式与预报保障技术

数值模式的发展，使得我们对海洋的认知从零散的区域表述发展到对全球三维网格化的认知。这种三维网格化的结果不但可以对当前和未来海洋环境进行分析和预报，还可结合历史资料重建高精度的时间序列，即在合理的动力、热力理论框架下对全球海洋环境变化规律进行合理的“复盘”和“重构”，得到长时间序列的“再分析”资料；从而对全球、区域的变化规律有更深刻而准确地认识，也“弥补了”观测不足导致的认知不足。

2

美国海洋监测数据应用保障实践

美国海军海洋学（naval oceanography）是美国海军保持全球战力的前沿，在海洋环境安全信息获取和预报能力方面具有突出的技术领先优势，在海洋环境安全保障技术的应用方面最为成熟。美国海军气象海洋保障体系包括了作业保障和总体规划管理/科技研发两部分，研发部门提供的新产品、新技术，提高了数据收集方法和预报性能，并由产品中心提供有效信息。

3

应用保障技术发展方向

海洋环境信息系统建设、海洋环境数值预报业务化系统建设和海洋环境保障系统建设需要重点突破海洋环境信息数据库系统、海洋学信息产品及分发显示系统、风—浪—流耦合数值模型及业务化系统、高分辨率海面风场预报业务化系统、三维斜压海流数值预报业务化系统、跃层数值预报及同化技术研究、水声环境仿真系统、海洋环境和战术海洋环境保障支撑系统、水下平台自主海洋环境保障系统。

3 海洋环境安全保障能力未来发展趋势

在信息化大背景下，海洋强国建设对海洋环境保障能力和其技术体系能力的要求可以概括为以下 4 个方面。

全时全域、多维一体的监测探测能力

背景：针对中小尺度快速移行和高频变化的特点，卫星监测系统与水面、水体观测同步能力未达成全方位的同步，存在着卫星在移行中尺度涡、锋面等分析中的海面观测数据与水下三维分布不匹配的问题。通过优化观测和目标观测，选定关键区域、关键断面，构建在线传输的固定监测系统，同步获取水下三维环境参数，已成为目前海洋监测能力提升的迫切需求。

要求：

1. 发展低成本、长时间在线的漂流观测系统，如表层海汽通量观测浮标、剖面漂流浮标、温差能剖面浮标等新型观测设备；通过组建长时间在线的机动组网监测系统，进一步提升水下滑翔机为代表的水下自主无人潜器的性能，提升其快速性和持久性；继续推进我国海底观测网建设，实现海洋环境的全天候、实时、高分辨率和原位监测，并多途径保障观测网络的可持续发展，实现我国海底观测网的长期、可靠、业务化运行。

2. 应建立观测设备与平台的“能力谱系”（图 1），确定设备与平台的最优适用范围和使用方式，结合最优观测理论和目标观测理念，实现成本可控、绩效最优的观测与监测网建设。

图 1 不同观测方式的时空能力谱

（a）潜标观测方式；（b）水下滑翔机观测方式；（c）Argo浮标观测方式；（d）拖曳观测与投弃式温度测量探头（XBT）观测方式

高效安全、稳定可靠的信息传输能力

背景：海洋环境安全保障产品是高度信息化的产品，这就决定了除自身体系的信息流转与迭代外，也将参与整个过程信息流转与迭代。从技术发展的角度看，环境信息的传输与分发是整个海洋环境安全保障体系中发展最晚的，尤其是具远离大陆的离岸全球/区域观测监测体系的信息传输直到铱星的出现才得以实现。

要求：

1. 重视自主通信卫星的发展和低轨星链技术发展带来的条件改善，加紧研发相关的设备并对现有设备进行加改装，用以改进、提升现有和今后研发的设备，提升自身技术体系中的信息传输速度。

2. 快数据提取、压缩技术研发，实现精细化海洋环境保障产品的可传输性从而真正发挥保障的作用。

实时精准、客观定量的预报预测能力

背景：高精度、高分辨率海洋观测模式需要大量的海洋观测资料、精准的大气驱动场、可靠的海洋物理过程参数化方案、先进的海洋数据同化技术和高性能并行计算技术等。高分辨率海洋观测模式能够对海洋锋、海洋涡旋、海洋沿岸流等海洋过程进行模拟预报。

要求：

1.优化资源配置，构建高时效的全球-区域-近岸/岛屿模式三级分析系统，全球分析预报系统应以地球模拟器为基础，强化南北极的分析预测能力。

2.构建关键区域的分析预报模式系统，实现在地球模拟器支撑下的区域高分辨快速分析能力；快速构建精准的近岸/岛屿模式网格，实现可伴随使命任务的关键小区精准分析与预报能力。

3. 大力发展分布式计算和智能计算能力，满足编队、单船在受限条件下依托自身探测能力与分析能力实现对环境感知和分析的自主保障能力。

精准运筹、高效便捷的辅助决策与支撑能力

背景：近年来我国加快海洋建设的步伐，建立了空、天、地、海、潜的海洋立体观测网和各类无人观测系统，为海洋环境安全保障提供了坚实基础。但受海洋环境信息的获取、传输、处理、共享、应用，以及海洋装备研制等方面的因素影响，与美国等发达国家还有一定的差距。

要求：

1.实际过程中，从规划，到运用，再到具体的开展，以及复盘，应用保障技术应该是“全链条”的支撑。

2.辅助决策和精准支撑真正核心内容是需要将精准的数据根据实际的需要开发出高效、易用、易传输的数据集和产品，这需要下大功夫调研应用端的需求，开发满足操控系统、技术装备、作业系统等不同需要的数字化、可视化的信息产品，从而完成“全链条、全谱系”保障。

4 发展我国海洋环境安全保障能力的思考

近年来，虽然我国海洋环境安全保障技术有了快速的发展，但过程中不免存在一系列问题。这使得我们更应深层次思考问题所在，以及如何应对。

1

大力发展国产海洋传感器

目前，我国在载体平台技术方面，接近甚至在某些方面已超越国际先进水平；但在底层核心传感器方面，我国 90% 以上的业务化观测传感器均是进口设备，关键时期极易被“卡脖子”。目前，在海洋传感器领域存在着比较严重的“重购置、轻自主研发、轻应用迭代”问题，应强化“产学研”体系，给予国产海洋传感器犯错、改进、迭代优化的过程和机会，树立科研、业务应用、管理部门对自主海洋设备的信心。

2

优化数据资源共享与挖掘

各家单位均收集了大量的多元化海洋数据，而对于数据的质量、可靠性、规范性、挖掘应用、模型开发等方面则鲜有出色成果，导致花费巨额财政资金收集的数据常年“尘封”在各单位的档案馆中，而科研人员仍习惯性地下载国外标准化的再分析数据。本文呼吁国家层面加强观测数据高效、可靠转化到可应用、可保障产品的整体布局和相关措施制定。

3

加强工程技术人员队伍建设

一支结构合理、人员稳定、技术过硬的工程技术人员队伍，是海洋环境安全保障得以开展的坚实基础。建议加大工程技术人员高级职称的配额，使其能有更好的晋升空间；让技术人员与同级别的科研人员和管理人员有同等的薪酬，使其安心工作。此外，还应当配置充足的工程技术人员，并确保队伍稳定、年龄结构合理，防止技术断层。

5 结语

我国的海洋环境安全保障技术经过几十年的发展，无论是在理论研究，还是保障应用方面都有了显著的进步，但与美国等西方发达国家相比，还存在着一定的差距。海洋环境安全保障技术在“一带一路”倡议中有着不可或缺的作用，这就迫切需要我们加快海洋环境技术与安全保障之间无缝衔接。推动海洋环境安全保障技术的发展，不仅对“建设海洋强国”目标的实现，国家海洋安全的维护有着极为关键的作用，还将对推动构建“海洋命运共同体”，推动我国全面参与联合国框架内海洋治理机制和相关规则制定与实施，以及在落实海洋可持续发展目标中发挥积极的作用。

毛华斌 中国科学院南海海洋研究所研究员。主要从事海洋观测技术、海洋中小尺度动力过程、应用海洋学等方向的研究。主持国家重点研发计划等国家级项目（课题）6项，发表SCI论文30余篇。中国科学院关键技术人才。

练树民 中国科学院南海海洋研究所研究员，中国科学院应用海洋学重点实验室主任。中国科学院海洋技术领域专家组咨询顾问专家，全球变化与海气相互作用专项专家组成员，中国科学院海洋技术专家委员会成员，享受国务院政府特殊津贴。主要从事海洋科技管理与应用海洋学研究。主持“863”计划、国家重点研发计划、国家科技重大专项等多个项目。

文章源自：毛华斌,吴园涛,殷建平,练树民. 海洋环境安全保障技术发展现状和展望. 中国科学院院刊, 2022, 37(7): 870-880.

DOI:10.16418/j.issn.1000-3045.20220509004

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