学者专栏▏我们如何观测海洋——透明海洋和数字海洋的批判之二 - 海洋观察航空器技术

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千百年前，人们就开始用肉眼观察星空，同时也在观察近在咫尺的海洋。1831年，年轻的博物学者达尔文参加了“贝格尔”号的航海，加拉帕戈斯群岛上的神奇生物深刻影响了他“进化”的思想。1846年，赫胥黎随“响尾蛇”号出航，在对海产动物形态生理观察和研究后发表了关于水母的论文，并成为进化论的坚定拥护者。早在“挑战者”号之前海洋调查就已经开始了，在更早的大航海时期就有不少博物学家随船四处游荡，从事着他们擅长的工作。

“挑战者”号之所以成为现代海洋调查的里程碑，是因为其有计划，有组织，有方法的海洋探险活动。英国皇家学会为“挑战者”号环球探险活动构建了一个系统完整的技术体系，探索未知海洋，描述海洋现象的时空分布是“挑战者”号探险活动的基本任务。海洋研究的先驱们不仅创建了描述性海洋学，创立了5个海洋基础学科和海洋调查的基本架构，以及物理海洋等学科的基本理论框架。

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然而，与“透明海洋”所述三维观测不同的是并没有强调海洋观测信息的实时性，不是因为当时的海洋调查船从起航到归航需要几年时间，而是学者们用了近20年的时间整理和分析“挑战者”号获取的观测数据和样本后，才出版了大量“挑战者号”调查报告并逐步创立了5个海洋基础学科，所以海洋研究本身对实时性并无需求。海洋观测中的实时信息应该是观测系统运行状态信息，除了特定情况外，发送观测数据是“画蛇添足”。强调实时数据是为了展示观测成果，但展示观测数据并不是海洋研究工作的必要过程。

其二，两次世界大战大大地刺激了海洋调查和海洋研究的发展，但是至今为止我们并没有找到更好的海洋观测运载体，所以海洋调查船才会一直沿用至今，海洋生物、海洋地质和水体调查仍是海洋调查活动中的主要作业对象。无论是什么样的“二级运载器”和观测平台（如AUV，ROV，潜标，海面浮标，Argo漂流浮标和滑翔机等）都离不开海洋调查船，否则它们就失去了应有的作用。换言之，至今为止我们并没有突破“挑战者”号构建的海洋调查的技术架构。

颠倒温度计和早期MarkIII-CTD

如今，尽管在观测设备和采样装置方面，在海洋调查船辅助调查设施方面都有了大幅度的技术提升，但是这些技术上的巨大变化并没有改变我们在海洋里观测海洋和接触性海洋测量的现实，“不识庐山真面目，只缘身在此山中”。因此“透明海洋”中“全球海洋观测体系正处在技术变革的关键时期……以及推动海洋观测技术向综合化、立体化、网络化、实时化跃升……观测技术智能化、要用模块化、装备谱系化、观测系统立体化、数据处理集成化”等忽视了海洋测量技术进步缓慢的现实，没有直面解决长期困扰海洋调查的大面、同步、长期连续观测的难题。海洋如此之大，仅靠那些活动空间微小和测量时间很短的“二级运载器”做观测平台，采用并不成熟的原位分析技术实现采样的数字化去获取我们认知海洋的观测信息，不仅是一种很不靠谱的“假想”也反映出对海洋调查的生疏和认知的肤浅。

第三。海洋调查有定点、走航、拖曳三种基本作业方式。早在百年前的环球探险活动中，“挑战者”号已经具备了生物、地质和水体的观测和采样能力，改装后的调查作业辅助设施有力地支撑了探险活动中的调查作业，颠倒温度计和某些地质和生物采样装置一直沿用至今。探险活动中还形成了定点和拖曳调查作业的基本方法。在随后的一百多年里，我们一直在不断地改进观测、采样设备和调查作业辅助设施。其中，从19世纪的颠倒温度计到1978年的CTD是百年来水体温度观测中，唯一的一次革命性技术进步，大幅度提升了我们对水体分层结构的认知，距今已有近半个世纪了。1994年左右，借助二战声学技术解密和GPS民用，海洋水声探测技术和设备突飞猛进，这是至今为止船载调查设备的一次重大技术进步，距今也有近30年多的时间。

ADCP出现后解决了长期困扰海洋调查的测流问题，实现了走航海流剖面观测；多波束和浅地层剖面仪大大加快了地形地貌和海底地层剖面的探测速度，形成了新的走航观测作业方式；同时，这些观测设备对数据处理也提出了更多、更高的要求。20世纪后期，随着声学和光学拖曳体、磁力拖曳探测、地震拖曳探测、拖曳式CTD的发展和进步，将早期的海底拖网作业方式运用到水体中，改变了早期拖曳作业的基本含义。同期发展起来的深海潜标、海面浮标、海床基等观测技术，也改变了早期定点观测的含义。海洋卫星遥感在获取大量观测信息的同时，也带来了一种全新的海洋观测方式。

新型海洋调查船“嘉庚”号

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新型海洋调查船性能的提升（如动力定位），各类高强度绳缆（钢缆、电缆、光电复合缆、纤维缆）和液压、电动绞车系统的运用，大幅度提高了现场调查作业的能力、调查作业速度和航次作业效率。同时也为“二级运载器”和新型观测平台的发展创造了条件。但是，我们也应该清醒地认识到海洋是一条没有边界的“高速公路”充斥着各种航船、无处不在的定置网和捕捞作业，并非海洋观测的“净土”。所以，我们只能在深远海布放Argo漂流浮标、滑翔机和AUV。活动空间小和观测时间短是它们的共同特征，而电力供给和观测设备在海洋恶劣环境中的生存能力，则是制约设备发展和进步，并且一时难以突破的技术“瓶颈”。尽管海洋观测在“透明海洋”中占有重要位置，但是长期以来我们并不十分关注海洋调查活动以及如何有效获取观测数据，却对观测设备情有独钟。“透明海洋”忽视了观测技术发展缓慢的现实，并且过于乐观地估计海洋观测的技术能力和发展潜力，在没有解决观测设备技术“瓶颈”问题，没有突破一直困扰海洋观测的大面、同步、连续观测时，提出了不切实际的海洋观测设想。

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第四，20世纪中叶，当航空器观测技术和海洋观测卫星出现后，我们使用航空器遥测技术进行了“湾流”大区域联合观测，海洋卫星遥感让我们有了整体窥视海洋表面状况的能力。与在海洋里观测海洋不同的是，航空和卫星所获得的观测信息并不是海洋要素 — 物理量，至少是改变了我们过去直接测量海洋要素的习惯。由于这些探测技术运用的时间比较短，如何将测量信息转变成海洋研究的可用资料是我们必须面对和解决的重要问题。但在“透明海洋”中却忽视了这些问题，让人感觉似乎只要是观测就一定能得到所需的信息和研究资料，其实远没有那么简单。各个海洋学科对所获观测数据的利用能力并不高，对观测数据的“榨取”能力更不强，需要向天文观测和研究学习。

多年以来，由于我们用接触性测量和采样的方式在海洋里观测海洋，依托海洋调查船发展出了各类海洋观测设备和采样装置，比如ROV、AUV、滑翔机等“二级运载器”和深海潜标、浮标等新的观测平台，但是这些进步并没有改变海洋调查的基本过程。海洋调查是一个由远至近的探测过程，通过多点观测构成观测断面（测线），再由多条观测断面构成探测区域（观测面）。在完成区域海洋基本状况概查后，通过水体、地质、生物、化学等采样获取证实性材料；然后，对观测数据和采集的样品进行整理、分析和处理，形成海洋研究所需资料；通过对各类资料的综合统计分析和研究，描述海洋现状和变化，寻找规律性并最后上升为理论模型。

海洋把陆地分成“岛屿”自身却连通为一个整体，海洋如此之大靠一个国家的力量是观测不过来的。海洋观测卫星为我们打开了一扇整体窥视海洋的窗口，我们开始看到一个全新的海洋，着实震撼了我们的思维。Argo观测计划实施后的20多年里，所获观测信息的数量已经超过了百年来的海洋调查船。不过我们也应该清醒地认识到，长期以来海洋调查难以满足人类探索海洋的欲望和需求，也不能满足海洋研究的信息需要，“上天难，下海难，入地更难”不无道理。面对不断增长的社会需求，海洋调查和海洋研究任重道远。在短时间内我们难以解决海洋大面、同步、连续观测的难题，也难以突破限制设备发展的技术“瓶颈”，海洋观测那些尴尬的现实还会继续存在下去，海洋调查和研究的使命任务依然是以描述海洋现状为助攻方面的海洋大普查。

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2023年12月24日，吉国，于青岛

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【作者简介】吉国，1956年出生，男，济南市人，1982毕业于山东海洋学院海洋系水文专业，大学毕业分配到烟台烟台海难救捞局，1984年调入（原）国家海洋局北海分局，1992年起任国家海洋局北海分局环海海洋工程勘察研究院副院长，2005年起任国家海洋局北海分局大洋调查设备技术管理中心/潜航管理办公室主任，正高级高级工程师。从事海洋调查工作三十余年，熟悉水体、地质、物探、ROV等各类海洋调查技术装备的使用和装备技术管理；曾多次主持和参与了“中日黑潮合租调查”、“中韩水动力循环调查”、“126 专项调查”、“西北太平洋环境调查”、“南极科学考察12次队”、“大洋深海资源勘查”、“首次北极科学考察”、“首次大洋环球科考”等国家大型海洋调查任务，主要从事海洋水体调查和调查数据处理与分析工作；2004年以后，主要从事“大洋一号”船绞车收放系统、深海摄像、深海拖曳体、ROV、AUV等大型海洋调查技术装备管理，参与“大洋一号”船多波束选型和多波束安装，参与7000m载人深潜器海试母船（向阳红09船）技术改造并负责实验室和调查设备改装，主持“大洋一号”船多项技术改造等。曾获教育部“3500米深海观测和取样型 ROV 系统”科学技术进步一等奖（第5完成人），中国船舶重工集团公司“中国载人深潜潜航员培训体系创建与实践”二等奖。退休后，主要从事近海海洋环境技术装备研发，作为专家参与了万米ARV海上试验验收工作，等等。本文编发已经取得了作者授权。

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