海洋监测仪器装备是关心海洋、认识海洋、经略海洋的基础保障和重要前提，虽然我国海洋监测仪器装备技术水平与业务化应用近年来进步显著，但相比海洋发达国家仍在“卡脖子”技术、关键设备研制方面存在一定差距。本文从全球海洋立体观测网、国家近海业务化观测系统、海洋环境监测探测技术与核心装备3个层面着手，辨识并剖析了我国海洋监测仪器装备的发展需求，梳理了我国海洋监测仪器装备发展现状。3 B5 ]- p9 C3 C! G* o6 O
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海洋立体观测体系建设
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着眼海洋防灾减灾、海洋开发、海洋管控、气候变化研究等需求，建设全球海洋立体观测网，是实现海洋强国的必经之路。
: U! P; U8 q& O9 n6 Q8 S“十三五”时期，我国将全球海洋立体观测网列为重大工程，自主发展由HY-1B、HY-1C、HY-1D、HY-2B、HY-2C、HY-2D、中法海洋卫星7个星座组成，覆盖海洋水色、海洋动力、海洋监视和监测三大系列的遥感卫星系统，逐步形成多种观测技术优化组合的全球海洋观测与数据获取能力。后续将开展国家海洋环境实时在线监控系统、海外观测站点建设，建成全球海洋立体观测系统，保障海洋生态、洋流、气象等观测应用。
% n. T9 }8 A0 Q4 _: Q在全球海洋观测站点覆盖方面，我国在西太平洋、东印度洋、南极、北极等海域部署观测站点，初步开展全球重点海区观测。“十三五”时期，我国积极整合国家海洋观测能力，深度参与国际Argo计划、热带太平洋观测系统计划，建设覆盖太平洋台风活跃区、厄尔尼诺区等重点区域的长期观测系统，成为国际海洋观测的重要参与国。此外，我国参与建设国际岛礁生态链和观测系统，与21世纪海上丝绸之路沿线国家共建海洋观测系统，提升对全球海洋预报观测的贡献度。
+ \) B9 w/ V9 {& \: b在全球海洋数据通信方面，随着北斗卫星导航系统全球服务能力的形成，基于北斗卫星通信的海上实时传输终端应用趋于成熟。天通一号卫星星座建设完毕，覆盖太平洋、印度洋大部分海域，具备基本的数据通信能力。低轨通信卫星星座有望在5~10年内进入全面应用。基于水声通信的水下无线传感器网络研究深入开展，试验结果基本达到国外主流水平。蓝绿光通信技术进入海上试验阶段，标志着无线光通信技术进入工程化应用研究阶段。
7 g. y& ^6 m: N' _6 C4 i9 j. @在海洋大数据管理方面，我国初步建成以气象局、海洋局等机构为主体的海洋立体观测数据业务处理平台，但管理方式、数据标准、数据共享等有待协调统一。传统海洋强国积极建设海洋数据管理及共享机制，海洋环境监测规范及标准、海洋科学数据共享平台较为完备，支撑了资料收集、组织、存储、检索、维护、共享工作有序展开;随着国际海洋资源竞争加剧，各国间的数据资料趋向利益互换、协商交换的共享模式。相较之下，我国海洋大数据管理与应用水平有待加强。
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* I O5 K: g; s6 e1 D+ W近海业务化观测网
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: _7 z; C% G8 j: h我国初步建立以卫星遥感、海洋浮标、岸基台站为核心，地波雷达、断面调查、志愿船等手段为辅助的近海业务化观测网，观测参数包含气象、水文、生态等环境参数，覆盖渤海、黄海、东海、南海(近岸)等海洋区域。观测参数、站位分布密度、长期连续性等基本满足海洋业务化观测需求，积累了大量资料数据，在数据处理、管理模式、体系建设等方面形成系列标准和规范。( H* M& |1 i0 u8 F$ }
在海洋业务观测网分布方面，根据《海洋技术进展2021》数据，在位海洋站观测系统有330多个，海岛(海上平台)自动气象站有310多个，强风观测站有200多个，船载自动气象站有100多个，业务化锚系浮标有230多套，表层漂流浮标有200多套，Argo浮标有200多套，潜标有40多套。专业河口水文站、验潮站、气象站、雷达站等也有一定规模。国家海洋调查船队常年调查的海洋标准断面调查站位有100多个，海上志愿观测船有数百艘。: p# m( H8 c8 ~& Y% b
“十四五”时期，围绕海洋环境安全保障能力提升，重点发展海洋自主传感器研制能力(如可移动观测的海洋生物化学原位传感器、电磁场传感器、声学智能探测仪)，高可靠智能固定观测平台技术(如高可靠性实时通信潜标、海气交互大剖面综合观测浮标)，易布放式移动观测平台技术。开展海上试验，促进新研传感器、平台、组网技术的规范化。构建自主可控的南海观测示范系统、西太平洋深海科学观测网等，发展自主同化及预报技术，实现重点海区观测水平、预报产品、预警能力的跨越式发展。开发海洋生态环境保护、治理、修复等共性关键技术，支撑海洋生态文明建设。2 F7 y5 B; d% C! S+ c* c
随着观测技术、传感设备的发展，观测需求的增加，新型传感设备进入近海业务化观测网成为常态，观测参数不断丰富、观测精度不断提高、覆盖范围不断扩展。- l3 ]0 x q4 D2 X% z, X [
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自主化海洋环境探测技术装备
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: R6 Y' W# h& J$ b; S" M$ L1.海洋观测平台技术: a4 N4 ~4 R+ N4 u, r
海洋观测平台是各类传感器的载体、全球海洋立体观测网建设的核心节点，我国已基本掌握固定海洋观测平台的核心技术。大型浮标平台技术相对成熟，规格系列化的海洋浮标产品供应市场，整体达到国际先进水平;特别是大型浮标，在极端恶劣海况下的可靠性达到国际领先水平，满足沿海海域业务化运行需求。潜标研制工作起步较晚但发展迅速，潜标观测系统关键技术基本获得突破，数据实时传输、长期在位观测、水声探测等技术进展良好。海底观测网已在东海海域进行示范运行，验证了相关技术成果。
! ?( m8 i1 o" H' n水下、水面、空中无人航行器等移动观测平台发展迅速，有效载荷和续航能力进一步提高，技术层面进步显著;保持多样化发展态势，种类分布与国际主流同步。在无人潜器研制方面，波浪能滑翔器、无人水面艇、无人帆船、深海Argo，部分遥控水下机器人(ROV)、自主水下机器人(AUV)、载人水下机器人(HOV)、水下滑翔机等装备的整体性能接近或达到国际先进水平。深海环境中的水下导航与定位、浮力材料、水下高能量密度电池等技术则有待研究和突破。: ?% p: Z9 G) j$ z
在卫星平台方面，发展了海洋水色、海洋动力环境、海洋监视监测等系列海洋卫星，多颗卫星在轨运行。逐步建设由国产卫星主导的海洋空间监测网，基本实现全球海洋环境的逐日观测。此外，在水色遥感、海洋要素反演、卫星精密定轨等技术方向成果丰硕，支持了业务化监测应用与示范。
( Q u- r9 Y6 s5 b1 Y u2.传感器技术 H( [; _$ u Z* r/ ~
传感器技术是构建海洋观测能力的基础和前提。近年来，我国在海洋环境传感器技术方向进展显著，新型传感器不断涌现，促进海洋观测、监测、探测朝着实时、原位、精细、立体、智能方向发展;但对比国际先进，国产化海洋传感器技术整体水平仍处于“跟跑”阶段。在“十二五”“十三五”时期国家重点研发计划等渠道的支持下，约70%的近海、常规传感器实现国产化;但超过80%的深远海、高端传感器依赖进口，潜在的市场垄断和技术封锁不可忽视。国产原位在线生态传感器的长期可用性仍待提高。在传感器通用技术方面，受工业基础、原材料、关键元器件等制约，敏感元件、微弱光电信号检测与处理、功能材料等系列关键技术尚存差距。& `9 \+ }* s/ z s( k* R' N
来源 | 本文节选自《我国海洋监测仪器装备发展分析及展望》原刊于《中国工程科学》2023年第25卷4 c1 Q/ E+ @# ~3 e1 q+ j7 Y3 _; i
作者 | 王军成，孙继昌，刘岩，刘世萱，张颖颖，陈世哲，漆随平，王波，厉运周， 曹煊，高杨，郑良
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