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西风带位于副热带高压区和次极地低压区之间（大致在南北纬35°~65°之间）。在地转偏转力的作用下，从副热带高压到亚极地低压的气流偏转为西风（北半球为西南风，南半球为西北风）。因此，西风是西风带的主导风。在其控制的地区，西风一般很强，在海面上造成巨浪。 由于南大洋是公海，印度洋、太平洋和大西洋在没有陆地屏障的情况下交汇，形成了围绕南极大陆的闭合环。西风摩擦力小，海水流动平稳快速，形成了南极洲自西向东的西风漂移，是全球海流系统中最强的海流。该海域西风不停，气旋频繁，风浪大，天气恶劣。全年盛行5~6级西风和4~5m高的涌浪。7级以上大风天气全年每月可达7d以上，平均每2~3D有一个气旋经过。特别是当强气旋来临时，它会在西风带造成高达10米以上的强风和巨浪。船舶航行极其危险，因此被称为“魔鬼西风带”，又称“咆哮西风带”。受地理位置的影响，南半球西风带的南北方向在63°W附近最窄，在56°s和62°s之间的6°范围内，海洋的南北方向在20°e附近最宽，在35°s和67°s之间的32°范围内。 西风带南大洋海洋环境具有风浪大、流速大、能量充足的特点。船舶航行和放置浮标非常困难。 0 v# ]7 ]! [( j. D! p
一、研究意义和手段 南大洋连接着地球上的印度洋、太平洋和大西洋三大洋盆，以及全球海洋环流的上层和深层环流。南大洋将极大地影响地球的气候形态以及碳和营养物质的循环，其变化具有全球影响。但由于西风带的影响，南大洋海况常年恶劣，使得该海域的观测设备难以正常运行，导致世界各国对南大洋的观测数据匮乏、碎片化，使人们难以准确评估南大洋变化的原因和可能的影响。因此，迫切需要可持续的观测设备来探测、解释和应对南大洋的变化，以便准确评估其可能的影响。 鉴于极端环境深海锚浮标在我国和世界浮标观测网中的薄弱环节，研制适合南大洋西风带的极端环境海空界面观测锚浮标系统势在必行。与其他观测方法相比，锚定数据浮标具有长期、连续、实时、全天候、精度高、使用灵活、经济等特点。浮标观测技术首先需要解决浮标结构在极端环境下的生存问题，进一步提高系统中各子系统的可靠性和稳定性。 ' Q& c$ Y0 m( }* t
二、关键技术问题 ⒈结构设计技术 相比于目前浮标应用的其他海域，西风带海域具有强风浪的特点，浮标的工作环境极为恶劣。为提高西风带浮标系统抵抗恶劣海洋环境的能力，保障系统在海上长期无故障运行，该浮标的结构设计将基于现有浮标的工程经验，主要采取以下技术措施。 ⑴材料的选择 为了提高浮标塔架和标体的强度，同时保证浮标的防腐蚀性能，浮标所有的金属构件均采用不锈钢材料加工而成，既提高了浮标结构的强度，又可以解决传统铝制材料短期需要维护的问题。 ⑵塔架的设计 由于西风区风速较大，浮标塔架拟将现有浮标方桌底架改为四周向上收缩的塔架底架，并在底架主要受力节点处采用桁架加劲肋，进一步提高塔架刚度。除传感器的连接外，尽量减少螺栓连接，采用焊接连接。 塔架（如图1所示）位于标准主体上方，由不锈钢型材组成。底座的上部和中部装有仪表安装架。上部仪表安装架用于安装风传感器、铱星天线、信标灯、GPS、AIS信标等设备，中部仪表安装架用于安装温湿度传感器、方位传感器等，在上部仪表安装架的外围设置仪表保护环，为浮标展开、恢复和维护期间传感器的可靠、安全运行提供保障。太阳能电池板倾斜固定在塔的底部，其安装架由不锈钢制成。电缆通过防水连接器进入太阳能电池板底座，不仅保证了良好的照明效率，而且减少了风阻对浮标姿态的影响，具有良好的防水性能。
图1 浮标塔架 ⑶标体的设计 浮标的标体（如图2所示）主要由浮力舱、仪器舱和浮标底座组成。考虑到西风带海域具有强风浪，浮标的标体采用不锈钢材料焊接为一个整体，并在主要的受力点处增设加强筋，进一步增强标体的强度和刚度，增强标体的抗风浪能力。
图2标体 浮力舱设置在仪器舱的外围，为耐压水密舱，并在内部设有型钢骨架，使浮标体具有足够的强度，并为浮标提供所需的浮力。仪器舱设置在标体中央，其横截面为直径600mm的圆形。仪器舱底部放置蓄电池组，电池组固定装置上部安装波浪传感器，既可以降低浮标重心，又提高了波浪测量值的准确性。仪器舱中部安装数据采集控制器和电源控制器，通过螺栓将其密封在仪器舱内。在标体的四周设计了4个仪器安装井，用于固定表层温盐、海流等设备。 为了增加浮标的稳性，在标体下方设计1个浮标底座，由钢质材料的圆管连接组成1 个支架来支撑浮标。该支架的上半部分用于调节浮标配重，下半部分中间配有连接耳，用于连接浮标系留系统。浮标整体组装图如图3所示。
图3 浮标整体组装图 ⒉锚系设计技术 锚泊系统是浮标监测系统的重要组成部分，是保障本极端环境监测浮标系统正常工作的重要部件。它的作用是提供一个稳定的系泊力，使监测浮标系统能够抵抗风、浪、流及各种气象要素的综合作用，在恶劣的海洋环境中长期系泊定位，不走锚，不断缆，锚系的水下姿态必须满足浮标系统设计指标和测量仪器的使用要求。
图4 浮标锚系配置示意图 浮标系统的布放水深约为4500m，为了保证锚泊系统在南大洋恶劣的海洋环境中长期可靠运行，本锚系采用S型锚系型式（如图4所示），上下两端配有锚链，中间部分配置尼龙绳1000m4段、500m 2段、200m 2段、100m 1段、50m 1段。该种锚系型式具有对浮标布放水深的准确度要求低的特点，其中间的尼龙绳部分为调节系统，具有高弹性和高能量吸收性能，可实现锚系在恶劣海况的高动力负荷环境下的可靠运行。 ⒊数据采集技术 数据采集系统是浮标系统的核心。为保证浮标正常采集数据，浮标采用双数据采集系统设计。各数据采集器根据设定的工作顺序自动采集、处理和存储观测数据，并将处理后的数据通过无线通信实时发送到岸站。数据分别存储在SD卡和闪存模块中，确保数据的有效采集。采用软硬件双看门狗设计，确保系统可靠运行。数据采集与处理控制系统作为浮标系统的核心部分，主要完成数据的采集、处理、存储、传输和过程控制。它的可靠性能直接关系到整个浮标系统的可靠运行。 为了提高浮标数据采集系统的可靠性，系统采用双机热备份设计。采用两套相互独立、内部硬件相同的采集系统。它们都按照既定的顺序启动和工作，并且互为主要和备用。当其中任何一个出现故障时，浮标采集系统仍可正常工作。主备系统相互独立工作，分别采集对应的两组相同的传感器，并通过通信系统将数据发送至岸站接收系统。岸站接收系统接收并处理数据，判断数据是否优秀。通过这种设计方法，一是可以有效地提高浮标的可靠性；其次，可以减少对浮标的修改，仲裁处理可以由上位机完成，降低了系统实现的难度，提高了系统的工作效率。 在原有成熟浮标数据采集系统技术的基础上，根据浮标工作环境，需要对数据采集系统进行以下设计改进。 ⑴低功耗设计工作 由于工作环境恶劣，且浮标处于高纬度地区，太阳能充电效率无法保证，因此需要进行低功耗方面的工作。由于项目搭载传感器较少，可以考虑进行采集电路的优化，以减少非必要的损耗。同时基于原有技术基础，对工作时序进行优化，在非采集工作期间，仅保留看门狗电路和通讯板电路工作，尽可能减少损耗。 ⑵抗异常情况设计工作 长时间的恶劣工作环境可能对外部仪器产生严重的损坏。传感器的供电与通信是通过线缆与采集系统连接，因此外部线缆损坏导致的短路等异常情况均有可能发生. 为了避免这种异常情况对采集系统的影响，可增加防短路设计和防电击功能，提高系统稳定性。 ⑶通讯功能改进工作 浮标采用铱星方式进行通讯，浮标姿态和布放位置对通讯信号质量均有可能产生影响。为了保证通讯成功率，增设了握手协议和数据补发功能。 ⑷电磁兼容性 电路设计上采用电路板的覆铜设计，减小地线阻抗，提高抗干扰能力；降低压降，提高电源效率。 ⒋可靠性仿真计算分析设计 浮标在波浪中的运动性能是浮标的重要性能之一，其在波浪中的运动状态将直接影响到浮标系统的工作状态，甚至威胁浮标的生存。因此，计算浮标在波浪中的运动状态十分必要。 对浮标而言，有6个自由度运动，分别为纵荡（surge）、横荡(sway)、垂荡(heave)、横摇(roll)、纵摇(pitch)、艏摇(yaw)。但是，从工程应用实际来讲，对浮标生存及工作性能影响最大的是横摇、纵摇与垂荡（升沉）响应。浮标为圆盘形对称型结构，横摇与纵摇方向结构基本相同，故在浮标的设计过程中重点考量了运动响应最大的0°波浪入射下，浮标的横摇和垂荡响应，进而评价浮标的水动力性能。 ⑴计算模型对水动力分析而言，浮体的主尺寸是最重要的，倒角、零件等细节大多对其水动力性能影响很小，可以简化，计算时以光滑的圆盘型浮体为模型，采用国际通用的多体水动力学软件进行分析，计算海域尺度为1000m×200m×4000m，计算模型如图5所示。
图5 计算模型 ⑵频域分析在线性假设条件下，浮体的运动幅值与规则波的波幅成正比。模拟浮标在不同周期波浪条件下的运动，通过其运动响应输出，考察浮标在横摇和垂荡这两个主要运动中的幅值变化及其随波运动的特性。 浮体自由漂浮运动状态下，在规则波中的运动响应可由响应幅值算子RAO(Response AmplitudeOperator)描述，RAO是浮体运动响应无因次化的响应幅值算子，其计算方法为： RAO＝运动响应幅值/规则波幅值 不同频率波浪作用下，浮标横摇及垂荡运动响应曲线如图6～图7所示。
图6 浮标横摇运动响应
图7 浮标垂荡运动响应 观察浮标的运动响应曲线（如图7 所示）可知，随着入射波浪周期的增大，横摇响应幅值呈现出先增大后减小的趋势，并在波浪周期为2.8s处出现极值，这是因为浮标的横摇和垂荡是在恢复力的用下做简谐运动而产生，当入射波的频率和浮标的固有频率相同时，浮标运动与波浪运动产生共振，从而在这个频率处横摇运动幅值会达到一个极值，当波频与浮标的固有频率岔开时，共振也随之消失。 同理，由图7可知，浮标垂荡运动周期约为1.9s，当波浪周期大于7s后，浮标升沉响应几乎保持为1，浮标随波性能良好。浮标拟投放海域常年处于6级海况以上，波周期较大，该浮标可以避开共振周期，横摇小且随波性能良好，符合设计要求。 ⑶时域分析根据浮标拟投放海域的实际情况，设计浮标工作海况为风速40 m/s，流速0.15m/s，波高7.5m，此海况下，基于艾里波浪理论计算的浮标运动响应如图8～图9所示。
图8 浮标横摇时程曲线
图9 浮标垂荡时程曲线 从此海况的时域计算结果看，浮标稳定后升沉范围在-3.5～4m之间（如图9所示），表现较为稳定；横摇运动在600s的时间域中（如图8所示），横摇角度远小于浮标的稳性消失角，浮标不会倾覆，满足设计要求。
7 Q/ y4 B" w% s三、示范运行与数据分析 运用本文技术研发的西风带海洋环境监测浮标系统参加了中国第35 次南极科学考察，搭载船“雪龙号”于2018年11月2日从上海出发，于2019年1月1日将浮标系统布放于受西风带作用明显的南大洋近中心海域，浮标布放现场如图10所示，浮标布放站位如图11所示。
图10 浮标布放
图11 浮标位置 目前，浮标系统运行正常。截止到2月28日23时，应获得海上数据1406组，实获数据1327组，数据获取率为94.38%。期间，经历4次较大气旋过程（1月3日、1月8日、1月20日、2月2日），观测到最大25.8m/s的风速数据和12.3m的波浪数据，风速以西向为主，波向以北向为主。风、浪、气压数据分析图如图12所示。
图12 浮标观测数据曲线图
$ z, z2 i7 |( y4 [- M四、结论 本文在借鉴国内现有海洋观测浮标工程经验的基础上，通过解决浮标系统的结构设计、数据采集、锚固系统设计等关键技术问题，运用三维势流理论，在频域和时域进行了仿真验证，研制了中国第一套适用于南大洋的极端环境观测浮标系统。浮标系统在南大洋已经运行了三个月，在此期间观测到的最大波高达到12.3米。浮标运行结果表明，经过30多年的发展，我国海洋数据浮标适应极端环境运行的关键技术已经成熟，初步具备了在极端海洋环境下长期运行的条件。它可以作为研究西风带作用下南大洋的基本设备，以确保提供长期的现场实时观测数据。 / b; @! n: x8 B
【作者简介】文/冯月永 周达 周文清 邬海强 康建军 李虎林 张倩 张建涛 张晓旭 李林奇，均来自国家海洋技术中心；第一作者冯月永，1975年出生，男，高级工程师，主要从事海洋环境监测/观测资料浮标技术研究；本文来自《海洋技术学报》(2019年第4期），用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众平台整理。
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