海洋前沿▏国外海洋环境观测系统和技术发展趋势 - 海洋环境监测技术发展趋势

作者：于宇等，来源： 溪流之海洋人生

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21世纪以来，随着社会经济快速发展，世界各国普遍面临着人口膨胀、陆地资源消耗不断增长和生态环境日益恶化等各种严峻挑战，各沿海国以资源为核心，推进海洋经济发展，海洋权益斗争日益激烈。在以夺取海洋资源、控制海洋空间、抢占海洋科技发展的战略“制高点”等为主要特征的现代海洋权益斗争中，获取常态化、立体化、精细化、大范围的海洋环境观测信息，对于沿海国家均具有十分重要的军用、民用意义。

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海洋环境是海上空中环境、海气边界层环境、水下环境和目标环境等环境状况的总称。海洋环境信息具有来源广、层次多、形式复杂、时效性强、数据海量、时空尺度不均等特点，并具有随机动态性、状态多维性，以及获取、处理手段多样性和高技术特性等特征。

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新型海洋环境观测系统以“网络中心、信息主导、体系支撑”为主要特征，通过岸、海、空、天等多基传感器获取空间地理、气象水文、电磁、目标等信息，采用多模通信、网络技术、云计算、大数据、辅助决策应用、平行系统、可视化等关键技术实现信息分发、处理和应用等功能，提供海洋环境信息的实测、预报、评估、统计分析等服务，以满足军、民领域不同层面的辅助决策需求。海洋环境观测系统是一个基于多传感器网络化系统集成和信息融合、多基地信息共享的庞大系统，是一个能够提供全方位、多种类立体海洋环境信息，可为海洋作业生产、海洋维权执法以及防灾减灾等活动提供支撑的网络信息体系。

一、国外海洋环境观测系统现状

20世纪80年代开始，海洋环境观测技术得到极大发展，探测范围扩展到包括上空、水面、水下、海底和沿岸，数据传输包括卫星通信、公共电话交换网、国家数据通信网、甚小口径卫星终端、以太网络与光缆数据通讯等手段，构建多平台、立体化、区域性、常态化、自动化的观测网络体系，提供实时基础信息和层次化信息产品，许多正进入业务化运行阶段。

⒈ 国际合作层面

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⑴全球海洋观测系统（GOOS）

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全球海洋观测系统（GOOS）作为当前全球最大、综合性最强的海洋观测系统，在20世纪末由联合国政府间海洋学委员会（IOC）、世界气象组织、联合国环境规划署等联合发起建立，致力于海洋与气候、海洋生物资源、海洋健康状况、海岸带观测、海洋气象与业务化海洋学等方面的技术与科学研究。该系统集成观测卫星、浮标等多种传感器并实现全球业务化运营，提供可靠有效的海洋环境资料，为海洋数值模式研究、海洋灾害预警、海洋资源开发、海洋环境保护、海洋政策制定等提供数据与技术支撑。

基于GOOS，各海洋国家积极发展和建设海洋观测系统，并对海洋数据集成与应用服务开展了大量研究工作。如欧洲已成立了欧洲海洋观测系统（EUROGOOS），美国和加拿大联合建立了美加GOOS；在研究方面，Torill等基于多元异构数据融合开发的海洋信息原型系统，美国蒙特瑞湾生物研究协会（MBARI）基于ArcInfo的开发蒙特瑞湾海洋地理信息系统等。

GOOS相关研讨会也在有序开展与推进，逐步成为GOOS的延伸部分，加强海洋观测领域技术交流。此外在一些地区还召开了GOOS研讨会，GOOS已成为IOC今后一个时期乃至下一个世纪的重点计划。

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⑵全球海洋实时观测网计划（ARGO计划）

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全球海洋实时观测网计划（ARGO）是一个通过剖面浮标阵构成的全球海洋观测试验项目，可快速、准确、大范围地收集上层海洋（0～2000m）的温度、盐度剖面和浮标漂移轨迹资料。全球海洋实时观测网是目前唯一能立体观测全球上层海洋的实时观测系统，可大大提高海洋实时观测与高精度海洋预报能力、从而有效面对海洋灾害。到目前为止，全球海洋范围内的活动浮标数已经达到18000多个，其中美国的数量最多，日本第二。中国于2001年加入国际ARGO组织，并于2002年3月在印度洋海域投放第1个浮标。

⑶海王星海底观测网络计划（NEPTUNE）

美国和加拿大联合在东北太平洋实施海王星海底观测网络计划（NEPTUNE），用约3000km的光纤电缆，通过30个节点将上千个海底观测设备进行联网，每个节点维系一批海底和钻孔中的仪器，用来长期观测水层、海底和地壳的各种物理、化学、生物、地质过程，建立区域性的、长期的、实时的交互式海洋观测平台，在几秒到几十年的不同时间尺度上进行多学科的测量和研究。

其他的典型系统有欧洲海洋观测网（ESONET）、欧洲ROSES的综合海洋环境资源信息平台和海洋观测站网计划（OOI）等，通过国际间合作，大大提升系统覆盖范围，可提供丰富的数据产品与服务，提升海洋综合感知能力。

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⒉ 美国

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世界各国均把海洋资料的获取作为海洋发展的战略重点，尤其是美国的观测技术全球领先。系统建设最为迅速、覆盖范围最广、各种观测系统不仅覆盖了沿海，遍及世界各大洋的主要海域和重要航道。经过多年建设与投入，已经建立起建立覆盖全球的高效率、立体化、网络化大气海洋观测系统。

美国非常重视海洋环境信息技术，美国国家海洋局（NOAA）积极推进海洋环境信息数据的共享和管理等信息化工作。近年来，随着新技术的不断发展和军事变革的不断深化，美国副总统戈尔提出了“数字地球”构想（1998年），与此同时在海洋技术领域方面形成了“数字海洋”的概念。数字海洋采用“3S”技术（RS，GPS和GIS技术），以海洋地理、海洋物理场、海洋水文、气象等自然环境数字化信息为主导，以数字海洋网络为中心，以数字海洋体系架构为支撑，使海量海洋环境数据转化成数字化、网络化、智能化和可视化的信息服务。目前，美国海洋信息化技术及规模全球领先，海洋环境数据库功能齐全、应用服务广泛、相关政策机制也日臻完善。

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⑴区域性海洋环境观测系统

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美国有代表性的区域性海洋环境观测系统主要有：美国缅因湾海洋观测系统（GOMOOS）、切撒皮克观测系统（CBOS）、墨西哥湾沿岸海洋观测系统（GCOOS）等，这些区域性观测系统后期被整合到综合海洋观测系统（IOOS）。

⑵综合海洋观测系统

美国国家海洋和大气局共同制定的综合海洋观测系统（IOOS），在原区域观测网络基础上进行整合形成大范围的国家级观测系统。该系统包括观测子系统、数据通讯子系统和应用服务子系统，可敏捷访问多学科海洋数据，为航运、打捞、海岸侵蚀、渔业等提供所需数据、信息和相关服务，并建立联邦部门、州部门和私营部门之间横向交叉的伙伴关系和信息共享机制，提高了海洋数据采集、传输和业务使用的能力，其体系架构如图1所示。

图 1IOOS观测体系架构

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在2011年，美国综合海洋感知系统办公室发表《美国综合海洋观测系统：全面能力蓝图》，明确了天气与气候、海上行动、自然灾害、国家安全、公共卫生、生态健康、资源持续等7项基本目标优先考虑的风向风速、流量、海平面、表面波、表层流、冰分布、盐度、温度、水深等26个变量。2012年，IOOS对全球海洋感知系统的全球贡献率为62%。目前，IOOS观测体系共有18个联邦机构参与，由11个子系统组成，包括535个岸基台站、132个高频地波雷达站、258个浮标或海上平台。此外，还有滑翔器和动物遥测系统，以及在全球范围的240艘左右的志愿观测船。

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⑶沿海海洋自动观测网

美国的沿海海洋自动观测网（C-MAN）从20世纪80年代初开始建立，利用卫星、网络等通信手段，综合集成58个自动站、71个浮标和30个地面观测站，可迅速汇集各海域观测数据。C-GOOS系统是90年代发展的高度集成的、面向海洋生态环境观测的近岸海洋观测系统。该系统通过遥感、海洋仪器等手段获取海洋环境数据，提供多源数据的统一管理、预报模型优选、信息产品生成等众多功能。

⑷在无人艇自主感知技术层面

自20世纪90年代以来，美国在研发无人艇方面各自具有一定的技术优势，任务领域逐渐拓展，注重将已有成熟的无人机雷达技术用于无人艇的探测。据近期发展动向，新一代无人艇将是一种高度集成化平台，携载有各种传感器设备，功能多样化。如目前美军DARPA开展的UNV型号515X研究，其雷达用来探测和跟踪潜望镜和通气管，以及进行日常海面和空中监视，考虑在AN/APY-10和AN/APS-147中选型。AN/APY-10的感知距离为370km（3级海况下，RCS=10000m2），全方位覆盖，处理目标数256个（潜望镜探测、SAR及海面搜索模式）。

⑸北极观测预测项目

美国国家科学基金委资助的北极观测预测项目，拟在开发一个大尺度、长期的陆基、海洋和天基传感器观测网基础上，及时获取北极环境变化的观测和预测信息，并对北极环境变化的未来影响预测和评估。目前正在开发观测仪器，对北极冰覆盖下的海冰进行全年不间断地观测。

⑹美军航母编队与海洋环境气象保障

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为满足美军航母编队作战的海域海洋环境特征参数获取、以及海洋环境变化对航母编队作战行动的影响分析、预测和评估等需求，美军以“岸基保障机构为主，舰基保障机构为辅”为原则，通过卫星/雷达遥感、遥测浮标系统和航母编队自身的水文气象保障装备等手段完成环海洋境观测与保障，其保障体系包括战略、战役和战术等3个层次，具备保障理论成熟、保障组织完善、网络传输技术先进、传感器体系完备等特征，其能力能够精确覆盖航母作战海区、武器系统和作战样式。

美国海洋环境观测系统的发展特征是“理念超前、技术先进”，其海洋环境信息技术在国际上处于领先地位，经查阅大量文献与总结分析，其特点如下：①海洋环境保障体制完善高效；②将海洋环境研究纳入“海上力量体系”；③海洋环境保障体系产品强化战术性；④出台2020联合作战气象海洋保障构想作为指引，将气象和海洋保障融合网络中心战模式。

⒊ 俄罗斯

俄罗斯认为作为基础支撑的海洋环境信息技术发展应注重军事效益，走军民融合发展的思路。海洋环境保障在部队训练和战斗力生成中发挥着重要作用，保障效益得到重点关注，保障信息产品的质量以及指挥员对保障信息产品的正确理解和应用决策能力是影响保障效益的重要因素。俄罗斯始终坚持“国防优先”的原则开展海洋环境信息技术研究，要求所有涉及海洋环境信息管理的部门，都要无条件地将所获取的信息和预报产品输入到国防数据库中，为战场环境建设和遂行军事海洋环境保障提供服务。

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20世纪70年代末，苏联国防部为海军研制了海洋大气电磁波折射效应环境评估系统。目前，俄罗斯海军拥有近50艘综合海洋调查船。为适应国家海洋战略发展，俄罗斯海军于1998年组建了海洋环境信息交换、处理与分发中心，即海军“373中心”，旨在为未来海战场实现数字化与海军大洋活动提供支持和有效保障。在俄罗斯海军的战斗使用条令中也要求舰艇指挥员掌握各类武器使用的环境临界条件和海洋环境变化动态，以把握有利战机。

俄罗斯海洋环境观测系统的发展特征是“注重实效、坚持国防优先”，其特点如下：①军民一体建设战场海洋环境；②舰艇作战海洋环境信息要求高，重视作战指挥应用。

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⒋ 日本

日本是一个海岛国家，深受海洋灾害的困扰，十分重视海洋环境观测。日本在海洋领域的研究走在世界前列，早在20世纪30年代就积极开展海洋环境观测研究；70年代后，大力发展大洋浮标观测网（如TAO/TRITON）和近海观测网，形成覆盖面较广的海洋观测系统，极大促进海洋经济发展。

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日本海洋环境保障体系具备强大的战时民用转军用体制。日本陆海空自卫队的综合气象保障系统始终与日本气象厅数据库联网，接收气象厅发布全国各地的数据信息和海上船舶观测数据信息，并与美军交换信息，信息来源广，精度高。目前，日本获得世界气象组织（IWO）授权，发布西太平洋水文气象预报产品，海洋气象工作在亚洲处于领先地位。

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日本东京大学2003年启动了深海地震观测网（ARENA）项目，用于观测地震、生物等信息。2006年日本又启动了DONET取ARENA，在海底以15～20 km的间距部署22套现代化海底测量仪器阵列，长约300km。DONET2与2010年开始建设，建设规模更大，包含450km的主干缆线系统，其中2个地面观测站、7个观测台站和29个观测点。2015年开始运行。

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为了打破战时气象封锁，日本高度重视海洋环境观测体系的建设。葵花-1号气象卫星发射后，每隔4～5年就发射一颗葵花系列卫星。同时日本已建成了由岸海空天多维观测组成的海洋环境立体观测体系，能够实时观测关注海域的海洋环境状况。另外，日本气象部门大量利用商船和渔船开展海洋环境观测，对西北太平洋海洋环境变化的了解掌握比较透彻，特别是在黑潮区观测方面处于国际领先水平，能够制作试验性的黑潮预报产品。

日本海洋环境观测系统的发展特征是“寓军与民、国家利益至上”，其特点如下：①海洋环境预报技术世界领先；②拥有先进的海洋环境观测体系；③服务于军事目的的海洋调查测量从未间断。

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⒌ 其他地区与国家

此外，为争夺海洋资源和扩大势力范围，其他国家和地区纷纷规划和建设了军民兼用的海洋观测体系，进行海洋环境和目标的长期实时观测，用于海洋科学研究、环境调查、资源勘探、气象预报、灾害预警及对水下目标实时观测。如挪威Seawatch Europe海洋综合观测系统可提供海洋观测数据并和相关预报产品，系统服务趋向综合化。其系统也推广到在欧洲北海和东南亚众多国家，取得较好效果。

二、国外海洋环境观测系统与技术发展趋势

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美、俄、日等主要海洋强国都高度重视海洋环境观测系统与技术发展[18]，特点是军事需求牵引海洋环境信息技术发展。其主要发展趋势如下：①从国家战略的高度，军民结合、寓军于民，长远规划，持续滚动发展；②积极发展天基、空基、陆基、海基、潜基等常态化海洋感知体系，增加卫星、无人平台、数字化高频地波雷达等新型探测手段，扩建海洋观测站点，建设两极，观测装备体系集成能力增强，并向分布式网络化协同感知方向发展，信息感知“透明化”；③利用已有成熟技术，并重视海洋环境信息新技术，快速发展以云计算、大数据、数字化、智能化等高新技术为基础的海洋信息综合处理与应用能力，环境观测系统将具有全覆盖、精细化、立体化、自动化等特点；④重视综合自然环境、海洋生态环境等海洋环境特性建模，以及大气海洋空间环境精细化探测等基础技术和前沿技术研究；⑤推广标准化技术，便于海洋观测体系的产业化发展。

三、启示与建议

结合国外海洋环境观测系统与技术的发展现状和趋势研究，针对我国海洋环境观测系统发展现状与应用需求，提出我国海洋环境观测系统与技术的发展建议：

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①综合集成、统筹规划和协同创新，推动海洋环境观测军民融合深度发展，以网络信息体系理论为指导，构建“智慧海洋”工程体系，深入研究面向实际需求的军民融合海洋环境观测体系架构、技术体制、标准规范、集成验证、运维管控和安全防护等体系性技术，为“宏观有序、整体最优”的海洋环境立体观测体系构建提供先进的顶层技术支撑。

②重点发展岸、海、空、天多基多传感器协同管控、信息快速处理、高速信息传输、数据仓库、虚拟现实、安全防护、业务灵活解聚重组等系统性技术，夯实多传感器信息融合、海洋环境理论研究和数值模拟与预报、精细化探测、认知探测与目标综合识别等基础性技术，同时研制先进技术体制传感器，大幅提升海洋环境立体观测能力。

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③充分利用云计算、大数据、互联网+、人工智能、可信计算、虚拟现实、复杂网络、拟态安全等多学科交叉的成熟高新信息技术成果，为海洋环境立体观测体系构建提供技术支撑，并面向用户提供敏捷、高效服务。

④加快和扩展海洋环境信息的军民融合决策支持应用研究，如海战场环境保障效能评估与辅助决策、海洋灾害应急联动响应系统、海上搜救、海洋渔业、极地环境观测、执法监察等，全面提升海洋环境立体观测信息的释用性。

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【作者简介】文/于宇 黄孝鹏 崔威威 鲍鹏飞，分别来自中国船舶重工集团公司和中国船舶重工集团公司第七二四研究所；第一作者于宇，男，1984年出生，中国船舶重工集团公司，硕士，工程师，研究方向为智能信息处理与制造业信息化；本文来自《舰船科学技术》（2017年第12期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者与出版社共同拥有。

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