海洋浮标技术 -海洋浮标技术原理

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风口财经记者 王好

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　　2023年9月27日，联合国“海洋科学促进可持续发展十年”（简称“海洋十年”）海洋与气候协作中心国际启动大会在青岛市盛大开幕。在此次大会上，欧洲科学院院士、自然资源部第一海洋研究所研究员乔方利率团队研制的新型海洋漂流浮标正式发布。该浮标的研制获得了联合国“海洋十年”海洋与气候无缝预测大科学计划（OSF）的大力支持。这个商业化的新一代全球导航卫星系统（GNSS）海洋表层漂流浮标，直击国内外长期以来海洋观测费用高昂的痛点，具有超低成本、实时多要素监测等明显优势，对大幅提升人类全球海洋观测和预测能力具有里程碑意义。

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　　虽然海浪观测与研究历史悠久，但由于观测费用高昂，实时大范围现场观测海浪仍是一个难题。乔方利团队多年原创研究表明，海浪除了本身对海上活动产生显著影响以外，小尺度海浪还会通过调制上层海洋湍流和海气通量，在大尺度海洋环流和全球气候变化中扮演重要角色。因此，海浪观测不仅本身具有重要意义，其对大尺度海洋环流和全球气候变化精准预测也至关重要。海浪遥感观测精度偏低，现场观测的仪器成本和观测维护成本都很高昂，发展低成本、商业化的包含海浪要素在内的新型观测技术具有重要的科学应用价值和商业市场价值。

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　　OSF项目首席科学家乔方利研究员与刘焱雄研究员牵头组成跨学科团队，历经7年，基于我国北斗卫星等成功研制了新型海洋漂流浮标，实现了海洋测绘、物理海洋、海洋大气等多学科的深度融合。原创系列核心技术突破主要包括低成本GNSS单站实时在线高精度测速定位、独特的信号分离技术、波浪要素和水汽含量多要素实时在线反演算法、波浪谱反演算法、融合北斗短报文通信的多要素编码回传与控制、低功耗高性能算法优化、浮标小型化随波性优化等。这些自主技术突破极大提高了海浪与大气水汽含量的反演精度，避免了精密差分定位的服务成本，并大幅度降低了卫星通讯负担。

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　　从测量能力上看，该浮标最高可每十分钟获取一次波浪、海流、温盐和水汽等信息，经过解算压缩后可直接通过北斗卫星发回地面数据中心。该浮标的现场测量精度与目前国际通用的昂贵测量设备相当，如波浪波高、周期、波向参数与价值百万元设备的测量差别分别不超过5厘米、0.5秒和3度。截止目前，该团队已在近海和大洋多个海域进行了现场观测实验，并与目前通用的海洋经典观测设备进行了多次比对。

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　　从经济角度看，目前基本配置的漂流浮标不仅能够观测海浪，还可以观测海流、水位、大气的风温湿压、气柱水汽含量等诸多要素。其在降低成本方面的技术创新尤为重要，因为高成本一直是全球海洋观测系统发展的主要制约因素。尽管在过去半个世纪中，人类取得了显著的进展，但海洋观测仍然面临成本高昂和覆盖不足的挑战，直接影响了对海洋过程的科学认知，也限制了海洋和气候的精准预测预报能力。

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　　从成果转化来看，科研团队通过与行业内优势海洋仪器公司的通力合作，为GNSS浮标的商业化生产开辟了通道。此次发布的新一代GNSS浮标商业化版本大幅降低了成本，并可根据用户需求提供不同的续航时间版本，随时开展自主加密观测等。未来通过进一步技术攻关，将提供更多的应用场景，以进一步保护全球海洋环境以及沿海地区的生态系统。

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　　纵观海洋观测发展的历程，自1872年英国“挑战者”号开始首次环球科考以来，海洋调查船长期是海洋观测的主力军。之后，全球海洋观测从经历了三次革命：1978年美国发射海洋水色卫星将海洋观测从系列单点推广到面，完成了第一次革命；由于1982/83年超强厄尔尼诺对全球气候带来巨大影响，美国牵头联合包括我国在内的若干国家推动“热带海洋和全球大气”国际大科学计划，建立了业务化运行至今的热带海洋浮标阵列，开启了第二场海洋观测革命；21世纪初，美国引领发起了全球“地转海洋学实时观测阵”观测计划第三次观测革命，目前全球有近4000个Argo浮标业务化运行，但受电池能力限制，只能每10天左右观测一次0-2000米的垂向剖面，即相当于每天不足400个观测点。虽然经历3次观测革命，全球海洋观测资料仍处于严重匮乏状态。发展低成本漂流浮标，有望引发全球海洋观测的新一轮变革。

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