海洋观测技术 -海洋观测技术重点实验室名单

康俊 · 发表于海洋科普 2023-11-13 00:00:21

作为拥有西太平洋最长海岸线的海洋大国，在拥有丰饶海洋资源的同时，我国也深受沿海海洋灾害的滋扰。地处东南沿海的广东省，更是我国遭受台风风暴潮灾害最多且最严重的地区之一。通过有效的观测手段，加深对海洋的了解，进而达到防灾减灾的目的，对广东省乃至整个粤港澳大湾区都具有十分重要的现实意义。在这一过程中，高频地波雷达探测技术以其覆盖范围广、持续性强、可全天候作业等独特的优势，逐渐成为我国在海洋环境监测领域的“新晋力量”，而《广东省海洋观测网建设规划（2016—2020）》更是将新增地波雷达站确定为广东省这一阶段海洋观测网建设的主要任务之一。

▲韦骏参加中山大学号科考船首航

向海而思、向海而行。对于深度参与到广东省乃至整个大湾区地波雷达组网研究的中山大学大气科学学院及南方海洋科学与工程广东省实验室（珠海）教授韦骏来说，以广东省重点领域研发计划项目“粤港澳大湾区地波雷达组网及模式同化关键技术研发与示范”为切入点，让地波雷达观测网这一新一代“探海利器”在海洋灾害防治、海洋生态环境保护、海洋开发利用、海上执法、海洋国防权益等行业管理与决策方面发挥更大作用，打造完备的具有自主知识产权的地波雷达技术体系，并将其应用于我国海洋观测实践中，是他一直在做的事。

新技术对上老问题

海面上的浮标，以及用以定位的锚系定位装置和用于观测的传感器，共同组成了用以观测海洋实时情况的海洋浮标观测系统。这种自20世纪50年代兴起的海洋观测体系，在“服役”的数十年中被视作最有效的海洋观测手段之一。然而随着海洋观测和探索走向精深，这一体系的局限性也逐渐凸显：浮标观测系统是沿着垂直廓线展开的“剖面”，其“覆盖面积”极为有限，对于整个海洋的观测无异于“大海捞针”。而自2000年开始兴起的、能够提供较大观测面积的岸基地波雷达系统，迅速成为浮标观测系统在“广度”层面的有效补充。“作用于海洋表面观测的地波雷达系统能覆盖较大的探测面积，可与浮标系统共同形成‘一纵深一广泛’的立体观测体系，可为检测各种海洋灾害提供更全面的观测视角。目前，世界范围内的海洋大国、海洋强国均在地波雷达这一领域展开研究和布局，其中不少国家和地区已建成完整的地波雷达观测网。”韦骏解释道，“但目前我国有关地波雷达的研究和应用情况严重滞后，全国沿海的地波雷达站仅有50套左右，这与覆盖全国海岸线所需的150套目标数目相差甚远。而且目前已建成的雷达站大多处于各自工作的状态，不同地波雷达站覆盖区域之间的观测空隙亟待填补，可以‘互通有无’的完整观测网络亟待建立。”

在“粤港澳大湾区地波雷达组网及模式同化关键技术研发与示范”项目启动前，粤港澳大湾区约8万平方公里的海域上，不同研究机构、政府机关兴建的地波雷达站只有4套，并不能形成对大湾区海域的完整监测。韦骏团队的目标，就是在珠江口这一“监测空当处”布置6套地波雷达站点，从而构成一个我国截至目前最密集的、具有示范意义和科研实践价值的区域性雷达网。然而，不同地波雷达站点之间的“差异性”，着实让韦骏团队体会了一把“万事开头难”的滋味。

想要让“旧4套”和“新6套”地波雷达共同作用、发挥其最大价值，就要对这些地波雷达进行合理的优化布站，以“组网”的形式收集和传递信息，再由中心站进行综合处理、控制和管理，从而形成一个统一的、有机的、整体的新体制雷达系统。但面对发射频率、雷达型号等方面都“众口难调”的10套地波雷达，加之与国外同类型产品相比国产地波雷达反演精度仍有一定差距的实际情况，想要实现地波雷达的有效组网，韦骏团队需要首先在组网技术层面解决10套异型、异频地波雷达的组网问题，进而在雷达反演技术层面迎头赶上国际同类产品。与此同时，韦骏深知，海洋观测绝不是闭门造车，数据更不是“测完就行”。如何对地波雷达获得的数据进行对比验证和反复校准，也是韦骏团队一直在思考的问题。就此，韦骏团队与合作团队展开了“地波雷达海洋流场及波浪反演技术研究”“地波雷达抗干扰以及幅相自校准方法研究”“地波雷达组网技术研究”“地波雷达数据质量评估技术研究”“粤港澳大湾区高分辨率海洋数字预报模型、地波雷达数据同化方法及海洋多源数据融合技术”5个课题的共同研究。

在让10套地波雷达“求同存异”的过程中，韦骏团队通过异频地波雷达数据融合技术、异型地波雷达数据融合技术和地波雷达组网的技术固化，参与到让异型、异频雷达得以实现数据融合，确保雷达组网技术得到业务化运行的工作中。在此基础上，他们进一步展开地波雷达组网数据的可视化研究，对经过融合处理后的地波雷达数据进行处理，将波浪场（海浪谱、浪高）、流场（径向、流速）数值数据转换成几何数据，再经由可视化技术生成实测矢量场和网格化矢量场的可视化界面。在确保观测结果“一目了然”的同时，韦骏团队进一步加入对观测结果测量、缩放等功能，让海洋流场及波浪数据不仅“清晰可见”，更能帮助研究者进行进一步判别。

雷达反演技术结果准确与否，需要海上实时观测的结果予以“验证”。然而，这样的验证过程同样不可能“面面俱到”。为了确定有效的“验证点位”，同时规避雷达检测过程中出现的无效数据，韦骏在研究过程中引入了拖曳式ADCP比测法，作为反演算法改进的“质量控制器”。“国内地波雷达站数量少、‘互动’差，其中一个重要原因是地波雷达校准成本高、数据质量不稳定。”韦骏解释道，“通过传统浮标式和拖曳式相结合的比测方法，借由8套坐底式ADCP+海床基、4套拖曳式ADCP+无人船和32个表层漂流浮标等具体方式，可以为反演算法提供高效率的校准方法，同时为反演算法优化提供数据支持。”

借由这些关键技术突破，韦骏团队得以收集大量准确的海洋观测数据，并不断探索基于观测数据，构建粤港澳大湾区高分辨率海洋数字预报模型、研发地波雷达数据同化方法及海洋多源数据融合技术的可能性。以全球-南海-大湾区高分辨率数值模式系统为代表，依托中山大学地球系统模式（SYCIM），韦骏团队着力构建长时间序列的、模式分辨率100～500米之间的高分辨率雷达数据集，从而大幅提升大湾区海洋模式同化、海洋灾害预报系统的研发水平，并为相关决策提供数据及理论支持。目前，这一模式的非结构网格可对珠江支流进行无限加密，并达到珠江10米的超高分辨率。

作为“粤港澳大湾区地波雷达组网及模式同化关键技术研发与示范”的负责人，韦骏始终心系我国地波雷达技术水平的提升，以及其在粤港澳大湾区防灾减灾过程中发挥的实际作用。把“项目从头跟到尾”的韦骏坦言：“这不是一件简单的事，更不是一个广东省重点研发项目能够完全覆盖和解决的事。”在逐一突破相关技术难点、验证地波雷达技术的可用性后，韦骏期待相关成果支持我国地波雷达技术朝着“好用”和“广泛应用”的方向发展。“以研发带动技术进步，以应用提升地波雷达技术业务化应用水平，进而推动粤港澳大湾区海洋灾害应急联动观测能力的提升，是我们下一步要做的事情。”韦骏坚定地说。

要做“抓台风”的人

从理论到应用，不唯是“粤港澳大湾区地波雷达组网及模式同化关键技术研发与示范”项目的重要目标之一，也是韦骏入职中山大学大气科学学院的初衷之一。从远离海洋的内陆来到地处南海之滨的珠海，“做海洋做了28年”的韦骏将全部心力投入到地波雷达观测网组网和应用示范的工作中。以日本有明湾为参考样本，韦骏团队持续思考在粤港澳大湾区建立高频、高效、长时间运行高频地波雷达网，以及开展基于高频地波雷达和高分辨率数值模式的海洋环境监测、预报预警及海上搜救等方面示范应用的可能性。

对于粤港澳大湾区地波雷达观测网组网工作的内容，韦骏形象地将其概括为“软硬兼施”。在与海洋和海洋灾害“打交道”的过程中，韦骏团队也经历了诸多考验。在硬件基础——珠江口雷达站的选址及建设过程中，他们一次次踏足荒岛、反复勘测，只为寻找合适的“落点”；选址确定以后，建成的雷达站还要反复经历台风的“试炼”：“雷达网的重要作用之一，就是‘抓台风’，即在台风天里对海面各种数据进行观测，从而得出相应的数据和规律用于灾害预报和相关研究。去年台风季的时候，我们的雷达直接被台风掀翻了。这就要求我们从基础建设到机箱天线设计的每个细节都要考虑到，保证雷达站在没有人工辅助的条件下，在台风中‘站得住’还要‘读得出’，这样才能发挥出地波雷达观测网‘抓台风’的作用。”韦骏说道。

▲韦骏团队开展粤港澳大湾区雷达组网测试

在雷达生产企业广东蓝图信息技术有限公司团队的协助下，硬件基础涉及的问题逐一被解决，雷达站的建设也在稳步进行中。而在软件基础——各类算法的优化和整合的研发过程中，韦骏及其团队同样取得了丰硕成果。“我们注意到反演算法的设计过程中缺乏海洋学的相关知识，相关算法往往基于算法设计者的经验得出。在海洋观测过程中，这样得出的反演算法‘针对性’不够。所以在合作过程中，我和我的团队就积极将海洋学相关知识和数据引入反演算法的设计内容中，并通过人工智能等优势技术成果，进一步提升反演算法的精准度。此外，在比测实践过程中，还要考虑海洋环境中其他作业船只对项目开展过程中设备和数据的影响。例如我们放在海上的设备经常会受到临近的船只破坏或把设备拖离原有的位置。针对这一情况，我们的办法是充分利用每年5—8月的休渔期，将传统的浮标阵列放到海里，以形成实际观测数据，对目前已建成雷达站所收集的数据进行验证。这3个月的时间对于整个团队都是非常宝贵的，可以说得上是‘分秒必争’。我们期待能在这3个月中，做出点好的成果，让雷达观测方法和传统观测方法的‘配合’更默契、让地波雷达的数据更精准。”

“软硬兼施”的最终目标，是建立粤港澳大湾区地波雷达组网可视化海洋环境监测预报系统，并将观测数据及分析结果数据通过相关平台发布，建立一个集多种可视化功能、实时入库、展示、监测、数据接口和数据共享于一体的高频海洋探测仪数据可视化应用示范平台，并开展地波雷达海洋环境监测、预报预警及海上搜救等的应用示范，实现地波雷达海洋监测与数值预报平台的稳定运行、数据共享。系统试运行期间，韦骏团队将进行数值预报产品与观测数据资料的对比分析，并对数值预报系统的时效性和精确度进行评估。“就像现在的天气预报一样，我们希望将来海洋的‘气象’也可以通过这一系统进行预报。”韦骏不无憧憬地说道，“这样可以覆盖南海的新型海洋观测技术体系，也可以成为地波雷达技术推广应用的示范工程，为后续推动相关技术成果由南海走向北海区、走向东海区，并最终形成覆盖全国海域的地波雷达观测网络提供巨大推力。”

在“走向远海、走入深海、走向大洋”目标的号召下，韦骏时刻谨记自身作为海洋气象工作者在推动我国海洋事业发展过程中的重要使命。对于深耕多年的地波雷达观测领域，他常常说：“这不仅是一个项目，这是我和我的团队要长期为之奋斗的事业。”谈及未来，韦骏满怀期待：“项目有很多，事业也许一个人一辈子就只能做一个。从南海开始播下一粒种子，也许再过10年、20年，中国的地波雷达观测网也能够像美国一样覆盖整个国家近海，其所能带来的巨大便利、社会经济效益和产业发展红利将会惠及更多从业者。到那时，作为中国地波雷达网最初的创建者，我们也将感到无比光荣。”

责编 | 唐一白

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