海洋环境监测 -海洋环境监测报告评价

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【作者简介】文章作者为漆随平，博士，研究员，研究方向为海洋环境监测技术及仪器。本篇文章节选自论文《海洋环境监测技术及仪器装备的发展现状与趋势》，发表于《山东科学》，2019年10月第32卷第5期。声明：文章仅供学习与交流，不做商业用途，若需转载请注明由“水声之家”微信公众号平台编辑与整理。版权归媒体、原作者所有,文章观点不代表本机构立场。【摘要】 随着陆地资源逐渐枯竭，向海洋要资源、要空间已成为涉海各国的必然选择，导致了海洋技术领域的竞争愈演愈烈，从而促进了海洋环境监测技术及仪器装备的高速发展，这对我国海洋核心技术的研究提出了更高的要求。从海洋环境监测技术领域所涉及的海洋环境监测平台技术、传感技术及数据综合处理技术等3个方面进行了分析总结，在明确技术及仪器装备现状的前提下找出中国与国外相关研究领域存在的差距，并首次对海洋环境监测数据综合处理技术进行了全面梳理，在此基础上根据其发展趋势对海洋环境监测技术及仪器装备的未来前景进行了展望。指出该领域仪器装备在目前已经实现的模块化、系列化基础上，将向网络化、智能化方向发展，本文旨在对我国海洋环境监测技术领域的发展规划、技术研究、装备研制及工程应用等方面的工作提供建议。【关键词】 海洋环境;环境参数;监测技术;仪器装备0. 引言海洋环境是指海洋动力、气象、水文、生态、化学、海洋声光物理特性及海洋地质地理等要素。海洋环境监测技术是指借助机械、电子、能源、材料、信息等多学科及其交叉技术实行海洋环境的监、观、勘测技术[1]。由于海洋占地球表面积的71%，是全球水汽循环和碳循环的重大载体，影响着局部气象及全球气候变化;海洋不仅储备了巨大的动力能源，在海底蕴藏了丰富的宝藏，还可以通过养殖繁多的海洋生物用以满足人类的生存所需，因此，认识海洋、开发利用海洋、合理管控海洋对涉海国家发展具有重要作用。人类从海洋获取“鱼盐之利”“舟楫之便”的广泛需求催生了各类海洋监测技术和仪器，以致早在20世纪初期海洋强国就出现了海洋的环境监测及数据收集，我国同期也有了对海洋监测的记录，1930年学者蒋丙然[2]即首次对我国海洋观测技术及仪器进行了总结。1979年齐孟鄂等[3]从自动遥测浮标、空间遥感技术、水声技术及水下技术等方面对全球海洋观测技术进行了综述。1982年逯玉佩[4]在技术进展、观测方法、运载工具和导航定位、海洋观测仪器、海洋观测特点等方面对海洋技术进行了总结。1991年朱光文[5]对我国海洋观测技术的海洋遥感技术等6个方面的现状、差距及其发展进行了综述，并于1995年对我国海洋观测技术30年的发展进行了回顾和展望[6]。1998年惠绍棠等[7]对我国海洋仪器的研究从仪器会战到网络建设方面进行了回顾总结。1999年朱光文[8]对我国海洋探测技术50年发展进行了回顾与展望。2006年王军成等[9]对我国当时的海洋监测技术研究及仪器研制的进展进行了综述，并对未来需求及应对措施提出了建议。2007年蔡树群等[10]从主要进展和局限性两个方面对海洋环境观测技术进行了总结，提出了技术的新需求预判。文献[11-14]从现状与趋势、基础与存在问题等方面进行探讨，对存在问题提出了发展建议。2017年于宇等[15]对国外海洋环境观测系统和技术发展趋势进行了综述和展望。2018年张云海[16]对海洋环境监测装备技术发展进行了综述。正是由于这些学者的研究和总结，及时梳理每个阶段的现状和存在的问题，为特定阶段的海洋环境监测技术及仪器装备发展起到了促进作用。由于近年来材料、电子、信息、人工智能等相关技术的发展日新月异，使得海洋环境监测技术也取得了长足的进步和快速发展，但是由于海洋环境监测技术所牵涉到的相关技术领域跨度大、海洋环境监测仪器装备的使用环境苛刻，我国在该领域出现了新成果转化能力不足、新研制仪器装备环境适应性及其性能指标需持续投入改进等新问题。本文结合海洋环境监测技术研究及仪器装备研制新成果，对当前海洋环境监测技术所涉及的传感技术、平台技术及数据综合处理技术3个方面进行分析，通过现状梳理，找出中国与国外相关研究领域存在的差距，并预测其发展趋势，以供相关的科研及工程人员参考。1. 海洋环境监测传感技术海洋环境监测传感技术是海洋环境监测的基础技术，是将所感知的海洋气象、水文、生态等要素特性量转换为与之有确定对应关系的有用电量的技术[16]。该技术涉及感知海洋环境的传感器原理、结构、材料、设计、制造及检测等多种技术。1.1 传感器技术随着新材料、新方法、新工艺的发展，国外海洋环境监测传感技术出现了革命性突破，使得传统的海洋环境监测传感器在性能、功能、测量种类等方面取得了巨大发展，并开发出了各类海洋环境监测新型传感器及仪器[17-22]。例如新研制的温盐深(CTD)传感器的测量精度:温度达到±0.001℃、电导率达到±0.0003mS、压力达到±0.015%。特别是随着微机电系统技术的发展，新研制的海洋环境监测传感器在体积上大为缩小，在环境适应性上可适用于水下各类运动平台和固定平台。通过微流控、光纤等技术综合研制的海洋生态化学传感器可在原子和分子层次上进行操作，其敏感元件尺寸降到微米或毫米量级，重量从千克级下降到克、微克量级，功能上实现了原位监测。我国经过多年的“863”计划、海洋公益性科研专项等项目经费支持和关键技术攻关，部分传统的海洋环境监测传感器取得较大进步，在业务化应用中开始发挥作用。在海洋动力参数传感器方面，温、盐、深、浪、流、潮、风等传感器在性能上已经达到了国际先进水平，环境适应性也不低于进口产品。但在更加尖端的传感技术方面，差距依然巨大，而且有持续拉大的趋势，比如高精度海水温盐深(CTD)剖面仪、相控阵海流剖面仪、声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、投弃式温盐度深(XCTD)和投弃式温度深(XBT)等传感器技术成果在指标上仍不及国外技术发达国家的产品。而在海洋化学参数传感器方面，我国取得了显著进步，新研制的化学需氧量测量仪(COD)、营养盐、重金属监测等传感器在主要指标方面达到国际领先水平，特别是在微流控芯片、放射性监测等新技术方面处于国际先进水平。在常规的海洋气象传感技术方面，国产气压传感器尚难以达到进口产品的测量精度和稳定性，目前几乎全部依赖进口;国产海洋湿度传感器、风传感器测量精度略低于外国产品，但在观测可靠性和稳定性上同国外产品相当。经过多年的发展，我国在海洋环境监测传感技术方面取得了长足的进步，与国际先进水平的差距正在缩小，有的已达到甚至代表国际先进水平。但在新型传统传感、特殊功能传感技术研究方面，存在的差距仍然比较大。1.2 海洋雷达监测技术海洋雷达环境监测技术[22]是由无线电科学、信息技术和物理海洋学交叉形成的海洋环境监测技术新方向。20世纪60年代—70年代以来，用于海洋监测的雷达按频段主要分为高频和微波两大类。高频雷达包括高频地波雷达、高频天波雷达和天-地波一体化雷达，微波雷达则包括X/C/S等波段的探海微波雷达。海洋雷达监测技术具有的共性特征是:(1)以非接触方式获取海面海洋动力学参数分布信息;(2)雷达电磁波与特定波长的海洋表面波的谐振是回波信息调制的主要机制;(3)雷达回波还携带有较宽频谱的波浪方向谱信息;(4)台站定点或走航观测相比海洋雷达覆盖面积广、信息量大，相对于卫星观测则有时间和空间分辨率高，可连续获得所观测海域较完整的动力学参数时空变化信息。早在2004年开始，美国和欧洲的多个海洋环境监测计划中均将高频地波超视距雷达组网作为关键建设任务。目前全世界有近500部高频地波雷达在沿海地区运行，亚洲地区有超过100多部地波雷达投入应用，有大体相同数量的微波海洋雷达也在位运行。我国在海洋雷达监测技术研究方面，在个别技术上已走在国际前列，与国际先进水平的差距正在迅速缩小，但在雷达数据应用方面与美、日等国还存在较大差距。未来海洋雷达监测技术的发展趋势为:(1)通过分布式海洋雷达组网监测技术提高探测范围;(2)利用天-地波一体化混合组网技术实现对海面和低空的监测;(3)通过移动平台基海洋雷达技术实现船载、车载或浮标等移动平台的海洋环境监测;(4)通过研制多频率、多极化的微波海洋雷达提高探测精度和探测距离;(5)经过海洋数值模型同化等技术成果使监测数据发挥其应用效能。2.海洋环境监测平台技术海洋环境监测平台技术主要是指以海洋环境监测为目的，为满足海洋环境监测所需的传感器以及仪器装备工作条件和使用环境而提供的不同平台技术，海洋环境监测平台主要包括岸基台站、浮标、潜标、海床基、水下移动平台、天基和空基、船基等，是实现海洋监测重要保障载体[10]。从20世纪初的岸基台站、船基的初步应用到锚系浮标研制成功，如今潜标、海床基、水下移动平台、天基和空基等技术的发展，目前海洋环境监测平台已成为海洋环境监测的重要保障，大部分平台技术已较为成熟，在海洋环境监测的业务化运行方面发挥着重要作用。2.1 岸基台站岸基海洋站技术[10-13]是在沿海海滨或近海岛礁实现海洋环境监测的技术，是发展最早、最为成熟的海洋环境监测平台技术。美国、欧洲和日本等发达海洋国家的海洋平台技术处于世界领先水平，应用广泛，功能仍在不断完善。海洋发达国家岸基台站主要用于开展潮汐、海洋气象、波浪、水温和海流观测。如美国研制的岸基台站上可以实现潮汐、气象、水文等要素的监测，所建设的岸基台站分布于沿岸、岛礁、灯塔和码头，组成国家潮汐、气象、波浪、水温和海流监测的监测网。这些岸基台站基本实现了自动化无人观测，在部分岸基台站上布设了高频地波海洋监测雷达，覆盖范围涵盖美国东西海岸，实现了监测范围内的海洋环境监测。我国岸基台站技术相对也很成熟，布放在沿海岛礁、港口码头，分布在我国沿海岸线，实现水文、气象、波浪、海流等要素的监测。岸基台站技术未来将以多功能化、工作时间长期化、维护成本低廉化为目标，在相关的保障技术及可靠性方面进行长期的技术攻关和产品研制。2.2 浮标和潜标2.2.1 浮标浮标包括锚系浮标和漂流浮标[23]。锚系浮标是实现海洋动力环境、气象及海洋生态化学要素长期连续观测的主要平台技术，具有采集数据持续、能够长期稳定监测数据等特点;漂流浮标是随海流漂流、自动连续采集海洋水文、气象、海流等要素数据的小型浮标，具有体积小、重量轻、不受人为限制等特点。锚系浮标技术相对成熟，浮标产品种类齐全、测量项目多、海上生存能力强。随着海洋监测需求的发展，有针对性地研制了各种专用化、小型化浮标，如美国国家资料浮标中心(NDBC)研制的锚系浮标主要有三种:用于几百至几千米水深海域的直径为10和12m的大型圆盘浮标和6m圆盘形、船形中型浮标，以及用于近海监测的3m圆盘形小型浮标。近年来浮标技术的发展主要集中在供给电源的改进和技术研究方面，如美国、意大利、以色列、韩国等国研发了波浪能发电、太阳能及温差能等混合供电的新型能源浮标。漂流浮标技术以拉格朗日漂流(SVP浮标)技术为主，研究经久耐用、成本低廉、投放方便的漂流浮标是该技术的发展焦点。同时研究满足特殊需求的特种漂流浮标是发展主体，如近期为满足海洋气象学研究的需求，研制出了可测气压的气象漂流浮标、风速风向漂流浮标以及可同时测量风速、风向、气温、气压和表层水温及加速度，且加装了Argos发射机和GPS的多功能漂流浮标等。浮标平台技术的发展由结构形式的优化逐步转向功能专业化以及对浮标内部的数据采集、数据传输、主控、电源等部分进行改进，呈现出通信手段多元化、组成模块标准化、供给电源多方式化等特点。2.2.2 潜标潜标主要位于水面以下，用以对海洋环境实现长期、定点、连续、多层次、同步的观测，具有隐蔽性好、不易被破坏的优点[24]。对潜标技术的研究始于20世纪60年代，初期的潜标是在单点绷紧型系留系统上分层悬挂各类自容式传感器。近年来，潜标技术向在水下可上下运动、实现自动剖面测量等方向发展。已开发出的潜标按驱动形式分为水下绞车式、电机驱动沿锚系缆爬行式和净浮力式等3种，可实现海洋剖面的实时观测。如由加拿大、美国等国合作研制的Sea Cycler等水下绞车式潜标技术可实现在5.5m波浪海况下系统工作正常，并进行数据传输;由俄罗斯和德国研制的基于电机驱动和基于浮力驱动的新型潜标在技术方面处于领先地位。我国在该领域发展较晚，目前尚处在仿制阶段，关键的核心技术尚未取得突破。未来潜标技术将向生存能力更强、测量参数更多等方向发展。2.3 海床基海床基技术是一种海底平台技术，其技术核心包括平台的布放、回收、数据通信及安全等技术[11，25]。海床基在对海底原位观测中，具有工作持续、生存稳定的特点。海床基技术的研究较早，美国伍兹霍尔研究所研发了ROLAI2D系统，在百慕大海域应用于4400m深海底观测;NOAA的DART系统利用坐底式监测设备和水面气象浮标进行海啸监测与预警;美国NeMO海底观测系统布放在1600m水深的火山热液口附近，通过多种仪器监测海底火山活动现象;法国的海洋研究所研制的MAP坐底式平台装有沉积物捕捉器、浊度计、海流计等设备，是欧洲深海水动力和沉积作用研究中的重要装备[26]。海床基技术经过几十年的发展已基本成熟，很多国家推出了多种商业化的海床基平台产品，这些平台结构简单，尺寸、重量都较小，具有操作较为灵活，易于进行海上布放、回收作业的特点，可搭载ADCP等多种传感(仪)器。近年来，深海海床基产品向模块化发展，模块之间可通过水声进行通讯，突破了海床基系统空间范围的局限性。该项技术我国起步较晚，同济大学、浙江大学等高校及研究机构对海床基研发形成的示范系统尚在测试中，开发出的新技术在该系统中得到验证和技术推广。2.4 海洋水下移动平台海洋水下移动平台[27-29]包括自治式水下航行器(AUV)、水下滑翔器(AUG)、无人遥控潜器(ROV)、载人深潜器(HOV)、自持式剖面探测系统(Argo)等。海洋水下移动平台技术由于其灵活、机动的特点而得到广泛关注。2.4.1 自治式水下航行器自治式水下航行器是一种可以设定航线自主航行的水下移动式平台，具备高机动性性能，可搭载侧扫声纳、成像声纳等复杂传感器或仪器，多用于水下指定目标区域的海洋环境监测。在自治式水下航行器技术方面，世界各国在续航、速度、结构、隐蔽性等方面进行技术升级，也在向多功能、新功能方向发展，如美国研制的鱼形和水母型仿生型自治式水下航行器，具有运动灵活自由、续航能力强等特点。目前，国外的自治式水下航行技术已经趋于成熟，产品性能较为稳定，美国、挪威、英国、冰岛等国研制的产品已有的100多种类型，占据国际主要市场。美国研制的大型自治式水下航行器，用于部署、回收设备和有效载荷，收集和传输各种类型信息，追踪水下或海面目标等，续航能力达到了2000km。中国科学院沈阳自动化研究所、哈尔滨工程大学等机构研制的自治式水下航行器已经在水下6000m处实现了24h或100km的自主航行，可搭载浅地层剖面探测仪等仪器设备。但目前我国仿生自治或大运载、长时间续航能力的水下航行器仍处于研发阶段，未来将向仿生鱼航行器、多功能新型自治式水下航行器、大型潜水员输送自治式水下航行器等方向发展。2.4.2 水下滑翔器水下滑翔器是一种以浮力为动力、在水下以锯齿形航线航行的自治式观测平台，可搭载温、盐、深等多种传感器，可用于大范围海洋水下环境参数连续观测。美国最早开始水下滑翔器的研发，目前拥有最为成熟的技术，研制的产品在世界范围内已广泛用于海上溢油追踪、飓风预警和军事活动等。美国还研发出了由波浪起伏带动的水面浮艇上下运动和由改变自身净浮力产生的升沉运动作为升力来源的波浪能滑翔器。波浪能滑翔器核心技术是电源供给和姿态平衡控制，体现在航速、续航能力和海况适应能力上。因此，波浪能滑翔器技术主要是外形研究、电源供给技术和导航技术。法国、英国、日本等国家早就开展了各类水下滑翔器技术的研究。中国科学院沈阳自动化所研制的Sea-Wing工作水深1000m、续航时间40d，天津大学研制的“海燕”工作水深1500m、续航时间30d，航程均超过了1000km，标志着我国已基本掌握水下滑翔器技术，即将达到实用化装备水平。水下滑翔器未来将向具有混合推进器、持续能力更强、运动控制更高效、搭载传感器负荷能力更强等方向发展。2.4.3 无人遥控潜器无人遥控潜器是一种通过脐带缆与母船连接获取能源和控制信号在水下作业或观测的平台。无人遥控潜器在人工控制下，可在海洋大深度和其他危险区域执行复杂操作，具有独特的优势。目前，国际上商业化无人遥控潜器产品的工作水深大多可到3000m，技术较为成熟的美国、日本、俄罗斯、法国等少数国家，具备研制6000m及以深潜器的能力，但更大潜深的水下潜器处于试验测试阶段，尚未得到推广应用，最大潜深可达约11000m，实现了全海深探测和作业。我国上海交通大学研制的ROV“海马”、“海龙”作业水深均达到了4500m和11000m，715所研制的定型ROV也可达5000m。未来无人遥控潜器将向更深更复杂海洋环境下能生存并执行任务、更大载重能力等方向发展。2.4.4 载人深潜器载人深潜器可以把人送到深海底附近，在目标区域进行海洋环境监测，在某些特殊情况下具有无人平台无法代替的优势。目前，全球共有数百台载人深潜器广泛应用于海洋环境监测、海洋调查和安全作业。其中能够下潜到1000m或更深的地方工作的载人深潜器分别产于美国、中国、日本、俄罗斯、法国等国。美国的阿尔文号额定最大潜深4500m，目前属于WHOI的“深海挑战者号”在马里亚纳海沟下潜到10908m。日本的“新海6500号”最大潜深6500m，可载3人，曾保持世界最深载人科考下潜25年的记录。此外，著名的深海HOV还有法国海洋研究院的鹦鹉螺号和俄罗斯希尔绍夫海洋研究所的和平号。我国自行研制的蛟龙号下潜深已达7000m。未来，载人深潜器将向看进一步提高潜深、载重、生存能力、执行任务能力等方向发展。2.4.5 自持式剖面探测系统自持式剖面探测系统又称地转海洋学实时观测阵浮标，起源于实施国际地转海洋学实时观测阵计划。该系统可在海洋中自由漂移，不仅可以自动探测海水温、盐和深度剖面，还可跟踪其漂移轨迹，获取海流速度和方向。国际上自持式剖面探测技术已趋于成熟，构建成了实时观测阵浮标全球海洋观测网，资料传输的方式也由原来单向通信扩展到可选的Iridium或Argos-3双向通信。自持式剖面探测系统携带的传感器也由早先的温度、电导率(盐度)和压力等物理海洋环境基本三要素拓展到生物、化学等类型传感器，例如溶解氧、叶绿素、硝酸盐、辐射计和透射计以及水听器等传感器及仪器。目前，全球范围的地转海洋学实时观测阵系统维持在4000个左右，支撑了全球海洋观测网的业务化运行。我国对Argo的研制起步较晚，但已经研发出了多种型号自持式剖面探测系统。比如，所研制的海马2000型可实现110个2000m潜深剖面。未来该技术将向着提高可搭载传感器能力、工作可靠性、生存能力等方向发展。2.5 天基和空基天基和空基主要指利用海洋卫星和海上航空器、无人机对海洋环境进行实时监测的平台[28]。海洋卫星从功能上一般可以分为两类:海洋光学遥感卫星和海洋微波遥感卫星，还有一些卫星属于综合观测型海洋卫星，即可以同时具备海洋光学遥感和微波遥感功能。海洋光学遥感卫星主要用于探测海洋光学参数，如叶绿素、悬浮泥沙、有色可溶有机物等水质与生态环境信息，此外也可获得浅海水下海冰、海水污染等海洋环境信息。海洋微波遥感卫星主要用于获得海面风场、海面高度场、浪场、海洋重力场、大洋环流和海表温度场等海洋环境参数，是最主要的大范围、长时间序列、准实时遥感观测平台。近年来，美国、欧洲、俄罗斯、加拿大等国已相继发射多颗海洋卫星，包括搭载有更先进水色成像仪的新型海洋光学遥感卫星、海洋微波遥感卫星和海洋综合探测卫星等，探测范围已涵盖全球海洋。我国共发射了HY-1A和HY-1B2颗海洋水色卫星，主要承担海洋水色、水温环境监测任务，但目前HY-1A已失效。发射的HY-1B2海洋动力环境监测卫星通过搭载的雷达高度计、微波散射计和辐射矫正计等仪器，实现了全天候、全天时连续探测海洋风、浪、流等海洋动力环境信息的能力。未来，该技术将向着在位工作寿命更强、搭载负荷能力更大、搭载仪器装备更加多元化的方向发展。海上航空器、无人机是近年发展起来的一种海洋环境监测空基平台，可搭载多种海洋环境监测任务载荷，实施海洋动力环境和其他海洋环境要素的探测。具有机动性强、时效性高、成本低等优势，可有效弥补天基、海基和地基探测能力的不足，是海洋环境监测不可或缺的平台。随着无人机研发技术的进步和优势的突显，世界各国越来越重视无人机在海洋探测中的应用，以美国为首的许多国家正在积极研制各种新型的海上无人机，俄罗斯、英国、德国等国都加大了对本国发展无人机的支持力度。我国也十分注重无人机的海洋环境监测，在技术上紧跟发达国家先进水平，如中测新图公司自主研制的无人机续航时间达到了30h、拍摄分辨率达到了0.05～0.20dm。未来该方向将在空基和天基所搭载的各类传感器技术以及持续能力更强的平台研发等方面进一步开展。2.6 船基船基海洋监测是指以船舶为平台，利用船载各类传感器实现海洋环境监测[29-30]。船舶具备长时间续航能力、大容量承载力及灵活机动性等特点，作为海洋环境监测平台的船主要有海洋调查船、科学考察船、地质勘察船、海洋监视船等。近年来，许多海洋发达国家都在陆续建造大型、现代化的海洋科学综合调查船。美国拥有世界上装备最先进、船只数量最多的海洋科考船队，仅伍兹霍尔研究所(WHOI)和SCRIPPS海洋研究所就拥有8艘科考船，其中4艘为大洋综合调查船，搭载了先进的多波束测深系统、侧扫声纳等设备，并配置了船载实验室，此外美国还有240余艘海上志愿船，航线遍布全球各主要航线。俄罗斯也有近百艘科考船。欧洲主要发达国家也拥有众多技术先进的科考船，仅法国海洋研究与开发中心就拥有7艘海洋科考船。我国以48艘海洋调查船为主，船上主要有海流剖面仪、投弃式测量仪器和船载拖曳系统等形成船基海洋环境监测能力，在搭载仪器装备方面存在较大差距。未来应重视两个方面的研发:一是高质量、高可靠性的船载海洋环境监测传感器及装备的研制;二是综合功能全、测量效能高、环境适应能力更加强大的测量船以及无人测量船。3. 数据综合及处理技术海洋环境监测数据综合及处理技术是以海洋环境监测网为基础，对各平台不同技术获取的数据进行采集和综合，通过专业化数据处理形成数据产品和服务，该技术主要包括海洋环境监测组网技术和海洋数据处理技术[31]。3.1 组网技术海洋环境监测数据以GPRS、CDMA、卫星、海底光纤网为主体通信方式组成海洋环境监测网，通过公用或专用Internet网实现了监测网络和信息网络的连接[32-36]。在海洋环境监测网络中，以海底光纤或水声通信方式组网的海底监测技术是核心技术之一。世界各个海洋大国投入巨大予以发展海底监测网，比如日本提出ARENA计划，建造了由光缆连接跨越板块边界的海洋环境观测网络，应用于地震学和地球动力学研究、海洋环流研究、可燃冰监测、水热通量研究、生物与渔业研究、海洋哺乳动物研究、深海微生物研究等。美国启动NEPTUNE(“海王星”)计划环绕“胡安.德富卡”板块，铺设3000km光缆，进行海洋环境实时观测。美国和加拿大分别建设MARS观测站和VENUS观测站构成了加拿大的海底观测网(ocean netuorks canada，ONC)。欧洲根据全球环境监测与保护计划开展4D观测网建设，英、德、法等国建设的ESONET(欧洲海底观测网)，对地球物理学、化学、生物化学、海洋学和渔业等提供长期战略性环境监测。我国于1999年开始在国家海洋局属系统内建立并基本形成分别覆盖国家、海区、省、市、县5个层次、结构合理、条块结合、分级管理的覆盖我国全海域的海洋环境监测网络，目前已经实现了海洋监测网和海洋气象监测网。在组网技术探索方面，同济大学与中国科学院2009年在洋山国际深水港东南建成同济大学东海海底观测网，实现了海洋环境信息的实时连续监测;2012年依托陵水基地建设了我国首个南海海底观测网试验系统，实现了对南海海底的监控和水中目标的监视;2013年浙江大学在岛北部海域建成浙江大学摘箬山岛海底观测网，主要定位于海洋地震监测[37]。目前，国家海洋局海洋立体监测系统主要用于海洋环境监测、海上安全防务等方面。但我国在海底网技术方面存在较大差距，特别是在海底接驳盒、海底装置电能供给及海底工程布设等技术方面存在较大差距。未来该技术将在数据传输、快速组网和网络布设等方面进行技术提升。3.2 数据分析技术3.2.1 数据质量控制技术海洋环境监测数据是采用多种平台技术手段、多类型传感技术，在海洋的不同地理位置、不同时间对海洋环境进行监测所获取的[38-39]。因此，必须以有效且共同遵循的体系标准，对海洋环境监测数据的名词术语、分类、数据格式等进行标准管理，以实现对数据的质量控制。为实现数据的综合应用，应在数据的可用性、溯源性以及数据的时空耦合和地理关联等方面进行统一规范，以保证数据的一致性和正确性。目前，美国、加拿大、英国等国家在国际组织框架下对海洋环境监测数据进行了质量控制。而我国虽然有了国家海洋局、中国气象局等部门牵头的行业标准，有了各自的数据质量控制标准，但由于历史原因，部门之间存在条块分割及行业壁垒，目前各行业数据彼此封闭，在海洋环境监测数据质量控制技术方面差距较大。3.2.2 数据存储管理技术海洋环境监测数据具有时效性和历史性，对数据的存储管理是数据应用的基础。世界各国都非常注重海洋数据的存储管理，如美国国家航空航天局的地球观测中心建立了地球观测系统数据和信息系统，存储和管理全部数据，采用的是分布式开放的系统架构;欧洲航天局也建立了基于任务的分布式存储的海洋数据中心。在存储管理技术方面，国外的海洋大数据存储采用了逻辑上集中，物理上分散的分布式服务器集群存储架构技术，我国还在采用地域上的集中式服务器存储技术，随着数据量的增长，难以实现在线存储资源的动态扩展和灵活配置，离线数据获取耗时，无法在线直接访问任意数据，这就急需我们开展顶层设计统一规划的存储管理技术研究[39-40]。3.2.3 数据同化技术数据同化技术[41]是对各种不同类别和时间段的监测数据不断地融于数值模式的技术，以短期分析预报结果作为模式预报的初值，并以此将观测与模式的结果不断融合成为一个最优值，以减小误差提高数值预报精度。数据同化技术已被广泛应用于构建海洋预报系统，还可利用该技术有效地将各种类型的海洋观测资料融入海洋模式中，生成时空分布更加完善的分析数据，广泛用来制作海洋再分析数据，以便充分利用通过现有观测技术所能得到的全部信息，揭示海洋的各种真实状态。目前，海洋监测数据同化技术根据所采用的理论原理，可分为两类:基于统计估计理论的同化技术，如最优插值、卡尔曼滤波、扩展卡尔曼滤波、集合卡尔曼滤波等;基于优控制方法(即变分法)的同化技术，如三维变分、四维变分等。3.2.4 数据挖掘分析技术数据挖掘分析技术[42]是随着海洋环境监测数据急剧增大成为海量数据而引入的在大量的海洋环境监测数据中发现信息、挖掘规律的新技术。目前已有Map Reduce、Storm、Stream Base、Pregel等先进的并行计算框架，且在已得到广泛应用。海洋大数据在信息挖掘过程中也从传统的经验模态正交法发展到了具有时空解耦特性的四维谐波提取法。但是由于海洋大数据的时空耦合及地理关联特性，导致传统的数据挖掘算法无法有效地进行时空解耦与地理分解，使得挖掘算法成为海洋大数据科学全链条运转环节中亟待突破的核心技术，也使得该项技术成为未来海洋数据处理领域的新热点。3.2.5 数据表达可视化技术利用科学可视化技术[43]展示海洋数据以及更进一步地利用可视化分析技术挖掘时空数据规律，是建立从感知到认知的关键技术桥梁。海洋矢量场可视化算法主要有图表法、几何法、纹理法、拓扑法等。标量场可视化算法在大规模体绘制、实时光照、多变量提特征提取、二维时空可视化等方面都取得了重要成果。但是随着海洋数据体量的继续增大，对可视化表达方式、处理效能等方面都提出了非常高的要求，需要一方面尽可能真实地反映数据的特性，另一方面充分提供系统的承载能力和处理能力，提高数据的更新和绘制能力。纵观国内外海洋大数据的分析技术研究，我国在数据表达可视化方面与发达国家相比不存在差距。4.总结与展望海洋环境监测技术及仪器装备的发展体现出智能化与信息化的趋势，这与“智慧海洋”的应用需求密切相关[15-16,40]。海洋发达国家的海洋环境监测新研制的仪器装备已经实现模块化。我国海洋技术和仪器装备近年来取得了较大进展，但由于海洋仪器装备的研发投入高、试验周期长、风险高、难度大等特点，我国大多数科研机构在海洋仪器装备研制时多以跟踪仿制国外已有产品为主，原始创新能力不足，制约了海洋仪器与技术的整体发展。在硬件条件投入方面，我国目前仍没有能够业务化或商业化应用的海洋仪器装备海上综合试验场，造成海洋仪器装备在真实环境下性能测试和检测不足，制约了技术转化和产品性能改进。在软件设施方面，我国海洋仪器和装备的标准化体系建立不完善，在海洋仪器装备的生产标准、入网标准、计量检定、测试和运行维护等系列标准方面未得到足够重视，致使我国海洋环境监测核心技术落后，也远不能满足我国的重大业务需求。因此，我国只有针对性地对监测平台、传感及数据处理等三类技术齐头并进协同发展，完善技术标准体系，努力接轨国际标准，加大经费投入和人才引进，推进海洋环境监测仪器装备的通用化、系列化和组合化，以尽快赶上目前存在的巨大差距。展望未来，以满足探索海洋、利用海洋全方位发展的迫切需求为导向，在海洋环境监测平台技术中，智能控制、云存储、物联网、5G通信及人工智能等领域的新技术将被引入并得以推广;在传感技术方面新材料、新原理、智能传感及传感网络技术的发展将会推动产生微型化、智能化、高可靠性的新型传感技术;在数据综合处理技术中，大数据、知识发现、各学科交叉融合、泛在计算及交互可视等技术将得到广泛应用[44-46]。而在海洋环境监测仪器装备研制方面，将在不断提高仪器装备可靠性等性能指标的前提下，由连续现场监测逐渐实现长期原位监测。随着智能控制和人工智能的发展，海洋环境监测仪器装备也必将向智能化方向发展，实现自主的数据采集、跟踪和控制、修复故障、融合监测数据等功能。新技术的突破必将导致海洋环境监测从海、陆、空、天、时五维度上实现多尺度、全天候、连续监测及数据高效利用，其仪器装备将向网络化、智能化方向发展。 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【参考文献】

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[5-46] 略.

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