海洋水文气象观测技术前沿发展

一、海洋水文气象观测的历史发展

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海洋水文气象观测是研究海洋、开发海洋、利用海洋的基础，在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾害、保护海洋环境等方面起着十分重要的作用。

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海洋水文气象观测是随着海上生产活动和航海事业的发展而发展的。大体经历了三个时期：

19世纪以前：

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人们从事沿海生产活动，主要通过目测或简单的逻辑推理，观测海洋水文现象；

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19至20世纪中叶：

随着海洋学建立，海洋水文探测仪器的发展和在海洋探险、科学考察中的应用，海洋水文气象观测的范围、技术和调查内容等迅速拓展；

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20世纪中叶以后：

技术、手段和方法发生深刻的变革，海洋水文气象观测仪器逐步实现电子化，并从单项测量仪器发展到多要素的综合测量仪器。

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二、海洋水文气象的观测要素

海洋水文气象观测要素一般包括水温、盐度、海流、海浪、潮汐、透明度、水色、海发光、海冰以及风速、风向等。

温盐深测量：观测海水温度、盐度和压力的观测，20世纪60年代以前用颠倒温度表、采水器、滴定管和机械式深温计，后来用电子式盐温深测量仪等。船只走航测温常用投弃式温度深度计，空中遥感观测海水温度则用红外辐射温度计。电子式温盐深剖面仪（CTD）集成了测深、测温和测盐的仪器，分为实时显示和自容式两大类；投弃式温度深度计（XBT）主要用于船只在走航中快速测量海水的温度剖面数据。

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潮汐观测：观测潮汐涨落高度的仪器，称为验潮仪，也称水位计主要有浮子式与压钟式验潮仪、压力式与声学式验潮仪、雷达测高仪等，一般分别应用于岸边、外海以及大洋潮汐观测。

浮子式与压钟式验潮仪结构简单、使用方便、造价低廉，但验潮井的投资较大，因此适用于需要长期测量潮位的沿海区域。目前所使用的仪器仍以浮子式验潮仪和压力式验潮仪为主。上世纪60年代以来，利用卫星雷达观测技术进行大面积潮汐测量是潮汐观测技术的重要突破，但岸边常规潮汐观测仍然依靠传统的验潮仪。

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海流观测：根据需求和现场情况使用仪器定点测流、船只锚碇测流、锚碇潜标测流、锚碇明标测流以及海表面漂移浮标跟踪测流。定点测流：海洋观测中常用的办法，所用仪器有转子式海流计、电磁式海流计、声学海流计等；船只锚碇测流：在锚碇船上，用以测流的仪器大致可分为直读和自记两大类。目前常用的主要有直读海流计和安德拉自记海流计等；锚碇潜标测流：由潜标系统搭载海流计组成，常用的海流计有ADCP和安德拉海流计等；锚碇明标测流：与潜标系统相比，主要增加了水上浮筒部分；海洋漂移浮标：用船舶或飞机投放在海中随海流漂移的浮体，目前使用普遍的漂移浮标跟踪测流仪器设备是卫星跟踪海表面漂流浮标。

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海浪观测：曾采用目测方法，现在多借助仪器观测。目测方法以观测员目力或借助岸用测波仪望远镜观测海面征象，根据海面上波峰的形状、峰顶的破碎程度和浪花出现的多少，判断海况所属等级。目测10个显著波的波高及其周期，取其平均值，即为有效波高及其对应的有效波周期；测浪仪器常用的有测波杆、光学测波仪、压力测波仪、声学测波仪、加速度计测波仪等。仪器测波方法分为船只测波和锚碇测波两类。船只测波，一般采用浮球式加速度型测波仪；锚碇测波，常常使用声学测波仪和重力测波仪。

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光学测量：主要包括海水透明度、水色、海发光等的观测。海洋光参数仪器有透明度计和水色计，用以观测海水对光线的吸收和海洋自然光场的强度。

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海冰观测：海冰通常在调查船或飞机上进行观测。浮冰观测要素为冰量、密集度、冰型等，固定冰观测要素主要为冰型、冰厚和边界。除冰厚通常采用冰钻和冰尺进行外，其余一般采用目测方法。

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风的观测：一般通过在海上设立测风塔分层架设风速、风向传感器测量。为满足风资源评估需要，还会辅助观测气温、气压、湿度等；近年来随着海洋工程逐步进入深远海，测风塔建设成本相对较高，激光雷达、三维超声波等测风新技术正越来越得到广泛应用。

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三、海洋水文气象观测的新技术与综合观测系统

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近年来，基于岸基雷达采用高频地波雷达、X波段雷达、相机云台、波浪滑翔器、固态测波雷达等先进技术的海洋水文气象动力要素监测逐步得到应用。

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波浪滑翔器

随着遥感技术、浮标、潜标等在海洋监测中的应用，海洋水文要素观测手段和方式发生了很大的变化，基本实现了大范围、长期、重复的海洋监测。运用计算机对各种观测手段获取的海洋水文资料进行处理和管理，是现代海洋水文观测中必不可少的环节。

根据不同的海洋环境与研究目标，搭载漂流浮标、潜标、定点综合观测浮标等集成水文气象观测仪器或传感器，利用计算机采集与控制技术、数字传输与处理系统的强大功能，将现场各测量仪器有机的结合在一起，构成高度自动化、模块化的海洋水文气象综合观测系统。可长期连续自动观测和采集海洋水文气象数据。

安装气象观测传感器与通讯系统的浮标体

海洋水文气象综合观测系统示意图

我国海洋技术研究部门2015年12月16日在“西太平洋中南部水体综合调查冬季航次”中搭载“东方红2”科学考察船，在西太平洋完成5个月海上应用。2017年开始在“西太主流系潜标观测网维护升级”中搭载“科学号”科学考察船，布放于热带西太平洋的立体综合观测浮标，布放点水深近4500米。每套系统基本可稳定运行1年，数据接收率超过99%。

2020年1月中国第36次南极科考队搭载“雪龙2”号于1月27日在西风带成功布放国家海洋技术中心自主知识产权产品，感应耦合式表面漂流浮标和海气界面漂流浮标。

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“雪龙2”号

四、海洋水文气象观测的未来发展趋势

海洋水文气象观测系统与技术的未来发展趋势主要有：

（1）综合集成、统筹规划和协同创新，以网络信息体系理论为指导，深入研究面向实际需求的海洋水文气象观测体系架构、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；

（2）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；

（3）利用云计算、大数据、互联网+、人工智能、虚拟现实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。

注：本文综合期刊文献资料经整编而成

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（来源：中国能建江苏院）