海洋环境观测技术的发展与重要性

当今世界，随着人口的增加、土地资源的日益短缺和环境状况的恶化，海洋越来越受到人们的关注；一些国家还制定了21世纪海洋发展战略，称21世纪是海洋科学的新世纪。开发利用海洋资源，发展海洋经济，保护海洋环境，是海洋事业发展的主要任务。海洋观测是研究、开发和利用海洋的基础。海洋观测技术的发展对提高海洋资源开发能力、促进海洋经济发展、提高海洋环境监测能力具有重要作用。

⒈ 浮标和潜标技术

浮标和潜艇浮标技术在20世纪60年代被一些海洋发达国家采用和发展；浮标和潜艇浮标系统是海洋环境调查的重要技术设备。具有在恶劣海洋环境条件下对海洋水文气象要素进行无人长期、连续、同步、自动综合监测的特点。它们是海洋观测岸站、调查船和调查飞机在空间和时间上的延伸和扩展，是近海监测的重要手段。它在其他侦查方法中具有不可替代的作用。潜水浮标系泊在海面下方，可通过释放装置回收。它具有获取海洋水下环境剖面数据的能力，具有隐蔽性和不易被破坏的优点。它已被广泛应用。

锚定海洋数据浮标是海洋监测的重要技术之一。随着科学技术的进步，浮标的自动化水平、通信能力、可靠性和使用寿命越来越高。近年来，海洋数据浮标技术朝着多参数、多功能、三维监测方向发展。其进展主要体现在以下几个方面：

（1） 新技术和新材料的使用促进了浮标整体技术的发展。浮标体由铝、泡沫塑料或FRP混合结构制成。它重量轻，易于安排和回收。新开发的螺旋弹性系泊缆具有高强度、高弹性、螺旋膨胀和电力等优点。它可以从水面向水下仪器供电，也可以将水下仪器的观测数据发送到平台进行存储和遥测。

⑵ 小型化、多参数、水文剖面参数测量：计算机技术、低功耗、太阳能技术的应用，使装载在浮标上的测量仪器设备小型化、低功耗，为浮标小型化提供了足够的空间，实现了多参数观测，具有良好的水动力特性，可以方便地满足浮标对水文剖面监测的要求。大大降低了浮标的制造和运行成本，使用方便、灵活，便于运输。

（3） 除了数据浮标常用的气象和水文传感器外，还增加了测量传感器，如光辐射传感器、生物光学传感器、温度传感器、电导率传感器和ADCP，以增强功能。利用系绳系统中连接的弹性元件的调节功能，使系绳处于拉紧状态。浮标总是在水面上移动，并沿着波浪井移动，这使得波浪参数的测量更加准确。它已经从过去单一的消费型发展到既消费型又可回收型。

（4） 水下CTD剖面测量数据的实时传输应采用感应耦合数据传输技术：技术先进的感应耦合传输温度和盐深传感器应安装在水下系绳的不同深度，涂塑系绳与海水形成感应回路，测量数据通过系绳传输至浮标数据舱，实现从水面到水下的三维实时观测。低轨地球通信卫星用于实现浮标遥测、遥控命令和数据的双向传输，从而大大提高了浮标发送的信息量。同时，岸站的遥测遥控指令可以通过卫星发送到浮标上，使浮标能够在受控条件下全天候、全时工作。

（5） 海洋数据浮标在海洋动力环境监测、海洋污染监测、卫星遥感数据真实性验证、水声环境监测、水声通信和水下GPS定位等方面发挥着越来越重要的作用。海洋数据浮标技术的发展在海洋观测和海洋环境监测中发挥着重要作用。

（6） ADCP应用于小型浮标进行海流剖面测量：主要监测参数如下：风速、风向、气温、湿度、气压、表面温度、盐度、剖面温度、盐度、波浪参数、海流剖面等。

（7） 采用GPS和Argos双定位，定位精度大大提高；测量参数迅速增加，功能显著扩展；智能自动浮沉式应用广泛；从海洋到近海。

⒉ 岸基台站观测技术

岸基台站观测是指在沿海或石油平台上设置台站，作为固定的海洋观测平台，对沿海水域的水文气象环境进行观测或环境质量监测。岸基高频地波雷达可用于测量海冰、海面风场、波浪场、海流场等海面环境参数。它利用高频电磁波沿导电海面的衍射特性，实现大面积海面状态和海面运动目标的超视距检测。岸基台站是中国海洋环境监测网的主要组成部分。岸基观测技术的发展是我国海洋观测技术发展的重要内容。

岸基台站观测主要通过海洋观测仪器设备实现。观测仪器设备主要有压力式无井验潮仪、浮子式数字记录井验潮仪、气动声学水位计、声波计、加速度计式遥测波计、自动风速计、感应式实验室盐度计、电极式实验室盐度计、pH计、，do meter ZQ A型海洋水文气象自动观测系统等。

近年来，美国、英国、加拿大、澳大利亚等国家相继研制出各种用于海洋环境监测的高频地波雷达。英国、加拿大等国研制的工作距离约200公里的中程高频地波雷达已用于海洋环境监测。位于纽芬兰的加拿大中程高频地波雷达使用40个单元的宽带单极天线形成相控阵。天线阵孔径870m，工作频率5.8mhz，有效电流测量距离200km以上。得到了径向表面流场、波浪场和风场等参数。我国高频地波雷达海洋环境探测技术的研究，解决了相控阵天线、宽带收发开关、超角度分辨率扫描、雷达回波信息提取和解释等关键技术。目前，使用高频地波雷达的海上观测系统正在不断发展和完善。

⒊ 船基海洋观测技术

利用船舶作为海洋调查观测的移动平台，是海洋调查观测技术发展的一个重要方面，也是构建海洋环境三维监测网络的重要内容。

海水的温度和盐分深度是海洋的基本参数。温度和盐分深度的测量是海洋中最基本的水文测量。温盐深度测量技术的研究是海洋观测技术的重要内容。温度盐深探测器（CTD）是海洋监测中的重要仪器。它用于测量水体的三个基本物理参数：电导率、温度和深度。根据这三个参数，还可以计算其他物理参数，如声速，以研究海水的物理化学性质、水层结构和水团运动。它是调查海洋和其他水体的必要设备。

海水运动是湍流、涨落、周期性潮流和稳定的“恒定流”综合作用的结果。这些气流具有不同的尺度、速度和周期，并随风、季节和年份而变化。其强度一般从海面到深层逐渐降低。海水也沿着一定的路径和方向大规模运动，基本上是单向的。这种准稳态运动称为恒定流（残余流）。其原因是多方面的，如风的作用、海洋加热不均匀、地形的影响等。海流观测是海洋观测的重要组成部分。目前，国内外有许多海流测量仪器。ADCP测量技术是最有效的电流测量手段；此外，ADCP还可用于海水浊度测量和海底沉积观测。20世纪70年代中期，世界上第一台商用声学多普勒海流剖面仪（ADCP）问世；1985年以后，ADCP逐渐普及；在20世纪90年代，ADCP得到了更广泛的应用。在20世纪80年代窄带ADCP技术（nbadcp）的基础上，20世纪90年代发展了宽带ADCP技术（bbadcp）、相控阵ADCP技术（pa ADCP）、声学相关电流剖面测量技术（ACCP）和用于测量上海海流水平面分布的ADCP技术。普通ADCP，无论是船载/拖曳式/底部安装式还是自给式/直读式，都测量垂直面内的电流分布。在大多数情况下，它们可以满足使用需要，但在某些情况下，例如，在一个特别狭窄的海峡中测量电流时，它们会遇到问题。许多狭窄的海峡往往是交通要道，它们的洋流，特别是上升和下降的洋流，通常都很大。海流的实时信息对于船舶在此类海峡中航行的安全至关重要。在渠道中心，很难使用底部坐式和直读式ADCP长期测量流量。原因是海流强，交通繁忙，坐底直读式ADCP放置维护不方便。另一个原因是强电流不断冲击ADCP和水下信号传输电缆，可能移动或损坏。现代ADCP技术已经从垂直测量发展到水平测量。

水声探测技术是水下海洋环境观测和目标探测的主要手段。其基本内容包括声层析成像技术、声成像技术、高分辨率声多波束测深技术、多功能海底地层剖面声探测技术、多媒体声通信技术等。合成孔径声纳（SAS）是一种水声成像探测两用技术。过去，各种声学检测技术都是基于回波的变化来检测水下目标，分析目标的形状，不能直接成像；该技术采用收发分离的方式，将接收阵列分为两个模块，提高了回波信号的空间分辨率，形成了声成像能力。目前国外的发展趋势是提高分辨率和行动深度。

⒋ 海洋遥感技术

海洋遥感技术包括航空遥感和卫星遥感。它具有宏观大尺度、快速、同步、高频动态观测等优点。它以其规模大、效率高的优点受到科技工作者的青睐。它已成为海洋表面环境观测的首选技术和现代海洋观测技术的主要发展方向。

航空遥感主要用于海岸带环境和资源监测、赤潮、溢油等突发事件的应急监测和监测，以及卫星遥感器的模拟飞行校准和外部校准。其海上应急和移动监测能力、分辨率好、空间覆盖范围大、探测效率高，是其他监测手段无法替代的。主要遥感器有侧视雷达、成像光谱仪、红外辐射计、激光荧光计、激光测深仪等。目前，利用无人机作为遥感监测平台已成为海洋监测的发展趋势。

卫星遥感技术是20世纪60年代以后发展起来的一项技术。它具有遥感范围广、同步性强、数据提供及时等特点，可以大大提高海洋预测和资源探测的能力。目前，世界上有许多海洋遥感卫星在轨道上运行。星载遥感器主要有雷达散射计、雷达高度计、合成孔径雷达、微波辐射计、可见光/红外辐射计、海洋水色扫描仪、全色相机等。星载遥感器的关键研究内容是合成孔径雷达（SAR）。我国海洋遥感应用技术取得了很大进展。在可见光和红外遥感方面，开发了海洋赤潮监测和快速报告技术，以及悬浮泥沙浓度、初级生产力、海冰厚度和范围的反演；在微波遥感方面，发展了潮汐、海面风浪场和海底地形的反演技术；在遥感数据同化方面，发展了地表流场和温度场的同化技术。

⒌ 海床基观测技术

海底基地是放置在海底的观测系统。它主要使用各种仪器检测海床附近的海洋参数，也可以使用声学仪器测量海洋剖面参数。对于回收，基于海底的系统具有声学释放装置。近年来，以美国为首的西方国家越来越重视水下长期无人值守监测站的建设，长期以来主要用于监测海洋生态系统环境变化趋势。国内对海底地基的研究始于第九个五年计划时期。当时，它是观测长江高浓度泥沙的主要设备。在第十个五年计划期间开发的海底地基主要用于监测近海动力因素，提供潮汐、潮汐、波浪、风速等参数。要求长期在水下监测，确保可靠恢复。

海底地基是一种独立的海底综合测量装置。可布置在河口、港口或近海海底，对引起悬移质输运的悬移质参数和海洋动力参数进行长期、同步、自动测量，为分析研究各种海洋动力条件下悬移质输运规律提供数据，特别是在强风巨浪条件下，适用于海洋工程初步勘察、港口码头建设、海洋工程设施（平台）灾害预测和海洋研究。

⒍ 水下自航式海洋观测平台技术

水下自航海洋观测平台是80年代末90年代初基于载人潜水器和无人遥控潜水器技术迅速发展起来的一种新型海洋观测平台。主要用于无人值守、大规模、长期的水下环境监测，包括海洋物理参数、海洋地质和地球物理参数、海洋化学参数、海洋生物参数和海洋工程的现场近距离观测。

水下滑翔机是一种新型的水下监测平台。它是将浮标技术与水下机器人技术相结合，由自身的净浮力驱动的新型水下机器人系统。它具有浮标和潜水器的一些功能。水下滑翔机器人具有制造成本和维护成本低、可重复使用、释放和恢复方便、耐久性长等特点。适用于大规模部署和大规模海洋环境的长期监测。

水下滑翔机器人可用于建立海洋环境三维实时监测系统，有助于提高海洋环境测量的时空密度，实现海洋环境的大规模测量。是对海洋环境三维监测系统的补充和完善。它在海洋环境监测、调查和探测方面具有广阔的应用前景。

无论什么样的海洋观测技术，都有其缺陷。例如，无论是浮标、潜艇、岸基站还是船基海洋观测技术，它们只能观测有限的点、面或海洋环境要素的水平。利用船基海洋观测技术进行大面积台站观测，仍存在一些不足，如船舶晃动引起的误差和观测数据不同步；虽然海洋遥感技术具有宏观大尺度、快速、同步、高频动态观测的优点，但它只能观测到海面的一些环境要素，而海洋地下的环境动态特征却难以实现。同时，它还受到云量、扫描轨道和频率等因素的影响。

海洋观测技术发展的最终目标是帮助我们了解海洋。由于海洋辽阔，不可能在整个海面和所有水深部署观测仪器。仅对一些重要观测点进行监测，获得有限的实时同步观测数据，然后利用相对优化的三维数值模型对相关海洋环境要素进行数值模拟；一方面，同步观测数据可以被同化并应用到模型中以修正数值模拟结果，另一方面，它可以用来验证数值模拟结果的可靠性。例如，只有结合美国宇航局的海洋表面温度卫星遥感数据和数值模型，对黄海、东海和渤海的三维温度场进行同化和模拟，才有助于提高模拟结果。因此，只有将海洋同步观测技术与数值模拟技术有机地结合起来，才能更好地了解和理解浩瀚的海洋。

海洋观测技术的发展还必须着眼于服务于社会经济发展和海洋资源开发，预防和减少灾害，加强地震、海啸等灾害性海洋动态过程的监测技术和预警研究，风暴潮和孤立内波。地震引发的海啸和台风引发的风暴潮不仅给沿海地区人民的生命财产带来了严重损失，而且对海上运输、军事活动、近海和沿海油气开发、海洋工程、渔业和水产养殖业造成了严重影响。孤立内波主要对海洋石油平台、石油钻机和海底石油管道具有较强的破坏力。目前，我国对上述自然灾害的监测和海洋实测数据积累较少。因此，加强灾害性海洋动态过程监测技术的研究、应用和预警系统建设，是海洋观测技术发展的迫切需要。