知识窗▏海洋调查技术和方法的演变与进步 -海洋调查方法论文

荆无命

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海洋调查包括岸基和海上两个方面的海洋要素观测，以下主要是指海洋调查船上常用的一些观测方法。

一、海洋垂直剖面观测

海洋是一个层化的巨大水体，在“挑战者”号之前和之后的海洋调查中观测水体的层化--对各类海洋要素垂直剖面的观测一直是主要的调查内容。如前所述，温度、盐度、流动以及密度分布是描述海洋层化以及变化的主要物理量，其他的要素（如化学要素、水声、生物、海面气象等）是描述海洋层化的辅助性要素。

在早期，颠倒温度表是海洋垂直剖面观测的主要手段，用加装在钢缆上的颠倒温度表，观测不同深度的水体温度，通过颠倒采水器（南森采水器）获取该水层水样，测定水体盐度和化学要素（如酸碱度、各种盐类、叶绿素等）。受制于颠倒温度计，在垂直方向上间隔数米、数十米、数百米才能获得一组观测数据，所能观测的层次很有限，对海洋层化的描述是比较粗造的。为了解水体剖面的连续变化，20世纪20～30年代发明了机械BT--即温度变化剖面观测设备，增加了我们对跃层的认知。但是，一方面BT的观测深度不大；另一方面观测的精度和深度分辨率不高，在CTD出现后BT便退出了海洋观测的历史舞台，成为了海洋调查博物馆里的器物。

20世纪60年代，出现CTD并非偶然，随着微电子技术的进步大大促进了海洋传感器的发展，计算机技术的发展也为海洋的大量计算（如FFT--快速傅里叶变换）提供了可能。可获取几厘米深度的温盐信息CTD观测技术，大幅度提高了水体垂直剖面观测能力。虽然CTD实现了可控深度采水，但是所携带的采水器数量（12或24个）仍受到很大的限制。

CTD剖面仪（温盐深仪），来自《知识就是力量》

对于水体层化观测而言，采水很多地是为了校准CTD观测的盐度、pH、溶解氧、叶绿素数据。同时也可作为海洋化学、生物、地质的水样使用。CTD观测技术不仅大幅度地提高了我们对海洋层化的认知深度，同时也加快了对海洋水体剖面的观测速度，并且为其他类型的海洋观测设备提供了高精度的温盐传感器。比如：在本世纪初衍生出的湍流观测设备，让我们可以观测到厘米量级（甚至厘米以内）的海洋层化和湍流结构。通过这些更细致的观测，不仅会推进我们对海洋分层结构及其变化的认知，还将提高海洋层化的模拟水平，有了这个“基本场”，其他的海洋数值模拟（比如扩散、涡旋等）就有了更好的基础。海洋分层模拟的越准确其他场的形态或变化也就模拟的越好。

CTD的普遍使用在两个方面推进了海洋调查。一是数据处理与质量控制技术；二是推进了CTD配套绞车的进步。从早期直拉式CTD绞车变成了如今的减张力绞车，提高了CTD下放速度的稳定性。随着我们对CTD定点垂直剖面观测以及定点地质、生物、化学采样要求的提高，也推进了海洋调查船动力定位的发展。过去，在深海CTD观测的数小时下放回收期间海洋调查船要低速“拖曳”CTD“行驶”数公里乃至十多公里。如今，变为数十米乃至数米的范围。尽管如此，CTD的定点观测难以实现大区域密集采样，或者说在水平方向上的准同步观测，并不能很好反映海洋的分布形态。

我国的CTD数据处理始于1986年左右，过去海洋观测设备的测量值通过表格换算后再经过器差订正就可以得到观测要素的物理量，出于这种观测数据认知的惯性，我们简单的认为CTD的输出结果只要经过校准参数拟合订正，就可以得到观测的结果。在接触CTD数据处理之前没有听说过“盐度尖峰”，如今的商业或CTD处理软件也不需要关心如何消除“盐度尖峰”。但是，当时的CTD数据处理却受到“院士”的高度关注。换言之，当时的CTD（如Mark--III）仅仅是获取了一组不可以写在录音磁带上回放的高低（0、1）音频信号，连物理量都不是。数字化的CTD观测值，经过物理量变换后得到的是一组C、T、P（电导率、温度、压力）数据序列。后面需要做的工作是：通过滤波来匹配C、T传感器的之间的延时以消除“盐度尖峰”问题；其次是，依据CTD传感器标定参数订正C、T、P测量数据，消除传感器测量偏差；而后，再通过不同的滤波方法剔除“野值”完成数据序列质控；第四，计算C、T、P测量数据序列的盐度值；最后，进行1dB平均并计算深度直至，获得温、盐、深观测数据序列。

但是（1986年左右），那时商业化民用计算机才刚刚出现不久，常见的编程预言是Basic和Fortran，像Lisp、Algol等在科学计算中使用的并不多。厂家提供的仅仅是CTD数据采集程序，而数据处理只能是从零开始自己编写。

与价格不菲的CTD设备，尤其是只能通过调查船作业获取观测数据的方式相比，逆向回声探测（IES）探测设备不仅本身廉价，而且设备布放和回收也要比潜标简便的多，并且还易于布放回收形成巨大的观测阵列，是快速概略了解大区域海洋分层及变化一种具有前景的观测设备。通过设备的电源控制和管理可以实现在海底连续工作1～3年时间。其观测原理是：探测从海底向上发射声波的回波时间。通过往返时间的变化，结合CTD观测数据，反演出海洋层化以及层化的变化信息。这是一种新型的海洋层化遥测方法，也是目前非接触性测量海洋层化的一种技术手段。其最大的优势在于可以使用多台IES设备，通过布设海底观测阵列的方式，实现海洋层化及变化的时间序列观测。但是，也应该注意到，IES观测数据反演的精度和与真实海洋的吻合程度与该区域CTD的观测数量和时间密度有关。尽管如此，IES仍不失是一种大区域海洋层化基本状况以及变化规律探测的新设备。

二、海水流动观测

说到流速观测，我们很容易联想到风速观测，实际上测风要比观测流速容易很多。首先，风速较大而流速较小，同样是使用旋杯，测风要比测六更准（误差占测量值的比例更小）；其次，岸滨与船上观测并不一样，随风和流移动的船只运动有可能掩盖了水体的流动，带来较大的观测误差；第三，陆地上观测设备易于固定不动，但在水里并无法固定船只。所以，早期尽管在浅水锚定了船只，但使用旋杯进行的流速观测结果并不太理想，所以在浅水区很早就开始使用锚系来配合旋杯海流仪（如印刷海流计）来观测海流。或者说，深海潜标不过是早期浅水区浮标观测的一种拓展用法。在大洋里船舶无法抛锚，在早期的调查船观测中除了估测表面流速外，海流的垂向分布情况一直是海流观测的难题。

20世纪初叶，瑞典海洋科学家发明了艾克曼海流计，这是一种机械旋杯流速观测设备，测量平均流速，并采用掉落到8个方位盒子（磁性装置）中钢球的数量，代表海流流向的分布，这种海流观测设备一直沿用到20世纪70～80年代。随着电子技术的发展，在机械旋杯海流计之后是电磁海流计以及自记录旋杯海流观测设备（如安德拉磁带流速流向自记仪，1985）。作为海水流动观测的传感器，电磁海流计是比较短暂的，因为在电磁海流计出现之后不久，随着声学换能器技术的发展，很快这些旋杯海流测量设备（也包括电磁海流计）就被声学多普勒海流计（如RDI公司的ADCP，1990），这种非接触式测量设备所代替，并一致沿用至今。

声学多普勒海流计（ADCP），来自网络

无论是机械的、电子的还是声学非接触的海流观测设备，在运动的海上观测平台上，其自身的运动（尤其是在海面以下）是要被消除掉的。在海面可以通过GPS来消除观测载体的运动。随着GPS定位精度的提高，船载ADCP海流剖面观测设备实现了海洋调查船走航中进行海流剖面观测。在水体流速观测中，声学观测设备有着广泛的应用，比如使用潜标进行多层海流流速、流向定点观测；使用浮标进行表层或浅水区海流剖面定点观测；通过安装在CTD上的LADCP，实现在CTD剖面观测中进行流速剖面观测；通过水下运载器（如AUV）进行近海底海流剖面走航观测等。在海底可以通过对地运动，获得观测平台的运动姿态，从而消除平台的运动，得到水体流动观测值。

从海流观测设备的发展历程中我们看到了，在定点观测和走航观测中，非接触性观测所具有的技术优势是接触性测量所难以超越的。换言之，非接触测量是替代接触性测量的好办法，也是海洋观测技术装备发展的大方向。

三、海洋波动观测

为了研究的方便，我们将海面波动分为波浪和潮汐两大类，波浪属于随机波动过程，潮汐因与天体的运动有关是一种较为规则的起伏过程。在早期，海面的波动观测与气象中的能云天（能见度、云状、天气现象）和海发光、海况等类似是由目测来完成的。按照固定的时间间隔，通过观测堤坝或大桥上的尺子来记录潮汐的起伏；通过望远镜观察海里浮子的起落高度，通过观测一百个波浪起伏，得到统计意义上的波高、周期，以及波高和周期的最大值。

在观测技术提高后，通过验潮井里浮子的起落；通过海水压力的变化、水下换能器测距来观测潮汐涨落（时间幅度曲线）。通过水下换能器检测海面的快速起伏，并通过波浪谱计算得到波高、周期等参数。同时也可以滤除高频震动（波浪）后得到潮汐起伏的时间数据序列（比如“浪龙”观测设备）。同样是观测起落幅度潮汐与波浪的不同在于，潮汐起伏是对高度基准面而言（是高程变化值），而波浪的起伏是相对与当时潮汐平均海面的起伏幅度（相对高度变化值）。观测水体的起伏也可以在空气中使用雷达等测距技术，并可以同时得到潮汐和波浪观测数据。

在GPS海面高度测量技术出现以前在海里是无法进行潮汐观测的，但通过加速度计，或者是测量海水压力冲击变化可以进行波浪观测。GPS海面高度测量技术出现后，通过海洋浮标上的GPS可测量海面随时间的起伏，通过数据处理后实现潮汐观测。但是，由于波浪是起伏变化快的随机波动，需要进行1024秒的采样，目前还并不能观测波浪。

MOTUS波浪浮标，来自网络

实际中的海面并不分波浪和潮汐是混合在一起的综合起伏。尽管出于研究和观测的方便，将海面起伏人为地分成了波浪、潮汐、风暴潮等。但在实际应用中，发现分离开的观测数据和研究结果（如概率分布）并不能反映海面的起伏，尤其是在推算多年一遇的概率问题时，分离观测和研究结果带来的问题是无法弥补的。因此，随着观测技术的进步，直接对海面起伏幅度进行快速采样，通过滤波分离出潮汐、波浪等我们关心的（或需要的）海面波动数据序列，以更好的满足社会需求和研究的需要将成为现实。

总之，上述的每一种测量幅度变化的技术手段都是为了描述对空间一个点而言的海洋波动。与描述海洋层化时关注垂直和水平两个方向的特征和变化，与由点、断面的流速、流向测量组成流场相比，波浪观测更多是对海洋台站而言，注重的是波浪起伏的时间序列，并没有对波浪场进行观测的概念。或许我们认为风与波浪的关系基本搞清楚了，所以海洋预报是从风场推测波浪场。

四、海洋水体观测与Argo计划

海洋就在我们身边，触手可及，一目了然，然而百年以来用“盲人摸象”来形容海洋调查和海洋研究并不为过。长期以来，我们一直沿用海洋调查船获取海洋（尤其是大洋区域）观测数据，这是我们的主要十分有限海洋观测手段，所获的观测数据难以满足海洋研究的需求，缺少实测数据在很大程度上阻碍了海洋研究的发展。空间技术的发展为我们打开了一扇整体窥视海洋的窗口，这个“天窗”让我们发现了很多传统海洋调查难以观察到的海洋现象（如大尺度涡旋以及对生物的影响，飞跃大洋的尘土），但是，海洋卫星观测在时间尺度上还比较短，观测信息积累长度还不够。

如前所述，海洋层化、涡旋、波动和近海面大气是海洋的主要过程，海洋垂直剖面观测、海水水平和垂直流动测量、海洋波动观测是海洋水体观测的主要内容。垂直剖面观测是空间上的观测“点”（定点观测方式），由多个站点就组成了调查断面，再由调查断面构成调查区域（或观测区域），由此实现对一个水体三维空间的采样以及时间序列的采样（如潜标、浮标、海床基），并由此来实现对水体现状和变化规律的描述，从而认识调查区域的海洋基本状况和变化规律。

海水水平和垂直流动测量以及海洋波动观测是上述观测的深入，通过获取更多参量以更细致的描述被测水体。其中，海洋水平流动观测是长期以来海洋调查的主体，过去受制于观测技术海洋的垂直流动更多的不是观测而是推算。随着对微小尺度温度、盐度、速度测量技术的提高，如今海洋湍流观测成为新的热门。这些观测将使我们更多地更深入地了解海洋的垂直运动。

Argo浮标，来自杭州Argo系统野外科学观测研究站

为加快获取大区域的海洋观测信息，1998年由海洋学家组成的科学小组发起并计划建立一个由卫星跟踪的自动剖面浮标（简称“Argo浮标”）组成的海洋观测网，用来监测全球0～2000m水深范围内的上层海洋状态。据估计，在过去8年多时间里，Argo观测网就收集到了约100万条温盐剖面数据，是以往使用船舶获取的历史观测数据量的5倍左右，Argo观测计划大大扩展了海洋调查船获取观测数据的能力（Argo漂流浮标是通过海洋调查船载特定海域布放的），用廉价的抛弃式观测设备获取了海洋调查船难以获取的数据，通过数据共享机制调动了各国家参与海洋观测的积极性，也为海洋研究者平等的提供了观测数据以及发挥其才智的机会。Argo观测计划是人类海洋观测历史上一个具有“里程碑”意义的成就。

五、海底地形地貌和地层剖面观测

海洋水深不仅是航道测量也是海洋调查的主要内容。在“挑战者”号环球探险之前，服务于船只航行的水道测量（地图和近海航道）是常见的海洋测绘工作，墨卡托（1585年）就记载过浅海水深测量值，18世纪的科学家就开始使用等深线绘制海底地形，海洋学家莫里在1854年完成了第一张北大西洋水深图（记载了1000、2000、3000、4000米等深线）。

在回声探测水深技术出现之前，水道或海洋水深测量使用绳缆，不仅测量精度不佳，而且是一项十分艰苦的测量工作。早期的海洋调查船绞车系统十分简陋，在炎炎烈日下，在风雨交加中，下放和回收数百数千米的绳缆费时又费力。水深测量也兼顾着底质取样，在绳缆的重块上涂抹蜡或油脂，当重块触底时粘上底质沉积物。这看上去似乎很原始，“挑战者”号就是用这种办法获取并详细描述了数千米海底的“锰结核”。

18世纪就有了回声探测技术，但直到“二战”才成为舰船上探测潜水艇的实用装备。早期的水深测量值是记录在曲线上的模拟值，这种技术在“中日黑潮”合作调查中，我们的海洋调查船仍在使用。二战后，美国的海军舰长（海洋地质学家HA·赫斯）在整理太平洋水深测量记录时，发现了大量的海底平顶山。1946年，赫斯将位于200以深的平顶山命名为“盖约特”。在大洋海底不是“一马平川”而是高低不平“奇形怪状”与陆地地形有些类似。海底地形和地貌是两个陆地概念的延伸，地形和地貌都是描述陆地或海底的起伏变化，但前者侧重在形态方面，如山地、丘陵、高原、平原、盆地等地质单元；后者侧重在成因方面，如堆积地貌、风成地貌、海成地貌、冰川地貌等。无论两者有什么样的差异都与水深测量值以及地图成图方法有着密不可分的联系。

“二战”期间水声探测技术发展较快，发展出了很多优秀的技术思想和成功的技术实现（如Chip技术）。1995年左右，“二战”声学技术解密推动了民用声学技术的快速发展，多波束探测技术快速成熟，通过发射狭窄的波束，结合GPS定位技术，实现了在快速航行中对海底地形的全覆盖测量。不仅大大加快了海底地形的探测速度，而且大幅度提高了水深探测的精度。多波束探测技术和GPS定位技术，使大区域海底地形全覆盖探测成为了可能。

单波束和多波束测深技术，来自网络

随着换能器技术的发展，如今的海洋调查船上安装声学浅地层剖面已经成为“标配”。该设备实现了在航行中，连续进行穿透厚度几米到几百米海底剖面探测。除此之外，与海底以及地层结构相关的探测装备还有：走航地震探测装备、走航磁力探测装备、走航重力探测装备。地震探测是通过高压空气突然释放形成震源，通过海面拖曳长度数公里的水听器，或通过布放在测线上的多个震动信号探测装置，实现地层结构探测；磁力探测是在走航中，探测水平方向上的磁力差；重力探测与磁力仪探测类似，也是测量水平方向上的相对变化值（幅度），结合重力、磁力和地震探测数据，体积取样分析数据，综合解析地层结构。

地震、磁力、重力和声学浅地层剖面观测，如同IES那样只能反映地层的“层化”状况，而层中以及两侧之间的物质组成，只能通过采样的方式获取（如沉积物类型、岩石种类、岩石和沉积物年龄等），并据此做出相应的地层解释。

1957年，在多伦多召开的国际大地测量及地球物理学联合大会上，通过了“莫霍”钻探计划。1959年，在波多林哥附近的大西洋海盆和圣迭戈南近海的东太平洋瓜达卢佩岛附近，各选一处试钻点，水深约6000米。1961年7月，钻探到200米以下的的玄武岩，1966年结束。

1964年美国多家研究所联合成立了JOIDES地球深层取样海洋联合机构。在总结“莫霍”钻探计划经验和教训后，改进了钻探技术和装备，建造了排水量1.5万吨钻塔高60米的“格·挑战者”号，在大西洋、太平洋和印度洋进行了多次钻探。结果是，至今也没有达到（或接近）预期的“莫霍面”（包括陆地上，前苏联的克拉深钻），但深海钻探也有不少新发现（如金属态沉淀，洋壳年龄和磁性，第三纪的连续生物层序等）。与Argo观测计划相比，深海钻探是用更昂贵的而不是廉价的技术装备；是用少量的特种钻探船而不是大量的多点采样装置，去达到预期的目标。这是两种完全不同思路，结果也不尽相同，这些是否应该引起我们（尤其是这个海洋界）的深入思考。

六、海洋样品采集

采集样品是海洋调查的主要作业内容，主要涉及三类样品，即水样、生物样品、大气采样。无论是哪一类样品，传统样品采集在重量（或体积）上都是很小（或很少）的，比如CTD分层采水器的容量为1～10升，只有12或24个采样瓶，这对于数千米深度的采水来说是很稀疏的，只能采集有代表性的水层（注意这里所说的代表性是对我们“想象”海洋而言的，我们并不知道是否与真实海洋相吻合）。如今，通过蠕动泵可对表层水样进行数百升的大样本采样（如检测痕量要素或放射性要素），几十到几百毫升的常规样品量只能满足化学、生物和地质分析所用。

海洋生物调查，除分析和检测水样的生物或生化要素外，使用网具采集生物样品是最常见的方法，常用的有三类拖网：一是生物垂直拖网，深度多数为200米；二是生物（或渔业资源）水平拖网或者是生物调查的水平分层（拖曳设备可以改变水层深度）拖网；三是采集海底生物样品的海底生物拖网。早在“挑战者”号环球探险中，这三类拖网就已经开始使用了并一直沿用至今。如今的不同是，早期的水平拖网归属于海洋渔业资源调查，现在的水平拖网对象不是鱼类二是研究初级生产力（微小的浮游动植物）。在网口上，会增加了一些辅助传感器（如流量传感器、温盐传感器等），以实现初级生产力的定量分析。

与生物类似，地质采样的技术手段也不多，并且采集对象与早期的基本一致，即海底（或水体中的）沉积物和岩石，这些装备有抓斗和柱状取样器。抓斗是对海底表面或较浅深度的采样工具，以沉积物为主也包括砾石和沙子这种小型的块状样品，不过砾石和沙子采样的难度要比沉积物困难一些。抓斗采样器具有面采集的含义，早期的抓斗多为机械装置，采集面积只有平方分米的量级，如今的抓斗可采集近一个平方米的面积。沉积物采样是海洋地质调查的主要内容，从传统的机械抓斗已经变为液压抓斗，不仅能获取近1平方米的沉积物，也可以获取数百公斤的表层岩石（矿物）样品。

柱状取样器可以被理解为对一个“点”沉积物采样，但具有“剖面”的含义。柱状取样器多为机械装置，依靠近海底时自由落体的冲击，将长长的取样管插入沉积物里。过去的柱状取样器由几米长，现在的长柱状可达几十米长。

对于海底岩石（或矿物）采样过去是通过地质底拖网的方式，在洋中脊崎岖不平的岩石里获取破碎的岩石块地质底拖网随时都有挂住的可能，钢缆断裂或丢失网具是常有的事。如今，水下钻机可以通过钻取岩心来获取海底岩石样品。有的水下钻机可以获取几米深度，甚至是几十米深度的岩心样品，这是过去没有的采样技术手段。

随着水下供电、可视技术的发展，与早期地质采样装备相比，现在已经发生了很大的变化，设备尺度和重量变化巨大，由此也带来了甲板布放装备（如绞车、A型架、L架和吊车）的巨大变化。为配合地质采样装备的发展，如今的尾部A型架更大、侧舷加装了大型长柱状布放回收装置、绞车系统拉力更大、甲板折臂吊能力更强，如果“挑战者”上的船员看到现在调查船上的调查设备和甲板调查辅助装置或许会惊掉了下巴。

“向阳红01”科考船，来自闪电视频

尽管海洋调查船上的调查装备和调查辅助装备发生了巨大的变化，但主要是原有装置技术能力的提升。在海洋调查船变化中具有革命性的变革，是在2006年后我国的海洋调查船终于采用了动力定位系统。

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END

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【作者简介】吉国，1956年出生，男，济南市人，1982毕业于山东海洋学院海洋系水文专业，大学毕业分配到烟台烟台海难救捞局，1984年调入（原）国家海洋局北海分局，1992年起任国家海洋局北海分局环海海洋工程勘察研究院副院长，2005年起任国家海洋局北海分局大洋调查设备技术管理中心/潜航管理办公室主任，正高级高级工程师。从事海洋调查工作三十余年，熟悉水体、地质、物探、ROV等各类海洋调查技术装备的使用和装备技术管理；曾多次主持和参与了“中日黑潮合租调查”、“中韩水动力循环调查”、“126专项调查”、“西北太平洋环境调查”、“南极科学考察12次队”、“大洋深海资源勘查”、“首次北极科学考察”、“首次大洋环球科考”等国家大型海洋调查任务，主要从事海洋水体调查和调查数据处理与分析工作；2004年以后，主要从事“大洋一号”船绞车收放系统、深海摄像、深海拖曳体、ROV、AUV等大型海洋调查技术装备管理，参与“大洋一号”船多波束选型和多波束安装，参与7000m载人深潜器海试母船（向阳红09船）技术改造并负责实验室和调查设备改装，主持“大洋一号”船多项技术改造等。曾获教育部“3500米深海观测和取样型ROV系统”科学技术进步一等奖（第5完成人），中国船舶重工集团公司“中国载人深潜潜航员培训体系创建与实践”二等奖。退休后，主要从事近海海洋环境技术装备研发，作为专家参与了万米ARV海上试验验收工作，等等。本文来自作者撰写的“杂谈海洋调查”一书的节选，图片均系我平台加载，编发已经取得了作者授权。

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