我國(guó)海洋資料浮標(biāo)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

王軍成，厲運(yùn)周,2*

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心，山東 青島 266061；2.國(guó)防科技大學(xué)氣象海洋學(xué)院，江蘇 南京211101)

海洋資料浮標(biāo)(簡(jiǎn)稱(chēng)浮標(biāo))是利用無(wú)動(dòng)力漂浮載體獲取海洋環(huán)境(水文、氣象、生態(tài)等)參數(shù)信息的無(wú)人值守自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)，具有“海洋上的地球同步衛(wèi)星”“地球氣候守望者”“海上天氣偵察兵”等稱(chēng)號(hào)。針對(duì)特定海域水文氣象環(huán)境定點(diǎn)觀測(cè)的需要，20世紀(jì)中期出現(xiàn)錨系浮標(biāo)(moored buoy，MB)，后來(lái)隨著全球大范圍海洋環(huán)境觀測(cè)的需要，20世紀(jì)末又發(fā)展出漂流浮標(biāo)(drifting buoy，DB)。本文主要介紹錨系浮標(biāo)，如圖1所示，浮標(biāo)通常被錨泊在離岸較遠(yuǎn)的海洋特定位置，進(jìn)行水文、氣象等環(huán)境要素的現(xiàn)場(chǎng)直接監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)衛(wèi)星傳輸?shù)桨痘鶖?shù)據(jù)接收站，具有在特定海域觀測(cè)時(shí)間長(zhǎng)期連續(xù)、復(fù)雜海洋環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高、無(wú)人值守全自動(dòng)化、兼顧水面水下觀測(cè)等特殊優(yōu)點(diǎn)。浮標(biāo)具有船基監(jiān)測(cè)、岸基監(jiān)測(cè)和衛(wèi)星遙感等其他觀測(cè)手段不可替代的重要作用，能夠在不同時(shí)間尺度上(秒、分、時(shí)、天、月、季、年、十年、百年)、各種天氣情況下(風(fēng)、云、雨、雪、霧、霜、濕、雷電、高溫、低溫等)、復(fù)雜海洋水體環(huán)境中(波浪、潮汐、海流、腐蝕、泥沙、生物附著、魚(yú)咬、水體污染等)連續(xù)獲取海上資料，特別是在臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、巨浪、強(qiáng)海流、大風(fēng)等惡劣環(huán)境條件下直接獲取具有代表性和實(shí)時(shí)性的海洋環(huán)境過(guò)程資料[1]。因此，浮標(biāo)在海洋環(huán)境實(shí)況監(jiān)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)、資源開(kāi)發(fā)、海上交通、漁業(yè)生產(chǎn)、軍事活動(dòng)保障等方面具有重要作用，可以與遙感衛(wèi)星、遙感飛機(jī)、調(diào)查船、水下移動(dòng)平臺(tái)等組成海洋立體監(jiān)測(cè)體系。世界主要沿海國(guó)家和國(guó)際組織極為重視海洋浮標(biāo)技術(shù)的發(fā)展[2-3]，目前已建立起了近?；虼笱蟾?biāo)監(jiān)測(cè)網(wǎng)[4-10]，滿足海洋的研究、開(kāi)發(fā)、管理、利用等活動(dòng)的需要。

圖1 浮標(biāo)工作示意圖Fig.1 Ocean data buoy

隨著人類(lèi)海上活動(dòng)的增多及范圍變廣，為了進(jìn)行海洋天氣預(yù)報(bào)預(yù)警以及與氣候變化有關(guān)的監(jiān)測(cè)和研究，人們迫切需要獲得海洋氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)。而臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、災(zāi)害性海浪、海冰、赤潮等海洋災(zāi)害對(duì)海洋相關(guān)活動(dòng)的影響頻繁且劇烈，對(duì)海洋的監(jiān)測(cè)已經(jīng)成為保障海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要因素[11-12]，準(zhǔn)確的海洋災(zāi)害預(yù)報(bào)預(yù)警是防災(zāi)減災(zāi)最有效的方式。海洋資料浮標(biāo)以其全天候、長(zhǎng)期、定點(diǎn)、連續(xù)、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，在收集海洋氣象實(shí)況數(shù)據(jù)方面起著關(guān)鍵作用，組建的浮標(biāo)網(wǎng)在國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)中具有重要的作用[1-4，13]，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

(1)在海洋預(yù)報(bào)及防災(zāi)減災(zāi)中的作用

海洋資源勘探開(kāi)發(fā)、海上交通、海洋漁業(yè)等活動(dòng)的開(kāi)展離不開(kāi)海洋預(yù)報(bào)的保障，而海洋預(yù)報(bào)離不開(kāi)連續(xù)、準(zhǔn)確、及時(shí)的海上實(shí)況資料。臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮、災(zāi)害性海浪、赤潮、ENSO(el nio-southern oscillation)事件、海洋污染等海洋災(zāi)害[14-15]往往會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。浮標(biāo)可為海洋環(huán)境預(yù)報(bào)及災(zāi)害預(yù)警提供全天候、可靠的實(shí)況數(shù)據(jù)，有利于提高或優(yōu)化海洋數(shù)值預(yù)報(bào)模式[16]，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋災(zāi)害的提前預(yù)警，從而為防災(zāi)減災(zāi)爭(zhēng)取時(shí)間。

(2)在維護(hù)國(guó)家權(quán)益中的作用

海洋是戰(zhàn)略要地，由于歷史和現(xiàn)實(shí)利益等原因，世界上有些海域存在較大海洋權(quán)益糾紛。在離岸較遠(yuǎn)的海區(qū)維護(hù)海洋權(quán)益的活動(dòng)面臨著復(fù)雜的海洋環(huán)境制約，特定海區(qū)布放無(wú)人值守、全天候、長(zhǎng)時(shí)間可靠工作的浮標(biāo)，既是長(zhǎng)久性有形存在的象征，同時(shí)其獲取的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)能夠?qū)芸?、開(kāi)發(fā)等活動(dòng)提供可靠依據(jù)，從而起到維護(hù)國(guó)家權(quán)益的作用。

(3)在海洋經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)中的作用

海洋資源豐富，隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，海上交通、近海養(yǎng)殖、海洋油氣開(kāi)采、海底礦產(chǎn)勘探、海洋波浪能發(fā)電、海上風(fēng)能發(fā)電、海洋工程建設(shè)等活動(dòng)持續(xù)增多，對(duì)海洋環(huán)境的實(shí)況和預(yù)測(cè)需求增多，迫切需要浮標(biāo)獲得準(zhǔn)確、及時(shí)的水文氣象資料，保障相關(guān)活動(dòng)或作業(yè)施工的開(kāi)展。

(4)在海洋科學(xué)研究中的作用

全球海洋內(nèi)部時(shí)刻發(fā)生著變化，且通過(guò)大氣對(duì)陸地上的天氣產(chǎn)生重要影響，浮標(biāo)能夠?yàn)楹Ｑ蠛痛髿饪茖W(xué)研究提供寶貴的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。浮標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為海氣交換、海洋環(huán)流、北極濤動(dòng)、厄爾尼諾現(xiàn)象、拉尼娜現(xiàn)象、海洋生物等研究創(chuàng)造了良好條件。

(5)在衛(wèi)星遙感檢驗(yàn)中的作用

海洋衛(wèi)星遙感是得到海表面大范圍監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的主要技術(shù)手段，如海面溫度、電導(dǎo)率、風(fēng)場(chǎng)、波浪、海流、海上風(fēng)暴和潮汐等水色及動(dòng)力要素信息。衛(wèi)星遙感器得到的是海表面的輻射或散射參數(shù)，需根據(jù)一定的反演模型、算法才能得到海面要素參數(shù)，反演數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、一致性需借助浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)[17-18]，從而提高遙感定量化水平和改進(jìn)反演算法。

1 海洋資料浮標(biāo)的組成及分類(lèi)

1.1 海洋資料浮標(biāo)的組成

海洋資料浮標(biāo)主要由浮標(biāo)體、錨系、傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、浮標(biāo)檢測(cè)儀等部分組成[1-2，19]。浮標(biāo)體包括標(biāo)體、桅桿(塔架)、小平臺(tái)、配重等組成部分，與錨系相連，為浮標(biāo)正常工作提供漂浮浮力，并為水下測(cè)量傳感器、水上測(cè)量傳感器、數(shù)據(jù)采集器、蓄電池等提供搭載支撐。錨系包括錨、錨鏈、纜繩、浮子等組成部分，連接浮標(biāo)體和海底，是浮標(biāo)在不同深度海區(qū)長(zhǎng)期定點(diǎn)工作的基礎(chǔ)，為浮標(biāo)在惡劣海洋環(huán)境下不跑錨、不斷鏈提供可靠支撐。傳感器包括氣溫計(jì)、氣壓計(jì)、風(fēng)速計(jì)、濕度計(jì)、波浪傳感器、海流計(jì)等，用于獲取水文、氣象等各類(lèi)參數(shù)。數(shù)據(jù)采集器包括各類(lèi)傳感器接口和功能模塊，按照一定的時(shí)序完成數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、處理、存儲(chǔ)、傳輸和控制等功能，是浮標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和控制中樞。通信系統(tǒng)包括天線、通信模塊或一體化通信設(shè)備，采用衛(wèi)星、短波、超短波、蜂窩移動(dòng)通信等無(wú)線方式將觀測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)疥懙財(cái)?shù)據(jù)接收站。供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板、蓄電池組和充放電控制器等組成，為浮標(biāo)通信系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集器、傳感器等各類(lèi)儀器設(shè)備長(zhǎng)期連續(xù)工作提供電源。安全系統(tǒng)包括衛(wèi)星定位系統(tǒng)、避雷針、雷達(dá)反射器、雷達(dá)應(yīng)答器、錨燈、開(kāi)艙檢測(cè)裝置、進(jìn)水傳感器等組成部分，具有浮標(biāo)移位、防雷、警示、應(yīng)答、避險(xiǎn)、艙門(mén)狀態(tài)預(yù)警、進(jìn)水報(bào)警等功能。浮標(biāo)檢測(cè)儀包括各類(lèi)檢測(cè)應(yīng)答接口，用于對(duì)浮標(biāo)進(jìn)行設(shè)置、調(diào)試和檢測(cè)。我國(guó)研制的大型海洋資料浮標(biāo)組成示意圖如圖2所示。

圖2 海洋資料浮標(biāo)組成示意圖Fig.2 Components of an ocean data buoy

1.2 海洋資料浮標(biāo)的分類(lèi)

海洋資料浮標(biāo)按照不同的分類(lèi)方法，具有不同的名稱(chēng)，通常按照應(yīng)用需求、浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)形式、錨泊方式、浮標(biāo)體尺度(尺寸)測(cè)量功能等進(jìn)行分類(lèi)[1-2]。

按照應(yīng)用需求，浮標(biāo)分為通用型和專(zhuān)用型。通用型浮標(biāo)測(cè)量的環(huán)境參數(shù)多，能夠滿足對(duì)布放海域水文、氣象、生態(tài)環(huán)境的綜合監(jiān)測(cè)；專(zhuān)用型浮標(biāo)對(duì)某個(gè)或某類(lèi)海洋環(huán)境參數(shù)進(jìn)行測(cè)量(如波浪浮標(biāo)、水質(zhì)浮標(biāo)、核輻射浮標(biāo)、海嘯浮標(biāo)、海氣通量浮標(biāo)等)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)特定海域特殊海洋環(huán)境的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)。

按照浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)形式，浮標(biāo)分為圓盤(pán)形、球形、船形、柱形等類(lèi)型。圓盤(pán)形、球形浮標(biāo)具有結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)、機(jī)械強(qiáng)度大、有效空間和利用面積大、隨波性好、抗沉性好等特點(diǎn)；船形浮標(biāo)具有體形線性好、重量輕、運(yùn)輸拖曳方便、抗風(fēng)浪流的能力強(qiáng)、不易傾翻、適于在強(qiáng)海流的海區(qū)工作等特點(diǎn)；柱形浮標(biāo)具有吃水線深、水動(dòng)阻力大、升沉橫搖運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性好、不易傾翻等特點(diǎn)。

按照錨泊方式，浮標(biāo)分為錨系型和漂流型。錨系型浮標(biāo)通過(guò)錨系連接海底與浮標(biāo)體，錨系克服海流作用將浮標(biāo)限定于一定位置范圍內(nèi)工作，主要用于獲取海洋特定位置長(zhǎng)時(shí)間序列水文和氣象變化實(shí)況信息，特別適合對(duì)關(guān)鍵海區(qū)布設(shè)長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)從而對(duì)海洋進(jìn)行監(jiān)測(cè)和研究。漂流浮標(biāo)沒(méi)有錨系的限制，可以在海洋中隨風(fēng)、波浪、洋流作用自由漂移或升沉，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中收集大范圍的海洋表層、次表層環(huán)境數(shù)據(jù)[20-22]，具有體積小、重量輕、布放機(jī)動(dòng)靈活、成本低、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，適合在全球海洋大規(guī)模投放，進(jìn)行海洋環(huán)流、氣候變化等監(jiān)測(cè)和研究。

按照浮標(biāo)體尺度，可以分為大型、中型、小型等不同類(lèi)型。浮標(biāo)尺度越大，其穩(wěn)定性越好、更不易傾覆、抗破壞性和抗惡劣海況的能力更強(qiáng)，但浮標(biāo)的設(shè)計(jì)難度更大、建造價(jià)格更高、周期更長(zhǎng)，運(yùn)輸、拖航、布放回收難度也會(huì)更大。為保障浮標(biāo)在海況特別惡劣海區(qū)正常工作，可以研制、布放一定數(shù)量的大型浮標(biāo)；根據(jù)成本控制、布放回收的方便，在海況不太惡劣海區(qū)，可以考慮布放中小型浮標(biāo)。

按照浮標(biāo)測(cè)量功能，可分為氣象水文監(jiān)測(cè)浮標(biāo)、水質(zhì)浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)、光學(xué)浮標(biāo)[23]、核輻射監(jiān)測(cè)浮標(biāo)[24]等類(lèi)型。根據(jù)搭載的測(cè)量傳感器不同，浮標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海洋水文、氣象、生態(tài)、光學(xué)等環(huán)境參數(shù)的測(cè)量。海洋水文參數(shù)主要有水溫、鹽度、波高、波周期、波向、流速、流向、透明度等；海洋氣象參數(shù)主要有氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、風(fēng)速、風(fēng)向、輻射、降雨量、能見(jiàn)度、云高、云量等；海洋生態(tài)參數(shù)主要有葉綠素含量、溶解氧含量、總有機(jī)碳含量、葉綠素a含量、酚含量、黃色物質(zhì)含量、石油含量、硝酸鹽含量、亞硝酸鹽含量、磷酸鹽含量、二氧化碳分壓、化學(xué)需氧量、放射性物質(zhì)含量等；海洋光學(xué)參數(shù)主要有向下光譜輻照度、向上光譜輻亮度、海面入射光輻照度、向下光譜輻照度漫射衰減系數(shù)、向上光譜輻亮度漫射衰減系數(shù)等。

不同浮標(biāo)的分類(lèi)往往有所交叉，可根據(jù)習(xí)慣、用途、某一方面突出特點(diǎn)進(jìn)行命名，如波浪浮標(biāo)，同時(shí)也是球形、錨系型、小型浮標(biāo)；船形浮標(biāo)，同時(shí)也是通用型、錨系型、中型浮標(biāo)；而大型、中型浮標(biāo)，同時(shí)也是通用型、圓盤(pán)形、錨系型浮標(biāo)。目前我國(guó)浮標(biāo)已經(jīng)發(fā)展出了十幾種類(lèi)型，形成了系列化浮標(biāo)。

圖3為我國(guó)研發(fā)的系列化浮標(biāo)，大部分為錨系型，已經(jīng)在我國(guó)渤海、黃海、東海、南海廣泛應(yīng)用，并布放到北極及印度洋等相關(guān)海域。

圖3 系列化資料浮標(biāo)實(shí)物圖Fig.3 Serialized data buoy physical map

2 海洋資料浮標(biāo)的主要理論及技術(shù)體系

海洋資料浮標(biāo)涉及力學(xué)、系統(tǒng)理論、材料學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)技術(shù)、傳感技術(shù)、微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、可靠性技術(shù)等多學(xué)科的交叉、集成，主要由錨系、浮標(biāo)體、電子系統(tǒng)(傳感器、數(shù)據(jù)采集、通信、供電)等部分組成。浮標(biāo)體是錨系和電子系統(tǒng)的浮力載體，錨系是浮標(biāo)系統(tǒng)定點(diǎn)工作的基礎(chǔ)，電子系統(tǒng)是獲取海洋資料的關(guān)鍵，這三者是浮標(biāo)總數(shù)效能中最重要的三個(gè)部分，任何一個(gè)部分的失效，都會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)的失效。浮標(biāo)所處的工作環(huán)境極為惡劣，面臨氣象、水文、生態(tài)等環(huán)境參數(shù)多、變化范圍大、沖擊強(qiáng)度劇烈、持續(xù)作用時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，這就要求浮標(biāo)在設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮測(cè)量范圍、測(cè)量精度、浮性、穩(wěn)性、抗沉性、風(fēng)載荷、波浪載荷、海流載荷、結(jié)構(gòu)形式、密封性、可靠性等因素，才能保證浮標(biāo)系統(tǒng)的正常工作。

海洋資料浮標(biāo)工程具有嚴(yán)重的非線性、內(nèi)外部隨機(jī)擾動(dòng)、結(jié)構(gòu)和參數(shù)的不確定性和時(shí)變性。復(fù)雜系統(tǒng)理論為浮標(biāo)的研制、技術(shù)改進(jìn)及應(yīng)用維護(hù)提供了必要的分析方法和解決思路。圖4為海洋資料浮標(biāo)以復(fù)雜系統(tǒng)理論為基礎(chǔ)的理論和技術(shù)體系[1]，理論體系具體細(xì)分為浮標(biāo)力學(xué)理論、系留索力學(xué)理論、海洋動(dòng)力環(huán)境浮標(biāo)監(jiān)測(cè)理論3部分；技術(shù)體系主要包括信息處理技術(shù)、軟測(cè)量技術(shù)、傳感器及弱小信號(hào)處理技術(shù)、通信技術(shù)、可靠性設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)、海洋資源浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)6部分。

圖4 海洋資料浮標(biāo)理論技術(shù)體系Fig.4 The theory and technology system of marine data buoys

2.1 理論體系

2.1.1 浮標(biāo)力學(xué)理論

浮標(biāo)力學(xué)理論分為自由浮體靜力學(xué)、自由浮體動(dòng)力學(xué)和約束浮體水動(dòng)力學(xué)。自由浮體靜力學(xué)主要研究不受約束的自由浮體在流體中所受浮力、完全浸沒(méi)在流體中的靜力平衡、水面浮體靜力平衡，是確定浮體浮心位置、穩(wěn)心位置并分析其受外力作用穩(wěn)定的理論分析基礎(chǔ)，對(duì)于設(shè)計(jì)出在任何海況條件下不發(fā)生傾覆的浮標(biāo)體提供理論依據(jù)。自由浮體動(dòng)力學(xué)主要研究自由浮體對(duì)波浪激勵(lì)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，包括浮標(biāo)在簡(jiǎn)諧波中的升沉運(yùn)動(dòng)、縱蕩和橫搖，當(dāng)波浪的頻率接近浮標(biāo)固有頻率時(shí)，浮標(biāo)將發(fā)生諧振，浮標(biāo)升沉振幅、橫搖角將變得很大。約束浮體水動(dòng)力學(xué)主要研究分析浮在水面的浮體所受平滑流體表面摩擦阻力即流體阻力與流體密度、速度、浸濕表面積的關(guān)系以及浮體在振動(dòng)流體中所受慣性力與阻力的關(guān)系，對(duì)于浮體幾何形狀與特性尺度確定、浮體與海底錨系方法選擇以及浮體海上拖航速度確定等具有重要理論指導(dǎo)意義。

2.1.2 系留索力學(xué)理論

系留索力學(xué)理論分為系留索靜力學(xué)和系留索動(dòng)力學(xué)。系留索靜力學(xué)主要研究穩(wěn)態(tài)條件下流體對(duì)系留索的負(fù)荷及其產(chǎn)生的影響，可以從單點(diǎn)系留索和多點(diǎn)系留索兩種情況進(jìn)行研究，為預(yù)知系留索的幾何形狀和應(yīng)力沿系留索的穩(wěn)態(tài)分布提供理論基礎(chǔ)。系留索動(dòng)力學(xué)主要研究系留索對(duì)波浪激勵(lì)的響應(yīng)，可以預(yù)知波浪動(dòng)力激勵(lì)沿繩索的幅度和分布以及研究諧振的條件，當(dāng)波浪與系留索產(chǎn)生諧振會(huì)使系留索產(chǎn)生巨大的位移，從而引起系留索承受很高的受力峰值負(fù)荷或繩索松弛，造成跑錨或系留索結(jié)構(gòu)疲勞甚至斷裂。

2.1.3 海洋動(dòng)力環(huán)境浮標(biāo)監(jiān)測(cè)理論

海洋動(dòng)力環(huán)境浮標(biāo)監(jiān)測(cè)理論是山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所根據(jù)海洋動(dòng)力環(huán)境、環(huán)境特征監(jiān)測(cè)而進(jìn)行浮標(biāo)設(shè)計(jì)的一個(gè)理論體系，主要包括基于波浪理論的浮標(biāo)系統(tǒng)隨波性分析、動(dòng)力分析技術(shù)、軟測(cè)量技術(shù)等，為研制系列化、工程化、隨波性好的海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)提供必要的理論支撐。

2.2 技術(shù)體系

2.2.1 信息處理技術(shù)

信息處理技術(shù)是指可以擴(kuò)展信息功能的所有技術(shù)，包括信息的變換、監(jiān)測(cè)、提取、識(shí)別、傳遞、控制、分析、處理、存儲(chǔ)等。在海洋資料浮標(biāo)研制過(guò)程中，采用了信息熵模型、噪聲模型、隨機(jī)數(shù)據(jù)以及多源數(shù)據(jù)處理等方面的信息處理技術(shù)。

2.2.2 軟測(cè)量技術(shù)

軟測(cè)量技術(shù)是通過(guò)輔助變量來(lái)獲得對(duì)主導(dǎo)變量的最佳估計(jì)的數(shù)學(xué)模型處理技術(shù)，其本質(zhì)上是完成由輔助變量構(gòu)成的可測(cè)信息集(各輔助變量)到主導(dǎo)變量估計(jì)的映射。海洋資料浮標(biāo)開(kāi)發(fā)中采用的軟測(cè)量方法有回歸分析、狀態(tài)估計(jì)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。

2.2.3 傳感器及弱小信號(hào)處理技術(shù)

傳感器技術(shù)是關(guān)于傳感器原理、結(jié)構(gòu)、材料、設(shè)計(jì)、制造及應(yīng)用的綜合技術(shù)，是浮標(biāo)系統(tǒng)獲得海洋各類(lèi)信息的重要手段。傳感器直接感受被測(cè)海洋環(huán)境的氣象、水文、生態(tài)參數(shù)變化，并將變化的被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成易于傳送的物理量。

弱小信號(hào)處理技術(shù)是通過(guò)抑制噪聲和提高信噪比，從強(qiáng)噪聲中檢測(cè)出有用弱小信號(hào)的一種技術(shù)。浮標(biāo)上的弱小信號(hào)處理技術(shù)是極為重要且難度較高的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2.4 通信技術(shù)

浮標(biāo)上采用的信息編碼方法主要有發(fā)送端數(shù)據(jù)壓縮、接收端數(shù)據(jù)譯碼等技術(shù)，包括北斗通信、短波通信、Inmarsat-C衛(wèi)星通信、GPRS(general packet radio service)以及CDMA(code division multiple access)等。

2.2.5 可靠性設(shè)計(jì)及相關(guān)技術(shù)

浮標(biāo)所采取的可靠性設(shè)計(jì)及技術(shù)包括開(kāi)展可靠性設(shè)計(jì)(包括建立可靠性模型、可靠性分配、可靠性預(yù)計(jì)、故障模式和影響及其危害度分析、劃分可靠性關(guān)鍵件及重要件等)，提高工藝水平，通過(guò)可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)改進(jìn)設(shè)計(jì)和工藝，進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選，強(qiáng)化可靠性管理等。

2.2.6 海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)共享的基本技術(shù)。隨著各類(lèi)海洋資料浮標(biāo)的廣泛應(yīng)用，在海洋海況預(yù)報(bào)、海洋氣象預(yù)報(bào)及海洋科學(xué)探索等領(lǐng)域的資料數(shù)據(jù)共享成為一種必然。目前海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已形成，可以通過(guò)包括衛(wèi)星通信組網(wǎng)(海事衛(wèi)星組網(wǎng)、北斗通信組網(wǎng))、移動(dòng)通信組網(wǎng)(CDMA、GPRS)以及無(wú)線通信組網(wǎng)(地浪、天波等)等方式單獨(dú)或同時(shí)運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 我國(guó)海洋資料浮標(biāo)技術(shù)取得的突破和進(jìn)展

我國(guó)近海地處亞洲大陸和太平洋結(jié)合處，是大陸和大洋的過(guò)渡帶，在大陸、大洋、大氣三方面的作用和影響下，天氣和氣候系統(tǒng)較為復(fù)雜[25]，一年四季受到熱帶氣旋、寒潮和冷空氣、溫帶氣旋等天氣系統(tǒng)的影響，容易引起近海狂風(fēng)、霜凍、雨雪、風(fēng)暴潮、巨浪等惡劣天氣及海況的產(chǎn)生，給浮標(biāo)的正常工作造成較大的沖擊。這就要求浮標(biāo)在各類(lèi)環(huán)境中適應(yīng)性要足夠強(qiáng)，特別是對(duì)于浮標(biāo)體穩(wěn)性、抗沉性、隨波性、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，錨系抗拉伸拉斷強(qiáng)度、尺寸、姿態(tài)等，以及電子系統(tǒng)的抗震動(dòng)、抗沖擊等的設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

浮標(biāo)是涉及學(xué)科廣泛、技術(shù)密集的綜合性工程裝備，要保證其在復(fù)雜惡劣海洋環(huán)境條件下正常工作，研制難度大。由于海洋氣候特點(diǎn)、不同階段科技發(fā)展水平以及工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累等原因，我國(guó)浮標(biāo)技術(shù)發(fā)展經(jīng)歷了比較漫長(zhǎng)的過(guò)程。伴隨著科技水平的提升和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的積累，我國(guó)浮標(biāo)技術(shù)正在走向成熟。

3.1 我國(guó)浮標(biāo)技術(shù)發(fā)展歷程

我國(guó)的海洋浮標(biāo)技術(shù)在世界上起步較早，通過(guò)不斷摸索逐漸走向了滿足業(yè)務(wù)應(yīng)用的成熟階段[1-2]。1966年，我國(guó)第一臺(tái)浮標(biāo)H23誕生，浮標(biāo)體為艇式，可以測(cè)量7個(gè)水文氣象要素，通過(guò)二極管組合器輸出莫爾斯碼，并由發(fā)報(bào)機(jī)發(fā)出，海上通信距離為50 km，當(dāng)時(shí)在近海試運(yùn)行了27 d。1968年，我國(guó)在H23浮標(biāo)原理樣機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，研制出第二臺(tái)浮標(biāo)2H23，整機(jī)及程序控制電路采用晶體管，當(dāng)時(shí)在海上試驗(yàn)了24 d。1978年，我國(guó)研制出第一臺(tái)大型浮標(biāo)HFB-1，屬于我國(guó)第一代大型浮標(biāo)科研樣機(jī)，浮標(biāo)體直徑為10 m圓盤(pán)形，排水量為50 t，采用三錨固定，主控系統(tǒng)采用了小規(guī)模集成電路，可以測(cè)量11個(gè)水文氣象要素，海上通信距離為150 km，當(dāng)時(shí)在海上試驗(yàn)95 d，其中海上連續(xù)工作時(shí)間58 d。1979年，我國(guó)研制出第一個(gè)用數(shù)字傳輸?shù)娜詣?dòng)浮標(biāo)“南浮”1號(hào)，浮標(biāo)體為6 m圓盤(pán)形，排水量13 t，控制系統(tǒng)采用單板微處理機(jī)取代小規(guī)模集成電路，測(cè)量12個(gè)水文氣象參數(shù)，通信距離500 km，當(dāng)時(shí)海上試用13個(gè)月，其中海上連續(xù)工作時(shí)間90 d，屬于第一代向第二代過(guò)渡的科研樣機(jī)。1983年，我國(guó)研制了科研樣機(jī)“科浮”2號(hào)，浮標(biāo)體直徑為5 m圓盤(pán)形，排水量13.58 t，測(cè)量要素12個(gè)，通信距離1000 km，海上試用4個(gè)月，也屬于第一代向第二代過(guò)渡科研樣機(jī)。1984年，在HFB-1浮標(biāo)基礎(chǔ)上改進(jìn)研制出HFB-1A浮標(biāo)，將原來(lái)分立元件改為小規(guī)模集成電路，對(duì)電子儀器系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性設(shè)計(jì)，海上試用連續(xù)工作325 d；1986年，在HFB-1A浮標(biāo)基礎(chǔ)上改進(jìn)研制出HFB-1B浮標(biāo)，三錨改為單錨固定，增加了測(cè)波項(xiàng)目，測(cè)量要素11個(gè)，通信距離400 km，海上試用3年，海上連續(xù)工作時(shí)間351 d，是當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)海洋浮標(biāo)海上連續(xù)工作時(shí)間最長(zhǎng)、獲得海洋水文氣象資料最多的浮標(biāo)系統(tǒng)，浮標(biāo)可靠性的提高，使我國(guó)浮標(biāo)從試驗(yàn)階段進(jìn)入實(shí)用階段。1987年和1989年，我國(guó)自行研制出自動(dòng)化程度高、實(shí)用的大型海洋資料浮標(biāo)FZF2-1，又稱(chēng)Ⅱ型海洋資料浮標(biāo)，浮標(biāo)體為10 m圓盤(pán)形，排水量52 t，單錨固定，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用CMOS 低功耗微機(jī)，測(cè)量要素9個(gè)，通信距離400 km，海上連續(xù)工作時(shí)間500余天，浮標(biāo)綜合技術(shù)性能和指標(biāo)處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平，達(dá)到了20世紀(jì)80代初期國(guó)際水平，屬于我國(guó)第二代大型浮標(biāo)。1989年，我國(guó)研制了第一臺(tái)小型資料浮標(biāo)FZS1-1，浮標(biāo)體為3 m圓盤(pán)形，排水量3 t，單錨固定，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用CMOS 低功耗微機(jī)，測(cè)量要素9個(gè)，通信距離150 km，海上試用80 d，整機(jī)性能達(dá)到20世紀(jì)80年代國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品水平，填補(bǔ)了我國(guó)小型資料浮標(biāo)空白，屬于我國(guó)第一代小型浮標(biāo)。1990年，我國(guó)研制了第一臺(tái)深海浮標(biāo)FZS2-1，浮標(biāo)體為10 m圓盤(pán)形，排水量54 t，倒S單錨固定，布放水深4000 m，數(shù)據(jù)采集控制及通信系統(tǒng)沿用FZF2-1浮標(biāo)，測(cè)量要素15個(gè)，國(guó)內(nèi)首次采用太陽(yáng)能復(fù)充蓄電池供電方式，通信距離600 km，海上試用332 d，海上連續(xù)工作時(shí)間75 d，屬于我國(guó)第二代大型浮標(biāo)。1992年—1994年，我國(guó)對(duì)原FZF2-1浮標(biāo)系統(tǒng)(不包括浮標(biāo)體及錨系部分)進(jìn)行改進(jìn)，研制了FZF2-2浮標(biāo)系統(tǒng)，顯著提高了可靠性和測(cè)量準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)時(shí)我國(guó)海洋資料浮標(biāo)網(wǎng)大型浮標(biāo)設(shè)備、結(jié)構(gòu)、軟件的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用大容量固態(tài)存儲(chǔ)器代替數(shù)據(jù)磁帶機(jī)，使用ARGOS衛(wèi)星傳輸數(shù)據(jù)，浮標(biāo)在技術(shù)性能、工作可靠性、實(shí)用性、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和回收率等綜合性能處于當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位，達(dá)到了20世紀(jì)80年代末國(guó)際先進(jìn)水平，3套浮標(biāo)海上業(yè)務(wù)應(yīng)用7 a。1995年—1996年，我國(guó)利用FZF2-2浮標(biāo)技術(shù)對(duì)FZS2-1浮標(biāo)的數(shù)據(jù)采集、控制、通信、傳感器、岸站系統(tǒng)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)后，研制成功FZF2-3海洋資料浮標(biāo)系統(tǒng)，國(guó)內(nèi)首次應(yīng)用INMARSAT-C海事衛(wèi)星通信，徹底解決了我國(guó)浮標(biāo)信息接收率低的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了2套南海深海浮標(biāo)長(zhǎng)期業(yè)務(wù)運(yùn)行，填補(bǔ)了我國(guó)南海海域無(wú)浮標(biāo)的空白。1997年—1998年，我國(guó)利用FZF2-3浮標(biāo)技術(shù)對(duì)兩臺(tái)FZS2-1浮標(biāo)技術(shù)改造，采用工控機(jī)作為主控微機(jī)統(tǒng)一傳感器等部件接口，系統(tǒng)具有故障診斷和自測(cè)試功能，實(shí)現(xiàn)了東海海域的業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)。1999年，我國(guó)研制了第一臺(tái)深海船形浮標(biāo)XHZ01，浮標(biāo)體為船形，排水量10 t，采用倒S單錨固定，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用工控機(jī)，測(cè)量要素9個(gè)，通信距離1500 km，布放于我國(guó)南海海域試用了1 a。2001年，我國(guó)研制了FZF3-1浮標(biāo)，浮標(biāo)體為為10 m圓盤(pán)形，排水量52 t，單錨固定，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)改用工控機(jī)，海上連續(xù)工作時(shí)間18個(gè)月，測(cè)量要素10個(gè)，通信距離600 km，是我國(guó)第三代大型浮標(biāo)，成為我國(guó)海洋資料浮標(biāo)網(wǎng)主力浮標(biāo)，滿足了海上業(yè)務(wù)應(yīng)用需要。2008年，我國(guó)研制了第四代大型浮標(biāo)FZF4-1，浮標(biāo)體為為10 m圓盤(pán)形，排水量52 t，單錨固定，測(cè)量要素20余個(gè)，海上連續(xù)工作時(shí)間2 a，成為我國(guó)海洋資料浮標(biāo)網(wǎng)主力浮標(biāo)。

3.2 我國(guó)浮標(biāo)技術(shù)突破與進(jìn)展

浮標(biāo)觀測(cè)要實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、穩(wěn)定、可靠的業(yè)務(wù)化運(yùn)行，需要在諸多方面進(jìn)行技術(shù)突破[26]。我國(guó)自“七五”以來(lái)的多個(gè)國(guó)家和省部科研計(jì)劃都對(duì)海洋資料浮標(biāo)領(lǐng)域進(jìn)行資助，目前已經(jīng)在多個(gè)方面取得了多項(xiàng)突破。

3.2.1 平臺(tái)基礎(chǔ)技術(shù)突破

山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所多年來(lái)在海洋資料浮標(biāo)技術(shù)方面進(jìn)行研究，相關(guān)技術(shù)的突破為我國(guó)海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行提供重要技術(shù)支撐和業(yè)務(wù)保障。該所從浮標(biāo)的抗惡劣環(huán)境、多通道通信、遠(yuǎn)程維護(hù)、深海系留等關(guān)鍵技術(shù)入手，逐步解決了浮標(biāo)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性問(wèn)題，使國(guó)產(chǎn)浮標(biāo)的性能得到大幅度提高，并且研制了系列化的海洋環(huán)境觀測(cè)浮標(biāo)。

3.2.2 觀測(cè)數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期連續(xù)性、準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性突破

研制可靠性高、兼容性強(qiáng)的海洋資料浮標(biāo)雙機(jī)并行控制系統(tǒng)，是提高浮標(biāo)及浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)連續(xù)性、準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的有效措施。

圖5 雙機(jī)并行控制系統(tǒng)框圖Fig.5 Two-machine parallel control system block diagram

圖5為山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所設(shè)計(jì)的雙機(jī)并行控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)采用低能耗、高可靠性、模塊化、開(kāi)放性的設(shè)計(jì)，在數(shù)據(jù)處理上采用了新的算法，雙采集處理器連接兩套觀測(cè)設(shè)備獨(dú)立進(jìn)行采集、控制、存儲(chǔ)、通信等工作，雙機(jī)之間數(shù)據(jù)共享，提高了浮標(biāo)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和可靠性。圖6為浮標(biāo)雙機(jī)并行控制系統(tǒng)實(shí)物圖，兩套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、運(yùn)行軟件、電路相同，并列安裝在儀器艙內(nèi)。兩套系統(tǒng)分別連接兩套獨(dú)立傳感器，均按照各自的時(shí)序獨(dú)立工作，通過(guò)串口共享數(shù)據(jù)與讀取對(duì)方狀態(tài)；都具備存儲(chǔ)功能，可以存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)；都具備獨(dú)立的通信傳輸系統(tǒng)如CDMA、GPRS和北斗衛(wèi)星通信等方式傳輸數(shù)據(jù)，可以同時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送。

圖6 雙機(jī)并行控制系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.6 Physical map of a two-machine parallel control system

3.2.3 檢測(cè)傳感新方法突破

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，對(duì)環(huán)境參數(shù)的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的測(cè)量方式已經(jīng)不能滿足需求。傳感器的測(cè)量要素種類(lèi)、參數(shù)范圍、測(cè)量精確性需要不斷提高，如波浪測(cè)量除需要測(cè)量波高外，還需精確測(cè)量波向。隨著海洋開(kāi)發(fā)的進(jìn)行，海水富營(yíng)養(yǎng)化、海洋污染加劇，海洋生態(tài)監(jiān)測(cè)傳統(tǒng)上采集海水樣品到實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析已不再滿足需要，因而亟需研究新的檢測(cè)傳感方法解決現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量難題。

針對(duì)浮標(biāo)對(duì)海洋生態(tài)參數(shù)監(jiān)測(cè)功能的不足，提出用超聲波、紫外光協(xié)同臭氧消解光度法測(cè)量水體中總氮總磷和流動(dòng)注射臭氧氧化方式、臭氧氧化紫外掃描光譜積分方式測(cè)量總有機(jī)碳等方法，研制了檢測(cè)總磷總氮、總有機(jī)碳、營(yíng)養(yǎng)鹽等多種傳感器。如圖7所示，通過(guò)自動(dòng)取樣、自動(dòng)測(cè)量等方法實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋生態(tài)多參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

圖7 總氮總磷測(cè)量?jī)x樣機(jī)Fig.7 Meter machine of total nitrogen and phosphorus

針對(duì)浮標(biāo)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下風(fēng)場(chǎng)精確測(cè)量的難題，提出結(jié)構(gòu)、算法更加簡(jiǎn)潔的四面體三維風(fēng)場(chǎng)聲學(xué)測(cè)量方法。如圖8所示，用4只聲學(xué)探頭組成測(cè)風(fēng)四面體，通過(guò)兩條水平面內(nèi)路徑上的風(fēng)速分量合成二維風(fēng)速，進(jìn)而合成三維風(fēng)速矢量。如圖9所示，由于浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)會(huì)造成浮標(biāo)測(cè)風(fēng)儀測(cè)量到的風(fēng)速參數(shù)Fwind存在誤差，通過(guò)建立浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)風(fēng)觀測(cè)坐標(biāo)模型，其中x,y,z為地球坐標(biāo)系，x1,y1,z1為浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，N為電子羅盤(pán)測(cè)量的地磁北向，開(kāi)發(fā)了基于俯仰角(θ)、橫滾角(φ)、偏航角(ψ)等姿態(tài)參數(shù)精確監(jiān)測(cè)風(fēng)場(chǎng)修正補(bǔ)償?shù)臏y(cè)量技術(shù)，解決浮標(biāo)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)高精度測(cè)量的難題。

圖8 測(cè)風(fēng)傳感器Fig.8 Wind sensor

圖9 浮標(biāo)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)風(fēng)觀測(cè)模型Fig.9 Buoy motion platform wind observation model

針對(duì)浮標(biāo)波向測(cè)量的難題，提出數(shù)字加速度計(jì)式波向測(cè)量方法，研發(fā)了波浪測(cè)量?jī)x，如圖10所示?；谒|(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)理論，建立波浪測(cè)量模型，采用全數(shù)字化的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的三維加速度信號(hào)進(jìn)行同步數(shù)字積分實(shí)現(xiàn)對(duì)波高的測(cè)量,并利用浮標(biāo)的水平運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)波向的測(cè)量[27-28]，克服傳統(tǒng)機(jī)械平衡方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜、模擬積分穩(wěn)定性差的不足，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)大中型浮標(biāo)中波向測(cè)量的技術(shù)空白。

圖10 波浪浮標(biāo)及其測(cè)量系統(tǒng)Fig.10 Wave buoy and its measuring system

3.2.4 傳統(tǒng)浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)突破

目前大型浮標(biāo)是海洋業(yè)務(wù)化監(jiān)測(cè)最常用的長(zhǎng)期現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)平臺(tái)，具有抗環(huán)境沖擊能力強(qiáng)、傾覆概率小、海上工作壽命長(zhǎng)和在位率突出的優(yōu)勢(shì)。但大中型浮標(biāo)的浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)尺度大，給制造、安裝、布放、回收帶來(lái)極大的不便。鑒于大型浮標(biāo)只能依靠船舶拖運(yùn)，存在成本高、時(shí)間長(zhǎng)、難度大等問(wèn)題，且受陸路運(yùn)輸條件限制，在改變傳統(tǒng)浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)，保持原來(lái)浮標(biāo)體尺度不變前提下，設(shè)計(jì)新型的浮標(biāo)體，使其便于運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)安裝、布放成為一項(xiàng)需要突破的重要技術(shù)。

山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所在國(guó)內(nèi)首次研制了拼裝式海洋浮標(biāo)體，如圖11所示。針對(duì)拼裝式浮標(biāo)[29]在大風(fēng)大浪等惡劣海況下的拼接點(diǎn)抗沖擊、抗疲勞等力學(xué)結(jié)構(gòu)問(wèn)題，基于有限元分析方法，建立了浮標(biāo)受力仿真分析模型，開(kāi)發(fā)了浮標(biāo)分體模塊力學(xué)連接技術(shù)，設(shè)計(jì)了拼裝式結(jié)構(gòu)的浮標(biāo)體。該浮標(biāo)體組裝和拆分便捷，通過(guò)陸地運(yùn)輸、異地組裝縮短了海上運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間，節(jié)約了運(yùn)輸及布放的成本，突破了傳統(tǒng)大中型浮標(biāo)僅能依賴(lài)海運(yùn)的問(wèn)題，使浮標(biāo)在深遠(yuǎn)海海域大范圍布放成為可能。

圖11 拼裝式大浮標(biāo)實(shí)物圖Fig.11 Assembled large buoy physical map

3.2.5 浮標(biāo)錨系技術(shù)突破

圖12 浮標(biāo)錨系系統(tǒng)示意圖Fig.12 Buoy mooring system schematic

浮標(biāo)應(yīng)用于大陸架淺海監(jiān)測(cè)，海水深度通常為數(shù)十米至數(shù)百米，但在深海大洋，海水深度通常達(dá)數(shù)千米。錨系的設(shè)計(jì)是決定浮標(biāo)在布放海域定點(diǎn)長(zhǎng)期工作的重要因素。海上波浪無(wú)時(shí)無(wú)刻都對(duì)鏈、纜系留索產(chǎn)生動(dòng)力沖擊，極容易使系留索疲勞而造成斷裂，造成浮標(biāo)隨波浪、海流漂移從而使定點(diǎn)監(jiān)測(cè)失效。根據(jù)浮標(biāo)布放海區(qū)極限環(huán)境條件和深度，淺水區(qū)采用全錨鏈的懸鏈線狀錨系，中深水區(qū)采用鏈纜混合的半張緊狀錨系，深水區(qū)采用倒S形錨系[2]，如圖12所示。

隨著浮標(biāo)在深遠(yuǎn)海觀測(cè)應(yīng)用的需要，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所基于倒S深海錨系結(jié)構(gòu)，采用深水系留水動(dòng)力建模與計(jì)算仿真[30]、縮比模型水池試驗(yàn)相結(jié)合的方法優(yōu)化深水錨系方案，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)直讀式浮標(biāo)柔性溫鹽鏈監(jiān)測(cè)技術(shù)及水下傳感器鏈的快速布放裝置，采用高強(qiáng)度、防魚(yú)咬的新型高分子聚乙烯纜繩和深水耐壓玻璃浮球等新材料，開(kāi)發(fā)了尼龍纜繩防磨損保護(hù)新工藝，突破深遠(yuǎn)海浮標(biāo)安全可靠系留技術(shù)以及水下傳感器鏈的快速安裝與回收技術(shù)，解決浮標(biāo)系泊點(diǎn)抗疲勞及抗沖擊、鋼制錨鏈與尼龍纜繩可靠對(duì)接、包塑鋼纜水密數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)環(huán)信號(hào)傳輸?shù)燃夹g(shù)難題。

3.2.6 實(shí)現(xiàn)系列浮標(biāo)研發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)化

山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所歷經(jīng)幾十年研究與實(shí)踐，制定了海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，研發(fā)了12種不同規(guī)格的系列資料浮標(biāo)，實(shí)現(xiàn)我國(guó)浮標(biāo)自主研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化，為國(guó)家海洋浮標(biāo)監(jiān)測(cè)網(wǎng)提供系列產(chǎn)品。

4 我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)網(wǎng)的建設(shè)及業(yè)務(wù)化運(yùn)行現(xiàn)狀

“十五”以來(lái)，我國(guó)資料浮標(biāo)系統(tǒng)技術(shù)不斷完善，逐漸實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化[31]、系列化和產(chǎn)品化，浮標(biāo)各項(xiàng)技術(shù)性能逐漸達(dá)到國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家先進(jìn)水平，具備了大規(guī)模業(yè)務(wù)組網(wǎng)應(yīng)用的條件。隨著國(guó)家海洋開(kāi)發(fā)、海洋預(yù)報(bào)、海洋權(quán)益需求增多，以國(guó)家海洋局、中國(guó)氣象局為應(yīng)用主體的國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)快速發(fā)展，系列浮標(biāo)目前已應(yīng)用于我國(guó)從南到北、從近海到遠(yuǎn)海的浮標(biāo)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

4.1 我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)網(wǎng)構(gòu)成

目前我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)網(wǎng)上運(yùn)行的資料浮標(biāo)主要是“十五”“十一五”“863”計(jì)劃創(chuàng)新研究及成果標(biāo)準(zhǔn)化定型后的系列化浮標(biāo)，各種規(guī)格和不同功能的系列浮標(biāo)基本滿足我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)的需求，支撐建成了我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)網(wǎng)。

我國(guó)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)網(wǎng)[32-33]主體用戶是原國(guó)家海洋局和中國(guó)氣象局系統(tǒng)所屬部門(mén)，浮標(biāo)網(wǎng)每天為海洋環(huán)境預(yù)報(bào)和防災(zāi)減災(zāi)提供海上監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。另外，中國(guó)科學(xué)院等涉海研究機(jī)構(gòu)、中國(guó)海洋石油集團(tuán)有限公司、海軍等相關(guān)單位也是海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)網(wǎng)的重要用戶。

4.2 我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)網(wǎng)應(yīng)用

4.2.1 原國(guó)家海洋局海洋資料浮標(biāo)網(wǎng)及中國(guó)氣象局海洋氣象網(wǎng)的應(yīng)用

原國(guó)家海洋局于1985年提出國(guó)家海洋資料浮標(biāo)網(wǎng)建設(shè)總體方案[2]，由于當(dāng)時(shí)國(guó)產(chǎn)浮標(biāo)技術(shù)不成熟，“總體方案”確定了建設(shè)我國(guó)第一代浮標(biāo)網(wǎng)以引進(jìn)國(guó)外技術(shù)成熟的浮標(biāo)為主，第一代浮標(biāo)網(wǎng)由12個(gè)浮標(biāo)組成，其中8個(gè)中型浮標(biāo)為主、4個(gè)小型浮標(biāo)為輔，并派團(tuán)分別赴美國(guó)、英國(guó)引進(jìn)購(gòu)買(mǎi)浮標(biāo)。中型浮標(biāo)計(jì)劃購(gòu)買(mǎi)美國(guó)浮標(biāo)監(jiān)測(cè)網(wǎng)業(yè)務(wù)應(yīng)用的船形VE-NOMAD浮標(biāo)，該浮標(biāo)是由國(guó)家資料浮標(biāo)中心在原美國(guó)海軍研制的船形浮標(biāo)即海軍海洋氣象自動(dòng)裝置(navy oceanographic meteorological automatic device，NOMAD)的基礎(chǔ)上采用價(jià)值工程(Value Engineered，VE)理念設(shè)計(jì)的。由于引進(jìn)VE-NOMAD浮標(biāo)失敗，最后只引進(jìn)了6套英國(guó)Martex公司直徑為2.75 m的圓盤(pán)形DS-14型浮標(biāo)，后來(lái)這些浮標(biāo)在我國(guó)近海應(yīng)用中雖然遭受多次被盜和撞壞，但仍然為海洋預(yù)報(bào)部門(mén)傳送了較多水文氣象實(shí)時(shí)觀測(cè)資料，為保障海洋天氣、海浪預(yù)報(bào)及南海海洋石油開(kāi)發(fā)發(fā)揮了重要作用。引進(jìn)的Martex浮標(biāo)可通過(guò)3種方式得到海上監(jiān)測(cè)資料：通過(guò)乘船讀取浮標(biāo)體內(nèi)磁帶記錄的連續(xù)資料；通過(guò)ARGOS衛(wèi)星進(jìn)行地面接收，但平均資料接收率只有20%，滿足預(yù)報(bào)時(shí)效的更少；通過(guò)國(guó)際電傳從法國(guó)ARGOS中心獲取預(yù)報(bào)，但時(shí)效差、電傳費(fèi)用太高。雖然數(shù)據(jù)記錄連續(xù)完整、數(shù)據(jù)安全性高，但對(duì)于離岸遠(yuǎn)的浮標(biāo)往返時(shí)間長(zhǎng)(惡劣天氣、海況下根本無(wú)法乘船出海)，因此不能滿足預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)的時(shí)效；而且隨著時(shí)間的推移，浮標(biāo)傳感器等備件維修、更換、檢定等保障困難?？梢?jiàn)，建設(shè)我國(guó)海洋資料浮標(biāo)網(wǎng)靠購(gòu)買(mǎi)引進(jìn)國(guó)外先進(jìn)技術(shù)浮標(biāo)是行不通的，這項(xiàng)工作離不開(kāi)國(guó)產(chǎn)自主研制的浮標(biāo)。

隨著“七五”(1986年—1990年)國(guó)家重點(diǎn)科學(xué)技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目Ⅱ型海洋資料浮標(biāo)等的研制成功以及后續(xù)對(duì)相關(guān)浮標(biāo)的技術(shù)改型研制，進(jìn)入20世紀(jì)90年代，我國(guó)第二代海洋資料浮標(biāo)網(wǎng)上常年運(yùn)行的浮標(biāo)，只有國(guó)產(chǎn)自主研制的FZF系列的直徑10 m大型浮標(biāo)，即FZF2-2型、FZF2-3型共7套浮標(biāo)[2]。國(guó)產(chǎn)浮標(biāo)故障率降低到3次/年，基本解決了長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的問(wèn)題。岸站衛(wèi)星資料接收率達(dá)到90%以上，扭轉(zhuǎn)了第一代浮標(biāo)網(wǎng)依靠引進(jìn)浮標(biāo)資料接收率低、運(yùn)行費(fèi)用高、維護(hù)修理難以保障等難題，我國(guó)浮標(biāo)網(wǎng)的建設(shè)逐漸進(jìn)入良性發(fā)展階段。

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著FZF型等浮標(biāo)可靠性繼續(xù)提高、標(biāo)準(zhǔn)化定型，以及系列化浮標(biāo)發(fā)展，2008年以后，原國(guó)家海洋局布署建設(shè)的海洋浮標(biāo)網(wǎng)快速發(fā)展，進(jìn)入了大規(guī)模業(yè)務(wù)化應(yīng)用階段，到目前已有70余套海洋浮標(biāo)在海上相關(guān)站位工作。中國(guó)氣象局根據(jù)海洋氣候觀測(cè)、海洋氣象預(yù)報(bào)的需求，通過(guò)直接利用技術(shù)成熟的FZF型浮標(biāo)，于2008年投資建設(shè)了首個(gè)大型海洋氣象浮標(biāo)觀測(cè)站，布放在青島市奧帆賽區(qū)指定海域。之后海洋氣象浮標(biāo)監(jiān)測(cè)網(wǎng)不斷發(fā)展，目前約有50余套浮標(biāo)長(zhǎng)期在我國(guó)近海連續(xù)業(yè)務(wù)化運(yùn)行。表1所示為我國(guó)海洋資料浮標(biāo)網(wǎng)發(fā)展情況。

浮標(biāo)相繼經(jīng)歷了2006年臺(tái)風(fēng)“桑美”、2009年“10·29”冷空氣浪、2010年臺(tái)風(fēng)“鲇魚(yú)”與“獅子山”、2011年臺(tái)風(fēng)“梅花”與“納沙”、2012年臺(tái)風(fēng)“布拉萬(wàn)”與“啟德”、 2013年臺(tái)風(fēng)“菲特”與“天兔”、2014年臺(tái)風(fēng)“威馬遜”、2015年臺(tái)風(fēng)“燦鴻”、2017年臺(tái)風(fēng)“泰利”、2018年臺(tái)風(fēng)“瑪莉亞”等惡劣天氣過(guò)程的考驗(yàn)，成功獲得極端天氣過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。圖13為浮標(biāo)監(jiān)測(cè)到的“菲特”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過(guò)程中海浪和風(fēng)速變化情況。

表1 我國(guó)海洋資料浮標(biāo)網(wǎng)一覽表

續(xù)表1

圖13 浮標(biāo)站觀測(cè)到的“菲特”強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過(guò)程Fig.13 The “Fit” strong typhoon process observed by the buoy station

4.2.2 中國(guó)科學(xué)院海洋研究所近海海洋觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

中國(guó)科學(xué)院近海海洋觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)[9-10]始建于2006年，重點(diǎn)對(duì)我國(guó)東海、黃海、南海北部海域進(jìn)行長(zhǎng)期定點(diǎn)綜合觀測(cè)，海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)是構(gòu)成該網(wǎng)絡(luò)的主體觀測(cè)系統(tǒng)，潛標(biāo)、調(diào)查船、海床基、溫鹽鏈等觀測(cè)手段作為主體觀測(cè)系統(tǒng)的補(bǔ)充。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所管理著近海觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)有在位業(yè)務(wù)運(yùn)行浮標(biāo)共計(jì)20余套，主要包括15 m超大型浮標(biāo)、10 m大型浮標(biāo)、3 m小型浮標(biāo)等類(lèi)型。浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)每10 min向數(shù)據(jù)接收站發(fā)送一次，每天24 h不間斷運(yùn)行，浮標(biāo)觀測(cè)環(huán)境要素多于13種。

近海海洋觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)的建成，克服了過(guò)去以岸基站常規(guī)監(jiān)測(cè)為主、以科考船開(kāi)展短期海洋調(diào)查、缺少海上固定式長(zhǎng)期海洋綜合觀測(cè)平臺(tái)的局面，滿足了海洋科學(xué)研究長(zhǎng)序列周期、連續(xù)、實(shí)時(shí)、多學(xué)科同步的綜合性觀測(cè)要求。該網(wǎng)絡(luò)積累的長(zhǎng)期綜合性基礎(chǔ)資料，為闡明中國(guó)近海的長(zhǎng)期變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新的海洋現(xiàn)象，揭示和預(yù)測(cè)自然與人類(lèi)活動(dòng)雙重作用下海洋動(dòng)力環(huán)境、水體環(huán)境、地質(zhì)條件、生態(tài)系統(tǒng)的響應(yīng)，以及原創(chuàng)性理論的創(chuàng)立和海洋環(huán)境預(yù)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警提供了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

4.2.3 地方(省市)海洋浮標(biāo)網(wǎng)應(yīng)用

地方(省市)海洋浮標(biāo)網(wǎng)主要用于地方所屬海域海洋災(zāi)害應(yīng)急預(yù)警報(bào)(冬季大風(fēng)、汛期風(fēng)暴潮和海浪災(zāi)害、海冰、赤潮災(zāi)害)、海洋漁業(yè)生產(chǎn)安全環(huán)境保障、高分辨率海洋數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)(高分辨率氣象、海流、潮汐潮流、海浪預(yù)報(bào)系統(tǒng))、海洋牧場(chǎng)精細(xì)化預(yù)報(bào)、通航安全、重要海上賽事活動(dòng)等方面。

福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)在福建與臺(tái)灣之間構(gòu)建了局部海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，在位業(yè)務(wù)運(yùn)行浮標(biāo)共計(jì)11套，為福建海域海洋監(jiān)測(cè)發(fā)揮了重要作用。該網(wǎng)絡(luò)浮標(biāo)相繼經(jīng)歷了2008年“森拉克”、2010年“鲇魚(yú)”等強(qiáng)臺(tái)風(fēng)過(guò)程的連續(xù)考驗(yàn)，成功獲得臺(tái)風(fēng)過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

另外，在2008年奧運(yùn)會(huì)帆船比賽、2009年全運(yùn)會(huì)日照賽場(chǎng)、2010年廣州亞運(yùn)會(huì)和上海世博會(huì)、2011年南昌城運(yùn)會(huì)、2012年海陽(yáng)亞沙會(huì)等重大賽事活動(dòng)中，浮標(biāo)為賽場(chǎng)氣象預(yù)報(bào)提供數(shù)據(jù)來(lái)源，水上賽場(chǎng)的水文氣象監(jiān)測(cè)保障了賽事的順利進(jìn)行。在2009年的滸苔災(zāi)害中，浮標(biāo)實(shí)時(shí)傳輸水文、氣象數(shù)據(jù)及滸苔圖片，為實(shí)時(shí)掌握滸苔災(zāi)情、滸苔漂移路徑及有效應(yīng)對(duì)提供了有效支持。浮標(biāo)為海洋和大氣提供了良好觀測(cè)手段，2012年我國(guó)在北歐海布放了海氣耦合觀測(cè)浮標(biāo)[34]，是國(guó)際上首次在該海域布放監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，為研究北極濤動(dòng)及北極氣候變化等提供了長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

4.3 我國(guó)海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)應(yīng)用與國(guó)外對(duì)比

當(dāng)前美國(guó)、加拿大、英國(guó)、法國(guó)、日本、印度、韓國(guó)等海洋國(guó)家逐步建立了錨系浮標(biāo)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，并已經(jīng)應(yīng)用到太平洋、印度洋、大西洋等關(guān)鍵海域，在布放浮標(biāo)的范圍、密度、種類(lèi)、多參數(shù)等方面較為領(lǐng)先，為海洋氣象預(yù)報(bào)、海洋災(zāi)害預(yù)警、海洋資源開(kāi)發(fā)、海洋工程、海上交通運(yùn)輸以及海洋科學(xué)研究等提供服務(wù)。海洋浮標(biāo)從注重長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠工作進(jìn)入到產(chǎn)品化應(yīng)用、質(zhì)量控制、全球觀測(cè)和資料交換階段。

美國(guó)海洋浮標(biāo)的研制始于20世紀(jì)40年代末，50年代海軍研制出NOMAD船形浮標(biāo)，60年代開(kāi)始將浮標(biāo)研制納入國(guó)家計(jì)劃并開(kāi)始建造12 m直徑大型圓盤(pán)浮標(biāo)，1974年成立了世界上第一個(gè)也是迄今唯一的國(guó)家資料浮標(biāo)中心(national data buoy center，NDBC)，負(fù)責(zé)浮標(biāo)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)，加快了美國(guó)浮標(biāo)技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)而使美國(guó)的浮標(biāo)技術(shù)及應(yīng)用規(guī)模保持世界領(lǐng)先地位。該中心研發(fā)了包含直徑12 、10、3、2.4、1.8、1.5 m 的系列化圓盤(pán)形錨系浮標(biāo)和6 m船形浮標(biāo)，如圖14所示。目前NDBC管理著1400多個(gè)遍布全球的觀測(cè)站[4]，其中錨泊浮標(biāo)超過(guò)380個(gè)，規(guī)模較大的區(qū)域監(jiān)測(cè)網(wǎng)[4]有美國(guó)NDBC氣象海洋浮標(biāo)網(wǎng)(108個(gè)錨系浮標(biāo) )、國(guó)際合作浮標(biāo)(總數(shù)超過(guò)124個(gè)錨系浮標(biāo)，分別為大西洋預(yù)測(cè)和分析錨系浮標(biāo)陣列18個(gè)浮標(biāo)、非洲-亞洲-澳洲季風(fēng)分析預(yù)測(cè)錨系浮標(biāo)研究網(wǎng)27個(gè)浮標(biāo)、加拿大環(huán)境與氣候變化錨系浮標(biāo)陣列53個(gè)浮標(biāo)、英國(guó)氣象局18個(gè)浮標(biāo)、韓國(guó)氣象局8個(gè)浮標(biāo))、綜合海洋觀測(cè)系統(tǒng)(超過(guò)60個(gè)錨系浮標(biāo))、熱帶大氣海洋觀測(cè)陣列(55個(gè)錨系浮標(biāo))和海嘯浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)(40個(gè)浮標(biāo))。

圖14 NDBC的系列錨系浮標(biāo)[4]Fig.14 NDBC series anchor buoy[4]

2000年，日本在西北太平洋引入12個(gè)浮標(biāo)組建三角跨洋浮標(biāo)網(wǎng) (triangle trans-ocean buoy network，TRITON) ，與赤道太平洋熱帶大氣海洋(tropical atmosphere ocean，TAO)觀測(cè)陣列密切合作，TAO陣列因而改名為T(mén)AO/TRITON陣列，其與熱帶大西洋預(yù)測(cè)和分析錨系浮標(biāo)陣列、印度洋的非洲-亞洲-澳洲季風(fēng)分析預(yù)測(cè)錨系浮標(biāo)研究網(wǎng)組成了全球熱帶錨系浮標(biāo)陣列[7]。全球熱帶錨系浮標(biāo)陣列是一項(xiàng)利用錨系浮標(biāo)大規(guī)模、長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)上層海洋和低層大氣的多國(guó)合作項(xiàng)目，為氣候研究和預(yù)報(bào)提供實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，為世界氣候研究計(jì)劃中的熱帶海洋全球大氣計(jì)劃在幾個(gè)月到幾年的時(shí)間尺度上預(yù)測(cè)氣候現(xiàn)象研究提供觀測(cè)支撐。

浮標(biāo)除了滿足上述海洋表面水文氣象觀測(cè)的需要，還被用于海底-水下-海表面的立體多平臺(tái)綜合觀測(cè)。2009年，美國(guó)國(guó)家自然基金(NSF)資助了該國(guó)海洋科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施歷史上規(guī)模最大的海洋觀測(cè)計(jì)劃(ocean observation initiative，OOI)[5，35-36]，投入資金3.86億美元。該計(jì)劃設(shè)置了7大觀測(cè)陣列[5]共計(jì)44個(gè)錨系浮標(biāo)，可測(cè)量大西洋、太平洋沿海和開(kāi)闊海域從海底到海平面的物理、化學(xué)、地質(zhì)、生物特性和過(guò)程，能夠更好地了解氣候變化、生態(tài)系統(tǒng)變化、海洋酸化、板塊地震活動(dòng)、海底火山以及碳循環(huán)等有關(guān)地球-海洋系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題。OOI依托坐底平臺(tái)、錨泊系統(tǒng)、自主潛航器，在大西洋和太平洋全天候?qū)崟r(shí)或近實(shí)時(shí)地收集海洋數(shù)據(jù)，用于觀察時(shí)間尺度從數(shù)秒至數(shù)十年、空間尺度從英寸到英里的復(fù)雜海洋學(xué)過(guò)程。錨泊系統(tǒng)提供了從海底到海面之間固定深度及海表面放置傳感器的平臺(tái)，主要包括水下固定深度觀測(cè)、剖面觀測(cè)、海表面觀測(cè)3種類(lèi)型。表2為OOI觀測(cè)陣列錨泊系統(tǒng)的數(shù)量及布放水深[5]。水下固定深度觀測(cè)是在水下錨系特定深度布置儀器獲取數(shù)據(jù)，通過(guò)聲學(xué)鏈路與附近滑翔機(jī)通信向海岸數(shù)據(jù)接收站發(fā)送數(shù)據(jù)；剖面觀測(cè)是剖面儀沿著系留纜上下移動(dòng)獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以通過(guò)連接的海底電纜傳輸?shù)疥懙財(cái)?shù)據(jù)接收站，或利用海面浮標(biāo)通過(guò)衛(wèi)星進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；海表面觀測(cè)可收集海洋大氣交界面數(shù)據(jù)，具有太陽(yáng)能和風(fēng)力發(fā)電裝置，以及衛(wèi)星和視距通信天線，圖15所示為海表面浮標(biāo)實(shí)物圖，圖16為海表面浮標(biāo)組成示意圖。

表2 OOI研究陣列錨泊系統(tǒng)數(shù)量及布放水深[5]

圖15 OOI海表面浮標(biāo)實(shí)物圖[5]Fig.15 OOI sea surface buoy physical map[5]

圖16 OOI海表面浮標(biāo)組成示意圖[5]Fig.16 OOI sea surface buoy composition diagram[5]

為了在全球范圍內(nèi)提高海洋氣象觀測(cè)、數(shù)據(jù)管理和服務(wù)的效率，世界氣象組織(WMO)和聯(lián)合國(guó)教科文組織政府間海洋學(xué)委員會(huì)(IOC)聯(lián)合組建了海洋學(xué)和海洋氣象學(xué)聯(lián)合技術(shù)委員會(huì)，該委員會(huì)下設(shè)的資料浮標(biāo)合作組[6]維護(hù)和協(xié)調(diào)1250多個(gè)漂流浮標(biāo)和400多個(gè)錨系浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)。浮標(biāo)通過(guò)全球電信系統(tǒng)傳輸測(cè)量到的海面溫度、海面流速、氣溫、風(fēng)速和風(fēng)向等數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可用于天氣和海洋預(yù)報(bào)和研究，還可用于補(bǔ)充或驗(yàn)證遙感數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型，有效增加大氣和海洋數(shù)據(jù)的數(shù)量、質(zhì)量、全球覆蓋范圍和及時(shí)性，從而改善全球天氣和海洋預(yù)報(bào)，提高海洋安全。 表3為2019年6月資料浮標(biāo)合作組統(tǒng)計(jì)的世界主要沿海國(guó)家通過(guò)全球電信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的錨系浮標(biāo)數(shù)量。

表3 DBCP通過(guò)GTS接收的各國(guó)近海錨系浮標(biāo)資料統(tǒng)計(jì)[6]

在我國(guó)，海洋監(jiān)測(cè)浮標(biāo)網(wǎng)業(yè)務(wù)運(yùn)行浮標(biāo)約200套，其中原國(guó)家海洋局海洋資料浮標(biāo)網(wǎng)70套，中國(guó)氣象局海洋氣象網(wǎng)50余套，其他涉海單位60套，成為我國(guó)海洋業(yè)務(wù)化現(xiàn)場(chǎng)原位監(jiān)測(cè)的支柱，構(gòu)成世界第二大錨系浮標(biāo)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。我國(guó)海洋浮標(biāo)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的浮標(biāo)種類(lèi)主要以大型圓盤(pán)浮標(biāo)、中型圓盤(pán)浮標(biāo)、小型圓盤(pán)浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)為主，這些浮標(biāo)大部分由山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所研制生產(chǎn)，占全國(guó)業(yè)務(wù)化浮標(biāo)總數(shù)的90%左右。

4.4 我國(guó)浮標(biāo)與國(guó)外浮標(biāo)性能參數(shù)對(duì)比

美國(guó)、加拿大、英國(guó)、法國(guó)、挪威等國(guó)家研制海洋資料浮標(biāo)開(kāi)始時(shí)間較早，浮標(biāo)技術(shù)隨著應(yīng)用的增多不斷得到提高，代表了世界浮標(biāo)技術(shù)的先進(jìn)水平。表4為我國(guó)浮標(biāo)與美國(guó)、加拿大浮標(biāo)典型參數(shù)的對(duì)比[3，32]，從表中可以看出，我國(guó)在業(yè)務(wù)浮標(biāo)種類(lèi)、運(yùn)輸方式、通信方式等方面較美國(guó)、加拿大浮標(biāo)選擇靈活性更多，在數(shù)據(jù)接收率、錨系水深、年故障次數(shù)等方面較為一致。

表4 我國(guó)浮標(biāo)與國(guó)外浮標(biāo)典型參數(shù)比較

對(duì)于環(huán)境特別惡劣的海區(qū)，浮標(biāo)的穩(wěn)定性和可靠性是浮標(biāo)正常工作極為重要的性能因素。美國(guó)在20世紀(jì)70年代曾發(fā)生1個(gè)直徑12 m和5個(gè)直徑10 m圓盤(pán)形浮標(biāo)傾覆，2005年又有1個(gè)直徑12 m的圓盤(pán)形浮標(biāo)傾覆，造成對(duì)海上颶風(fēng)這一重大災(zāi)害性天氣過(guò)程資料獲取的中斷[2, 37-39]。我國(guó)大型浮標(biāo)業(yè)務(wù)監(jiān)測(cè)應(yīng)用以來(lái)雖然也經(jīng)歷多次超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)(浮標(biāo)曾在海上測(cè)得最大風(fēng)速74 m/s、最大浪高19 m)的考驗(yàn)，沒(méi)有發(fā)生過(guò)浮標(biāo)傾覆的情況，浮標(biāo)性能穩(wěn)定可靠，能夠在惡劣海洋天氣條件下不間斷傳輸觀測(cè)數(shù)據(jù)，表明我國(guó)大型浮標(biāo)在穩(wěn)定性和可靠性方面在國(guó)際上技術(shù)優(yōu)勢(shì)突出。

海洋環(huán)境各類(lèi)參數(shù)時(shí)刻處于變化中，且變化范圍大，要求浮標(biāo)傳感器的測(cè)量范圍要足夠?qū)?，能夠涵蓋并超過(guò)環(huán)境參數(shù)極限變化范圍，且測(cè)量結(jié)果盡可能接近環(huán)境要素真實(shí)值。因此，測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度是資料浮標(biāo)觀測(cè)極為重要的指標(biāo)，也是海洋浮標(biāo)技術(shù)水平的重要標(biāo)志。表5為我國(guó)浮標(biāo)主要觀測(cè)參數(shù)在測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度兩項(xiàng)指標(biāo)上與國(guó)外浮標(biāo)的對(duì)比[3，32]。表中可見(jiàn)，我國(guó)浮標(biāo)在水文、氣象類(lèi)環(huán)境要素的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度方面與國(guó)外浮標(biāo)基本一致，但在生態(tài)環(huán)境要素監(jiān)測(cè)方面差異較大。除了測(cè)量范圍和準(zhǔn)確性，可靠性、環(huán)境適應(yīng)性也是浮標(biāo)的重要指標(biāo)，決定著浮標(biāo)在惡劣海洋環(huán)境工作壽命的長(zhǎng)短，文中不再進(jìn)行比較。

表5 我國(guó)與國(guó)外浮標(biāo)主要觀測(cè)參數(shù)標(biāo)對(duì)比

5 總結(jié)與展望

目前，國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家在全球海洋關(guān)鍵海域建立了大規(guī)模的浮標(biāo)監(jiān)測(cè)網(wǎng)。隨著我國(guó)海洋事業(yè)的發(fā)展，也必然會(huì)面臨深遠(yuǎn)海綜合海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)新的需求。我國(guó)現(xiàn)有海洋浮標(biāo)技術(shù)主要適用于近海海域，在深遠(yuǎn)海的觀測(cè)方面還比較薄弱，未來(lái)深海應(yīng)用中相應(yīng)傳感技術(shù)及相關(guān)配套技術(shù)的國(guó)產(chǎn)化亟待解決。因此，需要在已掌握海洋浮標(biāo)關(guān)鍵核心技術(shù)的基礎(chǔ)上，綜合利用新原理、新技術(shù)、新方法、新材料、新能源，在智能化及信息化技術(shù)推動(dòng)下，著力開(kāi)展智能化綜合監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的研發(fā)，在當(dāng)前主要觀測(cè)海洋表層水文參數(shù)和海表面氣象參數(shù)等基礎(chǔ)上，擴(kuò)展深海剖面環(huán)境參數(shù)測(cè)量、生物光學(xué)測(cè)量、海水表皮層光學(xué)特性測(cè)量、海水化學(xué)成分測(cè)量、海表面大氣成分測(cè)量、全球海平面測(cè)量、水聲通信及水下定位中繼等的應(yīng)用[40]，解決當(dāng)前海洋浮標(biāo)觀測(cè)中存在的觀測(cè)要素少、剖面觀測(cè)能力差、智能感知水平低等問(wèn)題，形成我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全球海洋立體實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)技術(shù)和產(chǎn)品。

我國(guó)未來(lái)海洋資料浮標(biāo)技術(shù)發(fā)展需在智能化感知和信息挖掘[41]、傳感器標(biāo)準(zhǔn)化、浮標(biāo)新型材料、低成本深海浮標(biāo)、極地海冰浮標(biāo)[42]、錨泊剖面觀測(cè)浮標(biāo)[43-50]、浮標(biāo)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制[51-53]、浮標(biāo)數(shù)據(jù)共享[54]等方面進(jìn)一步開(kāi)展工作，以使浮標(biāo)更好地滿足天氣和海洋預(yù)報(bào)、遙感數(shù)據(jù)和數(shù)學(xué)模型檢驗(yàn)、全球海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)等需要[55-62]。

海洋錨系浮標(biāo)作為海洋環(huán)境綜合觀測(cè)平臺(tái)，未來(lái)將與移動(dòng)平臺(tái)、海底平臺(tái)、天空基平臺(tái)等觀測(cè)手段的互補(bǔ)性、互聯(lián)性、協(xié)同性更加密切，從而構(gòu)建多手段協(xié)同、網(wǎng)格化觀測(cè)、高時(shí)空分辨率等多功能于一體的綜合觀測(cè)系統(tǒng)。隨著智能化技術(shù)和無(wú)線實(shí)時(shí)通信技術(shù)發(fā)展，未來(lái)不同平臺(tái)及組成的觀測(cè)網(wǎng)將從自動(dòng)化向智能化的方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)海底-水下-海洋表面-低空-高空的立體、綜合、智能感知。

海洋氣象觀測(cè)具有全球性，我國(guó)應(yīng)在不斷加強(qiáng)浮標(biāo)技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，通過(guò)自主實(shí)施全球海洋立體觀測(cè)、海洋-大氣自然科學(xué)研究計(jì)劃及參與國(guó)際性大科學(xué)計(jì)劃等，在全球關(guān)鍵海域如菲律賓以東的洋面建設(shè)浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)，這里是臺(tái)風(fēng)的重要源地，每年都有一定數(shù)量的臺(tái)風(fēng)生成，對(duì)我國(guó)沿海地區(qū)產(chǎn)生重要影響。利用全球海洋觀測(cè)應(yīng)用能夠提升浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)與儀器的發(fā)展，同時(shí)也可以提升海洋氣象預(yù)報(bào)和基礎(chǔ)研究水平。

另外，為保障全球海洋浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)，我國(guó)應(yīng)借鑒國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化資源配置，強(qiáng)化建設(shè)浮標(biāo)研究設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、工程應(yīng)用、運(yùn)維、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等的國(guó)家級(jí)高水平海洋浮標(biāo)科研體系，增強(qiáng)全球海洋浮標(biāo)監(jiān)測(cè)保障能力。