我國(guó)海洋水文調(diào)查設(shè)備的發(fā)展歷程

路曉磊,陳默,王小丹,周寅

(1.國(guó)家海洋局北海海洋技術(shù)保障中心 青島 266033;2.哈爾濱工程大學(xué)水聲技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 哈爾濱 150001)

0 引言

中華人民共和國(guó)成立70年來(lái),我國(guó)的海洋調(diào)查技術(shù)在各方面都取得了突破性進(jìn)展。海洋水文調(diào)查作為海洋調(diào)查的基本內(nèi)容之一,也經(jīng)歷了從無(wú)到有,能力從弱到強(qiáng)的轉(zhuǎn)變,調(diào)查設(shè)備不斷更新?lián)Q代,許多設(shè)備從調(diào)查初期的仿制到如今自主研發(fā),實(shí)現(xiàn)了從“跟跑”到“并跑”再到“領(lǐng)跑”的跨越式發(fā)展。

海洋水文調(diào)查要素一般包括:水溫、鹽度、海流、海浪、透明度、水色、海發(fā)光等[1],其中透明度、水色、海發(fā)光觀測(cè)較為簡(jiǎn)單,本研究著重介紹我國(guó)溫鹽、海流、海浪觀測(cè)設(shè)備以及海洋浮標(biāo)和潛標(biāo)的發(fā)展歷程。海洋水文調(diào)查跨度時(shí)間長(zhǎng),涉及設(shè)備眾多,本研究?jī)H就所掌握的資料對(duì)重點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行梳理和總結(jié)。

1 海洋水文調(diào)查的發(fā)展歷程

1958年9月至1960年12月開(kāi)展的“全國(guó)海洋綜合調(diào)查”開(kāi)啟了我國(guó)大規(guī)模海洋水文調(diào)查的序幕,此次調(diào)查歷時(shí)2年多,完成了91條斷面、624個(gè)大面站、327個(gè)連續(xù)站的調(diào)查[2]。通過(guò)這次調(diào)查初步掌握了我國(guó)近海海洋要素的基本特征和變化規(guī)律,出版了多部專(zhuān)著,改變了我國(guó)缺乏基礎(chǔ)海洋資料的局面,為我國(guó)海洋科學(xué)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。全國(guó)海洋綜合調(diào)查結(jié)束后,在國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)海洋組領(lǐng)導(dǎo)下,在渤海、黃海海域開(kāi)展了“近海海洋標(biāo)準(zhǔn)斷面調(diào)查”[3],并一直持續(xù)到今天。20世紀(jì)70年代我國(guó)開(kāi)展了“東海大陸架調(diào)查”和“南海中部調(diào)查”[4]。此后我國(guó)陸續(xù)開(kāi)展了一系列的重大專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查及國(guó)際合作調(diào)查。如1975—1980年開(kāi)展的“第一次全國(guó)海洋污染基線(xiàn)調(diào)查”,1980—1987年開(kāi)展的“全國(guó)海岸帶和海涂資源綜合調(diào)查”[5],1985—1990年中美在赤道和熱帶西太平洋開(kāi)展的海洋大氣相互作用合作科學(xué)考察,1986—1992 年開(kāi)展的“中日黑潮合作調(diào)查”[6],1988—1995年開(kāi)展的“全國(guó)海島資源綜合調(diào)查”,1996—2002年開(kāi)展的“第二次全國(guó)海洋污染基線(xiàn)調(diào)查”[7],2000—2003年開(kāi)展的“西北太平洋海洋環(huán)境調(diào)查與研究”,2004—2012年開(kāi)展的“中國(guó)近海資源環(huán)境綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)”專(zhuān)項(xiàng)調(diào)查[4]等。2012年國(guó)家海洋局啟動(dòng)實(shí)施了“全球變化與海氣相互作用”專(zhuān)項(xiàng),標(biāo)志著我國(guó)的海洋調(diào)查全面進(jìn)軍深遠(yuǎn)海。此外,我國(guó)還開(kāi)展了一系列的南北極科學(xué)考察、大洋科考調(diào)查等。我國(guó)的海洋水文調(diào)查技術(shù)在上述調(diào)查中取得了突破性進(jìn)展,調(diào)查手段不斷豐富,調(diào)查設(shè)備也越來(lái)越先進(jìn)。

2 海洋水文調(diào)查設(shè)備的發(fā)展歷程

我國(guó)在海洋水文調(diào)查中使用的調(diào)查設(shè)備隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷更新?lián)Q代,大致可分為3個(gè)階段。第一階段為20世紀(jì)80年代以前,調(diào)查設(shè)備主要是機(jī)械式的,體積普遍較大,操作較為復(fù)雜,精度和穩(wěn)定度較差[8],如表面溫度表、顛倒溫度表、雙聯(lián)浮筒測(cè)流裝置、印刷海流計(jì)、直讀式海流計(jì)、手搖絞車(chē)等;第二階段為20 世紀(jì)80 年代至21 世紀(jì)初期,隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展,逐漸開(kāi)始使用以電子計(jì)算機(jī)和自動(dòng)化為主的裝備,測(cè)量精度、靈敏度、穩(wěn)定度等大大提高,如溫鹽深剖面測(cè)量系統(tǒng)(CTD)、聲學(xué)多普勒流速剖面儀(ADCP)等;第三階段為21世紀(jì)至今,隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和遙感技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用,除了CTD、ADCP 等設(shè)備不斷升級(jí)外,結(jié)合實(shí)時(shí)、自主式、長(zhǎng)時(shí)間序列觀測(cè)的需要,出現(xiàn)了船載測(cè)波雷達(dá)、自沉降式剖面測(cè)量系統(tǒng)(Argo 浮標(biāo))、拋棄式溫鹽深剖面測(cè)量系統(tǒng)(XBT、XCTD)以及潛標(biāo)、浮標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)等,發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化、智能化。

2.1 溫鹽觀測(cè)設(shè)備

20世紀(jì)80年代前,溫鹽觀測(cè)設(shè)備主要依賴(lài)進(jìn)口設(shè)備和仿制的國(guó)外某些常規(guī)產(chǎn)品,設(shè)備基本都是純機(jī)械式的,如顛倒溫度表、表面水銀溫度表、機(jī)械式深度溫度計(jì)、氯度滴定計(jì)等。1965—1966 年和1971—1976年的兩次全國(guó)海洋裝備會(huì)戰(zhàn)推動(dòng)了我國(guó)海洋儀器設(shè)備的發(fā)展,突破了一些關(guān)鍵技術(shù),研制成功了多種設(shè)備,如SZC4-1 型自容式溫鹽深自記儀、SZC5-1溫鹽深自記儀、SZC3-1溫鹽深探測(cè)儀等。但受制于國(guó)內(nèi)的工業(yè)和電氣化水平,并沒(méi)有形成產(chǎn)品生產(chǎn)能力。

20世紀(jì)80年代,我國(guó)成功研制了最大工作深度分別為60 m 、1 000 m 、3 000 m 、6 000 m 的實(shí)時(shí)傳輸和自容式的溫鹽深剖面儀。如國(guó)家海洋局海洋技術(shù)研究所研制的SZC11型6 000 m 溫鹽深自記儀,在1985 年的西北太平洋錳結(jié)核調(diào)查和1987 年中日聯(lián)合黑潮調(diào)查中發(fā)揮了重要作用。1984年,國(guó)家海洋局第三海洋研究所研制了SZC7-2型拋棄式溫深儀[9]。

“九五”以來(lái),溫鹽傳感器在國(guó)家“863”計(jì)劃的支持下快速發(fā)展,攻克一些關(guān)鍵技術(shù),取得了一批高新技術(shù)成果,但距離世界先進(jìn)水平還有一定的差距,特別在深遠(yuǎn)海調(diào)查設(shè)備方面差距更大。我國(guó)深遠(yuǎn)海調(diào)查中,溫鹽測(cè)量主要有船載觀測(cè)、走航觀測(cè)、錨系觀測(cè)和拋棄式觀測(cè)等4種方式。其中:船載觀測(cè)中最常用的直讀式CTD 為SBE 911plus CTD,自容式CTD 為SBE 917 CTD;走航觀測(cè)中常用的CTD 有MVP200、MVP300等;錨系觀測(cè)中常用的CTD 有SBE37、SBE39等;大范圍的海洋調(diào)查中常輔以?huà)仐壥綔佧}深儀(XCTD)和拋棄式溫深計(jì)(XBT)等,常用的有日本TSK 公司的XCTD 和XBT。此外,根據(jù)海洋調(diào)查的不同需求,CTD 上一般還會(huì)搭載各類(lèi)傳感器,如溶解氧、p H、濁度和葉綠素等傳感器。

2.2 海流觀測(cè)設(shè)備

20世紀(jì)80年代前,我國(guó)的海流觀測(cè)設(shè)備主要是純機(jī)械式海流計(jì),如厄克曼海流計(jì)、印刷海流計(jì)。代表性產(chǎn)品是天津氣象海洋儀器廠仿制的HLJ1型印刷海流計(jì),它曾在我國(guó)早期海流觀測(cè)中發(fā)揮過(guò)重要作用并一直沿用至80年代中期[9],其流速為3～148 cm/s,流向?yàn)?°～360°(精度±5°),印刷時(shí)間間隔為5、10、15、20、30、60分鐘6種,最長(zhǎng)連續(xù)工作時(shí)間為57天,最大使用深度為250 m(HLJ1-1型)和1 200 m(HLJ1-2型)。

20世紀(jì)80年代,主要使用直讀式海流計(jì)、數(shù)字式轉(zhuǎn)子海流計(jì)和聲學(xué)海流計(jì)。如:青島海洋大學(xué)研制的SLC9-2型直讀式海流計(jì),適用于錨定船上進(jìn)行200 m 以淺不同深度處的水流速度和流向觀測(cè),同時(shí)它還可以用浮子把探測(cè)器漂離船體測(cè)量表層流速度和方向[10];海洋技術(shù)研究所研制的SLY5-1型海流計(jì)和中國(guó)科學(xué)院海洋研究所研制的SLC16-1型海流計(jì),流速測(cè)量范圍分別為0.02～2 m/s、0.03～3.5 m/s,流向測(cè)量范圍不變,精度略有提高,均為±4°數(shù)字式轉(zhuǎn)子海流計(jì)[11]。中國(guó)科學(xué)院海洋研究所和國(guó)家海洋局第三海洋研究所先后研制成功聲學(xué)多普勒海流計(jì)。此外,國(guó)外的海流觀測(cè)設(shè)備逐步進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng),如挪威安德拉RCM 系列海流計(jì)、日本ALEC 公司的AEM213-D 型直讀式電磁海流計(jì)等。

20世紀(jì)90年代后,隨著聲學(xué)多普勒流速剖面(ADCP)技術(shù)的發(fā)展,ADCP 成為主要的海流觀測(cè)設(shè)備。根據(jù)安裝方式的不同,ADCP 可以分為走航式、坐底式、錨系式、拖曳式等幾種。目前國(guó)際上領(lǐng)先的ADCP生產(chǎn)企業(yè)有美國(guó)的TRDI公司、挪威的諾泰克公司等。我國(guó)的“雪龍2”號(hào)、“向陽(yáng)紅01”號(hào)、“向陽(yáng)紅06”號(hào)、“科學(xué)”號(hào)等遠(yuǎn)海調(diào)查船均裝備了TRDI公司的OS-38型船載走航式ADCP。定點(diǎn)式ADCP主要用于潛標(biāo)、浮標(biāo)等觀測(cè)平臺(tái)中,常用的調(diào)查設(shè)備有TRID 公司的WHS-300 k Hz、WHS-600 k Hz、諾泰克公司的“闊龍”“浪龍”系列等。我國(guó)從20世紀(jì)80年代后期開(kāi)始ADCP 的相關(guān)技術(shù)攻關(guān)和樣機(jī)研制工作,“七五”期間,中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所研制了拖曳式ADCP 試驗(yàn)樣機(jī)[12];“八五”期間,國(guó)家海洋局對(duì)走航式ADCP進(jìn)行了立項(xiàng)研制并完成了試驗(yàn)樣機(jī)[13];“九五”期間,中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所和國(guó)家海洋局海洋技術(shù)研究所共同負(fù)責(zé)了國(guó)家“863”計(jì)劃ADCP 相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和樣機(jī)研制,并通過(guò)了“863”專(zhuān)家組驗(yàn)收。目前國(guó)產(chǎn)ADCP產(chǎn)品中,中國(guó)船舶715 研究所生產(chǎn)有SLS 系列自容式ADCP和SLC系列走航式ADCP,中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所研制的RIV300、RIV600、RIV1200 系列自容式ADCP等,部分產(chǎn)品性能已能達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。

2.3 海浪觀測(cè)設(shè)備

20世紀(jì)80年代之前,海浪觀測(cè)手段主要依靠人工測(cè)波,利用望遠(yuǎn)鏡、秒表等輔助設(shè)備,用純?nèi)斯さ姆椒ㄓ^測(cè)波浪要素[14]。80年代中后期開(kāi)始使用岸基光學(xué)測(cè)波儀[15],也屬于人工觀測(cè)。90年代,隨著浮標(biāo)技術(shù)的不斷進(jìn)步,波浪浮標(biāo)成為海浪觀測(cè)的主力設(shè)備,波浪浮標(biāo)一般都采用球體設(shè)計(jì),以便具備良好的隨波性。山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所、國(guó)家海洋技術(shù)中心、中國(guó)海洋大學(xué)先后研制了SBF3-X 型、SBA3-2型、SZF 型波浪浮標(biāo)。荷蘭Datawell公司生產(chǎn)的 MARK 型“波浪騎士”(Waveriders)波浪浮標(biāo),作為國(guó)際上公認(rèn)領(lǐng)先的測(cè)波設(shè)備也在國(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用[16]。目前,除波浪浮標(biāo)外,海浪測(cè)量設(shè)備主要還有海洋衛(wèi)星和測(cè)波雷達(dá),如“海洋二號(hào)”系列衛(wèi)星,包括2011年發(fā)射的HY-2A 衛(wèi)星、2018年發(fā)射的HY-2B 衛(wèi)星以及2018年發(fā)射的中法海洋衛(wèi)星(CFOSAT)等,可對(duì)海面風(fēng)場(chǎng)、海流、海浪、海面溫度等海洋動(dòng)力環(huán)境參數(shù)進(jìn)行全天時(shí)、全天候監(jiān)測(cè)。測(cè)波雷達(dá)方面,國(guó)家海洋技術(shù)中心、哈爾濱工程大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)等均研制了相關(guān)的X 波段測(cè)波雷達(dá)樣機(jī)[17],也引進(jìn)了如德國(guó)Ocean Waves公司生產(chǎn)的Wa MosⅡ測(cè)波雷達(dá)等相關(guān)設(shè)備。

2.4 海洋浮標(biāo)和潛標(biāo)

我國(guó)的海洋浮標(biāo)研制起步于1965年,首套浮標(biāo)為船型結(jié)構(gòu)[18]。20世紀(jì)70年代,山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所自主研制了HFB-1型海洋水文氣象浮標(biāo),曾在我國(guó)的海洋環(huán)境觀測(cè)中發(fā)揮過(guò)重要作用。20世紀(jì)80年代之后,在國(guó)家“863”計(jì)劃等項(xiàng)目的支持下,研制成功了直徑3～10 m 的一系列浮標(biāo)產(chǎn)品,如FZF2-1型(后發(fā)展為FZF2-2型、FZF2-3型、FZF3-1型)、FZF4-1 型等大型海洋資料浮標(biāo),直徑均為10 m[19]。海洋資料浮標(biāo)能夠長(zhǎng)期、連續(xù)、全天候自動(dòng)觀測(cè),可以獲取海洋水文、氣象、水質(zhì)、生態(tài)、動(dòng)力等海洋環(huán)境參數(shù)[20]。我國(guó)的海洋資料浮標(biāo)在性能上總體達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,可完全滿(mǎn)足我國(guó)近海長(zhǎng)期業(yè)務(wù)化觀測(cè)需求。2012年,由國(guó)家海洋局第一海洋研究所自主集成研發(fā)的我國(guó)首套深海浮標(biāo)“白龍浮標(biāo)”布放安達(dá)曼海,2019年,中國(guó)第35次南極考察隊(duì)在西風(fēng)帶布放了我國(guó)首個(gè)西風(fēng)帶環(huán)境監(jiān)測(cè)浮標(biāo)。此外,我國(guó)也研制了海洋剖面觀測(cè)浮標(biāo)(Argo浮標(biāo))、通量觀測(cè)浮標(biāo)、核輻射監(jiān)測(cè)浮標(biāo)、海冰浮標(biāo)、光學(xué)浮標(biāo)、聲學(xué)浮標(biāo)、赤潮浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)、子母浮標(biāo)、通信中繼浮標(biāo)等專(zhuān)用浮標(biāo)[21]。

潛標(biāo)系統(tǒng)作為海洋調(diào)查的重要設(shè)備之一,一般由水下部分和水上甲板單元組成。水下部分主要包括主浮體、探測(cè)傳感器、纜繩、玻璃浮球、聲學(xué)釋放器、重力錨等組成[22]。我國(guó)潛標(biāo)系統(tǒng)的研制工作始于20世紀(jì)80年代,經(jīng)過(guò)30余年的發(fā)展,我國(guó)的潛標(biāo)技術(shù)在設(shè)計(jì)建模、布放深度、系統(tǒng)回收率和可靠性等方面已經(jīng)達(dá)到世界先進(jìn)水平。中國(guó)海洋大學(xué)首次在我國(guó)南海建設(shè)了國(guó)際上最大規(guī)模的區(qū)域潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)。2017年,中國(guó)科學(xué)院深海科學(xué)與工程研究所在馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者”深淵中布放回收了萬(wàn)米錨系潛標(biāo)系統(tǒng),獲得了深淵中多層深度近一年的溫鹽和海流連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

3 問(wèn)題及建議

3.1 存在的問(wèn)題

經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,我國(guó)的海洋水文調(diào)查設(shè)備獲得了飛躍性發(fā)展,取得了豐碩的成果,成功解決了一些關(guān)鍵核心技術(shù),有的產(chǎn)品性能已經(jīng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平,但也存在著很多問(wèn)題。主要表現(xiàn)為:①海洋傳感器核心技術(shù)依然落后,面臨“卡脖子”問(wèn)題。雖然我國(guó)已能自主研發(fā)部分傳感器,但在精度、可靠性、穩(wěn)定性等方面與國(guó)外傳感器相比仍處于劣勢(shì),大部分設(shè)備仍處于集成創(chuàng)新階段。②產(chǎn)業(yè)化水平低,技術(shù)研發(fā)與資本市場(chǎng)未能有效結(jié)合。由于海洋設(shè)備研發(fā)周期長(zhǎng)、耗資大、需求有限,因此投資風(fēng)險(xiǎn)較高,資本參與的積極性不高,研究機(jī)構(gòu)主要為高校和研究院所,經(jīng)費(fèi)主要依靠國(guó)家撥款,設(shè)備也主要用于科研項(xiàng)目,沒(méi)有形成需求驅(qū)動(dòng),產(chǎn)學(xué)研未能有效結(jié)合。③用戶(hù)對(duì)于部分國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品信心不足,購(gòu)買(mǎi)意愿低。

3.2 建議

(1)建議盡快出臺(tái)國(guó)家層面“海洋強(qiáng)國(guó)”的頂層設(shè)計(jì)和長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃,從政策層面鼓勵(lì)支持企業(yè)投入前沿基礎(chǔ)研究和核心技術(shù)研發(fā),激發(fā)創(chuàng)新活力。制定相應(yīng)的利益共享和分配機(jī)制,提高企業(yè)積極性,充分利用資本力量,加快科技成果轉(zhuǎn)化。

(2)加強(qiáng)軍民融合,實(shí)現(xiàn)軍民優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。完善軍民協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制,促進(jìn)軍民科技互融互通和轉(zhuǎn)化應(yīng)用。整合運(yùn)用軍地科研力量和資源,引導(dǎo)軍地科研人員加強(qiáng)基礎(chǔ)技術(shù)研究,聯(lián)合攻關(guān)核心技術(shù),補(bǔ)齊核心技術(shù)短板。