面向典型海洋現(xiàn)象觀測的水下滑翔機應用綜述

楊紹瓊, 成丹, 陳光耀, 羅辰奕, 牛文棟, 馬偉, 法帥

1. 天津大學機械工程學院機構(gòu)理論與裝備設計教育部重點實驗室, 天津 300350;

2. 天津大學青島海洋技術研究院, 山東 青島 266237;

3. 青島海洋科學與技術試點國家實驗室, 海洋觀測與探測聯(lián)合實驗室, 山東 青島 266237

隨著衛(wèi)星遙感技術、浮標、潛標及水下航行器等新型觀測手段的日益成熟, 海洋觀測平臺越來越多樣化, 主要分為岸基觀測平臺、船基觀測平臺、浮標系統(tǒng)、海床基平臺、運動式觀測平臺、航空觀測平臺和航天觀測平臺(任杰, 2019), 其中, 自主水下航行器和水下滑翔機AUG(autonomous underwater glider)屬于移動式觀測平臺, 能夠完成典型的海洋現(xiàn)象觀測任務。水下滑翔機相對于自主水下航行器具有長時續(xù)的優(yōu)勢, 已被廣泛應用于海洋觀測試驗。

1 發(fā)展歷程

水下滑翔機的概念最早由美國海洋學家Henry Stommel 于1989 年提出。美國伍茲霍爾海洋研究所工程師Douglas C. Webb 等人在1991 年設計并制造出了第一臺水下滑翔機樣機, 命名為 Slocum,同時完成驗證試驗(Simonetti, 1998)。第一代Slocum 使用的電源為堿性電池。隨著技術的發(fā)展與進步, 美國Teledyne Webb Research 公司2017 年發(fā)布了最新電能Slocum 水下滑翔機(第三代), 供電電源種類分為堿性電池、可充電鋰電池和一次性鋰電池三種, 至今航程范圍約7000km。截至2021年, 據(jù)不完全資料統(tǒng)計, 美國 Teledyne Webb Research 公司已經(jīng)向70 多家用戶機構(gòu)提供了近500臺Slocum 水下滑翔機, 遍及了20 多個國家(Jones et al, 2014)。此外, 國外目前較為主流的成熟水下滑翔機產(chǎn)品還包括美國斯克里普斯海洋研究所研制的水下滑翔機Spray 和美國華盛頓大學研制的水下滑翔機Seaglider(Rudnick et al, 2004), 如圖1b、c所示。

國內(nèi)水下滑翔機研究始于本世紀初, 天津大學于 2002 年開始第一代水下滑翔機的研發(fā)工作,在2005 年完成了溫差能驅(qū)動水下滑翔機樣機的研制并進行水域試驗。2007 年研制出“海燕”(Petrel)混合推進水下滑翔機樣機, 如圖1d 所示。“十二五”期間研制出“海燕-Ⅱ”水下滑翔機(王樹新 等, 2005,2006)。2018 年4 月, 研發(fā)的“海燕-X”深淵級水下滑翔機原理樣機在馬里亞納海溝成功下潛至8213m(Li et al, 2019; Wang et al,2019)。兩年后, 第二代“海燕-XPLUS”深淵級水下滑翔機連續(xù)下潛超萬米, 最深至 10619m, 標志萬米深海研究邁入無人持續(xù)斷面觀測新時代(吳立新 等, 2020)。2018 年11 月, “海燕-L”長航程水下滑翔機在中國南海無故障連續(xù)運行141 天, 完成剖面734 個, 續(xù)航里程達到了3619.6km (Yang et al, 2019)。2020 年, “海燕-L”無故障運行301 天, 續(xù)航里程達4435km(Wang et al, 2021)。2021 年, “海燕-L”將這一當時國內(nèi)續(xù)航里程紀錄提升至5000km 級。

中國科學院沈陽自動化研究所2005 年成功開發(fā)了水下滑翔機的原理樣機, 至今已經(jīng)研發(fā)出“海翼1000”、“海翼7000”等不同下潛深度的各型水下滑翔機, 其中“海翼7000”下潛深度達7076m。華中科技大學2013 年研制出噴水推進型深?；铏C,是采用北斗導航定位的水下滑翔機, “海鷹”噴水推進型水下滑翔機航程達 600km, 下潛深度達1200m(鄒達明, 2019)。此外, 國內(nèi)相繼研制出的水下滑翔機還有浙江大學的ZJU 水下滑翔機、中國船舶重工集團有限公司第七一〇 研究所的“海鱘”水下滑翔機, 西北工業(yè)大學的翼身融合水下滑翔機和上海交通大學的“海鷗”水下滑翔機等。同時與水下滑翔機的相關研究也在不斷推進, 如浙江大學Yang 等(2014)、國家海洋技術中心秦玉峰 等(2016)、中國船舶重工集團公司第七一 〇研究所陳剛 等(2014)、上海交通大學倪園芳 等(2008)、西北工業(yè)大學田文龍 等(2013)都對水下滑翔機作出了分析。水下滑翔機的續(xù)航能力、耐壓性等特性在不斷提高,為海洋觀測提供了保障。

2 運行方式

水下滑翔機由浮標技術發(fā)展而來(Stommel,1989), 依靠浮力驅(qū)動系統(tǒng)提供動力, 由重力和浮力產(chǎn)生凈浮力, 和機翼產(chǎn)生的水動升力共同作用使水下滑翔機實現(xiàn)由水面向下運動, 到達預定深度后,通過液泵將油液壓入到外皮囊中增加凈浮力并結(jié)合電池包位置的改變來調(diào)整姿態(tài), 同時結(jié)合水升動力實現(xiàn)向上運動, 形成鋸齒型的運動軌跡; 另外, 機翼使得水下滑翔過程更加高效節(jié)能(劉方, 2014)。水下滑翔機完成一次鋸齒型運動后, 將采集得到的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星傳給控制中心, 再根據(jù)控制中心的指令進行下一步的任務。與浮標不同的是, 水下滑翔機在下潛上浮過程中一直保持數(shù)據(jù)采集, 部分尾部帶有螺旋槳的水下滑翔機可在下潛結(jié)束之后保持水下采樣; 水下滑翔機檢測到航線偏離, 能夠通過尾舵或者橫滾電池包來實現(xiàn)航向調(diào)節(jié)。通過多機協(xié)同、編隊組網(wǎng), 以及和波浪滑翔機等海洋設備異構(gòu)組網(wǎng),可實現(xiàn)對中尺度渦等典型海洋現(xiàn)象進行大范圍、長時續(xù)的綜合立體觀測與探測。

3 專用傳感器

水下滑翔機作為觀測平臺, 對其搭載的傳感器也有一定要求。以觀測海洋現(xiàn)象為目的的觀測任務需要搭配相應的傳感器, 同時傳感器需要保證水下滑翔機低能耗、長續(xù)航觀探測能力, 在體積、質(zhì)量和能耗方面進行適應性改進(沈新蕊 等, 2018)。目前, 多種傳感器已經(jīng)實現(xiàn)在水下滑翔機上的集成應用, 常用的傳感器種類如表1 所示(薛冬陽, 2017)。由此實現(xiàn)對溫度、鹽度、壓力、流速、湍流(Palmer et al, 2015, Wijesekera et al, 2020)、風速、浮游動植物生物量、溶解氧、輻照度、輻亮度(Baumgartner et al, 2008; Hodges et al, 2009; Carvalho et al, 2016)、CO2濃度、pH (Wright-Fairbanks et al, 2020)、硝酸鹽、碳氫化合物、懸浮泥沙顆粒(Todd et al, 2009)、聲波(Ferguson et al, 2010; Matsumoto et al, 2010; Wall et al, 2012; Klinck et al, 2012; Guihen et al, 2014; Liu et al, 2018; 王超 等, 2018; 王文龍 等, 2019; Lee et al,2019; Aniceto et al, 2020; Baumgartner et al, 2020;Bolgan et al, 2020)等海洋眾多要素的觀測。

表1 常用水下滑翔機可搭載的任務傳感器Tab. 1 Common mission sensors for underwater gliders

4 典型海洋現(xiàn)象觀測

水下滑翔機可搭載多類型的傳感器, 在眾多的海洋觀探測平臺中, 最具優(yōu)勢和應用前景(薛冬陽, 2017)。水下滑翔機的長續(xù)航、靈活性、穩(wěn)定性、自主性等優(yōu)勢在對海洋中尺度渦、中尺度的海島尾流、內(nèi)波、湍流、邊界流、鋒面、水交換(Todd, 2020b;Brun et al, 2020)、水質(zhì)水文、臺風過境等現(xiàn)象觀測中被充分證明, 與其他觀測手段的互補采樣, 使海洋現(xiàn)象觀測立體化、更高效。

4.1 中尺度渦現(xiàn)象觀測

中尺度渦是一種普遍存在的中尺度海洋現(xiàn)象,通常指時間尺度為幾天至幾個月、空間尺度達到幾百公里甚至上千公里的封閉式的渦旋, 影響著海洋環(huán)境中溫鹽輸運、能量傳遞、浮游生物的濃度、海洋氣候等。早期對于該現(xiàn)象的觀測以船舶走航方式為主, 數(shù)據(jù)準確度比較高但是依賴于觀測站點密度,橫向分辨率普遍較低。之后的衛(wèi)星觀測技術提高了精度和分辨率, 但是此種觀測方式對于中尺度渦本身三維結(jié)構(gòu)反演存在困難。

水下滑翔機目前已在太平洋、大西洋等海域進行了大量面向中尺度渦的海上試驗, 充分驗證了其適用性, 具體如表2 所示。首先, 水下滑翔機的續(xù)航能力滿足跟蹤觀測中尺度渦現(xiàn)象的性能要求, 例如美國加利福尼亞合作海洋漁業(yè)調(diào)查項目是目前世界上運行時間最長、最早利用水下滑翔機進行海洋持續(xù)性觀測的應用項目。水下滑翔機在該項目中共橫穿了63 次渦旋(Pelland et al, 2013)。其次, 水下滑翔機的運動軌跡為鋸齒型, 可實現(xiàn)橫穿中尺度渦的三維立體采樣, 便于獲得從渦心至最大半徑范圍內(nèi)的海洋參數(shù)數(shù)據(jù), 從而分析渦旋垂直結(jié)構(gòu), 并觀測到精確的季節(jié)性變化(Hristova et al, 2014)。天津大學的Li 等(2018)利用“海燕”水下滑翔機在南海對海面高度異常的渦旋進行了精細化觀測, 如圖2 所示, 4臺“海燕”水下滑翔機沿著東北—西南方向穿過渦旋得到垂直方向的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù), 采用復合分析的方法在以渦心原點坐標系中構(gòu)建了反氣旋渦旋的三維結(jié)構(gòu), 結(jié)果顯示該渦旋溫度影響深度達700m、鹽度影響深度達300m 的特點。2014 年9 月至12 月期間, 歐洲 ABACUS (Algerian Basin Circulation Unmanned Survey)觀測項目在巴利阿里群島和阿爾及利亞海岸的中間海域?qū)嵤┝艘淮吾槍χ谐叨葴u的觀測任務, 通過Slocum 水下滑翔機和遙感數(shù)據(jù)結(jié)合得到了渦旋的結(jié)構(gòu)與直徑, 證實了渦旋來自阿爾及利亞洋流, 同時通過計算垂直準地轉(zhuǎn)速度, 得到了渦旋垂直方向上的不對稱結(jié)構(gòu)(Cotroneo et al,2016)。

表2 水下滑翔機在觀測海洋中尺度渦中的應用Tab. 2 Application of underwater gliders for observing mesoscale eddies

在對渦旋結(jié)構(gòu)進行詳細觀測同時, 水下滑翔機也能獲得渦旋的動力學特征、來源和演變信息。中國科學院南海海洋研究所熱帶海洋學國家重點實驗室的Yu 等(2017)于2012 年7 月至2015 年7 月的3年間, 使用Seaglider 水下滑翔機以螺旋軌跡形式進入羅弗頓盆地渦旋進行觀測, 通過計算Rossby 數(shù)等動力學參數(shù)分析了地轉(zhuǎn)效應的重要性, 確定了該渦旋的非線性, 比缺少非線性影響計算的基于衛(wèi)星觀測的方法更加精確。風暴對于渦旋的影響也能通過水下滑翔機數(shù)據(jù)進行研究。2010 年7 月, 意大利國家海洋和實驗地球物理研究所的Poulain 等(2020)在利古里亞海通過水下滑翔機、漂流浮標發(fā)現(xiàn)了風暴擾動渦旋使其破壞和逆轉(zhuǎn)的現(xiàn)象, 并利用ROMS 模式成功驗證風暴對于渦旋的作用。此外, 由于水下滑翔機的生產(chǎn)、維護、布放等成本低, 采用水下滑翔機, 捕捉水面下不明顯的中尺度渦現(xiàn)象, 從而彌補衛(wèi)星觀測不足, 例如高緯度地區(qū)出現(xiàn)海洋表面溫度掩蓋極地渦旋的情況, 使用的傳統(tǒng)衛(wèi)星觀測方法失效, 蘇格蘭海洋科學協(xié)會的Porter 等(2020), 2017年在巴倫支海部署了水下滑翔機, 實現(xiàn)對此極地渦旋的監(jiān)測。

4.2 臺風作用下海洋現(xiàn)象觀測

臺風對人類生命財產(chǎn)安全、海洋的生態(tài)系統(tǒng)都有著顯著影響。近20 年里, 美國氣象預報中心對臺風移動軌跡的預測誤差越來越小, 這是基于對氣象預報數(shù)值模型的改進和針對不同觀測方式收集到的海洋觀測數(shù)據(jù)同化結(jié)果(Jones et al, 2014)。上層海洋的熱結(jié)構(gòu)與臺風強度演化密切相關, 因此對臺風強度的研究和預測十分依賴現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)。然而, 由于臺風的特殊性, 目前主流觀測手段均具有一定局限性, 例如衛(wèi)星觀測僅可提供海洋表層水文觀測, 浮標類設備無法進行定點觀測, 潛標等定點觀測設備則位置較為固定,覆蓋范圍較為有限, AUV 型自主水下航行器的作業(yè)時間較短, 難以滿足預測臺風路徑的要求, 而水下滑翔機在這種惡劣的海洋天氣條件下仍然能夠進行觀測任務, 可有效提供關鍵數(shù)據(jù)。表3 為水下滑翔機在各個海域中對臺風的觀測應用。

表3 水下滑翔機在觀測臺風作用下海洋中的應用Tab. 3 Application of underwater gliders for observing ocean influenced by typhoon

西北太平洋和大西洋中部均是臺風頻發(fā)地區(qū),故對于臺風的觀測基本在這些海域進行。水下滑翔機應用于臺風過境前后的水文特征變化觀測, 可通過對比過境前后的溫鹽變化, 分析上層海洋環(huán)境對臺風過程的響應。Hsu 等(2019)分析了2010 年至2013 年間16 臺水下滑翔機在呂宋海峽觀測得到的溫鹽數(shù)據(jù), 得出了臺風前的海洋上層溫躍層梯度是決定海洋響應中次表層變暖幅度的重要因素。

臺風過境后引起海洋的沉積物再懸浮、生產(chǎn)力變化、冷尾跡的演變等也是研究重點。2009 年11月颶風諾爾伊達期間, 美國羅格斯大學的Miles 等(2013)在新澤西州塔克頓地區(qū)部署了2 臺搭載了光學傳感器的水下滑翔機, 通過結(jié)合高頻雷達和浮標數(shù)據(jù), 分析了臺風引起沉積物再懸浮和輸運的時空變異性, 描述了波浪和風驅(qū)動泥沙在水體中沿大陸架向西南方向輸運的特點。德國亥姆霍茲研究所的Schultze 等(2020)利用2014 年8 月的水下滑翔機數(shù)據(jù), 計算了臺風引起的湍流通量變化, 驗證了臺風對陸架海底層到表層湍流通量的增強作用。美國華盛頓大學在2010 年北太平洋西部臺風凡亞比經(jīng)過前與經(jīng)過后兩個月的時間里采用了9 臺Seaglider 水下滑翔機、浮標等設備以及船舶, 對冷尾跡的演化過程及影響該過程的因素進行了分析(Mrvaljevic et al, 2013)。

此外, 臺風引起的海洋響應會對臺風強度產(chǎn)生反饋作用。美國羅格斯大學的 Glenn 等(2016)利用2011 年8 月颶風艾琳期間布放于新澤西州附近海域的水下滑翔機數(shù)據(jù)和高頻雷達測得的流速數(shù)據(jù), 結(jié)合模型結(jié)果對颶風艾琳強度突變事件進行了研究。研究指出, 臺風引起的沿岸斜壓流可使上層海洋大幅度降溫, 從而臺風強度減弱, 海洋響應對臺風強度呈負反饋調(diào)節(jié)。圖3 所示為羅格斯大學的Seroka 等(2017)利用這次的水下滑翔機數(shù)據(jù), 結(jié)合AUV 及高頻雷達數(shù)據(jù), 對強度發(fā)生變化的颶風艾琳和巴里期間的沿海層狀海洋冷卻過程進行的研究。

4.3 內(nèi)波和海洋微結(jié)構(gòu)湍流觀測

水下滑翔機由于自身相對緩慢的移動速度, 使其能夠作為測量內(nèi)波和微結(jié)構(gòu)湍流等高頻動態(tài)過程的有效觀測平臺。海洋內(nèi)波是指在海水穩(wěn)定、層化的海洋中產(chǎn)生的、最大振幅出現(xiàn)在海洋內(nèi)部的波動。由于其隨時間和空間而隨機變化, 并且頻率范圍很寬, 故需要在較大的時間尺度內(nèi)快速密集地取樣,其中最為關鍵的參數(shù)是海水的垂向速度, 結(jié)合溫度和位勢密度的等溫線和等容線變化, 便可以確定內(nèi)波的出現(xiàn)位置, 如圖4 所示。美國斯克里普斯海洋研究所的Rudnick 等(2013)利用高通濾波器對原始垂向速度進行過濾得到垂向速度的方法, 同時利用水下滑翔機的靈活性, 僅通過1 臺水下滑翔機便得到潮汐內(nèi)波在南海的頻率變化特征。英國南安普頓國家海洋中心的Merckelbach 等(2010)則提出一個垂向速度估計方法, 假定水下滑翔機在水下保持穩(wěn)態(tài)航行, 建立動力學模型, 通過水下滑翔機在內(nèi)波海域測得的實際垂向速度與模擬靜止海域垂直速度之差來估計內(nèi)波速度, 并用2008 年在利翁灣的實際觀測數(shù)據(jù)驗證了其可行性。

表4 為水下滑翔機關于內(nèi)波、湍流觀測的海上試驗總結(jié)。中國南海北部具有顯著的海水垂直層化季節(jié)變化及劇烈變化的海底地形特征, 是孤立內(nèi)波活動的多發(fā)區(qū), 內(nèi)波峰高谷深, 垂直作用力很大,會影響海洋生態(tài)環(huán)境和船舶安全等(蔡樹群 等,2011)。水下滑翔機能夠?qū)崿F(xiàn)準實時現(xiàn)場觀測, 結(jié)合系泊、船基測量, 可為內(nèi)波的生成、變異與能量收支的模擬提供現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù), 從而獲得其生命周期詳細情況(Alford et al, 2015)。Palmer 等(2015)利用集成有MicroRider 的Slocum 水下滑翔機對凱爾特海進行微結(jié)構(gòu)湍流觀測, 推導出了湍流動能耗散率與擴散率數(shù)值, 進行對于微尺度湍動特性的研究。

表4 水下滑翔機在觀測內(nèi)波湍流中的應用Tab. 4 Application of underwater gliders for observing internal wave and turbulence

除了內(nèi)波與湍流本身特性的觀測, 水下滑翔機也用于研究其他海洋現(xiàn)象對海洋微結(jié)構(gòu)湍流和內(nèi)波的作用。2017 年11 月至2018 年3 月期間, 英國南安普頓國家海洋學中心的Fernández-Castro 等(2020)利用Seaglider 水下滑翔機對反氣旋渦旋的湍流耗散過程進行了觀測, 并總結(jié)出兩種波-渦相互作用機制,即渦旋相對渦度對近慣性波能量的捕獲和大陸坡產(chǎn)生的內(nèi)波進入渦旋切變中的臨界層。此外, 即使在北極具有冰層的惡劣條件下, 水下滑翔機從開放水域運行至冰蓋下方, 分別收集開放水域、半覆蓋冰蓋水域和完全覆蓋冰蓋水域的垂直剖面數(shù)據(jù), 通過分析這三種情況下的頻譜圖, 得出北極冰蓋覆蓋面積對內(nèi)波的產(chǎn)生和傳播以及垂直混合的影響規(guī)律(Cole et al, 2018)。

4.4 海洋鋒面現(xiàn)象觀測

鋒面是不同水團或海域之間的邊界, 在海水密度、溫度或鹽度等水文特性方面通常具有較大水平梯度。水下滑翔機的工作深度可覆蓋鋒面的垂向范圍, 同時其優(yōu)異的續(xù)航能力可為鋒面的年際變化研究提供支持(Powell et al, 2015)。不僅如此, 水下滑翔機在空間上可進行高分辨率的測量, 同時在惡劣的氣象條件下具有較好的工作能力, 例如巴利阿里大學的Ruiz 等(2009)利用水下滑翔機、船舶、衛(wèi)星對巴利阿里鋒面進行觀測時, 船舶采樣不能在惡劣的氣象條件下采樣, 造成了水下滑翔機數(shù)據(jù)與船舶數(shù)據(jù)之間3 天的時間誤差。

通過較為全面地歸納各個水下滑翔機觀測鋒面的試驗(表5)可以得到, 鋒面觀測涉及內(nèi)容較廣, 基于這些試驗的水下滑翔機數(shù)據(jù), 可分析得到浮游動植物梯度(Powell et al, 2015)、水平密度梯度(Swart et al, 2020)、葉綠素(Thomsen et al, 2016)、水文等鋒面特征, 從而實現(xiàn)對各種鋒的水文結(jié)構(gòu)、各種海洋現(xiàn)象或者風等對鋒面的影響、探究熱鹽含量、浮游動植物等變化的研究。由日本海洋國家漁業(yè)研究所2016 年4 月到6 月使用Seaglider 水下滑翔機在日本海進行觀測得到的具有中尺度水文結(jié)構(gòu)的渦旋, 研究得出是由副極地鋒、對馬暖流和圍繞日本中部海域佐藤島附近水流形成的, 同時文章也對副極地鋒和對馬暖流的地轉(zhuǎn)輸送量也進行了估算, 并對水團進行了分類(Wagawa et al, 2020)。風速與表層密度鋒之間的關系是由瑞典哥德堡大學的Swart 等(2020)于2018 年在南極冰邊緣區(qū)部署的水下滑翔機等設備發(fā)現(xiàn)的, 文章得出了高風速情況會導致南極海洋表層密度鋒消散的結(jié)論。如圖5 所示, Swart 等人觀測到了由鹽度橫向變化控制的表層海洋橫向密度鋒,結(jié)合Sail buoy 浮標等設備測得的風速, 探究了風速與表層密度鋒之間的關系。美國俄勒岡州立大學地球、海洋和大氣科學學院的Sanchez-Rios 等(2020)研究了鋒面邊緣暖流的脫離是否會影響該地區(qū)的整體熱鹽含量, 并對熱鹽含量的增加進行分析解釋,認為可能是沿等密度線混合作用導致區(qū)域溫度鹽度增加, 其中溫度、鹽度和速度數(shù)據(jù)在2012 年冬季是從部署在墨西哥灣流北緣的拖曳CTD、船載ADCP和水下滑翔機上收集的。浮游動植物方面, 美國斯克里普斯海洋研究所的Powell 等(2015)研究了水下滑翔機跑航經(jīng)過的表層密度鋒的季節(jié)性變化。

表5 水下滑翔機在觀測鋒面中的應用Tab. 5 Application of underwater gliders for observing ocean fronts

4.5 大洋邊界流及部分大洋環(huán)流系統(tǒng)觀測

整個大洋邊界流系統(tǒng)對于地球大洋洋流循環(huán)、溫鹽輸運、浮游生物遷徙、人類社會生產(chǎn)活動以及全球的氣候都有著極其重要的影響。水下滑翔機能夠憑借其穿流、可提供水文生化等觀測數(shù)據(jù)和長續(xù)航能力, 在較強的西邊界流、東邊界流和邊緣海域的邊界流中持續(xù)觀測, 所以目前在邊界流海洋觀測領域有著比較廣泛的應用, 如表6 所示。水下滑翔機主要被用于測量邊界流的速度、溫度、鹽度以及生化要素的變化, 其長續(xù)航能力也解決了邊界流的季節(jié)性或年際變化問題。水下滑翔機作為最合適的觀測平臺, 可以補充現(xiàn)有的邊界流海洋觀測網(wǎng)絡,連接起公海和沿海的觀測。

表6 水下滑翔機在觀測邊界流及部分大洋環(huán)流中的應用Tab. 6 Application of underwater gliders for observing boundary current

西邊界流具有尺度小、流速快、垂直方向深等特點, 同時流動的不穩(wěn)定性以及受地形、海岸線的影響產(chǎn)生多尺度湍流運動, 僅采用衛(wèi)星高度計、Argo 等觀測方式, 難以達到精確觀測的目的(吳立新 等, 2013)。同時由于海洋觀測設施的原因, 難以進行船舶、浮標等的觀測。比如在對新幾內(nèi)亞潛流的觀測試驗中, 周邊的海洋觀測設施不完善阻礙了科研船和 Argo 浮標的應用, Consortium on the Ocean′s Role in Climate 項目采用水下滑翔機橫穿所羅門海來彌補現(xiàn)場觀測的不足, 同時通過分析2007年到2010 年三年間的水下滑翔機觀測數(shù)據(jù), 總結(jié)了新幾內(nèi)亞海岸潛流在厄爾尼諾現(xiàn)象和拉尼娜現(xiàn)象影響下的反應(Davis et al, 2012)。

太平洋的東邊界流是一支流動緩慢、幅度寬廣的海流, 加利福尼亞環(huán)流作為東邊界流的一部分,流量和年際變化大的同時會對海洋生物在海洋內(nèi)的分布情況產(chǎn)生巨大影響。在 Southern California Coastal Ocean Observing System (SCCOOS)項目的支持下, 美國斯克里普斯海洋研究所在2005 年開始利用Spray 水下滑翔機沿著加利福尼亞觀測路線收集海洋數(shù)據(jù)。Todd 等(2011)在2006 至2009 年利用水下滑翔機(軌跡如圖6 所示)獲得的高分辨率觀測數(shù)據(jù)經(jīng)過詳細分析后, 在很大程度上提高了描述南加利福尼亞區(qū)域內(nèi)的極地潛流流向和年際變化的精確程度, 驗證了水下滑翔機海洋觀測網(wǎng)絡對于精細化觀測邊界流等長時續(xù)海洋現(xiàn)象的有效性和重要性。

除了對邊界流的觀測, 水下滑翔機也應用于赤道洋流及其他大洋環(huán)流系統(tǒng)的觀測。2009 年6 月到2014 年1 月, 美國斯克里普斯海洋研究所在菲律賓海部署水下滑翔機, 沿經(jīng)線重復觀測獲得北赤道流的小尺度鹽度變化由于大尺度平均鹽度梯度的變化而增強的現(xiàn)象, 同時對北赤道流由于中尺度渦而產(chǎn)生的潛流進行了觀測, 獲得了潛流與上層北赤道流之間的動態(tài)聯(lián)系 (Sch?nau et al, 2015)。2014 年至2016 年, 蘇格蘭海洋科學協(xié)會對大西洋羅科爾深海高原上的北大西洋流進行了觀測, 對環(huán)流和北大西洋流分支的運輸進行量化, 通過水下滑翔機數(shù)據(jù)計算絕對地轉(zhuǎn)速度, 描述輸運的時空變化規(guī)律, 并同時確定了北大西洋兩個北向流動的分支, 即哈頓河岸急流和羅科爾河岸急流。此次試驗中, 水下滑翔機與衛(wèi)星相比, 優(yōu)勢在于對哈頓-羅科爾盆地的中小尺度洋流進行了良好觀測(Houpert et al, 2018)。

4.6 海洋生物化學方面水質(zhì)觀測

海洋水質(zhì)一般包括海洋的化學、物理、生物性質(zhì), 主要監(jiān)測項目為溫鹽、濁度、pH(Wright-Fairbanks et al, 2020)、懸浮物、溶解氧(楊紹瓊 等,2021)等。水下滑翔機搭載相應傳感器實現(xiàn)水質(zhì)監(jiān)測的方式, 在時間和空間上都滿足實驗條件, 同時與其他觀測方式相比, 具有成本少、分辨率高(Sheehan et al, 2020)、時間跨度大、多樣化等優(yōu)勢。表7 為在熱帶、亞熱帶和高緯度地區(qū)進行的水下滑翔機監(jiān)測區(qū)域海洋生物化學方面水質(zhì)的實驗。

表7 水下滑翔機在觀測水質(zhì)水文中的應用Tab. 7 Application of underwater gliders for observing water quality and hydrology

水下滑翔機主要觀測海洋水體溫鹽, 以及對區(qū)域海洋的葉綠素濃度進行監(jiān)測, 從而得到區(qū)域海洋水華現(xiàn)象的時間、空間特征, 并了解海洋氣象等因素對浮游植物、浮游動物等影響, 如渦旋中葉綠素的分布(Todd et al, 2009)、風暴對葉綠素的影響(Chen et al, 2020)、內(nèi)波驅(qū)動葉綠素層演變(Hodges et al,2009)等; 少數(shù)水質(zhì)試驗是關于pH、硝酸鹽、碳酸鹽等的監(jiān)測, 增加對生物地球化學循環(huán)和海洋酸化等的理解; 同時也有對海洋有害藻類繁殖的監(jiān)測, 例如2010 年春季在南加利福尼亞州中部地區(qū)附近海域開展的一項水下滑翔機觀測研究, 目的是了解季節(jié)性浮游植物大量繁殖與上升流、含有污水的羽流以及其他可能造成營養(yǎng)輸入現(xiàn)象的關系。通過對幾個月的水下滑翔機觀測數(shù)據(jù)與環(huán)境樣品處理器數(shù)據(jù)結(jié)合分析, 得到了上層海洋有害藻類水華發(fā)展演變的多維特征(Seegers et al, 2015)。羅格斯大學的Filipa 和Josh 等人將FIRe 傳感器(一種水下熒光激發(fā)衰減分析儀)集成到Slocum 水下滑翔機上, 在南極洲的帕默峽谷對平均光合作用效率、浮游植物生物量和溫度進行了觀測, 觀測結(jié)果如圖7 所示。文章進而利用水下滑翔機采樣結(jié)果得到海水中藻類等浮游植物分布在時間和空間上的變化, 分析了不同混合層深度對光適應反應的影響(Carvalho et al, 2016)。

4.7 水下聲學現(xiàn)象觀測

聲學傳感器技術在逐漸完善, 較多采用水聽器等被動聲監(jiān)測的傳感器用于聲學觀測與探測。由于水下滑翔機不依靠產(chǎn)生較大噪音的電動螺旋槳運行(Jiang et al, 2019, 2021), 且具有持續(xù)時間長、運行平穩(wěn)的優(yōu)勢, 使得水下滑翔機在對自噪聲進行處理后可成為較好的聲學監(jiān)測平臺。

集成水聽器的水下聲學滑翔機能夠?qū)崿F(xiàn)在海水中收集生物和特殊情況下產(chǎn)生的聲波, 此方法在監(jiān)測海洋生物種群分布(Guihen et al, 2014)、水下聲吶探測精確測量海深、監(jiān)測大洋中海脊地震活動性等方面有良好應用(表8)。其中生物種群方面的研究較多, 搭載的聲學傳感器在收集聲學數(shù)據(jù)后, 可根據(jù)數(shù)據(jù)中不同生物的頻率特點進行分類。2006 年8 月,美國阿拉斯加漁業(yè)科學中心用3 臺集成了水聽器的 Seaglider 水下滑翔機對鯨魚叫聲進行了探測,在分析聲學數(shù)據(jù)后分辨出了藍鯨、座頭鯨、抹香鯨, 如圖8 所示(Moore et al, 2007)。海底地震和火山等自然災害爆發(fā)前產(chǎn)生的聲波也可以通過水下滑翔機收集。2017 年11 月15 日, 裝有水聽器的Slocum 水下滑翔機在發(fā)生地震的韓國浦項地區(qū)進行了觀測, 在距離浦項的140km 的地方捕捉到了地震的聲音, 通過對 5 個地震臺測得的地震波與地震聲波信號的時間相關性分析, 驗證了水下滑翔機能夠捕獲地震波轉(zhuǎn)化為的第三波(Tertiary waves), 表明水下滑翔機在地球地震觀測系統(tǒng)中的作用(Lee et al, 2019), 其為自然災害的觀測和預防提供了有力支持。

表8 水下滑翔機在聲學方面的應用Tab. 8 Application of underwater gliders in marine acoustics

國外現(xiàn)階段基于水下滑翔機的聲學探測技術仍在發(fā)展階段, 美國、歐盟、加拿大等國家或國際組織正進行聲學傳感器技術、信號處理、在線識別算法技術攻關, 我國也在不斷發(fā)展聲學技術, 進行適應性實驗(王超 等, 2018)、測試水下聲學滑翔機性能實驗(王文龍 等, 2019)等。

4.8 應急事件海洋觀測

2010 年4 月, 美國墨西哥灣原油鉆井平臺爆炸引起大量原油泄漏, 在海風和海流的影響下難以預測原油具體擴散范圍。在此次災難中, 7 臺Slocum水下滑翔機、3 臺Seaglider 水下滑翔機和1 臺Spray水下滑翔機組成的觀測網(wǎng)絡, 為確定泄露原油的擴散方向提供了數(shù)據(jù)支持, 驗證了水下滑翔機在突發(fā)海洋事件下的應急響應能力(薛冬陽, 2017)。

5 國內(nèi)外水下滑翔機(組網(wǎng))應用對比

經(jīng)過近20 年的技術發(fā)展, 我國國產(chǎn)水下滑翔機單機技術進步明顯, 其中“海燕”和“海翼”水下滑翔機已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)品化, 其續(xù)航里程都超過了3000km; “海燕”深淵級水下滑翔機實現(xiàn)了10619m下潛深度世界紀錄, 但我國在水下滑翔機(組網(wǎng))應用方面仍然相對不足。通過綜述水下滑翔機在典型海洋現(xiàn)象觀測中的應用可以發(fā)現(xiàn), 國內(nèi)外研究機構(gòu)和相關學者越來越重視水下滑翔機的應用, 所涉及的研究領域也在不斷擴展, 所應用的海上試驗頻率逐年上升。但是, 我國的水下滑翔機海試常態(tài)化應用情況較國外仍有一定差距。國外的水下滑翔機已經(jīng)實現(xiàn)了中尺度渦、臺風、水質(zhì)、聲學等各個領域的探索, 而我國在生化、生態(tài)、臺風、聲學等方面的應用較少。一方面是我國國產(chǎn)水下滑翔機技術成熟較晚, 另一方面在任務傳感器方面我國與國外仍有差距, 具體表現(xiàn)在國外已經(jīng)實現(xiàn)海洋動力環(huán)境、生化、生態(tài)、聲學、地形等多種參數(shù)任務傳感器的自主研發(fā)以及與水下滑翔機的可靠集成與應用, 而我國的小型、低能耗傳感器多為國外進口, 只實現(xiàn)了溫鹽、聲學等部分觀測功能, 并且湍流剖面儀等大型專用任務傳感器在國產(chǎn)水下滑翔機上的集成應用還需進一步加強和拓展。此外, 在最優(yōu)路徑規(guī)劃與控制策略算法方面, 我國水下滑翔機在面對強背景流場、復雜海底地形時仍存在技術不足, 需要進一步提高其操控與路徑規(guī)劃能力。因此, 相比于國外水下滑翔機, 國內(nèi)水下滑翔機技術發(fā)展晚, 仍存在任務傳感器搭載能力弱等問題, 在物理海洋、生物化學等方面應用存在不足(錢洪寶 等, 2019), 相應的路徑規(guī)劃與控制算法也需要更新。國外對于水下滑翔機的數(shù)據(jù)已經(jīng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享, 并將數(shù)據(jù)用于改進海洋模型和天氣預報模型; 國內(nèi)水下滑翔機數(shù)據(jù)處理也在不斷改進, 中國科學院南海海洋研究所的易鎮(zhèn)輝 等(2019)研究出對鹽度數(shù)據(jù)進行噪聲處理的方法; 天津大學的Wang 等(2020b)根據(jù)國外數(shù)據(jù)處理流程總結(jié)出了實時數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法, 并提出了一種新的熱滯后校正方法。但整體上, 國內(nèi)在水下滑翔機的數(shù)據(jù)回傳、預處理和質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)格式等方面還未形成統(tǒng)一標準, 暫時難以進行國際間水下滑翔機數(shù)據(jù)的交流合作, 相關領域的研究需求較為緊迫。

除了觀測任務多樣性上的差距, 我國采用水下滑翔機協(xié)同組網(wǎng)完成的海洋現(xiàn)象觀測任務也較少,而國外已經(jīng)組成了大型水下滑翔機海洋觀測網(wǎng)絡,如綜合海洋觀測網(wǎng)絡(integrated ocean observing system, IOOS) (Harlan et al, 2010)、美國的自主海洋觀測網(wǎng)(autonomous ocean sampling network, AOSN)(Ramp et al, 2009)、澳大利亞綜合海洋觀測系統(tǒng)(integrated marine observing system, IMOS) (Oke et al, 2009)、歐洲(水下)滑翔機觀測站EGO (European gliding observatories network)等。相比之下, 我國國產(chǎn)水下滑翔機多機集群編隊、組網(wǎng)與協(xié)同技術起步較晚, 天津大學最早在2014 年實現(xiàn)了水下滑翔機編隊和協(xié)同作業(yè); 中國科學院沈陽自動化研究所在2017 年實現(xiàn)對12 臺“海翼”水下滑翔機進行編隊;同年天津大學聯(lián)合青島海洋科學與技術試點國家實驗室、中國海洋大學等研究機構(gòu), 實現(xiàn)了包括水下滑翔機在內(nèi)30 余臺海洋觀測設備的面向中尺度渦的立體綜合觀測網(wǎng)(沈新蕊 等, 2018)。2019 年5 月青島海洋科學與技術試點國家實驗室進一步組織啟動了采用包括水下滑翔機在內(nèi)超過70 臺次無人設備的海洋環(huán)境綜合組網(wǎng)觀測計劃(張潤鋒 等,2020)。

綜上所述, 相較于國外, 我國水下滑翔機相關研究工作仍有提升空間, 同時也在不斷完善, 如水聲傳感網(wǎng)絡輔助恢復機制(Jin et al, 2018)、水下物流(李健 等, 2019)等。逐步擴大我國水下滑翔機在海洋科學研究領域的應用, 為我國海洋科學研究提供可靠數(shù)據(jù), 是水下滑翔機發(fā)展的重要方向之一。

6 總結(jié)與展望

水下滑翔機從浮標技術發(fā)展而來, 具有高效的節(jié)能方式和獨特的運行軌跡和一定的軌跡控制能力。作為無人自主水下觀測平臺, 水下滑翔機可搭載多樣化的傳感器, 對多種海洋現(xiàn)象進行連續(xù)跟蹤觀測。在開展典型海洋現(xiàn)象觀測任務中, 水下滑翔機能夠克服海洋中渦旋尺度的多樣性和持續(xù)時間問題, 進行自主采樣, 對洋流或水團的溫鹽結(jié)構(gòu)、海洋生物地球化學過程等進行觀測; 其成本低、分辨率高、時間跨度大的優(yōu)勢使得鋒面、邊界流試驗所得數(shù)據(jù)更加全面、準確; 其靈活性和持續(xù)性的優(yōu)勢能夠滿足隨機和頻率變化大的內(nèi)波湍流觀測; 良好的運行穩(wěn)定性和自主性使其能夠應對緊急事件和臺風作用前后惡劣海洋環(huán)境的觀測; 同時低噪聲、運行平穩(wěn)的特點使其成為聲學領域必不可少的觀測平臺。水下滑翔機從海洋中獲取的物理、生物和化學信息也有利于加強對海洋生態(tài)的保護與監(jiān)管。國內(nèi)外研究機構(gòu)已經(jīng)逐漸將水下滑翔機作為重要的觀測平臺, 其應用領域及范圍也逐漸擴大。

另外, 中尺度渦、鋒面、邊界流以及其他大洋環(huán)流系統(tǒng)的時空尺度都需要持續(xù)觀測, 因此未來水下滑翔機的續(xù)航能力提升和能耗系統(tǒng)優(yōu)化是觀測大尺度海洋現(xiàn)象的必然發(fā)展方向。同時, 為了實現(xiàn)對海洋中尺度現(xiàn)象特征的詳細、全面觀測, 水下滑翔機的路徑和組網(wǎng)的臺次數(shù)量、航線等都需要根據(jù)任務特點進行規(guī)劃, 和其他觀測手段結(jié)合形成更立體化、多樣化的觀測系統(tǒng)。對于臺風這類惡劣天氣條件下的現(xiàn)場觀測, 水下滑翔機需要根據(jù)預報信息進行詳細的路徑規(guī)劃, 同時用于臺風強度預報的單臺水下滑翔機數(shù)據(jù)過少, 仍需要進行集群組網(wǎng)以獲取臺風影響下海洋環(huán)境參數(shù)的重要反饋, 即未來水下滑翔機觀測的現(xiàn)場數(shù)據(jù)與預報模型的同步結(jié)合將為臺風強度預報提供有力支撐。水下滑翔機具有低噪聲的優(yōu)勢, 但其噪聲仍對聲學探測有影響, 因此對噪聲源分布和進一步降噪的研究仍有價值。最后,負載能力和觀測模式的增加也是未來水下滑翔機的一大趨勢。

面對與國外在水下滑翔機專用任務傳感器、應用領域、組網(wǎng)技術和數(shù)據(jù)應用等方面的差距, 未來我國水下滑翔機技術應隨著任務傳感器國產(chǎn)化技術的成熟進一步實現(xiàn)多樣化集成, 進而拓展水下滑翔機的應用領域。除此之外, 水下滑翔機的組網(wǎng)技術因其高效性也備受重視, 我國在協(xié)同觀測、編隊組網(wǎng)、異構(gòu)組網(wǎng)方面也都在不斷嘗試和研究。國產(chǎn)水下滑翔機的數(shù)據(jù)處理和存儲流程也在逐漸標準化,以便能夠?qū)崿F(xiàn)對全球海洋生態(tài)、物理和氣象等方面的數(shù)據(jù)共享應用, 最終將其打造成全球海洋觀測與探測的重要利器。