海洋水文氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)需求與技術(shù)

翟少婧 王娜 林修棟

(1.龍口市氣象局,山東龍口 265700;2.煙臺(tái)市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心,山東煙臺(tái) 264003;3.石島氣象臺(tái),山東威海 264309)

海洋水文氣象環(huán)境監(jiān)測(cè)需求與技術(shù)

翟少婧1王娜2林修棟3

(1.龍口市氣象局,山東龍口 265700;2.煙臺(tái)市海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)中心,山東煙臺(tái) 264003;3.石島氣象臺(tái),山東威海 264309)

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)認(rèn)識(shí)海洋環(huán)境,利用海洋資源,發(fā)展海洋科技有著重要意義。本文從平臺(tái)、傳感器、自動(dòng)化、地波雷達(dá)、遙感等方面立體化地介紹了現(xiàn)代部分先進(jìn)的海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)。

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè) 近海 水文 氣象

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的涵蓋面廣泛，目前對(duì)海洋觀測(cè)、調(diào)查、監(jiān)測(cè)的含義、概念、范疇是以測(cè)量海洋要素的屬性和特征而定的，由于認(rèn)識(shí)的局限性，普遍認(rèn)為海洋觀測(cè)、斷面調(diào)查是海洋水文、氣象觀測(cè)，海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)是對(duì)海洋環(huán)境污染要素的監(jiān)測(cè)。實(shí)際上若缺乏有效的海洋水文、氣象觀測(cè)，就不可能科學(xué)合理的開發(fā)利用海洋資源，保護(hù)、改善、了解海洋環(huán)境。

1 海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的意義

海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)是海洋資源開發(fā)的技術(shù)基礎(chǔ)和科技支撐。海洋漁業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)等海洋經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)對(duì)海洋環(huán)境有很強(qiáng)的依賴性。加速發(fā)展海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)，加強(qiáng)對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究和開發(fā)，對(duì)提高海洋災(zāi)害預(yù)警能力和海洋防災(zāi)減災(zāi)具有重要的意義[1]。

2 對(duì)海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)的需求

世界上許多沿海國(guó)家為了自身和共同的利益都在積極發(fā)展現(xiàn)代海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)。對(duì)于我國(guó)來說，發(fā)展海洋立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、軍事、科學(xué)的作用更為顯著，需求更為迫切。主要體現(xiàn)在以下5個(gè)方面：

2.1 海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)是海洋資源開發(fā)的技術(shù)支撐

海洋漁業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)對(duì)海洋環(huán)境有很強(qiáng)的依賴性；準(zhǔn)確的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)一般能使海洋工程造價(jià)降低20%左右；準(zhǔn)確和及時(shí)的海洋環(huán)境預(yù)報(bào)對(duì)保障和延長(zhǎng)海上安全作業(yè)時(shí)間具有重要意義；海上交通運(yùn)輸和濱海旅游業(yè)的發(fā)展也同樣需要有良好的環(huán)境保障條件。

2.2 海洋災(zāi)害預(yù)警必須依靠準(zhǔn)確的海洋環(huán)境依據(jù)

我國(guó)瀕臨西北太平洋，是臺(tái)風(fēng)、巨浪和風(fēng)暴潮等海洋災(zāi)害的多發(fā)區(qū)和重災(zāi)區(qū)，而沿海地區(qū)是我國(guó)經(jīng)濟(jì)的最發(fā)達(dá)地區(qū)和人口密集區(qū)，海洋災(zāi)害所造成的損失慘重，并呈逐年上升的趨勢(shì)。

2.3 保護(hù)海洋環(huán)境急需海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)的支持

受經(jīng)濟(jì)發(fā)展和管理方式的影響，我國(guó)入海污染物逐年增加，受污染海域逐年擴(kuò)大，致使生態(tài)環(huán)境惡化，沿海生物資源衰竭，海洋生態(tài)系不同程度受到破壞，生物多樣性銳減，并引發(fā)多種環(huán)境災(zāi)害，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，也嚴(yán)重威脅沿海居民的健康[2]。

2.4 海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)是海上軍事優(yōu)勢(shì)的重要組成部分

海軍的戰(zhàn)場(chǎng)在海洋，歷史上的列強(qiáng)爭(zhēng)霸也在海洋，掌握了海洋也就控制了海洋。因此，掌握海洋環(huán)境參數(shù)的分布特征及其變化規(guī)律與掌握敵情幾乎同等重要。

2.5 發(fā)展海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)可以形成海洋技術(shù)產(chǎn)業(yè)

發(fā)展海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)可以帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)產(chǎn)業(yè)的形成和發(fā)展，用高技術(shù)產(chǎn)品提高我國(guó)海洋儀器設(shè)備的生產(chǎn)能力和在國(guó)際市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)能力，改變內(nèi)海洋儀器設(shè)備市場(chǎng)幾乎全被國(guó)外產(chǎn)品所占領(lǐng)的現(xiàn)狀。

3 現(xiàn)代海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)

隨著海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，海洋監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備自動(dòng)化程度不斷提高，海洋監(jiān)測(cè)逐漸向網(wǎng)絡(luò)化、信息化方向發(fā)展，逐步在局域內(nèi)以及局域間形成互聯(lián)互通，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資源得到了統(tǒng)一管理和有效共享。從以下幾個(gè)方面介紹主要海洋國(guó)家海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)的進(jìn)展：

3.1 浮標(biāo)工程技術(shù)

3.1.1 海洋錨泊資料浮標(biāo)

海洋資料浮標(biāo)在研究海洋和大氣的相互作用及預(yù)報(bào)全球性和地區(qū)性海洋災(zāi)害、海洋污染監(jiān)測(cè)、衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)真實(shí)性校驗(yàn)等方面發(fā)揮著越來越重要的作用[3]。改進(jìn)技術(shù)、降低成本、提高可靠性、延長(zhǎng)工作壽命、方便布放和回收，是海洋觀測(cè)浮標(biāo)技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。

3.1.2 漂流浮標(biāo)

漂流浮標(biāo)是隨著全球定位和衛(wèi)星通訊技術(shù)的進(jìn)步而發(fā)展起來的一種十分有效的大尺度海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)手段。它利用GPS和Argos雙重定位，大大提高了定位精度；由單一的消耗式漂流浮標(biāo)發(fā)展為消耗式和可回收式兼有標(biāo)型；測(cè)量參數(shù)迅速增多，功能顯著擴(kuò)大；應(yīng)用智能自動(dòng)沉浮。為了對(duì)海洋上層的水體和海氣界面進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，為氣候預(yù)報(bào)提供必要的數(shù)據(jù)，美國(guó)等海洋國(guó)家發(fā)起了代號(hào)為Argo的全球性國(guó)際合作計(jì)劃[4]。

3.2 自持式水下多任務(wù)觀測(cè)平臺(tái)

自持式水下多任務(wù)觀測(cè)平臺(tái)的研制一直受到海洋界的重視，結(jié)合不同任務(wù)的需要，研制了各具特色的多任務(wù)觀測(cè)平臺(tái)。平臺(tái)目前主要有兩類，一類是WHOI為L(zhǎng)EO-15水下無人觀測(cè)站研制的小巧型潛器REMUS，另一類是NOAA為深海海底觀測(cè)研制的深水潛器。

3.3 水下拖曳式海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

水下拖曳式海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)目前應(yīng)用最普遍的是聲學(xué)海底剖面儀和拖曳式水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如加拿大貝得福海洋研究所(BIO)開發(fā)的拖曳式平臺(tái)。該平臺(tái)可以攜帶智能化CTD數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)，能夠在水中做波浪形剖面測(cè)量。拖曳體的可變翼、方向舵、穩(wěn)定器等均由增強(qiáng)聚酯樹脂玻璃絲纖維制造，電子裝置安裝在可承受300個(gè)大氣壓的水密度艙內(nèi) 。

3.4 固定式水下無人自動(dòng)觀測(cè)站

建立水下長(zhǎng)期觀測(cè)站不但可以加快實(shí)現(xiàn)立體觀測(cè)的框架建設(shè)，同時(shí)也可為衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的真實(shí)性檢驗(yàn)和遙感器定標(biāo)提供了海上試驗(yàn)場(chǎng)。LEO-15是伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)和新澤西大學(xué)海洋與海岸研究所在美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)(NSF)的支持下共同研制建立的長(zhǎng)期水下無人觀測(cè)站[5]。

3.5 近海環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)

德國(guó)的MERMAID系統(tǒng)成功的借鑒了美國(guó)研發(fā)的海岸自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)(C-MAN)和水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(SWQMS)的經(jīng)驗(yàn)，并在傳感器及模塊化設(shè)計(jì)方面有所創(chuàng)新，形成了適用于地域特點(diǎn)的海洋環(huán)境自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。污染和生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)是近岸海域，因而適合海灣、河口及淺海增養(yǎng)殖區(qū)使用的各種小型輕便的傳感器集成平臺(tái)技術(shù)也的到相應(yīng)的發(fā)展，形成了多種便攜式水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器。

3.6 水聲高速數(shù)據(jù)通訊和水下GPS定位

水聲高速率數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)是各類水下載體、水下機(jī)器人之間及其與指揮船之間信息傳遞的重要手段，是水聲通訊設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)。水下GPS定位技術(shù)將全球衛(wèi)星定位技術(shù)、浮標(biāo)技術(shù)、水聲通訊和定位技術(shù)有機(jī)地組合在一起，提高對(duì)水下運(yùn)動(dòng)載體或儀器設(shè)備平臺(tái)的水下定位精度。水下GPS定位技術(shù)能在水面船只或水下獲取水中目標(biāo)的大地坐標(biāo)系數(shù)據(jù)，它比水聲定位具有更高的定位精度，使用更為靈活、方便。

3.7 高頻地波雷達(dá)岸基高頻地波雷達(dá)用于測(cè)量海冰、海面風(fēng)場(chǎng)、海流場(chǎng)等海面環(huán)境參數(shù)。英國(guó)、加拿大等國(guó)家研制的作用距離200km的中程高頻地波雷達(dá)已用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)。從國(guó)外情況看，因現(xiàn)有的中程雷達(dá)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的空間分辨率低，占地面積大，設(shè)備價(jià)格昂貴，因而應(yīng)用不多。

3.8 海洋環(huán)境航空遙感監(jiān)測(cè)

遙感通過使用光學(xué)或電子光學(xué)儀器接受地面物體反射或發(fā)射的電磁波，并以圖像膠片或數(shù)據(jù)磁帶形式記錄下來，傳送到地面，經(jīng)過信息處理、判讀分析和野外實(shí)地驗(yàn)證，最終服務(wù)于資源勘探、環(huán)境動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和有關(guān)部門的規(guī)劃決策。主要研究?jī)?nèi)容及關(guān)鍵技術(shù)包括：航空遙感數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸技術(shù)；航空遙感幾何定位技術(shù)機(jī)載投棄式系列浮標(biāo)技術(shù)；海洋目標(biāo)的光譜和微波特性研究；快速判別、解釋模型的建立等。

3.9 區(qū)域性海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)與服務(wù)技術(shù)

區(qū)域性海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)和信息服務(wù)系統(tǒng)對(duì)解決區(qū)域性的海洋環(huán)境問題有十分重要的意義。實(shí)時(shí)環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)與分析系統(tǒng)REINAS是集數(shù)據(jù)采集、管理和可視化為一體的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和服務(wù)系統(tǒng)。我國(guó)建立的以上海為中心的長(zhǎng)江三角洲鄰近海域和珠江口鄰近海域區(qū)域性的海洋環(huán)境立體監(jiān)測(cè)和信息服務(wù)系統(tǒng)已建成，支持區(qū)域性的災(zāi)害性海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)服務(wù)及其他公益性服務(wù)，具有國(guó)際先進(jìn)水平。

4 結(jié)語

21世紀(jì)是我們開發(fā)利用海洋的新時(shí)代，更多的財(cái)富從海洋中獲取，保護(hù)海洋環(huán)境不容忽視。海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)發(fā)展至今雖已有近70年的歷史，但現(xiàn)階段海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)工作仍然存在著不盡如人意的地方，這便需要我們進(jìn)行進(jìn)一步的研究與創(chuàng)新，推動(dòng)海洋水文環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展。

[1]方曦,楊文.海洋石油污染研究現(xiàn)狀及防治[J].環(huán)境科學(xué)與管理,2007,32(9)：78-80.

[2]趙冬至,趙玲,張豐收.我國(guó)海域赤潮災(zāi)害的類型,分布與變化趨勢(shì)[J].海洋環(huán)境科學(xué), 2003,22(3)：7-11.

[3]惠紹棠.海洋監(jiān)測(cè)高技術(shù)的需求與發(fā)展.海洋技術(shù),2000,19(1)：1～17

[4]高峰,王金平,湯天波.世界主要海洋國(guó)家海洋發(fā)展戰(zhàn)略分析[J].世界科技研究與發(fā)展, 2009,31(5)：973-976.

[5]葛運(yùn)國(guó).實(shí)時(shí)環(huán)境信息網(wǎng)絡(luò)與分析系統(tǒng)—REINAS[J].海洋技術(shù),2000 (C00)：10-15.