極地海冰浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)

陳超 李丙瑞 席穎 竇銀科 藍(lán)木盛 羅光富

北極是影響我國(guó)天氣氣候的關(guān)鍵區(qū)域之一，冬季極地冷空氣南下是造成歐亞大陸階段性強(qiáng)降溫和強(qiáng)降雪的主要原因之一。認(rèn)識(shí)北極變化對(duì)歐亞冬季極端天氣氣候事件的影響，首先就需要了解北極?！?dú)庀到y(tǒng)本身的影響，而目前開展極地?！?dú)獾难芯康闹饕侄螢樵跇O地設(shè)立觀測(cè)站，通過飛機(jī)或船舶在冰區(qū)內(nèi)部署營(yíng)地，布放無人冰站等，相比于其他手段，無人冰站是一種能夠長(zhǎng)期原位觀測(cè)的手段，同時(shí)因其相對(duì)經(jīng)濟(jì)性，使得大范圍的布放成為了可能。依托于布放在接岸固定冰面或漂流浮冰上的海冰浮標(biāo)，既可以實(shí)現(xiàn)對(duì)冰上氣象環(huán)境數(shù)據(jù)和冰下溫鹽流等數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期自動(dòng)獲取，又可以監(jiān)測(cè)海冰自身的熱力和動(dòng)力過程。得益于此，近年來極地海冰浮標(biāo)的觀測(cè)結(jié)果已經(jīng)被相關(guān)的研究學(xué)者廣泛采用。

極地海冰浮標(biāo)研究現(xiàn)狀

國(guó)際極地海冰浮標(biāo)研究現(xiàn)狀

美國(guó)國(guó)家科學(xué)院于1974年提出在整個(gè)北冰洋區(qū)域建立監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的提議，通過浮標(biāo)進(jìn)行監(jiān)測(cè)海平面的溫度、氣壓以及海冰的漂移軌跡[1]，因此根據(jù)該建議，1978年北極海洋浮標(biāo)計(jì)劃在華盛頓大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室極地科學(xué)中心成立，并用于支持全球天氣實(shí)驗(yàn)，該計(jì)劃持續(xù)到1990年。1991年國(guó)際北極浮標(biāo)計(jì)劃（IABP）繼承了北極海洋浮標(biāo)計(jì)劃，基本目標(biāo)仍然是建立北極浮標(biāo)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，用于為極地研究人員提供實(shí)時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。在過去的幾十年中，伴隨著海平面的上升和全球氣候的變化，科研人員越來越關(guān)注于海冰的研究，通過IABP的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)海冰進(jìn)行研究與分析，如通過基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的研究表明了氣壓的下降和氣溫的上升等。IABP的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)除用于科研人員的研究外，能夠?yàn)槿驓夂蚰Ｊ降膹?qiáng)迫、同化與驗(yàn)證[2，3]提供重要的參考價(jià)值。通過對(duì)北冰洋的海平面溫度和海冰運(yùn)動(dòng)軌跡，可以準(zhǔn)確的分析北極海冰當(dāng)前的狀況，IABP的數(shù)據(jù)能夠?yàn)樵摲治鎏峁┛煽亢蛯?shí)時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

2015年，德國(guó)亥姆霍茲極地與海洋研究中心的科學(xué)家領(lǐng)銜發(fā)起了“北極氣候研究多學(xué)科漂流計(jì)劃”（MOSAiC），主要依托平臺(tái)為“極星”號(hào)破冰船。通過無人冰站等裝備獲取北極冰區(qū)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)將應(yīng)用于北極環(huán)境和氣候變化機(jī)理以及數(shù)值模擬研究，以提升對(duì)北極環(huán)境和氣候變化的監(jiān)測(cè)能力，提高對(duì)北極海冰快速變化的預(yù)測(cè)精度。按照該計(jì)劃，德國(guó)“極星”號(hào)破冰船于2019年秋季被凍結(jié)在東西伯利亞/拉普捷夫海北部，隨穿極流漂移至2020年10月，完成為期一年的有人值守冰站觀測(cè)，旨在加深了解北極中央海域大氣—海冰—海洋—生態(tài)系統(tǒng)間的耦合過程以及地球化學(xué)循環(huán)過程，提高北極天氣和海冰預(yù)報(bào)及氣候預(yù)測(cè)能力。

國(guó)際南極浮標(biāo)計(jì)劃（IPAB）是由南極科學(xué)委員會(huì)和世界氣候研究計(jì)劃共同參與組織，成立于1994年6月，它旨在共同建立和維護(hù)南大洋海冰漂流浮標(biāo)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)。該計(jì)劃的研究區(qū)域位于南緯55°以南，包括最大季節(jié)性海冰范圍內(nèi)的南大洋和南極邊緣海域，能夠根據(jù)不同任務(wù)要求和研究目標(biāo)實(shí)時(shí)采集、傳輸海洋學(xué)和氣象參數(shù)數(shù)據(jù)，支持該地區(qū)與全球氣候過程相關(guān)的研究，為天氣預(yù)報(bào)中心提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，并為持續(xù)監(jiān)測(cè)南極海冰區(qū)的大氣和海洋氣候奠定基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)極地海冰浮標(biāo)研究現(xiàn)狀

我國(guó)對(duì)北極的研究起步較晚，1999年首次組織北極科學(xué)考察。在隨后的十幾年中，先后進(jìn)行了九次以“雪龍?zhí)枴睘槠脚_(tái)的北極科考，針對(duì)北極海域的海冰和全球氣候變化的關(guān)系，獲取了大量有價(jià)值的氣象學(xué)數(shù)據(jù)和上層海洋學(xué)數(shù)據(jù)。在第6次北極科學(xué)考察中，中國(guó)考察隊(duì)首次選取在加拿大海盆安放3套深水冰拖曳浮標(biāo)，該浮標(biāo)能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)性的監(jiān)測(cè)，進(jìn)而獲取從冰下800米深的物理海洋學(xué)剖面數(shù)據(jù)。并首次完成四套海冰浮標(biāo)（海冰漂移浮標(biāo)、海冰溫度鏈浮標(biāo)）陣列的布放，能夠獲取寶貴的海冰漂移數(shù)據(jù)，是研究海冰形變過程和規(guī)律的主要手段之一。為了探索北極海冰的變化規(guī)律，中國(guó)第7次北極科學(xué)考察隊(duì)共安放了40個(gè)冰基浮標(biāo)，其中包括布放在加拿大海盆冰面的浮標(biāo)陣列，是我國(guó)歷次北極科考布放的最為規(guī)則的浮標(biāo)陣列，該浮標(biāo)陣列包括13個(gè)海冰浮標(biāo)。浮標(biāo)會(huì)伴隨著海冰一起漂移，對(duì)海冰實(shí)現(xiàn)連續(xù)性監(jiān)測(cè)，用以獲取海冰的運(yùn)動(dòng)軌跡和范圍、海冰表面積雪累積和融化等熱力學(xué)過程的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。中國(guó)第8次北極科學(xué)考察隊(duì)在北冰洋公海區(qū)中央海道沿線開展了7套短期冰站作業(yè)，共布放9套不同類型的海冰浮標(biāo)，為其適航性環(huán)境評(píng)估和開發(fā)利用積累了寶貴的數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。在第9次北極科學(xué)考察中，科考人員成功安放我國(guó)自主研發(fā)的“北極?！?dú)鉄o人冰站觀測(cè)系統(tǒng)”，該系統(tǒng)能夠適應(yīng)極地惡劣的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)無人值守和連續(xù)性監(jiān)測(cè)的功能，補(bǔ)缺了我國(guó)在北極冬季監(jiān)測(cè)的空白。在隨后的第11次北極科學(xué)考察中，再度成功布放兩套該系統(tǒng)。

常見極地海冰浮標(biāo)的技術(shù)特征

極地海冰浮標(biāo)的整體設(shè)計(jì)和研發(fā)與不同方向的科研問題緊密相關(guān)，即有具體的測(cè)量物理海洋學(xué)參數(shù)和持續(xù)觀測(cè)時(shí)間要求。同時(shí)，海冰浮標(biāo)的設(shè)計(jì)需要適應(yīng)極地環(huán)境下惡劣的氣候，其氣候特征包括低溫、極晝、極夜和強(qiáng)風(fēng)等特點(diǎn)。在這種環(huán)境下，需要面對(duì)電池的放電容量減少、傳感器的工作特性下降和出現(xiàn)故障無法實(shí)時(shí)維修等問題。極地海冰浮標(biāo)的主要功能是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)和連續(xù)性自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，因其設(shè)計(jì)功能不同，浮標(biāo)搭載的傳感器和相對(duì)特性組件會(huì)有所不同。極地海冰浮標(biāo)通常包含電池模塊、通訊模塊、傳感器模塊和控制模塊，電池模塊根據(jù)其載荷設(shè)備的耗電量選用不同容量的鉛蓄電池和鋰電池；通訊模塊通過衛(wèi)星傳輸所采集的數(shù)據(jù)；傳感器模塊根據(jù)具體測(cè)量的要求選用各類傳感器型號(hào)；控制模塊可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)和處理等功能。近些年，科研人員對(duì)部分浮標(biāo)裝置配有攝像頭設(shè)備，用于監(jiān)測(cè)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)環(huán)境和浮標(biāo)運(yùn)行的工作狀態(tài)。極地海冰浮標(biāo)為拉格朗日型浮標(biāo)，將通過下列海冰浮標(biāo)的介紹詳細(xì)闡述拉格朗日型浮標(biāo)的技術(shù)特征。

海冰物質(zhì)平衡浮標(biāo)

海冰物質(zhì)平衡浮標(biāo)（IMB）由加拿大研發(fā)生產(chǎn)的一款用于長(zhǎng)期和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海冰的拉格朗日型浮標(biāo)，能夠測(cè)量海冰厚度、海冰溫度、空氣溫度與氣壓等氣象學(xué)參數(shù)和冰上層海洋學(xué)參數(shù)。IMB浮標(biāo)能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)記錄儀中，并且浮標(biāo)構(gòu)件配備以下設(shè)備：溫度鏈、Argos發(fā)射器、GPS接收器、氣壓傳感器、氣溫傳感器和聲學(xué)探測(cè)器。浮標(biāo)通過冰上和冰下聲學(xué)探測(cè)器測(cè)量海冰上下界面的位置，誤差范圍僅為5毫米。溫度鏈?zhǔn)峭ㄟ^布放在桿外表面YSI熱敏電阻構(gòu)成，每個(gè)YSI熱敏電阻間隔為10厘米，共45個(gè)YSI熱敏電阻，其精度優(yōu)于0.1℃。浮標(biāo)將采集的傳感器數(shù)據(jù)除存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)記錄儀中，連同GPS信號(hào)，通過Argos通信衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳回給遠(yuǎn)程監(jiān)控中心[4]。

極地浮標(biāo)

極地浮標(biāo)（J-CAD）是加拿大和日本海洋科學(xué)技術(shù)中心專門為極地科研人員研究設(shè)計(jì)的一款提供環(huán)境氣象數(shù)據(jù)信息的海冰浮標(biāo)，通過衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳輸氣象和海洋數(shù)據(jù)，同時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在內(nèi)部存儲(chǔ)器里作為數(shù)據(jù)備份[5]。J-CAD浮標(biāo)主要由四部分組成：氣象傳感器單元、水下傳感器單元、系統(tǒng)控制單元和配有內(nèi)部數(shù)據(jù)記錄單元的數(shù)據(jù)遙測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)控制單元向每個(gè)傳感器發(fā)布指令，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理功能；水下傳感器單元和系統(tǒng)主控制器之間的通信方式運(yùn)用感應(yīng)耦合遙測(cè)技術(shù)，將多傳感器水質(zhì)儀采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖?biāo)的控制器中；GPS接收器高精度定位冰基浮標(biāo)的位置。由于J-CAD浮標(biāo)經(jīng)濟(jì)成本低、穩(wěn)定性高，極地科研人員能夠在極地區(qū)域布放大量J-CAD浮標(biāo)[6]，用于采集所需要的氣象學(xué)數(shù)據(jù)。

海冰信號(hào)浮標(biāo)

海冰信號(hào)浮標(biāo)（ICE BEACON）是由加拿大設(shè)計(jì)研發(fā)的一款搭載多種大型傳感器的模塊化監(jiān)測(cè)平臺(tái)[6]。該浮標(biāo)能夠用于監(jiān)測(cè)海冰的漂移軌跡、大氣數(shù)據(jù)、海冰和空氣的溫度數(shù)據(jù)，并且能夠通過處于海水中的多傳感器水質(zhì)儀采集海水溫度、鹽度和深度數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過Argos衛(wèi)星或銥星傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，為極地科研人員提供實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)。電源模塊根據(jù)實(shí)際搭載傳感器的功耗選用不同容量的鋰電池，用于為各個(gè)模塊提供持久的工作電量。

海冰信號(hào)浮標(biāo)的標(biāo)體是由鋁合金制作而成的，具有重量輕的特點(diǎn)，方便科考人員的布放和安裝；在標(biāo)體外部安置一塊離共聚泡沫軸圈，為該浮標(biāo)提供浮力。該管狀型的標(biāo)體能夠較容易地透過海冰層與海水接觸，具有較好的穩(wěn)定性，其設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性能夠方便和快速地投放在北極冰凍圈內(nèi)的海冰上。

UpTempO 浮標(biāo)

UpTempO浮標(biāo)是由加拿大設(shè)計(jì)的一款通過銥星傳輸?shù)臄?shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，專為海洋學(xué)和極地應(yīng)用而設(shè)計(jì)，旨在測(cè)量北冰洋深60米的溫度。該浮標(biāo)的裝配平臺(tái)采用經(jīng)過驗(yàn)證的平臺(tái)，可在最惡劣的氣候和條件下進(jìn)行12至18個(gè)月的連續(xù)無人值守操作。

UpTempO浮標(biāo)能夠搭載并處理多種冰下傳感器，其中包括：溶解氧傳感器、葉綠素傳感器、溫鹽測(cè)試儀和溫鹽深測(cè)試儀等傳感器，獲取溫度、深度、水電導(dǎo)率等觀測(cè)數(shù)據(jù)。球形倉內(nèi)包括：電子設(shè)備與電池、大氣溫濕度傳感器、大氣壓傳感器和銥星天線。標(biāo)體下放懸掛著12個(gè)熱敏電阻，分別位于2.5、5、7.5、10、15、20、25、30、40、50、60米處，其中在20米和60米處均額外有壓力傳感器。UpTempO浮標(biāo)的設(shè)計(jì)可用于測(cè)量極地區(qū)域海洋的透光（光強(qiáng)度）表層的海水溫度。該浮標(biāo)設(shè)計(jì)成本低廉，便于在開闊水域或海冰覆蓋的條件下部署。隨著海冰每年夏天變薄和消融，海洋表面溫度變暖的程度正在加速，可通過浮標(biāo)的觀測(cè)數(shù)據(jù)衡量這種變暖過程。

冰基漂流自動(dòng)氣象站

冰基漂流自動(dòng)氣象站是一款無人值守的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，搭載的傳感器包括：溫濕度傳感器、氣壓傳感器、風(fēng)向風(fēng)速儀、光輻射傳感器和GPS等，能夠測(cè)量2米和4米高度的氣溫、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向，2米高度的向上和向下總輻射，以及冰面氣壓和經(jīng)緯度等參數(shù)。每天按照世界時(shí)0：00開始，隔1小時(shí)進(jìn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集，并且通過搭載的Argos衛(wèi)星通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)定時(shí)傳輸。在北極高緯度區(qū)域，氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)資料缺乏，冰基漂流自動(dòng)氣象站的安放，能夠在一定程度上改善北極區(qū)域氣象實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匱乏的狀況。該氣象站觀測(cè)到的氣象數(shù)據(jù)不僅能夠有助于研究北極的環(huán)境氣候變化、北極大氣和海冰數(shù)值預(yù)報(bào)模式參數(shù)化方案的優(yōu)化，也有助于驗(yàn)證北極大氣數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果。為認(rèn)識(shí)北極、利用北極提供堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)支撐，為合理利用北極航道和拓展“冰上絲綢之路”提供準(zhǔn)確的輔助決策信息[7]。

海冰溫度鏈浮標(biāo)

海冰溫度鏈浮標(biāo)（SIMBA）是一款用于海冰測(cè)量的產(chǎn)品，其搭載的主要傳感器為熱敏溫度鏈，能夠測(cè)量出4.8米長(zhǎng)的溫度曲線，每2厘米為一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，共240個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)。浮標(biāo)搭載的其他傳感器包括銥星模塊、磁力計(jì)和大氣溫濕度傳感器等，內(nèi)置的GPS模塊可跟蹤海冰的運(yùn)動(dòng)；大氣溫濕度傳感器能夠提供當(dāng)?shù)丨h(huán)境空氣溫度和濕度數(shù)據(jù)；銥星模塊用于傳輸各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)。浮標(biāo)為極地海冰厚度（生長(zhǎng)和衰變）的連續(xù)監(jiān)測(cè)、跨年度周期的時(shí)間演變提供了可靠的手段；其低成本能允許在陣列中進(jìn)行多個(gè)單元部署，以改善空間可變性數(shù)據(jù)；浮標(biāo)采集的數(shù)據(jù)非常適用于過程模型評(píng)估（例如，確定冰海能量交換），用于極地地區(qū)的天氣預(yù)報(bào)以及用于監(jiān)測(cè)海冰厚度和狀態(tài)。浮標(biāo)也有許多其他地面的應(yīng)用，如可用于監(jiān)測(cè)融雪和山區(qū)結(jié)構(gòu)積雪變化，在偏遠(yuǎn)的北極和南極區(qū)域，可用于實(shí)時(shí)監(jiān)控冰路狀況。

太原理工大學(xué)也對(duì)溫度鏈浮標(biāo)進(jìn)行了設(shè)計(jì)開發(fā)，該浮標(biāo)主要搭載4.5米長(zhǎng)的柔性溫度鏈。最初的海冰浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由供電單元、數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)傳輸單元三部分構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集單元由各個(gè)傳感器組成，包括溫度鏈、電容冰厚傳感器、水下聲吶、水上聲吶和GPS；數(shù)據(jù)傳輸單元包括浮標(biāo)的控制器和銥星通信模塊。溫度鏈選用DS28EA00作為測(cè)溫芯片[8]，芯片間隔為精確的3厘米，總量程為4.5米，即一共150個(gè)測(cè)溫點(diǎn)。該系統(tǒng)搭載的溫度鏈不便攜帶、安裝復(fù)雜、防水性能不好，因此隨后設(shè)計(jì)和研發(fā)4.5米的柔性溫度鏈。柔性溫度鏈基于單總線多點(diǎn)測(cè)溫方案，并設(shè)計(jì)了多點(diǎn)連接的柔性PCB板。每個(gè)溫度傳感器間隔是精確的3厘米，總量程4.5米，即一共150個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)，每個(gè)溫度檢測(cè)點(diǎn)能夠記錄該海冰內(nèi)部層位的溫度值。伴隨著對(duì)溫度檢測(cè)精度的提升，隨后又設(shè)計(jì)研發(fā)了高精度鉑電阻溫度鏈，測(cè)溫精度可以達(dá)到±0.01℃。海冰溫度剖面觀測(cè)模塊每天按照世界時(shí)0：00開始，每隔1小時(shí)進(jìn)行溫度的采集，并將溫度數(shù)據(jù)傳輸?shù)綐?biāo)體的控制器中，通過銥星通信模塊發(fā)送回國(guó)內(nèi)的數(shù)據(jù)服務(wù)器內(nèi)。

海冰溫度鏈浮標(biāo)根據(jù)需求可以搭載其他類型的傳感器，如溫濕度多功能檢測(cè)計(jì)、水下聲吶、冰上聲吶、葉綠素傳感器、溶解氧監(jiān)測(cè)儀等傳感器，獲取不同氣象參數(shù)和冰下海洋學(xué)參數(shù)等數(shù)據(jù)。供電系統(tǒng)采用鋰電池組，設(shè)計(jì)壽命為24個(gè)月。

冰基海洋剖面浮標(biāo)

冰基錨系剖面浮標(biāo)（ITP）是由美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所設(shè)計(jì)研發(fā)，能安放在北極冰凍圈內(nèi)進(jìn)行全天候自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，布放的平臺(tái)多為冰凍圈內(nèi)的多年冰，設(shè)計(jì)壽命長(zhǎng)達(dá)三年。浮標(biāo)能夠獲取海水溫度和鹽度的數(shù)據(jù)，可觀測(cè)范圍為表層5～800米的深度，并且浮標(biāo)能夠搭載流速儀，獲取冰下海洋學(xué)數(shù)據(jù)。

浮標(biāo)由三個(gè)主要模塊構(gòu)成：基于海冰上的標(biāo)體系統(tǒng)、一條長(zhǎng)度達(dá)800米并懸掛于標(biāo)體底部的纜繩和水下剖面儀。水下剖面儀能夠通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)沿著纜繩進(jìn)行上下爬升，獲取所需的冰下淺表層水文剖面數(shù)據(jù)；當(dāng)觀測(cè)完每一個(gè)冰下剖面時(shí)，水下剖面儀能通過感應(yīng)耦合向表層標(biāo)體的浮標(biāo)控制模塊傳輸所觀測(cè)的數(shù)據(jù)，然后浮標(biāo)控制模塊通過銥星通訊模塊將數(shù)據(jù)文件傳送至陸

地的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心[10]。

IAOOS浮標(biāo)是一款綜合型的海冰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)冰下淺表層和冰上氣象等相關(guān)物理參數(shù)。搭載的傳感器包括海冰溫度鏈、海洋剖面儀、氣象傳感器、GPS和銥星通信模塊。海冰溫度鏈通過測(cè)量大氣、雪、冰、海水的溫度，能夠推斷出海冰的厚度；海洋剖面儀是在Argo浮標(biāo)基礎(chǔ)上開發(fā)的，通過浮標(biāo)的垂直上下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了溫度和鹽度垂直剖面的自動(dòng)觀測(cè)，可以測(cè)量0～800米深的溫度、鹽度、溶解氧的數(shù)據(jù)；氣象傳感器包括大氣溫濕度傳感器、大氣壓力傳感器、激光雷達(dá)和光照度傳感器，能夠獲取冰上及低層大氣的各類氣象參數(shù)；各個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)由銥星通信模塊傳送回遠(yuǎn)程監(jiān)控平臺(tái)。相較于衛(wèi)星觀測(cè)，該浮標(biāo)能夠精確測(cè)量海冰厚度，系統(tǒng)化監(jiān)測(cè)北冰洋上空大氣層環(huán)境和獲取冰下淺表層水文剖面特征。

極地海洋剖面系統(tǒng)（POPS）是由加拿大與日本聯(lián)合研發(fā)的一款布放海冰上的模塊化觀測(cè)平臺(tái)，可在惡劣氣候中進(jìn)行部署。海洋剖面系統(tǒng)由六個(gè)模塊構(gòu)成，包括標(biāo)體中的主控制器、緊湊型數(shù)據(jù)記錄儀、海冰載荷平臺(tái)、氣象傳感器、銥星通訊與GPS模塊、冰下溫鹽垂向剖面系統(tǒng)。

該觀測(cè)系統(tǒng)通過銥星通訊模塊傳輸氣象和冰下海洋數(shù)據(jù)，系統(tǒng)控制器負(fù)責(zé)所搭載傳感器數(shù)據(jù)的采集、處理和定時(shí)發(fā)送。平臺(tái)的通信端口采用防水處理，易于配置和驗(yàn)證，其供電系統(tǒng)由兩塊鋰電池構(gòu)成，可長(zhǎng)期為載荷設(shè)備供電，保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸。冰下剖面儀安裝在一根直徑約為0.4厘米的電纜上，并使用鉤環(huán)將電纜連接到裝配平臺(tái)的底部，感應(yīng)調(diào)制器通過通信端口將信號(hào)傳送到主控制器，其位置處于裝配平臺(tái)的頂板上。

D-TOP浮標(biāo)是由中國(guó)海洋大學(xué)自主設(shè)計(jì)和研發(fā)的極地海冰浮標(biāo)，能夠用于監(jiān)測(cè)冰下的上層海洋環(huán)境，設(shè)計(jì)成本低廉，適合大量布放。整個(gè)系統(tǒng)包括控制單元、通信單元和傳感器單元。浮標(biāo)對(duì)冰下1.5～120米的海洋剖面溫度和鹽度物理參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣，設(shè)計(jì)壽命為12個(gè)月。該浮標(biāo)冰上搭載的傳感器包括大氣溫濕度傳感器和大氣壓力傳感器，能夠?qū)Ρ?.5米處的空氣溫度、濕度和壓力等氣象參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集和定時(shí)傳輸。截至2018年8月，我國(guó)已在北極的冰凍圈內(nèi)布放了10套D-TOP，通過對(duì)浮標(biāo)采集數(shù)據(jù)的研究，可分析海洋的淺層水文剖面的特征。

“無人冰站”系統(tǒng)

“北極?！?dú)鉄o人冰站觀測(cè)系統(tǒng)”簡(jiǎn)稱“無人冰站”系統(tǒng)，是由我國(guó)自主研發(fā)的無人值守觀測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由四部分組成，分為大氣邊界層觀測(cè)子系統(tǒng)（氣象塔）、冰上主浮標(biāo)（海冰觀測(cè)子系統(tǒng)）、副浮標(biāo)（上層海洋固定層位觀測(cè)子系統(tǒng)）以及拖曳式海洋剖面觀測(cè)儀。系統(tǒng)采用一具主浮標(biāo)加一具副浮標(biāo)的方案代替原來的單一浮標(biāo)方案，具有其獨(dú)創(chuàng)性，并能獲取更多的環(huán)境參數(shù)變量。該系統(tǒng)通過獲取大氣—海冰—海洋界面通量，用于觀測(cè)大氣過程對(duì)海冰的生長(zhǎng)與消融和上層海洋的影響。

冰上主浮標(biāo)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，其搭載了全部海冰觀測(cè)子系統(tǒng)和部分大氣邊界觀測(cè)系統(tǒng)的觀測(cè)模塊，同時(shí)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制與衛(wèi)星通信工作。副浮標(biāo)主要搭載冰下海洋固定層位觀測(cè)模塊，與主浮標(biāo)通過通訊纜線連接，在正常工作情況下，副浮標(biāo)采集到的上層海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)由通訊纜線傳輸?shù)街鞲?biāo)的控制器，并通過主浮標(biāo)的銥星通訊模塊進(jìn)行定時(shí)發(fā)送。

“無人冰站”系統(tǒng)的設(shè)計(jì)特征能夠有效降低單個(gè)浮標(biāo)的體積和重量，適應(yīng)在北極惡劣環(huán)境下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施能力，防止了因大重量、過度發(fā)熱等問題造成的承載海冰結(jié)構(gòu)破壞，提高了整個(gè)浮標(biāo)系統(tǒng)的可靠性。同時(shí)副浮標(biāo)搭載了備用系統(tǒng)控制模塊和備用衛(wèi)星通訊模塊，當(dāng)主浮標(biāo)發(fā)生故障或結(jié)構(gòu)損壞時(shí)，可依托副浮標(biāo)上的備用通訊模塊來進(jìn)行控制和通信，從而使整套系統(tǒng)的各個(gè)傳感器模塊繼續(xù)工作。該系統(tǒng)集成了多個(gè)傳感器，能夠獲取不同類型的觀測(cè)變量，其中包括4.5米柔性溫度鏈、溶解氧傳感器、葉綠素傳感器、氣壓傳感器、大氣溫濕度傳感器等，進(jìn)而監(jiān)測(cè)海冰的生長(zhǎng)和消融，獲得海冰的漂移軌跡路線，研究對(duì)全球氣候變化的影響。

極地海冰浮標(biāo)的未來發(fā)展

隨著科技發(fā)展，海冰浮標(biāo)越來越多地應(yīng)用于南北極的觀測(cè)中，成為組建南北極觀測(cè)網(wǎng)的重要組成部分，為了適應(yīng)不同的科學(xué)領(lǐng)域研究和科技發(fā)展需求，極地海冰浮標(biāo)后續(xù)需在以下四個(gè)方面中取得技術(shù)上的跨越。

一是浮標(biāo)集成技術(shù)的深度開發(fā)。根據(jù)不同的研究目標(biāo)和要求，研制和開發(fā)綜合性的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[11]，實(shí)現(xiàn)大氣—海冰—海洋一體化的觀測(cè)；通過集成不同類型的傳感器，獲取上層海洋學(xué)參數(shù)、氣象參數(shù)和積雪量等物理數(shù)據(jù)，解決實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)缺乏的不足，應(yīng)用在冰凍圈內(nèi)的科學(xué)研究中。因此綜合性監(jiān)測(cè)浮標(biāo)的研究具有很大的優(yōu)勢(shì)。

二是極地環(huán)境適應(yīng)性的加強(qiáng)。針對(duì)通訊模塊和電源模塊進(jìn)行改良，提升浮標(biāo)觀測(cè)的續(xù)航能力，實(shí)現(xiàn)全天候的監(jiān)測(cè)，獲取較長(zhǎng)時(shí)間的觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)于海冰的研究具有重要的意義。為了適應(yīng)海冰未來變化的趨勢(shì)，對(duì)海冰浮標(biāo)小型化和輕型化開展研究，如近些年北極海冰的面積范圍逐漸地減少，減輕浮標(biāo)的重量和體積，使其在海冰上具有較好的承重能力。

三是提高科學(xué)研究需求的針對(duì)性。研制和開發(fā)新型浮標(biāo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)北極冰凍圈內(nèi)不同研究領(lǐng)域?qū)崪y(cè)數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，建立新的監(jiān)測(cè)平臺(tái)。通過對(duì)浮標(biāo)集成的傳感器技術(shù)的改良，進(jìn)而提高浮標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)的精度、準(zhǔn)確度。

四是研發(fā)冰—海適用型極地海冰浮標(biāo)。研究極地海冰浮標(biāo)的水密性，當(dāng)海冰融化后，浮標(biāo)能夠繼續(xù)漂浮在海洋表面，并且各個(gè)載荷設(shè)備仍持續(xù)工作，繼續(xù)獲取海洋淺表層參數(shù)等數(shù)據(jù)，增加極地海冰浮標(biāo)的工作壽命時(shí)長(zhǎng)，對(duì)研究海冰的生長(zhǎng)和消融有重要意義。

隨著極地科考事業(yè)的發(fā)展，極地海冰浮標(biāo)技術(shù)的研制和開發(fā)將會(huì)面臨更高層次的挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。未來，優(yōu)化極地海冰浮標(biāo)整體結(jié)構(gòu)性，趨于小型化、輕型化，并且加強(qiáng)機(jī)械強(qiáng)度，適應(yīng)海冰的變化和極地惡劣的環(huán)境；并要使極地海冰浮標(biāo)的設(shè)計(jì)向著集約化的方向發(fā)展，設(shè)計(jì)成本低廉，操作更簡(jiǎn)易化，監(jiān)測(cè)功能更綜合化，可大量布放在極地區(qū)域，為南北極觀測(cè)網(wǎng)的構(gòu)建提供可靠的技術(shù)支撐。

[本文相關(guān)研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題（2018 YFC1405902）資助。]

[1]郭井學(xué)， 孫波， 李群， 等. 極地海冰浮標(biāo)的現(xiàn)狀與應(yīng)用綜述. 極地研究， 2011， 23（2）： 149-157.

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關(guān)鍵詞：浮標(biāo) 海冰 極地 觀測(cè)技術(shù) ■