海溫觀測方法發(fā)展綜述

賀亞楠，朱洪海

(1.齊魯工業(yè)大學(山東省科學院)，山東省科學院海洋儀器儀表研究所，青島 266061；2.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測技術重點實驗室，國家海洋監(jiān)測設備工程技術研究中心，青島 266061)

0 引言

海洋水文觀測是海洋調查中重要的作業(yè)內容。其中，海水溫度是反映海水冷熱程度的物理量，是海水觀測和監(jiān)測的重要因素，對其他海水因素起著重要的影響作用。

海溫數據可以通過船舶、浮標、衛(wèi)星等多種平臺進行觀測，是海洋環(huán)境各要素中較容易獲得的空間范圍最廣、時間最長(至今已有200多年)的觀測記錄。目前已能觀測到全球范圍(包括海冰)的海溫，海溫資料是全球氣候變化分析中應用最廣泛的重要海洋參數[1]。隨著科學技術的不斷發(fā)展，海水溫度觀測技術從最基礎的木桶水銀溫度表，逐漸發(fā)展為使用基于衛(wèi)星的大范圍觀測技術[2]。

近年來材料、電子、信息和人工智能等相關技術發(fā)展迅速，海洋環(huán)境監(jiān)測技術也隨之取得了長足的進步和快速發(fā)展?！?1世紀海上絲綢之路”的建設和海洋科學研究的加強，海洋建設等領域對海溫資料的時效性和準確度的要求越來越高[3]。然而海水表層溫度的觀測還沒有實現自動化。因此文章結合國內外在海水溫度相關領域的研究，通過對海溫觀測技術發(fā)展的梳理，預測其發(fā)展趨勢，為國家海洋溫度觀測技術的發(fā)展提供參考和依據。

1 海溫觀測方法

海溫觀測按照觀測方式可以分為直接觀測和間接觀測。其中，直接觀測包括海基觀測和岸基觀測；間接觀測包括天基觀測。

按照觀測平臺劃分，海基觀測可以分為船舶觀測和浮標觀測。天基觀測包括衛(wèi)星觀測和航空海洋觀測。衛(wèi)星觀測儀器采用微波和紅外輻射間接觀測海洋表層溫度。

1.1 ?；^測

1.1.1 船舶觀測

船舶觀測是海溫資料最多、最可靠的數據來源。船舶觀測資料分布與船的航線有關，航線密集地區(qū)資料密度較大。船舶觀測包括水桶觀測、機艙引水觀測和船體感應觀測3種。

1)水桶測溫

19世紀中期船舶觀測以水桶觀測為主，觀測時將水桶放入海里，再將裝滿水的水桶拉到甲板上進行人工測量，海水溫度用“最小T”溫度計測得。水桶觀測到的是表層水溫，這對于物理海洋學的研究具有很重要的意義。最初的水桶是由木頭、帆布、錫、皮革、黃銅、橡膠和塑料等材質制成的，其結構因其使用的材料而異，其中木桶的隔熱性能比較好，而且往往體積較大，導致溫度變化較小。20世紀40年代以前水桶材質以木桶為主。后來改為隔熱效果更好的橡膠水桶和雙層結構的水桶，可以觀測到更加真實的海溫。

觀測用的溫度計選用水銀溫度計，由于讀取汞柱刻度時產生誤差較大，因此會影響所測溫度精度。水桶觀測海溫通常比真實值偏低，這與觀測方法、讀數和記錄過程中引起的誤差有關[4，5]。隨著船舶變得越來越大，船速越來越快，吊桶的部署難度和危險系數都會增加，當處于高風速條件時，水桶在海面上顛簸，難以下沉，此時使用水桶收集水樣進行海溫測量不僅變得很困難，而且很危險。因此，海溫觀測由桶式測量逐漸傾向于抽取近水面的樣本進行測量。

2)ERI測溫

蒸汽船最早建造于19世紀30年代，至1914年，英國蒸汽船占世界總噸位的一半以上。在裝有發(fā)動機的船舶上，測量用于冷卻發(fā)動機的泵送海水的溫度非常方便[6]。機艙引水觀測(Engine Room Intake，ERI)是利用溫度計測量引入輪機艙用于冷卻渦輪機的海水溫度。測量是在靠近引擎的位置進行，而不是靠近入口。但為了避免溫度計受到渦輪機溫度的影響，通常將溫度計置于入口處測量[7，8]。機艙測溫測量的是給渦輪機降溫的海水，觀測到的海溫值通常較水桶觀測值偏大。當選用精確溫度計，且溫度計遠離渦輪機時，該誤差會減小。ERI測量的便利性及風險性的降低使其成為20世紀下半葉測量海面溫度(SST)的首選方法。

溫度測量技術的進步，使熱電阻商業(yè)化，ERI測量從水銀溫度計或溫度間隔數度的刻度盤演化為電子式溫度計。電子式溫度計測溫精確度高，無論是定點還是走航式測量都可以使用，誤差也較小。但進水口與溫度計之間水溫變化的不可控因素仍然是ERI測溫的主要問題，而且會隨著測量深度的變化而變得更加復雜。

3)船體傳感器感應測溫

隨著傳感器技術的發(fā)展，采用熱敏電阻制成的溫度傳感器，可以實時監(jiān)測海洋水溫，并將所測數據傳輸到采集板塊儲存。使用溫度傳感器測溫時，在現場設置好傳感器系統(tǒng)布線后，就可以實現溫度的自動測量，只需要定期進行維護和校驗，但需要與計算機通訊技術相結合，對于工作人員的日常使用、維護和維修技術要求較高，且早期工程量大，測溫結點位置不易靈活移動。

船體感應海溫測量是利用船體上安裝的溫度計直接測量海溫。為了使溫度計始終在船的吃水線以下，經常在船體一側垂直排列放置3～5個溫度計。船體感應溫度具有較高的可信度和連貫性。該方法被推薦使用，但是由于其安裝費用較高，因此未能得到廣泛地應用[9]。

1.1.2 浮標觀測

為了研究大尺度地轉海洋環(huán)流，需要在更廣闊的海洋區(qū)域對次表層海洋溫度和鹽分進行觀測，而研究船只的數量并不足以提供對所需區(qū)域的覆蓋。MBT以其快速、廉價，且無需研究船只的特點，被廣泛應用于溫度剖面的測量。隨著越來越多的學者加入全球調查，對新的剖面浮標技術越來越熟悉。自20世紀70年代開始使用浮標觀測海溫[10]。中國ARGO計劃自2002年初組織實施以來，已經在太平洋和印度洋等海域投放了155個ARGO剖面浮標，目前有78個浮標仍在海上正常工作。

浮標分為漂流浮標和系泊浮標。這些浮標可以進行自動測量，并通過衛(wèi)星進行中繼。所有SST觀測值中約有90%來自浮標。在平靜條件下，根據其體積大小不同，漂流浮標的標稱深度多分布在10～20 cm，但在某些波浪運動的影響下，浮標會被淹沒一段時間。漂流浮標技術是20世紀90年代初的重大成果，它的出現催生了國際“阿爾戈”(ARGO)計劃，解決了全球次表層溫鹽同步觀測的難題。漂流浮標觀測范圍較固定浮標大，但是觀測要素較少，且觀測到的同一個點的時間序列不夠長，不利于做長期分析，且較不容易訂正。

系泊浮標是固定的平臺，類似于地面上的氣象站，有各種形狀和尺寸。經常使用的最大浮標規(guī)格為12 m，一般用于北方海洋。系泊浮標分為2類：全球熱帶系泊浮標陣列(GTMBA)和分布在美國各地的更多類型的沿海系泊浮標。大多數系泊浮標在1 m深處測量SST，也有的系泊浮標在一定深度范圍內測量。系泊浮標海溫數據在同一個位置提供了一系列連續(xù)的觀測結果，并且由于年度維護和(重新)校準計劃，其數據質量可能高于現場觀測系統(tǒng)的其他組成部分。1971年，系泊浮標首次在ICOADS上觀測到海溫。除熱帶列陣外，大部分系泊處都在沿海，大部分在美國海岸附近。固定浮標可以進行長時間、多要素的定點觀測[11，12]。

1.2 天基觀測

1.2.1 航空海洋觀測

航空海洋探測采用固定翼飛機和無人機為傳感器載體，具有機動靈活、探測項目多、接近海面、分辨力高、不受軌道限制、易于?？张浜隙視r效性高、成本低的特點，是海洋環(huán)境監(jiān)測的重要遙感平臺，通過搭載的微波和光學遙測設備，能夠實時獲取大氣海洋環(huán)境資料和進行其他海洋環(huán)境要素的探測，是海洋環(huán)境監(jiān)測不可或缺的平臺。

隨著無人機技術的發(fā)展和進步，世界各國越來越重視無人機在海洋監(jiān)測領域的應用。美國、俄羅斯、英國、德國等國都大力支持無人機的發(fā)展，以將其應用在海洋探測中。中國也十分注重無人機在海洋監(jiān)測領域的應用，在技術上緊跟發(fā)達國家先進水平，如中測新圖公司自主研制的無人機續(xù)航時間達到了30 h、拍攝分辨力達到了0.05～0.20 dm。未來會向搭載各類傳感器以及持續(xù)能力更強的平臺方向發(fā)展[13-15]。

1.2.2 衛(wèi)星觀測

隨著技術的不斷進步，測溫儀器感溫時間大大縮短，準確度也不斷提高。但船舶的航線具有局限性，浮標的布放數量也很有限。這種方式觀測的SST 的覆蓋率非常低，即使將幾十年的資料進行統(tǒng)計，在全球海洋仍然有許多地方是空白的，無法得到同步大面積數據，而且在分析溫度大面積分布特征時，會產生不可避免的誤差，甚至得出與實際情況完全相反的結論。與傳統(tǒng)的船舶和浮標相比，海洋衛(wèi)星遙感觀測具有全天候、近實時、覆蓋范圍廣和可以長期重復進行海洋觀測的優(yōu)勢，能更好地適應海洋現象的特點，填補現場實測數據的空白[16，17]。

20世紀50—60年代的太空時代，標志著海洋觀測從實地船載觀測向衛(wèi)星遙感觀測轉變。衛(wèi)星海洋學始于20世紀70年代，當時在威廉斯敦召開了一次開創(chuàng)性的會議(Kaula 1969)，會議概述了衛(wèi)星遙感的許多關鍵概念，包括海洋學和大地測量學。第1次從太空測量海面溫度(SST)是在20世紀60年代末由TIROS氣象衛(wèi)星完成的。衛(wèi)星遙感在20世紀80年代開始應用于海溫觀測，衛(wèi)星觀測空間覆蓋率高，能夠觀測船舶或浮標不能觀測的區(qū)域。海洋衛(wèi)星遙感觀測海表溫度主要依靠紅外傳感器和微波傳感器。

紅外傳感器測量的應用極為廣泛，具有高時空分辨力的優(yōu)勢，但是容易受到云和氣溶膠的影響，造成反演出的海表溫度偏低，且其探測的海面水溫只是0～50 μm的溫度，與通常所說的“表層”(0～1 m)水溫有很大的不同，因此也稱為皮層(表皮)溫度。

微波傳感器測量具有全天時、全天候和穿透性強的優(yōu)勢，但其空間分辨力相對較低。與其他觀測方法相比，衛(wèi)星在大規(guī)模海洋現象觀測方面有很大的潛力，但不同反演方法所得到的SST資料與現場觀測的偏差受云的遮擋而造成大面積資料缺測等原因，在很大程度上影響了衛(wèi)星遙感海表溫度產品的實際使用，因此衛(wèi)星觀測具有較大的系統(tǒng)偏差，需要對其觀測的海溫資料進行偏差訂正，通常采用漂流浮標對其進行訂正。

1.3 岸基觀測

岸基海洋站觀測是獲取沿岸海洋環(huán)境要素數據的傳統(tǒng)方式，也是中國最重要和最基本的海洋觀測方式之一，其所獲取的海洋環(huán)境要素數據具有標準化程度高、質量可靠等優(yōu)點。岸基海洋站觀測是指在沿岸或依托石油平臺建設觀測站，作為固定式的海洋觀測平臺，對沿岸海域的水文氣象環(huán)境進行觀測，或對環(huán)境質量進行監(jiān)測，包括海洋站臺觀測和石油井架觀測。海上石油平臺抗風能力強，但由于石油立柱會改變局部水流流向和流速從而干擾了觀測儀器的準確性。

自20世紀50年代開始，中國陸續(xù)在全國沿海建立并投入運行岸基海洋觀測站，對包括表層溫度在內的海洋水文參數進行監(jiān)測。在實際應用中，常見的岸邊定點水溫測量多半使用傳感器測溫，其穩(wěn)定、實時、連續(xù)的特性得到了很好的發(fā)揮，加上實時通訊技術，可以在計算機看到連續(xù)直觀的海水溫度變化。在觀測某站點特定時間和特定層次時，則使用較為簡單的水銀溫度表進行觀測。

2 海溫觀測技術發(fā)展趨勢

海洋監(jiān)測技術水平是一個國家海洋裝備制造水平的綜合體現。隨著國家的海洋戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃與需求以及全球對海洋關注的日益增強，海洋監(jiān)測對觀測技術和裝備的需求將進一步增強[18-20]。

海溫發(fā)展趨勢可以概括為以下兩個方面：

1)向高精度、多參數綜合觀測發(fā)展。隨著高新技術的迅速發(fā)展和廣泛應用，以及水文監(jiān)測需求的日益增加，一些水文要素如海浪、海表溫和鹽度的觀測還沒有實現自動化。應加強對水文觀測的研究，擴充觀測要素，將觀測要素擴展為水文要素和氣象要素同時進行。

2)由單點向網絡化、綜合化發(fā)展。一方面海上資料的獲取難度大，費用高、周期長。另一方面，海溫觀測資料的稀疏成為中國近海海溫長期趨勢變化研究最主要的制約因素。因此應該將衛(wèi)星觀測、浮標觀測、船舶觀測和岸基觀測緊密結合，建立立體、實時監(jiān)測網，有效、連續(xù)地獲取大面積海溫數據，生成高分辨力、高精度的海表溫度數據，使海洋觀測進入多層、立體、多角度、全方位和全天候的新時代。

3 結束語

海洋水溫是研究海氣間水汽交換、了解海區(qū)水文及水質狀況的重要參數，是海洋科學研究、海洋環(huán)境監(jiān)測、海上交通安全和國防軍事建設的重要參考依據。隨著海洋實時監(jiān)測網的建立，中國的全球海洋資料獲取能力和開發(fā)利用海洋資源能力逐步提高。