資料浮標(biāo)(ocean data buoy)是一種用于獲取海洋氣象、水文、水質(zhì)、生態(tài)、動(dòng)力等參數(shù)的漂浮式自動(dòng)化監(jiān)測(cè)平臺(tái)，它是隨著科技發(fā)展和海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)的需要而迅速發(fā)展起來(lái)的新型海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，具有長(zhǎng)期、連續(xù)、全天候自動(dòng)觀測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，為海洋預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)、海洋經(jīng)濟(jì)、海上活動(dòng)等服務(wù)，對(duì)沿海國(guó)家和地區(qū)的國(guó)計(jì)民生和國(guó)土安全等多個(gè)方面都具有重大意義，因此受到世界各國(guó)的極大重視和大力發(fā)展。海洋資料浮標(biāo)是海洋觀測(cè)中重要、可靠、穩(wěn)定的手段之一，是海洋觀測(cè)資料4大來(lái)源之一。國(guó)外海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展歷史悠久，加之先進(jìn)科技成果的應(yīng)用，因此其技術(shù)水平和成果具有很好的性和指導(dǎo)意義，下面就作具體說(shuō)明。

一、通用型海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)

通用型海洋資料浮標(biāo)主要指當(dāng)前已經(jīng)產(chǎn)品化，并且能夠滿足常規(guī)海洋參數(shù)觀測(cè)業(yè)務(wù)化運(yùn)行的浮標(biāo)。國(guó)外海洋資料浮標(biāo)的發(fā)展始于上世紀(jì)20年代，發(fā)展至今已經(jīng)取得了大量成果。當(dāng)前，美國(guó)、加拿大、挪威等海洋科技強(qiáng)國(guó)的通用型海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)已趨成熟，不但功能齊全，可靠性高、精度高、穩(wěn)定性好，而且形成了功能多樣的產(chǎn)品系列，制定了相應(yīng)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)，已經(jīng)在各沿海國(guó)家實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期業(yè)務(wù)化運(yùn)行。

海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)應(yīng)用的是美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局(NOAA)的國(guó)家資料浮標(biāo)中心(NDBC)，其管理的海洋資料浮標(biāo)遍布全球，錨系浮標(biāo)包含了從12m到1.5m直徑的多個(gè)系列，如圖1所示，長(zhǎng)年工作于海上提供了大量珍貴的海洋數(shù)據(jù)。

世界氣象組織(WMO)和間海洋學(xué)委員會(huì)(IOC)的數(shù)據(jù)浮標(biāo)合作小組(DBCP)也管理著眾多的海洋資料浮標(biāo), 用于全球氣象預(yù)報(bào)等領(lǐng)域; NDBC管理的錨系浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)了全球分布如圖2所示。

國(guó)外已經(jīng)將錨系浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)擴(kuò)展到深遠(yuǎn)海, 如印度洋、南北極、赤道附近等。隨著海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)要求的不斷增加和提高, 建立了大區(qū)域、高密度、多參數(shù)、多功能的海洋浮標(biāo)監(jiān)測(cè)網(wǎng), 如美國(guó)NDBC用于熱帶海洋大氣觀測(cè)的TAO浮標(biāo)網(wǎng), 由大約70個(gè)錨系浮標(biāo)組成。

二、國(guó)外10類型浮標(biāo)介紹

型浮標(biāo)是浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)水平良好體現(xiàn)，也是各國(guó)在海洋資料浮標(biāo)領(lǐng)域研究、制造、應(yīng)用方面綜合實(shí)力、技術(shù)水平和創(chuàng)新水平的標(biāo)志之一。針對(duì)特定的應(yīng)用需求,國(guó)外研制了多種浮標(biāo)系統(tǒng)，成果有海洋剖面浮標(biāo)、海上風(fēng)剖面浮標(biāo)、海嘯浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)、光學(xué)浮標(biāo)、海冰浮標(biāo)、海氣通量觀測(cè)浮標(biāo)和海洋酸化觀測(cè)浮標(biāo)等。以下概述這10種型浮標(biāo)的基本情況和產(chǎn)品。

⒈ 海洋剖面觀測(cè)浮標(biāo)

能夠觀測(cè)海水參數(shù)的垂直變化剖面的浮標(biāo)系統(tǒng)。水下剖面觀測(cè)浮標(biāo)早的是美國(guó)伍茲霍爾研究所(WHOI)設(shè)計(jì)的具有自動(dòng)升降功能的剖面觀測(cè)系統(tǒng)MMP(mclane moored profiler)（如圖3）,和加拿大Bedford研究所設(shè)計(jì)的海馬(Seahorse)波浪能驅(qū)動(dòng)剖面觀測(cè)系統(tǒng), 如圖4所示。2013年挪威的SAIV AS公司利用浮標(biāo)搭載電動(dòng)絞車的方式研制了自動(dòng)剖面觀測(cè)系統(tǒng)，如圖5所示。此外, 意大利、韓國(guó)等國(guó)也紛紛開(kāi)發(fā)了自己的剖面觀測(cè)浮標(biāo)，有的甚至都已經(jīng)業(yè)務(wù)化運(yùn)行多年。

⒉ 海上風(fēng)剖面浮標(biāo)

海上風(fēng)剖面觀測(cè)浮標(biāo)則是近幾年出現(xiàn)的新成果，主要測(cè)量海上低空(小于1km)的風(fēng)場(chǎng)剖面, 成果是2009年加拿大AXYS生產(chǎn)的WindSentinel和2013年挪威OCEANOR公司生產(chǎn)的SEAWATCH Wind LiDAR浮標(biāo)(圖6), 都是通過(guò)搭載激光雷達(dá)實(shí)現(xiàn)底層風(fēng)剖面觀測(cè)。

⒊ 海嘯浮標(biāo)

通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海面波動(dòng)情況，及時(shí)確認(rèn)是否發(fā)生海嘯以及發(fā)生海嘯的大小程度，為海嘯預(yù)警提供非常重要和珍貴的數(shù)據(jù)。美國(guó)NOAA早在上世紀(jì)90年代初就開(kāi)始了海嘯浮標(biāo)的研制及系統(tǒng)建設(shè)，取得了成果，2001年建立了代DART系統(tǒng)，2005年開(kāi)始第二代DART系統(tǒng)(DART II)的建設(shè)，2007年開(kāi)始高效易布放(ETD)海嘯浮標(biāo)的研制和全球布網(wǎng)(DART III, 圖7)，迄今為止, 已經(jīng)在全球范圍內(nèi)布放了超過(guò)60個(gè)海嘯浮標(biāo)(圖8)。

⒋ 波浪浮標(biāo)

專門(mén)用于波浪參數(shù)觀測(cè)的浮標(biāo)，絕大部分波浪浮標(biāo)都采用球形標(biāo)體，以具備很好的隨波性。波浪觀測(cè)是海洋環(huán)境觀測(cè)的重要參數(shù)之一，也是海洋環(huán)境觀測(cè)的難點(diǎn)之一。當(dāng)前波浪觀測(cè)水平的浮標(biāo)是荷蘭Datawell公司的波浪騎士，其他還有加拿大AXYS公司的波浪浮標(biāo)，如圖9所示。

⒍ 光學(xué)浮標(biāo)

以光學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)，可連續(xù)觀測(cè)海面、海水表層、真光層乃至海底的光學(xué)特性的浮標(biāo)。臺(tái)光學(xué)浮標(biāo)于1994年誕生在美國(guó)，此后，英國(guó)、日本和法國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家也研制了自己的光學(xué)浮標(biāo)，產(chǎn)品有美國(guó)的MOBY和法國(guó)的BOUSSOLE，如圖10所示。

⒎ 海冰浮標(biāo)

布放于南北極海冰區(qū)域能夠觀測(cè)包括海冰在內(nèi)的海洋環(huán)境參數(shù)的浮標(biāo)，既可以監(jiān)測(cè)海冰自身的熱力及動(dòng)力過(guò)程，同時(shí)可以加載相應(yīng)的海洋及大氣參數(shù)觀測(cè)的傳感器，用于海洋及大氣邊界層物理過(guò)程觀測(cè)。當(dāng)前，有7種以上常用海冰浮標(biāo)適合于南北極海冰地區(qū)的觀測(cè)，如圖11所示。

⒏ 海氣通量觀測(cè)浮標(biāo)

用于觀測(cè)大氣和海洋之間能量和水的相互運(yùn)動(dòng)和交換過(guò)程，對(duì)全球氣候變化和預(yù)報(bào)及大氣環(huán)流研究等領(lǐng)域具有重要作用和意義，主要觀測(cè)風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、壓強(qiáng)、長(zhǎng)短波輻射、降雨等參數(shù)，成果是美國(guó)伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)的ASIMET系統(tǒng)以及邁阿密大學(xué)的ASIS系統(tǒng)，如圖12所示。

⒐ 海洋酸化觀測(cè)浮標(biāo)

用于觀測(cè)表層海水和大氣的CO2濃度，用于觀測(cè)海洋酸性變化的浮標(biāo)。2013年8月，美國(guó)NOAA在大西洋北極圈附近布放了個(gè)海洋酸性觀測(cè)浮標(biāo)，該浮標(biāo)安裝了由PMEL公司生產(chǎn)的MAPCO2系統(tǒng)，如圖13所示。2004年開(kāi)始, 美國(guó)NOAA在部分已有觀測(cè)浮標(biāo)平臺(tái)基礎(chǔ)上，增加CO2和pH觀測(cè)參數(shù)，執(zhí)行海洋酸化觀測(cè)計(jì)劃。目前CO2觀測(cè)浮標(biāo)大約有12個(gè), 分布在太平洋、大西洋和印度洋等海域。

⒑ 海洋放射性監(jiān)測(cè)浮標(biāo)

2005年希臘利用浮標(biāo)搭載3個(gè)NaI晶體能譜儀檢測(cè)海水中γ射線能譜，實(shí)現(xiàn)了海洋輻射在線原位監(jiān)測(cè)，如圖14所示。

三、國(guó)外海洋資料浮標(biāo)的優(yōu)勢(shì)科研機(jī)構(gòu)

⒈ 美國(guó)

美國(guó)從事海洋資料浮標(biāo)研發(fā)的有六大科研機(jī)構(gòu)、公司或院校，分別為NDBC、伍茲霍爾研究所(WHOI)、斯克里普斯海洋研究所、華盛頓大學(xué)、邁阿密大學(xué)和SEABIRD，他們各自的主要技術(shù)與產(chǎn)品如下：

⑴NDBC：美國(guó)NOAA下屬的集研發(fā)、生產(chǎn)、應(yīng)用、管理于一體的綜合性單位，主要產(chǎn)品有12m～1.5m直徑各類浮標(biāo)、海嘯浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)等。

⑵伍茲霍爾研究所(WHOI)：專注于海洋科學(xué)與海洋工程的非盈利私人研究和教學(xué)機(jī)構(gòu)， 主要產(chǎn)品海氣通量浮標(biāo)、海洋剖面。

⑶斯克里普斯海洋研究所：美國(guó)太平洋海岸的綜合性海洋科學(xué)研究機(jī)構(gòu)，主要產(chǎn)品海氣通量浮標(biāo)、直立水中的FLIP 平臺(tái)。

⑷華盛頓大學(xué)：研制臺(tái)監(jiān)測(cè)海洋酸化的科考浮標(biāo)。

⑸邁阿密大學(xué)：海氣通量觀測(cè)浮標(biāo)。

⑹SEABIRD：從事海洋傳感器及綜合觀測(cè)系統(tǒng)集成，主要產(chǎn)品有CTD。

⒉ 加拿大

加拿大從事海洋資料浮標(biāo)研發(fā)的有AXYS和RBR二大公司，他們各自的主要技術(shù)與產(chǎn)品如下：

⑴AXYS：從事海洋浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研發(fā)、布放、維護(hù)和高精度海洋監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄、傳輸技術(shù)，主要產(chǎn)品有風(fēng)剖面浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)、船型浮標(biāo)及各類傳感器。

⑵RBR：從事海洋傳感器研發(fā)、以及海洋浮標(biāo)檢測(cè)系統(tǒng)。

⒊ 挪威

挪威從事海洋資料浮標(biāo)研發(fā)的有OCEANOR和AANDERAA二大公司，他們各自的主要技術(shù)與產(chǎn)品如下：

⑴OCEANOR：從事實(shí)時(shí)海洋、河流、湖泊、地下水和土壤環(huán)境監(jiān)控技術(shù)和設(shè)備的研發(fā)，主要產(chǎn)品有SEAWATCH系列浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)、水質(zhì)浮標(biāo)、風(fēng)剖面浮標(biāo)。

⑵AANDERAA：從事海洋儀器的研制與開(kāi)發(fā)，主要產(chǎn)品有聲學(xué)多普勒流速剖面儀。

⒋ 荷蘭

荷蘭DATAWELL公司從事海洋測(cè)量設(shè)備的研發(fā)，主要產(chǎn)品是波浪騎士系列波浪浮標(biāo)及船載傳感器。

四、結(jié)束語(yǔ)

總體來(lái)說(shuō)，國(guó)外海洋技術(shù)強(qiáng)國(guó)的海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)處于水平，不但技術(shù)先進(jìn), 功能齊全, 大部分都已經(jīng)處于長(zhǎng)期業(yè)務(wù)化運(yùn)行階段, 而且具有觀測(cè)精度高、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、功能齊全、功耗低等特點(diǎn)。其觀測(cè)范圍已經(jīng)擴(kuò)展到深遠(yuǎn)海, 組成了業(yè)務(wù)化的觀測(cè)網(wǎng), 并且向著全球高密度布網(wǎng)發(fā)展。具有原始創(chuàng)新和高技術(shù)水平的各種浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速。

我國(guó)的海洋資料浮標(biāo)研制雖然起步較晚，但經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的努力與積累，取得了豐碩成果，在某些方面的水平甚至已經(jīng)達(dá)到國(guó)際水平。當(dāng)然總體來(lái)說(shuō)，與國(guó)外海洋技術(shù)大國(guó)相比還存在較大差距，主要體現(xiàn)在搭載的儀器設(shè)備的性能、測(cè)量精度和工作可靠性等方面，但在系統(tǒng)集成、布放回收等方面差距已不明顯。