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    海洋浮標(biāo)運行維護(hù)終于有國家標(biāo)準(zhǔn)了!《海洋環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)運行維護(hù)管理技術(shù)指南》

    文章出處:本站    人氣:7549    發(fā)表時間:2022-01-12 14:13:15

    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)、動力等參數(shù)的漂浮式自動化監(jiān)測平臺,它是隨著科技發(fā)展和海洋環(huán)境監(jiān)測、預(yù)報的需要而迅速發(fā)展起來的新型海洋環(huán)境監(jiān)測設(shè)備,具有長期、連續(xù)、全天候自動觀測等優(yōu)點,為海洋預(yù)報、防災(zāi)減災(zāi)、海洋經(jīng)濟(jì)、海上活動等服務(wù),對沿海國家和地區(qū)的國計民生和國土安全等多個方面都具有重大意義,因此受到世界各國的極大重視和大力發(fā)展。海洋資料浮標(biāo)是海洋觀測中重要、可靠、穩(wěn)定的手段之一,是海洋觀測資料4大來源之一。國外海洋資料浮標(biāo)觀測技術(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,下面就作具體說明。

    一、通用型海洋資料浮標(biāo)觀測技術(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)觀測業(yè)務(wù)化運行的浮標(biāo)。國外海洋資料浮標(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、加拿大、挪威等海洋科技強(qiáng)國的通用型海洋資料浮標(biāo)觀測技術(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)測規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn),已經(jīng)在各沿海國家實現(xiàn)了長期業(yè)務(wù)化運行。

    海洋資料浮標(biāo)觀測技術(shù)應(yīng)用的是美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的國家資料浮標(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直徑的多個系列,如圖1所示,長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(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)報等領(lǐng)域; NDBC管理的錨系浮標(biāo)實現(xiàn)了全球分布如圖2所示。

    國外已經(jīng)將錨系浮標(biāo)觀測技術(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)測網(wǎng), 如美國NDBC用于熱帶海洋大氣觀測的TAO浮標(biāo)網(wǎng), 由大約70個錨系浮標(biāo)組成。

    二、國外10類型浮標(biāo)介紹

    型浮標(biāo)是浮標(biāo)觀測技術(shù)水平良好體現(xiàn),也是各國在海洋資料浮標(biāo)領(lǐng)域研究、制造、應(yīng)用方面綜合實力、技術(shù)水平和創(chuàng)新水平的標(biāo)志之一。針對特定的應(yīng)用需求,國外研制了多種浮標(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)、海氣通量觀測浮標(biāo)和海洋酸化觀測浮標(biāo)等。以下概述這10種型浮標(biāo)的基本情況和產(chǎn)品。

    ⒈ 海洋剖面觀測浮標(biāo)

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

    ⒉ 海上風(fēng)剖面浮標(biāo)

    海上風(fēng)剖面觀測浮標(biāo)則是近幾年出現(xiàn)的新成果,主要測量海上低空(小于1km)的風(fēng)場剖面, 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), 都是通過搭載激光雷達(dá)實現(xiàn)底層風(fēng)剖面觀測。

    ⒊ 海嘯浮標(biāo)

    通過實時監(jiān)測海面波動情況,及時確認(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NOAA早在上世紀(jì)90年代初就開始了海嘯浮標(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年開始第二代DART系統(tǒng)(DART II)的建設(shè),2007年開始高效易布放(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60個海嘯浮標(biāo)(圖8)。

    ⒋ 波浪浮標(biāo)

    專門用于波浪參數(shù)觀測的浮標(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。波浪觀測是海洋環(huán)境觀測的重要參數(shù)之一,也是海洋環(huán)境觀測的難點之一。當(dāng)前波浪觀測水平的浮標(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)觀測海面、海水表層、真光層乃至海底的光學(xué)特性的浮標(biāo)。臺光學(xué)浮標(biāo)于1994年誕生在美國,此后,英國、日本和法國等發(fā)達(dá)國家也研制了自己的光學(xué)浮標(biāo),產(chǎn)品有美國的MOBY和法國的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)測海冰自身的熱力及動力過程,同時可以加載相應(yīng)的海洋及大氣參數(shù)觀測的傳感器,用于海洋及大氣邊界層物理過程觀測。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,如圖11所示。

    ⒏ 海氣通量觀測浮標(biāo)

    用于觀測大氣和海洋之間能量和水的相互運動和交換過程,對全球氣候變化和預(yù)報及大氣環(huán)流研究等領(lǐng)域具有重要作用和意義,主要觀測風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、濕度、壓強(qiáng)、長短波輻射、降雨等參數(shù),成果是美國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 海洋酸化觀測浮標(biāo)

    用于觀測表層海水和大氣的CO2濃度,用于觀測海洋酸性變化的浮標(biāo)。2013年8月,美國NOAA在大西洋北極圈附近布放了個海洋酸性觀測浮標(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年開始, 美國NOAA在部分已有觀測浮標(biāo)平臺基礎(chǔ)上,增加CO2和pH觀測參數(shù),執(zhí)行海洋酸化觀測計劃。目前CO2觀測浮標(biāo)大約有12個, 分布在太平洋、大西洋和印度洋等海域。

    ⒑ 海洋放射性監(jiān)測浮標(biāo)

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

    三、國外海洋資料浮標(biāo)的優(yōu)勢科研機(jī)構(gòu)

    ⒈ 美國

    美國從事海洋資料浮標(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。

    ⑷華盛頓大學(xué):研制臺監(jiān)測海洋酸化的科考浮標(biāo)。

    ⑸邁阿密大學(xué):海氣通量觀測浮標(biāo)。

    ⑹SEABIRD:從事海洋傳感器及綜合觀測系統(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)測系統(tǒng)的研發(fā)、布放、維護(hù)和高精度海洋監(jiān)測數(shù)據(jù)實時記錄、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:從事實時海洋、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

    總體來說,國外海洋技術(shù)強(qiáng)國的海洋資料浮標(biāo)觀測技術(shù)處于水平,不但技術(shù)先進(jìn), 功能齊全, 大部分都已經(jīng)處于長期業(yè)務(wù)化運行階段, 而且具有觀測精度高、長期穩(wěn)定性好、功能齊全、功耗低等特點。其觀測范圍已經(jīng)擴(kuò)展到深遠(yuǎn)海, 組成了業(yè)務(wù)化的觀測網(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)觀測技術(shù)發(fā)展迅速。

    我國的海洋資料浮標(biāo)研制雖然起步較晚,但經(jīng)過長期的努力與積累,取得了豐碩成果,在某些方面的水平甚至已經(jīng)達(dá)到國際水平。當(dāng)然總體來說,與國外海洋技術(shù)大國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。

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