海洋浮标技术 -海上浮标的种类

海洋

; n9 l# \: d8 E" c/ t$ ]

资料浮标(ocean data buoy)是一种用于获取海洋气象、水文、水质、生态、动力等参数的漂浮式自动化监测平台，它是随着科技发展和海洋环境监测、预报的需要而迅速发展起来的新型海洋环境监测设备，具有长期、连续、全天候自动观测等优点，为海洋预报、防灾减灾、海洋经济、海上军事活动等服务，对沿海国家和地区的国计民生和国土安全等多个方面都具有重大意义，因此受到世界各国的极大重视和大力发展。海洋资料浮标是海洋观测中最重要、最可靠、最稳定的手段之一，是海洋观测资料4大来源之一。国外海洋资料浮标观测技术的发展历史悠久，加之先进科技成果的应用，因此其技术水平和成果具有很好的代表性和指导意义，下面就作具体说明。

一、通用型海洋资料浮标观测技术

' l- Z T; o9 ^8 _! v% m7 E) a

通用型海洋资料浮标主要指当前已经产品化，并且能够满足常规海洋参数观测业务化运行的浮标。国外海洋资料浮标的发展始于上世纪20年代，发展至今已经取得了大量优秀成果。当前，美国、加拿大、挪威等海洋科技强国的通用型海洋资料浮标观测技术已趋成熟，不但功能齐全，可靠性高、精度高、稳定性好，而且形成了功能多样的产品系列，制定了相应海洋环境监测规范和标准，已经在各沿海国家实现了长期业务化运行。

海洋资料浮标观测技术应用的优秀代表是美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的国家资料浮标中心(NDBC)，其管理的海洋资料浮标遍布全球，锚系浮标包含了从12m到1.5m直径的多个系列，如图1所示，长年工作于海上提供了大量珍贵的海洋数据。

2 p7 q7 y- R) Z; G. o

图1 锚系浮标系列

世界气象组织(WMO)和政府间海洋学委员会(IOC)的数据浮标合作小组(DBCP)也管理着众多的海洋资料浮标, 用于全球气象预报等领域; NDBC管理的锚系浮标实现了全球分布如图2所示。

国外已经将锚系浮标观测技术扩展到深远海, 如印度洋、南北极、赤道附近等。随着海洋环境监测要求的不断增加和提高, 建立了大区域、高密度、多参数、多功能的海洋浮标监测网, 如美国NDBC用于热带海洋大气观测的TAO浮标网, 由大约70个锚系浮标组成。

* v' K; s. ^+ `, }7 n" k

图2   2014年锚系浮标全球分布图 

. U2 {8 W1 J" x6 H- \+ ~/ S2 T

二、国外10类专用型浮标介绍

* D" c9 x! k' G: ^4 y+ ?) {

专用型浮标是浮标观测技术水平良好体现，也是各国在海洋资料浮标领域研究、制造、应用方面综合实力、技术水平和创新水平的标志之一。针对特定的应用需求,国外研制了多种专用浮标系统，代表成果有海洋剖面浮标、海上风剖面浮标、海啸浮标、波浪浮标、光学浮标、海冰浮标、海气通量观测浮标和海洋酸化观测浮标等。以下概述这10种专用型浮标的基本情况和代表产品。

% t! I5 F9 t8 O( j

⒈ 海洋剖面观测浮标

能够观测海水参数的垂直变化剖面的浮标系统。水下剖面观测浮标最早的代表是美国伍兹霍尔研究所(WHOI)设计的具有自动升降功能的剖面观测系统MMP(mclane moored profiler)（如图3）,和加拿大Bedford研究所设计的海马(Seahorse)波浪能驱动剖面观测系统, 如图4所示。2013年挪威的SAIV AS公司利用浮标搭载电动绞车的方式研制了自动剖面观测系统，如图5所示。此外, 意大利、韩国等国也纷纷开发了自己的剖面观测浮标，有的甚至都已经业务化运行多年。

: Y8 ^! H) o E2 j0 ^, x0 C

图3 美国WHOI海洋剖面观测浮标

图4  加拿大Bedford海洋剖面观测浮标

图5  挪威SAIV AS海洋剖面观测浮标

' d* u( B9 z3 _5 ^

⒉ 海上风剖面浮标

7 Z% t0 | A! l6 L; a; c

海上风剖面观测浮标则是近几年出现的新成果，主要测量海上低空(小于1km)的风场剖面, 代表成果是2009年加拿大AXYS生产的WindSentinel和2013年挪威OCEANOR公司生产的SEAWATCH Wind LiDAR浮标(图6), 都是通过搭载激光雷达实现底层风剖面观测。

% D }$ }) O8 r6 D3 {& S, M, k! E

图6   国外的海洋风剖面浮标产品 

0 c0 n9 |1 f( A5 I% r$ T

⒊ 海啸浮标

+ y8 ?, _4 E, ]

通过实时监测海面波动情况，及时确认是否发生海啸以及发生海啸的大小程度，为海啸预警提供非常重要和珍贵的数据。美国NOAA早在上世纪90年代初就开始了海啸浮标的研制及系统建设，取得了优秀成果，2001年建立了第一代DART系统，2005年开始第二代DART系统(DART II)的建设，2007年开始高效易布放(ETD)海啸浮标的研制和全球布网(DART III, 图7)，迄今为止, 已经在全球范围内布放了超过60个海啸浮标(图8)。

7 Q: n8 Y) u+ K: v

图7    美国NOAA第三代DARTⅢ海啸预警系统 

图8   美国NOAADART海啸浮标全球分布图 

⒋ 波浪浮标

, v% u1 V7 @' {! S

专门用于波浪参数观测的浮标，绝大部分波浪浮标都采用球形标体，以具备很好的随波性。波浪观测是海洋环境观测的重要参数之一，也是海洋环境观测的难点之一。当前代表波浪观测最高水平的浮标是荷兰Datawell公司的波浪骑士，其他还有加拿大AXYS公司的波浪浮标，如图9所示。

- f0 C' j6 C, x3 Q

图9    国外波浪浮标代表产品 

7 d$ u4 J8 I8 C' {# [0 P

⒍ 光学浮标

以光学技术为基础，可连续观测海面、海水表层、真光层乃至海底的光学特性的浮标。第一台光学浮标于1994年诞生在美国，此后，英国、日本和法国等发达国家也研制了自己的光学浮标，代表产品有美国的MOBY和法国的BOUSSOLE，如图10所示。

图10   国外光学浮标代表产品

% T K! A+ ?* N8 y6 q$ q3 P

⒎ 海冰浮标

: S: W! ^- z4 C

布放于南北极海冰区域能够观测包括海冰在内的海洋环境参数的浮标，既可以监测海冰自身的热力及动力过程，同时可以加载相应的海洋及大气参数观测的传感器，用于海洋及大气边界层物理过程观测。当前，有7种以上常用海冰浮标适合于南北极海冰地区的观测，如图11所示。

图11    国外海冰浮标代表产品 

⒏ 海气通量观测浮标

( A" x% a: Q, R! n- T

用于观测大气和海洋之间能量和水的相互运动和交换过程，对全球气候变化和预报及大气环流研究等领域具有重要作用和意义，主要观测风速、风向、温度、湿度、压强、长短波辐射、降雨等参数，代表成果是美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)的ASIMET系统以及迈阿密大学的ASIS系统，如图12所示。

% s+ d' x' W. K9 E1 C" P) Q

图12    国外的海气通量观测浮标

⒐ 海洋酸化观测浮标

用于观测表层海水和大气的CO2浓度，用于观测海洋酸性变化的浮标。2013年8月，美国NOAA在大西洋北极圈附近布放了第一个海洋酸性观测浮标，该浮标安装了由PMEL公司生产的MAPCO2系统，如图13所示。2004年开始, 美国NOAA在部分已有观测浮标平台基础上，增加CO2和pH观测参数，执行海洋酸化观测计划。目前CO2观测浮标大约有12个, 分布在太平洋、大西洋和印度洋等海域。

图13   国外MAPCO2观测浮标 

( i4 m+ _7 O3 [- Z2 b+ a8 X

⒑ 海洋放射性监测浮标

2005年希腊利用浮标搭载3个NaI晶体能谱仪检测海水中γ射线能谱，实现了海洋辐射在线原位监测，如图14所示。

$ r* ]4 G! y2 S" E" R: h( C

图14  海洋放射性监测浮标 

/ ]4 B+ q& a3 J$ n

三、国外海洋资料浮标的优势科研机构

8 Y7 a, O. c1 x' M3 S

⒈ 美国

美国从事海洋资料浮标研发的有六大科研机构、公司或院校，分别为NDBC、伍兹霍尔研究所(WHOI)、斯克里普斯海洋研究所、华盛顿大学、迈阿密大学和SEABIRD，他们各自的主要技术与产品如下：

⑴NDBC：美国NOAA下属的集研发、生产、应用、管理于一体的综合性单位，主要产品有12m～1.5m直径各类浮标、海啸浮标、波浪浮标等。

- G$ l4 g- [9 i3 p% {

⑵伍兹霍尔研究所(WHOI)：专注于海洋科学与海洋工程的非盈利私人研究和教学机构， 主要代表产品海气通量浮标、海洋剖面。

0 `# I, m+ O' p

⑶斯克里普斯海洋研究所：美国太平洋海岸的综合性海洋科学研究机构，主要代表产品海气通量浮标、直立水中的FLIP 平台。

8 K1 |6 w, a; F' @( s

⑷华盛顿大学：研制第一台监测海洋酸化的科考浮标。

⑸迈阿密大学：海气通量观测浮标。

7 X9 O' C/ C2 ^5 R; a. h

⑹SEABIRD：从事海洋传感器及综合观测系统集成，主要产品有CTD。

⒉ 加拿大

& l$ Y$ Y- a# v/ a ~: L% g

加拿大从事海洋资料浮标研发的有AXYS和RBR二大公司，他们各自的主要技术与产品如下：

+ _( h* {6 x4 n& i, o$ q2 _- t% a

⑴AXYS：从事海洋浮标监测系统的研发、布放、维护和高精度海洋监测数据实时记录、传输技术，主要产品有风剖面浮标、波浪浮标、船型浮标及各类传感器。

5 ?7 {7 Q& U6 H, o* Y. q7 O- w

⑵RBR：从事海洋传感器研发、以及海洋浮标检测系统。

⒊ 挪威

挪威从事海洋资料浮标研发的有OCEANOR和AANDERAA二大公司，他们各自的主要技术与产品如下：

⑴OCEANOR：从事实时海洋、河流、湖泊、地下水和土壤环境监控技术和设备的研发，主要产品有SEAWATCH系列浮标、波浪浮标、水质浮标、风剖面浮标。

⑵AANDERAA：从事海洋仪器的研制与开发，主要产品有声学多普勒流速剖面仪。

⒋ 荷兰

荷兰DATAWELL公司从事海洋测量设备的研发，主要产品是波浪骑士系列波浪浮标及船载传感器。

四、结束语

. o! B, f& G# c1 h9 n

总体来说，国外海洋技术强国的海洋资料浮标观测技术处于领先水平，不但技术先进, 功能齐全, 大部分都已经处于长期业务化运行阶段, 而且具有观测精度高、长期稳定性好、功能齐全、功耗低等特点。其观测范围已经扩展到深远海, 组成了业务化的观测网, 并且向着全球高密度布网发展。具有原始创新和高技术水平的各种专用浮标观测技术发展迅速。

9 ?) q4 x3 y! u5 o5 {& b

我国的海洋资料浮标研制虽然起步较晚，但经过长期的努力与积累，取得了丰硕成果，在某些方面的水平甚至已经达到国际领先水平。当然总体来说，与国外海洋技术大国相比还存在较大差距，主要体现在搭载的仪器设备的性能、测量精度和工作可靠性等方面，但在系统集成、布放回收等方面差距已不明显。

■本文取自于山东省科学院海洋仪器仪表研究所王波等的论文“海洋资料浮标观测技术应用现状及发展趋势”，发表在《仪器仪表学报》（2014年第11期），选取了其中的一个章节，编发时对章节、内容与图片排版进行了重新整理。本文单独成篇，组稿/溪流，版权归原作者所有，用于学习与交流，转发请备注出处。

相关阅读推荐：

知识窗▏Argo浮标及其应用

9 j$ o( O! P: v

海洋论坛▏当前国际海洋观测技术的主要发展方向

- b' b: T; s6 J5 E. g) l# t( F

论文专区▏船载ADCP资料处理

2 I* Y) ]* E$ b/ I* T2 `9 |

知识窗▏海洋环境观测技术

科技前沿▏MEMS技术在海洋观测中的应用

技术交流▏浅谈几种海浪观测法的优缺点

投稿邮箱：452218808@qq.com，请您在留言中标注为投稿，并提供个人简介及联系方式，谢谢！