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学术交流 | 海洋观测技术与观测仪器及其发展

2021-05-11 15:43

来源：澎湃新闻·澎湃号·政务

以下文章来源于溪流之海洋人生，作者溪流

溪流之海洋人生

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海洋观测是研究海洋、开发海洋、利用海洋的基础，作为海洋科学和技术的重要组成部分，在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾害、保护海洋环境、加强国防建设、谋求新的发展空间等方面起着十分重要的作用，也是展示一个国家综合国力的重要标志。早在上世纪80年代中期，海洋发达国家就相继出台海洋科技与开发战略，进入21世纪后，国际政治、经济、军事围绕着海洋活动发生了深刻的变化，在新的海洋战略及其军事需求牵引下，各国相继调整战略，进一步加大了对海洋观测领域的投入。

海洋技术的演进

海洋技术的发展最早起源于船舶技术发展的需求，由于罗盘技术广泛地应用于航海，加上前人积累的牵星术、地文、潮流、季风等航海知识，以及造船技术的发展，促进了海洋技术的发展。正如海洋测绘技术起步于船舶安全航行需求，故被称之为海道测量。

1872年12月7日至1876年5月26日，英国2300吨排水量的“挑战者”号海洋科考船三年半时间的海上考察活动，开启了近代海洋科学研究历史。这一次行程由英国爱丁堡大学的C.W.汤姆逊领导，船上配备了当时世界上最先进的海洋科学仪器和技术设备，对除北冰洋以外的世界各大洋开展了水文调查、深度测量、深水拖网、温度测定等等技术工作，得到了海洋深层水温分布数据，发现了4400多种海洋生物，绘制了等深线图，首次采集到锰结核，并发现了深海软泥和红土，等等。

在那个年代，回声原理已经被发现，像温度和压力传感器也逐渐被应用于水下作业，拖网、海水采样器、沉积物采样设备等这些机械式仪器设备，也被大量发明并得到应用。这些海洋技术装备与海洋科学考察成果，为现代海洋地质、海洋化学、海洋生物等研究，奠定了坚实的基础。

上世纪40年代冯诺曼发明了计算机技术，把海洋技术带入了自动化时代，极大地推动了海洋科学研究与海洋事业发展，其中水声技术的发展和潜水器的出现，是自动化海洋技术发展的重要标志。1917年法国科学家朗之万基于压电效应原理发明了晶体和钢组成的声学换能器，从而产生了世界上第一台回声测深仪。

鉴于声音在水中的优良传播特性，使得水下声学技术，成为海洋技术的重要理论与工作基础。人们利用声波的特征，可以进行水下测深的应用，甚至开展深海海底地形地貌的测量，进行海洋探测、水下通讯和水下定位导航等工作。除了回声测深仪之外，还有侧扫声呐（海底地貌仪）、多普勒声呐、ADCP流速测量仪、鱼探仪、水声通讯系统等等。海洋声学技术与装备，成为当今海洋技术中不可或缺的重要组成部分。

潜水器，顾名思义就是具有水下作业能力的潜水装置或搭载平台，有无人和载人之分，主要用来执行水下任务，如水下观测、海底勘探、水下采样、水下作业等工作。上世纪30年代，在瑞士出现了世界上第一台名为“费恩斯-1”号潜水器，由皮卡尔教授发明，开创了潜水器技术的历史。可以说，潜水器的出现，成了海洋技术最重要的研究方向，也可称之为海洋技术的“皇冠”。

同时，随着海洋事业的不断推进，在海洋资源开发、海洋能源利用、海洋环境保护、海洋军事和海洋科学研究与调查的各个方面，都对海洋技术提出了更高的要求。海洋技术的智能化，历史上应该是从自主式潜水器（AUV）的发明开始的。真正意义上的自主式潜水器的研制始于19世纪50年代，民用上早前主要用于海上石油与天然气的开发等，军用方面主要用于打捞实验丢失的海底武器（如鱼雷）。除了AUV之外，水下滑翔机也是海洋技术智能化的重要产物，在最近几年中出尽了风头，俨然成为海洋科学研究、海洋军事应用等领域中不可或缺的重要角色。

形形色色的海洋观测计划的实施，譬如美国的IOOS计划等，扮演重要角色的网络化移动观测平台、海底观测网络技术、特别是移动与固定结合的海底观测网络技术等等，则是智能化海洋技术的另一个重要舞台。进入21世纪之后，随着物联网、云计算、大数据、移动互联、超大规模计算等技术的发展，为海洋技术的智能化发展注入了新的活力。“智慧海洋”是海洋技术领域的一个新的热词，也是海洋技术智能化“登峰造极”的发展方向。

海洋观测方法与仪器

海洋观测仪器可以按照结构原理分为声学式仪器、光学式仪器、电子式仪器、机械式仪器，以及遥测遥感仪器等。还可以根据运载工具不同，划分成天基、海基和水下三个方向，包括船载仪器、潜水器仪器、浮标仪器、岸站仪器和飞机、卫星仪器等。

其中船载海洋观测仪器品种最多，按其操作方式又可分为投弃式、自返式、悬挂式、拖曳式等。投弃式仪器使用时将其传感器部分投入海中，观测的数据通过导线或无线电波传递到船上，传感器用后不再回收。自返式仪器观测时沉入海中，完成测量或采样任务后卸掉压载物，借自身浮力返回海面。悬挂式仪器利用船上的绞车吊杆从船舷旁送入海中，在船只锚碇或漂流的情况下进行观测。拖曳式仪器工作时从船尾放入海中，拖曳在船后进行走航观测。

海洋观测仪器对使用者来说，通常按所测的要素进行分类。例如测温仪器、测盐仪器、测波仪器、测流仪器、营养盐仪器、重力和磁力仪器、底质探测仪器、浮游生物与底栖生物仪器等等，大致归纳起来可以划分成4大类。

1.海洋物理性质观测仪器

用于观测海洋中的声、光、温度、密度、动力等现象。因为海水密度不便直接测定，通常用温度、盐度和压力值计算得到，所以盐度测量成为一个必测参数。

温盐测量：观测海水温度、盐度和压力的仪器，20世纪60年代以前只能用颠倒温度表、采水器、滴定管和机械式深温计(BT)，现在则用电子式盐温深测量仪(STD或CTD)等；船只走航测温常用投弃式深温计(XBT)，空中遥感观测海水温度则用红外辐射温度计。

潮汐观测：岸边潮汐观测使用浮子式验潮仪,外海测潮采用压力式自容仪,大洋潮波的观测依靠卫星上的雷达测高仪。

海浪观测：海浪观测仪器的品种比较繁杂，有各种形式的测波杆、压力式测波仪、光学原理的测波仪、超声波式测波仪，近年用得较多的是加速度计式测波仪。

海流观测：海流观测相当困难，或用仪器定点测量，或用漂流物跟踪观测。定点测流是海洋观测中常用的办法，所用仪器有转子式海流计、电磁式海流计、声学海流计等，其中最流行的是转子式仪器。

水声测量：海洋声参数仪器主要有声速仪，用以观测声波在海水里的传播速度。

光学测量：海洋光参数仪器有透明度计和照度计，用以观测海水对光线的吸收和海洋自然光场的强度。

⒉海洋化学性质观测仪器

海洋观测中所用的化学仪器，主要用来测定海水中各种溶解物的含量。60年代以前，除少数几项可在船上用滴定管和目力比色装置完成外，大部分项目要保存样品带回陆上实验室分析。60年代以后，调查船上逐渐采用船用盐度计、船用pH计、溶解氧测定仪，以及船用分光光度计和船用荧光计。

近年来船用单项化学分析仪器与自动控制装置相结合，形成船用多要素的自动测定仪器，这种综合仪器还可配备电子计算机，提高其自动化程度。

船用化学分析仪器的工作原理大致分两类：一类用传感器(主要为电极)直接测定化学参数；一类通过样品显色进行光电比色测定。目前，海水中的各种营养盐靠比色仪器测定，pH值、溶解氧、氧化-还原电位等利用电极式仪器测定。

⒊海洋生物观测仪器

海洋生物种类繁多，从微生物、浮游生物、底栖生物到游泳生物，相应有不同的观测仪器。海水中的微生物需采样后进行研究，采样工具有复背式采水器和无菌采水袋。

浮游生物采样器主要有浮游生物网和浮游生物连续采集器。底栖生物采样使用海底拖网、采泥器和取样管。游泳生物采样依靠鱼网，观察鱼群使用鱼探仪。

海洋初级生产力的观测，除利用化学仪器测营养盐，利用光学仪器测定光场强度之外，还用荧光计测定海水中的叶绿素含量。

为了观察海洋生物在海中的自然状态，需要利用水中摄象，有时还得使用潜水技术。水下实验室或深潜器可使人们在海底停留较长时间，是观察海洋生物活动情况的良好设备。

⒋海洋地质及地球物理观测仪器

底质取样设备是最早发展的海洋地质仪器，分表层取样设备与柱状取样设备两类。表层取样设备又称采泥器，有重力式采泥器、弹簧式采泥器和箱式采泥器，其中箱式采泥器能保持沉积物原样。

底质柱状采样工具有重力取样管、振动活塞取样管、重力活塞取样管和水下浅钻，有一种靠玻璃浮子装置使柱状样品上浮的重力取样管称为自返式取样管。结合底质取样，还可进行海底照相。

回声测深仪是观测水深、地貌和地层结构最常用的仪器。侧扫声呐又称地貌仪，安装在船壳上或拖曳体上，可以观测海底地貌。地层剖面仪利用声波在海底沉积物中的传播和反射测出地层结构。

海洋地球物理仪器有重力仪、磁力仪和地热计等。地热计结构比较简单，将热敏电阻安放在钢质探针的顶端，靠重力作用插入海底，便能测出海底沉积物的温度。

全球海洋观测系统及最新技术

全球海洋观测系统包含海洋业务应用和海洋生物生态环境，从海洋本身到有部分世界人口居住的沿海环境，在全球范围内已经有了较高的参与度。例如，Argo全球剖面浮标阵列和测量海洋表面温度、海洋颜色、海洋表面地形和海洋表面矢量流的虚拟卫星星座群，在过去十年中，它在地区和全球海洋评估、渔业管理、生态系统服务和实时服务中已成为全球海洋观测系统的驱动力。同时，为了满足海洋气候、应用服务和海洋生态系统健康扩展的需求，显然需要新的观测结果和数据，尤其对生物海洋基本变量的测量，因此需将全球海洋观测系统从远海扩展到大陆架和沿海。目前，全球海洋观测系统正在运行高频雷达网络，如海洋滑翔机，动物标签计划和海洋酸化网络等，下面就来具体探讨一下。

⒈高频雷达

全球高频雷达网络（GHFRN）可在海岸线200公里以内每小时生成一次海洋表面流动图，正在成为区域海洋观测系统的标准组成部分，目前大约有400个台站正在运行并实时收集地表当前信息。全球高频雷达网络旨在使整个地区的数据格式标准化，制定质量控制标准和高频雷达测量的新兴应用，并加速将表面流动测量吸收到海洋和生态系统模型中。目前仅使用该技术测量了全世界2％的海岸线，截止到2018年，约有281个站点报告，亚太地区约有140个安装处于活动状态，并且随着菲律宾和越南的新安装，预计这一数字还会增加。

⒉海洋滑翔机

水下滑翔机和其他自主水面载具是独特而通用的观测平台，可以在关键数据稀疏地区进行持续自主的表面及以下海洋数据收集，这对其他观测平台来说是具有挑战性的。他们随着机构和国家级水下滑翔机操作的发展和成熟，人们已经意识到区域和国际合作的好处和机会。从区域上讲，滑翔机运营商聚集在一起，形成了每个人的滑翔机观测站（EGO）和水下滑翔机用户组（UG2）等用户群，以共享最好的实际操作，提高操作可靠性和数据管理，并共同努力改善滑翔机监控，海洋观测及滑翔机平台的开发。鉴于水下滑翔机具有收集各种规模的物理和生物地理化学测量值的能力，最终将成为全球海洋观测系统内的观测元素。

⒊动物追踪

全球海洋观测系统目前已定义九种新的生物海洋基本变量，其中包括“鱼类丰度和分布”以及“海龟，鸟类，哺乳动物丰度和分布”。动物跟踪技术（声学和卫星技术）在全球范围内广泛使用，可以持续观测物种的分布和丰度。目前全球海洋观测系统生物学和生态系统已经部署了2000多个声学跟踪站（接收器），并跟踪了130多种具有商业化，生态化和文化价值的水生物种。自2004年以来，通过在海洋哺乳动物（如南部象海豹）上贴标签，在世界海洋中已收集了超过500000个温度和盐度垂直剖面。这些数据是Argo收集的数据的补充，并且已经证明在其他观测数据稀疏缺失的海豹采样区域将温度剖面吸收到全球海洋预报模型中对区域温度和盐度的预测具有积极影响。包括美国综合海洋观测系统，欧洲全球海洋观测系统和海洋综合观测系统在内的多个全球海洋观测系统区域联盟都在进行动物跟踪项目，并致力于支持国际动物跟踪数据标准化。

⒋全球海洋酸性观测网络（GOA-ON）

全球海洋酸性观测网络用于记录远海、沿海和河口环境中海洋酸性的状况和进展，了解海洋酸性对海洋生态系统的驱动力和影响，并提供必要的时空分解生物地理化学数据以优化海洋酸性的建模。他们通过全球海洋酸性观测网络和全球海洋酸性观测网络数据浏览器关注海洋酸性活动，数据浏览器提供对海洋酸化数据和数据合成产品的访问和可视化，这些酸化数据和数据合成产品是从全球范围内各种来源收集的，包括系泊设备，科研巡游船和固定时间序列站。目前，全球海洋酸性观测网络遵守全球海洋观测系统数据原则，其全球数据门户网站是在美国综合海洋观测系统数据门户网站的基础上建立的。

⒌其他

地球观测小组的海洋生物多样性观测网络（MBON）优先考虑海洋生命的观测以满足特定用户的需求，同时也为综合持续生物观测提高了效率和机遇，并开发将生物学观测与物理和生物地理化学观测相叠加的产品，以描述生态系统的影响改变生活社区。在沿海海洋监测中还开发了其他一些具有成本效益的仪器，例如“摆渡箱”系统和浅水Argo剖面浮标（含氧气和叶绿素a测量值）。为了进行环境评估，在沿海水域进行了大量的离线进行的化学和生物观测。“浮游生态系统全球一致化定量观测”系统可通过离散水样、网状拖曳、连续浮游生物记录仪（CPR）和卫星海洋颜色等多种方式，以获取更大价值的机会，尤其是在与生物地理化学和生态系统建模方法配合采用时。

全球海洋观测系统的扩展涵盖了生物基本海洋变量、大陆架和沿海海洋系统，而海洋生物地理信息系统旨在为科学、保护和可持续发展提供有关海洋生物多样性的全球开放数据和信息交换所。高频雷达、海洋滑翔机、动物标记和跟踪，“摆渡箱”和Argo浅水剖面浮标，未来将作为全球海洋观测系统中的观测要素研究。在未来，物理-生物地理化学观测系统、海洋酸性观测网络和海洋生物多样性观测网络的建立，对于实现跨地区、团体和技术的新合作所提供的机会至关重要。