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自動剖面浮標(biāo)和水下滑翔機在海洋組網(wǎng)觀測中的應(yīng)用

 海洋微波 2018-08-14

自動剖面浮標(biāo)(左)和水下滑翔機(右)的剖面測量過程 

海洋科學(xué)是一門以觀測為基礎(chǔ)的學(xué)科,其學(xué)術(shù)思想和研究水平的提升離不開長期觀測及其數(shù)據(jù)的積累,;而且海洋科學(xué)的每一次突破,,也都離不開技術(shù)的進(jìn)步。


傳統(tǒng)的海洋觀測,,通常高度依賴移動的水上平臺(如調(diào)查船,、漂移浮標(biāo)等)和固定的系泊設(shè)備(如錨碇浮標(biāo)、潛標(biāo)等),;而利用衛(wèi)星或飛機的近代海洋觀測,雖可以大范圍,、高分辨率地獲取海洋表面的遙感信息,,卻難以穿透水體進(jìn)行有效的次表層以下觀測。20世紀(jì)末發(fā)展起來的自動剖面浮標(biāo)及其水下滑翔機,,是使海洋科學(xué)發(fā)生革命性變化的一項新穎技術(shù),。它使全球海洋水下長期,、連續(xù)觀測成為可能,也是利用衛(wèi)星進(jìn)行海面遙感觀測的一種有效補充,。


自動剖面浮標(biāo)和水下滑翔機都具有隱秘性好,,體積小、重量輕,,移動速度慢和制造成本低的特點,,也都可以用來進(jìn)行大范圍和高分辨率的連續(xù)海洋觀測,已經(jīng)成為獲取全球?qū)崟r海洋環(huán)境要素剖面資料的重要手段,。但這些優(yōu)勢還只能代表當(dāng)代海洋觀測技術(shù)的發(fā)展水平,,而海洋觀測的最終目的是要獲取有效的、高質(zhì)量的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)(如海水溫度,、電導(dǎo)率和壓力等,,據(jù)此還可以間接獲得海水鹽度、密度,、聲速,、海流、躍層,、鋒面,、內(nèi)波和中尺度渦等相關(guān)的海洋環(huán)境要素和水文特征信息),并以能獲得全球海洋長時間序列的(幾年,、幾十年,,甚至上百年)、大范圍的(從近岸到淺海,、再到深海大洋),、同步或準(zhǔn)同步(同一時刻或數(shù)天內(nèi))的、全深度(0-2000米,、3000米,,甚至6000米)的高質(zhì)量海洋環(huán)境資料為其終極目標(biāo)。為此,,僅僅依靠上述一,、二種海洋儀器設(shè)備是難以達(dá)到上述目標(biāo)的,需要綜合運用岸基,、?;涂栈痊F(xiàn)代海洋觀測手段。


21世紀(jì)初在全球范圍內(nèi)實施的Argo計劃及其建立的Argo實時海洋觀測網(wǎng),,無疑是當(dāng)代海洋觀測技術(shù)革命性運用的一個典范,。它利用了以高度計為代表的衛(wèi)星遙感(全球海面觀測)技術(shù),結(jié)合在全球海洋上建立起來的自動剖面浮標(biāo)(全球海洋中間隔約300公里布放一個,每隔9-10天在上升過程中測量一個0-2000米深度范圍內(nèi)的溫,、鹽度剖面,,且保持全年有3000多個在海上正常工作)觀測網(wǎng),并輔以由水下滑翔機(全球特定海域0-1000米深度范圍內(nèi)的高時,、空和高垂向分辨率的精細(xì)觀測)組成的加密觀測網(wǎng),。為此,只要各Argo參與國能堅持不懈,、持之以恒,,就完全有可能在本世紀(jì)中葉實現(xiàn)這一具有里程碑意義的海洋觀測愿望。


自動剖面浮標(biāo)和水下滑翔機的工作原理相似,,但前者只能依靠海流的推動和海水密度的改變做循環(huán)式上下垂直觀測,,而后者則可做前進(jìn)式、波浪狀起伏測量,。通常情況下兩種設(shè)備會配合使用,,即在利用自動剖面浮標(biāo)對某個海區(qū)測量一段時間、積累一定數(shù)量的現(xiàn)場觀測資料后,,根據(jù)其任務(wù)的性質(zhì),,再使用水下滑翔機對特定海域(如地形陡峭的陸坡區(qū)、強流區(qū)和中尺度渦活躍區(qū)等)進(jìn)行詳查,,以獲取更高精度的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)和捕捉瞬息萬變的海洋現(xiàn)象或海洋特征,。 

美國已經(jīng)率先在加利福尼亞沿岸海域,結(jié)合自動剖面浮標(biāo)(布設(shè)在外海深水區(qū)域,,以大面觀測為主)和水下滑翔機(設(shè)置在近岸淺水區(qū)域,,以斷面觀測為主)兩種海洋觀測手段,構(gòu)建了一個聯(lián)合海洋觀測網(wǎng),,并由斯克利普斯海洋研究所負(fù)責(zé)組織實施,,已經(jīng)在該海域進(jìn)行了長達(dá)十年的觀測,獲得了大量寶貴的第一手資料,,并在預(yù)報和研究2015-2016年期間發(fā)生的厄爾尼諾事件中發(fā)揮了重要作用,。


然而,當(dāng)前我國的海洋觀測,,似乎偏離了國際上經(jīng)過近二十年實踐所提出的終極目標(biāo),。有的借鑒國外的自動剖面浮標(biāo)技術(shù),在研制所謂的“淺海型剖面浮標(biāo)”,,試圖在近岸,、淺海區(qū)域組網(wǎng)觀測,視為“方法創(chuàng)新”,;還有的把水下滑翔機技術(shù)運用到深層海洋,,并展開大范圍組網(wǎng)觀測試驗,以求“技術(shù)突破”。殊不知,,無論是自動剖面浮標(biāo)還是水下滑翔機,也只有在它們所攜帶的電子傳感器(如常規(guī)的溫度,、電導(dǎo)率和壓力)能夠獲得有效的溫,、鹽、深度(CTD)數(shù)據(jù)時,,才能真正體現(xiàn)出海洋觀測儀器設(shè)備的價值,。目前,國際Argo計劃對于常規(guī)剖面浮標(biāo)(最大觀測深度為2000米)攜帶的CTD傳感器,,提出的觀測精度要求分別為0.005℃(溫度),、0.01(鹽度)、2.5dbar(深度),;而深海型剖面浮標(biāo)(大于4000米深度)的CTD傳感器還在研制試驗過程中,,對其觀測精度的要求還尚未做出規(guī)定,但肯定會高于對常規(guī)CTD傳感器的精度要求,。


盡管自動剖面浮標(biāo)攜帶的大部分CTD傳感器在惡劣的海洋環(huán)境條件下都能正常工作3-5年,,但小部分傳感器仍會因浮標(biāo)長期在海上漂移,而受到海水腐蝕或生物附著的影響,,CTD傳感器,,特別是電導(dǎo)率傳感器會發(fā)生漂移而導(dǎo)致鹽度產(chǎn)生誤差;也有的浮標(biāo)因在布放之前可能受到劇烈的振動或碰撞,,使得CTD傳感器會產(chǎn)生觀測誤差,。這也是船載CTD儀為什么在航次前后,都要求進(jìn)行實驗室標(biāo)定的重要原因,。也就是說,,自動剖面浮標(biāo)攜帶的CTD傳感器,在海上長期工作發(fā)生漂移故障在所難免,。但這種漂移變化比較緩慢且又相對穩(wěn)定,,所以完全可以借助一種稱為“延時模式質(zhì)量控制方法”進(jìn)行有效校正。


不過,,這種方法需要滿足兩個條件:一是浮標(biāo)觀測海域歷史上已經(jīng)積累了一定數(shù)量的現(xiàn)場觀測資料,;二是1000米水深以下的海水溫、鹽度變化極小,,甚至在數(shù)個月或數(shù)年內(nèi)幾乎不變,。


在過去100年里無論是近岸還是外海,甚至在人類活動相對較少的南北極海域,,也都或多或少積累了一些現(xiàn)場觀測資料,,所以第一個條件比較容易滿足;第二個條件雖說也能在絕大部分海域得到滿足,但在近岸海域由于水深較淺首先被排除在外,,其次在深層水生成海域由于海水混合劇烈同樣無法滿足,。再者在北大西洋海域,人們發(fā)現(xiàn)即使在2000米水深處海水的溫,、鹽度變化還是很大,,因此在這些海域布放自動剖面浮標(biāo),其最大觀測深度不是常規(guī)的2000米而是3000米,,甚至更深層(約6000米),。所以,僅僅從鹽度誤差校正及其資料質(zhì)量控制角度看,,自動剖面浮標(biāo)并不適用于淺海(如小于500米水深)區(qū)域,。


事實上,研制自動剖面浮標(biāo)的目的,,原本就是想解決在廣闊的深海大洋區(qū)域利用調(diào)查船或錨碇浮標(biāo)觀測成本過高,、且又無法長期、連續(xù)觀測的難題,;而且,,這些區(qū)域受人類活動的影響小,水深,、海水流動速度緩慢,,深層等密度面又比較平坦,適合自動剖面浮標(biāo)的平穩(wěn)漂移,,且移動速度不會太快,,不易觸底以及不會受到人為破壞等,方便大范圍,、大批量布放形成長期,、連續(xù)觀測網(wǎng),這也是自動剖面浮標(biāo)的優(yōu)點和優(yōu)勢所在,。反之,,如果將自動剖面浮標(biāo)盲目地用在淺海區(qū)域,如同在暖棚里面放氣球,,非但飛不高,,還容易被扎破。近岸海域不僅水深淺,、潮流速度強,,而且地形復(fù)雜、人類活動頻繁,,不用說無法建成大范圍的長期,、連續(xù)觀測網(wǎng),,即使成批布放浮標(biāo),能存活3個月,、半年的浮標(biāo)也會是寥寥無幾,。何況,即使獲得了數(shù)條或數(shù)十條溫,、鹽度觀測剖面,,又能用什么方法驗證其觀測結(jié)果是準(zhǔn)確、可信的呢,!由此可見,研制淺海型剖面浮標(biāo),、并用來觀測近岸海域的海水溫,、鹽度剖面資料,本來就是一個違背科學(xué)常識的偽命題,。而在過去的十多年里,,淺海型剖面浮標(biāo)的研制在我國卻成了熱門選題,關(guān)鍵技術(shù)突破,、技術(shù)指標(biāo)創(chuàng)新,,榮獲省部級、國家級獎勵,,形成批量生產(chǎn)能力等報道可謂不絕于耳,。但時至今日,淺海型剖面浮標(biāo)觀測網(wǎng)建在哪兒,,卻鮮見報道,,更未見任何應(yīng)用研究成果;相反,,人們看到的卻是數(shù)十,、近百臺淺海型剖面浮標(biāo)堆積如山,靜靜地躺在布滿塵埃的偌大倉庫里,。


同樣,,研制水下滑翔機的初衷,就是為了彌補利用自動剖面浮標(biāo)大范圍,、全深度,、長時間組網(wǎng)觀測所帶來的缺陷,以便能在近岸,、淺?;蚝Q笊蠈拥忍囟êS颍槍μ厥夂Q筇卣骰蚝Q蟋F(xiàn)象進(jìn)行加密觀測,。盡管水下滑翔機是自動剖面浮標(biāo)的升級版,,但它們卻有明確的分工和用途,。所以,利用水下滑翔機替代自動剖面浮標(biāo)的設(shè)想,,無疑是癡人說夢,。不過,在我國卻已是“夢想成真”,,不知是喜還是悲,!大量報道稱:中國已經(jīng)研制成功“首臺下潛深度超過六千米的水下滑翔機,創(chuàng)造了中國水下滑翔機的最大下潛深度記錄,,打破了水下滑翔機下潛深度世界記錄”,;該“系列滑翔機也是中國深海滑翔機海上作業(yè)航程最遠(yuǎn),、作業(yè)時間最長的新紀(jì)錄的創(chuàng)造者,,將此前中國水下滑翔機續(xù)航力提升了一倍,使中國成為繼美國之后第二個具有跨季度自主移動海洋觀測能力的國家,,對構(gòu)建新一代智能移動海洋觀測網(wǎng),、提供海洋環(huán)境信息保障具有重要意義,對于中國深海環(huán)境監(jiān)測,、資源勘查等也具有重要的意義”,。


“水下滑翔機可以搭載溫度、鹽度,、溶解氧,、濁度、葉綠素,、硝酸鹽,、ADCP、水聽器等海洋探測傳感器,,滿足中國海洋觀測應(yīng)用需求”,;在南海同時布放了數(shù)十臺“水下滑翔機進(jìn)行組網(wǎng)觀測,實現(xiàn)了國內(nèi)最大規(guī)模的水下滑翔機集群組網(wǎng)觀測”,;“這次觀測覆蓋了‘大氣—海水界面’至4200米水深范圍的14萬平方公里海區(qū),,......這些新型海洋設(shè)備均為我國自主研發(fā),充分展示了我國高端海洋觀測裝備的研發(fā)能力與水平”,;“這次調(diào)查使用這些先進(jìn)裝備構(gòu)建起綜合立體的觀測網(wǎng)絡(luò),,也標(biāo)志著我國在深海組網(wǎng)觀測研究方面已經(jīng)走到了世界前沿,是區(qū)域海洋觀測的一個重要里程碑”,,云云,。


為此,我們海洋一線的調(diào)查研究人員,,為我國海洋技術(shù)領(lǐng)域在短短數(shù)年內(nèi)能取得如此驕人的成就,,而感到歡欣鼓舞,。同時,也希望能早日使用到國產(chǎn)水下滑翔機及其組網(wǎng)觀測所獲得的寶貴海洋環(huán)境資料,,使之能進(jìn)一步推動我國海洋科學(xué)的發(fā)展,。


為了迎接國產(chǎn)水下滑翔機觀測時代的到來,作為海洋一線的科研人員,,也希望能更多地了解到國產(chǎn)水下滑翔機的相關(guān)技術(shù)性能及其所觀測的海洋環(huán)境資料的真實,、可靠性。


1)國產(chǎn)水下滑翔機能下潛到4000米以下的深度,,攜帶的常規(guī)傳感器(CTD)是什么型號的,?其觀測精度(不同于生產(chǎn)商提供的實驗室精度)又是多少?如何檢驗或驗證其測量的數(shù)據(jù)是真實,、可靠的,?


2)數(shù)十臺國產(chǎn)水下滑翔機組網(wǎng)觀測,它們攜帶的是同一型號的CTD傳感器,?如何檢驗或驗證它們之間存在的系統(tǒng)誤差及其觀測誤差?


3)水下滑翔機長時間水下滑行,,水下定位問題是如何解決的,?是否能確保滑翔機基本上沿著直線滑行,?因為,,受海洋中洋流的影響(或作用),水下滑翔機不可能保持在一條直線上滑行,,故一味增加航行距離,,必然會增加對觀測資料的質(zhì)量控制難度,甚至無法進(jìn)行有效質(zhì)控,;尤其是1000米水深以下的海洋環(huán)境變化本來就很小,,短期、小范圍內(nèi)甚至沒有太多變化,,故一味追求下潛深度指標(biāo),,對以獲取海洋環(huán)境要素資料為目的的海洋觀測而言,同樣沒有太大意義,;況且對3000-4000米以下深度的海洋環(huán)境要素觀測,,即使是常規(guī)的溫、鹽,、深度,,也要求CTD傳感器有更高的可靠性和穩(wěn)定性,以及更高的分辨率和觀測精度,,否則就難以分辨溫,、鹽度特征十分接近的不同性質(zhì)水團(tuán),,尤其是深層微小的溫、鹽度變化,。


需要強調(diào)的是,,自動剖面浮標(biāo)和水下滑翔機,如同錨碇浮標(biāo),、潛標(biāo)一樣,,都屬于海洋觀測平臺,但只有攜帶了能測量各種海洋環(huán)境要素的傳感器后,,才能真正成為“海洋觀測儀器設(shè)備”,。所以,即使平臺研制成功了,,沒有攜帶傳感器或者攜帶的傳感器無法獲得正確的,、反映海洋環(huán)境特征或變化的觀測數(shù)據(jù),就不能稱為“海洋觀測儀器設(shè)備”,,或者就是不合格的海洋觀測儀器設(shè)備,。目前,國內(nèi)許多海洋技術(shù)研發(fā)單位,,剛研制完成運載平臺,,還尚未定型、批量生產(chǎn),,或者真正交給用戶使用,,就大肆夸大宣傳,實屬欠妥,。


空談?wù)`國,、實干興邦。期待國產(chǎn)剖面浮標(biāo)和水下滑翔機真正能在我國的區(qū)域海洋觀測網(wǎng)建設(shè)中發(fā)揮作用,,從而能快速,、有效地獲取高質(zhì)量、高分辨率的海洋環(huán)境要素資料,,改變目前我國對一些特定海域海洋調(diào)查力量分散,、投入不足、資源浪費嚴(yán)重,、觀測資料質(zhì)量參差不一的尷尬局面,,盡最大可能彌補我國對這些海域物理海洋環(huán)境要素,特別是戰(zhàn)場海洋環(huán)境場中實時海洋信息和觀測資料的不足,,逐步積累起長時間序列的現(xiàn)場觀測資料,,以便能從容應(yīng)對復(fù)雜多變的國際形勢。 


信息來源:中國Argo實時資料中心

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