海洋水文氣象環境監測需求與技術

翟少婧 王娜 林修棟

(1.龍口市氣象局,山東龍口 265700;2.煙臺市海洋環境監測預報中心,山東煙臺 264003;3.石島氣象臺,山東威海 264309)

海洋水文氣象環境監測需求與技術

翟少婧1王娜2林修棟3

(1.龍口市氣象局,山東龍口 265700;2.煙臺市海洋環境監測預報中心,山東煙臺 264003;3.石島氣象臺,山東威海 264309)

海洋環境監測對認識海洋環境,利用海洋資源,發展海洋科技有著重要意義。本文從平臺、傳感器、自動化、地波雷達、遙感等方面立體化地介紹了現代部分先進的海洋監測技術。

海洋環境監測 近海 水文 氣象

海洋環境監測的涵蓋面廣泛，目前對海洋觀測、調查、監測的含義、概念、范疇是以測量海洋要素的屬性和特征而定的，由于認識的局限性，普遍認為海洋觀測、斷面調查是海洋水文、氣象觀測，海洋環境監測是對海洋環境污染要素的監測。實際上若缺乏有效的海洋水文、氣象觀測，就不可能科學合理的開發利用海洋資源，保護、改善、了解海洋環境。

1 海洋環境監測的意義

海洋環境監測技術是海洋資源開發的技術基礎和科技支撐。海洋漁業和養殖業等海洋經濟產業對海洋環境有很強的依賴性。加速發展海洋環境監測技術，加強對海洋環境監測技術的研究和開發，對提高海洋災害預警能力和海洋防災減災具有重要的意義[1]。

2 對海洋監測技術的需求

世界上許多沿海國家為了自身和共同的利益都在積極發展現代海洋監測技術。對于我國來說，發展海洋立體監測系統對經濟、社會、軍事、科學的作用更為顯著，需求更為迫切。主要體現在以下5個方面：

2.1 海洋監測技術是海洋資源開發的技術支撐

海洋漁業和養殖業對海洋環境有很強的依賴性；準確的海洋環境數據一般能使海洋工程造價降低20%左右；準確和及時的海洋環境預報對保障和延長海上安全作業時間具有重要意義；海上交通運輸和濱海旅游業的發展也同樣需要有良好的環境保障條件。

2.2 海洋災害預警必須依靠準確的海洋環境依據

我國瀕臨西北太平洋，是臺風、巨浪和風暴潮等海洋災害的多發區和重災區，而沿海地區是我國經濟的最發達地區和人口密集區，海洋災害所造成的損失慘重，并呈逐年上升的趨勢。

2.3 保護海洋環境急需海洋監測技術的支持

受經濟發展和管理方式的影響，我國入海污染物逐年增加，受污染海域逐年擴大，致使生態環境惡化，沿海生物資源衰竭，海洋生態系不同程度受到破壞，生物多樣性銳減，并引發多種環境災害，造成巨大的經濟損失，也嚴重威脅沿海居民的健康[2]。

2.4 海洋監測技術是海上軍事優勢的重要組成部分

海軍的戰場在海洋，歷史上的列強爭霸也在海洋，掌握了海洋也就控制了海洋。因此，掌握海洋環境參數的分布特征及其變化規律與掌握敵情幾乎同等重要。

2.5 發展海洋監測技術可以形成海洋技術產業

發展海洋監測技術可以帶動相關技術產業的形成和發展，用高技術產品提高我國海洋儀器設備的生產能力和在國際市場的競爭能力，改變內海洋儀器設備市場幾乎全被國外產品所占領的現狀。

3 現代海洋監測技術

隨著海洋監測技術的不斷發展，海洋監測儀器設備自動化程度不斷提高，海洋監測逐漸向網絡化、信息化方向發展，逐步在局域內以及局域間形成互聯互通，監測數據資源得到了統一管理和有效共享。從以下幾個方面介紹主要海洋國家海洋監測技術的進展：

3.1 浮標工程技術

3.1.1 海洋錨泊資料浮標

海洋資料浮標在研究海洋和大氣的相互作用及預報全球性和地區性海洋災害、海洋污染監測、衛星遙感數據真實性校驗等方面發揮著越來越重要的作用[3]。改進技術、降低成本、提高可靠性、延長工作壽命、方便布放和回收，是海洋觀測浮標技術發展的總趨勢。

3.1.2 漂流浮標

漂流浮標是隨著全球定位和衛星通訊技術的進步而發展起來的一種十分有效的大尺度海洋環境監測手段。它利用GPS和Argos雙重定位，大大提高了定位精度；由單一的消耗式漂流浮標發展為消耗式和可回收式兼有標型；測量參數迅速增多，功能顯著擴大；應用智能自動沉浮。為了對海洋上層的水體和海氣界面進行實施監測，為氣候預報提供必要的數據，美國等海洋國家發起了代號為Argo的全球性國際合作計劃[4]。

3.2 自持式水下多任務觀測平臺

自持式水下多任務觀測平臺的研制一直受到海洋界的重視，結合不同任務的需要，研制了各具特色的多任務觀測平臺。平臺目前主要有兩類，一類是WHOI為LEO-15水下無人觀測站研制的小巧型潛器REMUS，另一類是NOAA為深海海底觀測研制的深水潛器。

3.3 水下拖曳式海洋環境監測系統

水下拖曳式海洋環境監測系統目前應用最普遍的是聲學海底剖面儀和拖曳式水質監測系統，如加拿大貝得福海洋研究所(BIO)開發的拖曳式平臺。該平臺可以攜帶智能化CTD數據獲取系統，能夠在水中做波浪形剖面測量。拖曳體的可變翼、方向舵、穩定器等均由增強聚酯樹脂玻璃絲纖維制造，電子裝置安裝在可承受300個大氣壓的水密度艙內 。

3.4 固定式水下無人自動觀測站

建立水下長期觀測站不但可以加快實現立體觀測的框架建設，同時也可為衛星遙感數據的真實性檢驗和遙感器定標提供了海上試驗場。LEO-15是伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)和新澤西大學海洋與海岸研究所在美國國家科學基金會(NSF)的支持下共同研制建立的長期水下無人觀測站[5]。

3.5 近海環境自動監測技術

德國的MERMAID系統成功的借鑒了美國研發的海岸自動觀測網(C-MAN)和水質監測系統(SWQMS)的經驗，并在傳感器及模塊化設計方面有所創新，形成了適用于地域特點的海洋環境自動監測系統。污染和生態環境監測的重點是近岸海域，因而適合海灣、河口及淺海增養殖區使用的各種小型輕便的傳感器集成平臺技術也的到相應的發展，形成了多種便攜式水質監測儀器。

3.6 水聲高速數據通訊和水下GPS定位

水聲高速率數據傳輸技術是各類水下載體、水下機器人之間及其與指揮船之間信息傳遞的重要手段，是水聲通訊設備的關鍵技術。水下GPS定位技術將全球衛星定位技術、浮標技術、水聲通訊和定位技術有機地組合在一起，提高對水下運動載體或儀器設備平臺的水下定位精度。水下GPS定位技術能在水面船只或水下獲取水中目標的大地坐標系數據，它比水聲定位具有更高的定位精度，使用更為靈活、方便。

3.7 高頻地波雷達岸基高頻地波雷達用于測量海冰、海面風場、海流場等海面環境參數。英國、加拿大等國家研制的作用距離200km的中程高頻地波雷達已用于海洋環境監測。從國外情況看，因現有的中程雷達海洋環境監測的空間分辨率低，占地面積大，設備價格昂貴，因而應用不多。

3.8 海洋環境航空遙感監測

遙感通過使用光學或電子光學儀器接受地面物體反射或發射的電磁波，并以圖像膠片或數據磁帶形式記錄下來，傳送到地面，經過信息處理、判讀分析和野外實地驗證，最終服務于資源勘探、環境動態監測和有關部門的規劃決策。主要研究內容及關鍵技術包括：航空遙感數據實時傳輸技術；航空遙感幾何定位技術機載投棄式系列浮標技術；海洋目標的光譜和微波特性研究；快速判別、解釋模型的建立等。

3.9 區域性海洋環境立體監測與服務技術

區域性海洋環境立體監測和信息服務系統對解決區域性的海洋環境問題有十分重要的意義。實時環境信息網絡與分析系統REINAS是集數據采集、管理和可視化為一體的實時監測和服務系統。我國建立的以上海為中心的長江三角洲鄰近海域和珠江口鄰近海域區域性的海洋環境立體監測和信息服務系統已建成，支持區域性的災害性海洋環境監測和預報服務及其他公益性服務，具有國際先進水平。

4 結語

21世紀是我們開發利用海洋的新時代，更多的財富從海洋中獲取，保護海洋環境不容忽視。海洋環境監測發展至今雖已有近70年的歷史，但現階段海洋環境監測工作仍然存在著不盡如人意的地方，這便需要我們進行進一步的研究與創新，推動海洋水文環境監測技術的長足發展。

[1]方曦,楊文.海洋石油污染研究現狀及防治[J].環境科學與管理,2007,32(9)：78-80.

[2]趙冬至,趙玲,張豐收.我國海域赤潮災害的類型,分布與變化趨勢[J].海洋環境科學, 2003,22(3)：7-11.

[3]惠紹棠.海洋監測高技術的需求與發展.海洋技術,2000,19(1)：1～17

[4]高峰,王金平,湯天波.世界主要海洋國家海洋發展戰略分析[J].世界科技研究與發展, 2009,31(5)：973-976.

[5]葛運國.實時環境信息網絡與分析系統—REINAS[J].海洋技術,2000 (C00)：10-15.