盧綺晴

海洋是人類生存發(fā)展的新疆域，也是各國競相角逐的制高點。海洋觀測作為認識海洋、經(jīng)略海洋的基礎(chǔ)，其技術(shù)發(fā)展對于提升海洋環(huán)境監(jiān)測能力、強化災(zāi)害預(yù)警預(yù)報水平、增強海洋資源開發(fā)能力、促進海洋經(jīng)濟發(fā)展至關(guān)重要，是我國順利實施海洋強國戰(zhàn)略的重要保障。當(dāng)前，我國海洋觀測技術(shù)領(lǐng)域的主攻方向包括：把握國際海洋科技前沿，建設(shè)全球海洋立體觀測網(wǎng)和國家近海業(yè)務(wù)化精準觀測系統(tǒng)，自主研制海洋環(huán)境監(jiān)測探測技術(shù)與核心裝備。

2025年6月，我國研發(fā)的海氣交互關(guān)鍵層大剖面綜合同步觀測浮標系統(tǒng)，成功在南海3500米水深完成布放，將開展面向復(fù)雜海洋動力環(huán)境及高海況背景下的南海海氣通量和海洋—氣象水文生態(tài)要素長期觀測和綜合同步數(shù)據(jù)獲取。該項目是由我們所（中國科學(xué)院海洋研究所）牽頭，聯(lián)合了多家單位，歷時近三年研發(fā)完成。

布放現(xiàn)場

（圖片來源：中國科學(xué)院海洋研究所海洋觀測網(wǎng)絡(luò)管理中心）

該浮標系統(tǒng)的成功布放開創(chuàng)了國內(nèi)外在超3500米水深布放大剖面觀測浮標系統(tǒng)的先例。目前，系統(tǒng)整體運行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)接收正常，將為深化對南海海氣交互關(guān)鍵層的系統(tǒng)科學(xué)認知提供關(guān)鍵的技術(shù)和數(shù)據(jù)支撐，為我國防災(zāi)減災(zāi)、海洋環(huán)境安全保障保駕護航。

攻克技術(shù)瓶頸，實現(xiàn)海洋觀測技術(shù)跨越式發(fā)展

深海（尤其3500米以上）長期同步觀測技術(shù)曾是全球難題。深海錨泊浮標是實時獲取深海大洋長期連續(xù)觀測資料的主要手段之一，我國相關(guān)科研單位（主要以中國科學(xué)院海洋研究所和自然資源部第一海洋研究所為代表）經(jīng)過多年努力，已在西太平洋和印度洋獲得了大洋上層和海氣界面長時間序列的實時連續(xù)觀測資料，其技術(shù)已經(jīng)達到國際同類浮標（美國ATLAS浮標、日本TRITON浮標）的先進水平。

然而，實現(xiàn)海洋大氣剖面與水體剖面的大剖面綜合同步觀測，曾是國際海洋學(xué)界面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。海洋大氣剖面觀測包括二氧化碳、溫度、濕度、風(fēng)場等多種海洋參數(shù)的大范圍快速精確測量；水體剖面觀測包括1000米以淺的水體（水深不超過1000米的海水層）水文要素（水溫、鹽度、流向、流速）、生態(tài)要素（溶解氧、葉綠素）剖面的連續(xù)觀測。其難點在于小型化低功耗技術(shù)、大數(shù)據(jù)量傳輸技術(shù)及其穩(wěn)定性。若能實現(xiàn)海洋大氣-海氣界面-水體大剖面多要素同步觀測，將對我國海事活動保障、海洋能源開發(fā)、海洋防災(zāi)減災(zāi)預(yù)報等起到至關(guān)重要的作用。

此次首套超3500米水深浮標系統(tǒng)布放成功，填補了國內(nèi)外在大水深、大剖面、大浮標觀測技術(shù)領(lǐng)域的空白。我們團隊創(chuàng)新設(shè)計了適用于深海高海況的高穩(wěn)性浮標結(jié)構(gòu)和錨系結(jié)構(gòu)，開發(fā)了海洋量子激光雷達和海洋微波輻射計等多套先進的觀測設(shè)備，實現(xiàn)了水上10千米、水下1千米的“大氣-界面-水下”綜合同步觀測，有效推動了海洋觀測技術(shù)跨越式發(fā)展。

技術(shù)突破解析

浮標體：“穩(wěn)如泰山”的設(shè)計

我們團隊設(shè)計研發(fā)了高穩(wěn)性的浮標體，重點解決了浮標觀測系統(tǒng)在高海況下的穩(wěn)定性、可靠性和長期在位觀測的能力，可適應(yīng)風(fēng)速超過60米/秒，最大波高20米的極端工作環(huán)境。

為此，我們建立了浮標-錨系耦合水動力分析模型，開展了初穩(wěn)性、大傾角穩(wěn)性、極限海況下的穩(wěn)性衡準數(shù)以及諧搖幅值等參數(shù)的計算分析，并據(jù)此優(yōu)化完善了大浮標體結(jié)構(gòu)形式和設(shè)備布置方案。在深水錨系設(shè)計方面，通過搜集擬布放站位歷年的風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)，建立有限元計算模型，并施加環(huán)境載荷，計算分析了深水系留纜的形態(tài)和受力情況，對關(guān)鍵部位和節(jié)點加密計算，最終研發(fā)出可靠的“耦合纜-系泊纜-錨鏈”錨系鏈接方案。此外，我們設(shè)計了倒S型松弛式錨系結(jié)構(gòu)，使浮標可以安全可靠地布放于超3500米水深站位。

總之，浮標體作為觀測系統(tǒng)的載體平臺，其“穩(wěn)如泰山”的結(jié)構(gòu)設(shè)計為各觀測模塊發(fā)揮高精度觀測性能提供了保障，是整套觀測系統(tǒng)安全運行的“鎧甲”。

標體結(jié)構(gòu)示意圖

（圖片來源：自然資源部第一海洋研究所海洋與氣候研究中心）

深海耦合錨系設(shè)計

（圖片來源：自然資源部第一海洋研究所海洋與氣候研究中心）

觀測設(shè)備：?？找惑w同步

該浮標系統(tǒng)搭載了我們自主研發(fā)的兩款海上大氣剖面多參數(shù)遙感設(shè)備，包括用于探測大氣剖面二氧化碳和風(fēng)三維結(jié)構(gòu)特征的海洋量子激光雷達，以及用于探測溫度和濕度垂直剖面的多波段微波輻射計。其同類探測設(shè)備的陸用版本通常具有大型化、高耗能的特點，要將其搭載于海洋浮標上，需要解決其小型化、低功耗、模塊化、易維護等技術(shù)難點。為此，我們團隊進行了多年技術(shù)攻關(guān)，開展了多次海洋浮標模擬實驗，包括安裝測試、功耗測試、通信測試等，終于研發(fā)出了適用于海洋環(huán)境的海洋量子激光雷達和海洋微波輻射計。

海洋量子激光雷達同時綜合應(yīng)用差分吸收、銦鎵砷量子探測、偏振探測和多普勒探測等多種先進探測技術(shù)，以及脈沖編碼技術(shù)、多發(fā)多收技術(shù)和主動式光纖耦合修正方法等先進軟件算法，提升了探測性能，實現(xiàn)了更遠距離、更高精度的大氣探測；對大氣剖面二氧化碳的觀測范圍可達到0-1千米，濃度誤差小于10ppm（百萬分率），對風(fēng)場探測的距離超過了3千米，風(fēng)場距離分辨率小于30米，風(fēng)速誤差小于0.5米/秒，風(fēng)向誤差小于10度。

海洋微波輻射計以自主研制的地基微波輻射計為基礎(chǔ)，通過特定材料選用、工藝設(shè)計、環(huán)控系統(tǒng)設(shè)計、軟件算法開發(fā)等方法，解決了海上高溫、高濕、高鹽等惡劣環(huán)境下的設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定工作難題，并實現(xiàn)了復(fù)雜海況條件下的精確探測。該設(shè)備可以連續(xù)、可靠、穩(wěn)定地探測海洋大氣溫濕垂直廓線，其探測范圍可達10千米，探測層數(shù)為73層；對大氣溫度剖面探測誤差為0.98K（開爾文）；相對濕度剖面探測誤差為9.54%。

浮標系統(tǒng)同時對水下1000米以淺的水體水文要素（水溫、鹽度、流向、流速）、生態(tài)要素（溶解氧、葉綠素）剖面連續(xù)觀測。突破了水下大深度剖面數(shù)據(jù)的可靠傳輸技術(shù)，采用感應(yīng)耦合傳輸式高精度溫度、溫鹽深、溶解氧儀、葉綠素儀等測量儀，并集成中控系統(tǒng)和聲學(xué)多普勒海流剖面儀（ADCP）作為浮標水下觀測系統(tǒng)的觀測設(shè)備。此外，開發(fā)了超高分子聚乙烯纜繩結(jié)合包塑纜形成新型耦合纜，實現(xiàn)了水體剖面各要素的連續(xù)觀測和實時傳輸?shù)哪繕恕?/p>

浮標系統(tǒng)通過智能數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)將大氣剖面與水體剖面同步觀測數(shù)據(jù)進行整合壓縮，并統(tǒng)一回傳至岸基，真正實現(xiàn)了“海空一體”的大剖面同步觀測。

布放現(xiàn)場

（圖片來源：中國科學(xué)院海洋研究所海洋觀測網(wǎng)絡(luò)管理中心）

能源供給：“超長待機”能力

眾所周知，海洋觀測浮標在海上的工作周期受限于能源供給。充足、合理的能源供給方案可以保證觀測系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運行。我們團隊聚焦大剖面浮標在海上運行時的能源供給問題，尤其在高海況下實施大氣、海氣通量以及水體觀測的高能需求，開展了太陽能、風(fēng)能、溫差能和波浪能等多種能源供給方案設(shè)計，旨在研發(fā)適用于高海況下浮標平臺的多種類型能源補給與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)浮標大功率、長周期能源供給。

依托中國科學(xué)院海洋研究所黃、東海站現(xiàn)有浮標觀測網(wǎng)收集浮標布放點的歷史風(fēng)、輻射度、波浪、溫度數(shù)據(jù)，我們通過模擬仿真確立了供電系統(tǒng)各組件的最佳容量配置。同時針對蓄電池的特點，仿真演繹設(shè)計四段式充電策略（涓流充電、恒流充電、恒壓充電、浮充電）提高電池的使用壽命。進一步，通過設(shè)計開關(guān)頻率高、反饋環(huán)路帶寬的穩(wěn)壓電路實現(xiàn)負載的快速動態(tài)響應(yīng)。最后，我們在海上浮標進行了四種能源供給方式與蓄電池集成試驗，確保各路理論設(shè)計的準確性。

基于以上研究與設(shè)計，我們最終開發(fā)出了多種能源采集和優(yōu)化的充放電控制功能，太陽能、風(fēng)能、溫差能和波浪能之間可智能切換，實現(xiàn)能源的優(yōu)化配給，保證了浮標系統(tǒng)的超長待機。

布放現(xiàn)場

（圖片來源：中國科學(xué)院海洋研究所海洋觀測網(wǎng)絡(luò)管理中心）

科學(xué)價值與應(yīng)用

科研：開展深海南海海氣交互研究，助力全球氣候變化模型優(yōu)化。

海洋觀測浮標具有船基監(jiān)測、岸基監(jiān)測和衛(wèi)星遙感等其他觀測手段不可替代的重要作用，能夠在不同時間尺度上、各種天氣情況下、復(fù)雜海洋水體環(huán)境中連續(xù)獲取海上資料，特別是能在臺風(fēng)、風(fēng)暴潮、巨浪、強海流、大風(fēng)等惡劣環(huán)境條件下，直接獲取具有代表性和實時性的海洋環(huán)境過程資料。

值得一提的是，我們此次研發(fā)的浮標系統(tǒng)實現(xiàn)了多項技術(shù)突破，其突出特點包括：能夠在特定海域長期連續(xù)觀測、較強的復(fù)雜海洋環(huán)境適應(yīng)性、觀測數(shù)據(jù)準確度高、實現(xiàn)全自動化無人值守運行、兼顧大氣-界面-水體觀測等。

在這些優(yōu)勢的加持下，我們能對我國南海海域的氣象、水溫、水質(zhì)等參數(shù)及特殊的海洋現(xiàn)象進行長期觀測和實時精細化監(jiān)測。有助于進一步闡明該海域海洋動力環(huán)境多時間尺度變化特征和機理，研究該海域海氣相互作用、海洋動力過程、生物地球化學(xué)過程、生態(tài)動力過程之間的耦合作用，揭示海洋物質(zhì)通量、初級生產(chǎn)力及生物資源變動之間的關(guān)系，發(fā)展各類海洋要素的預(yù)測模式等，進而填補我國對南?！翱吹们?、查得明、報得準”的國家需求。

民生：提升臺風(fēng)預(yù)警、海洋污染監(jiān)測精度。

南海是臺風(fēng)發(fā)生頻率最高的海域之一，精準“把脈”臺風(fēng)動向是關(guān)乎民生的重要技術(shù)。該浮標系統(tǒng)獲取的實時數(shù)據(jù)可同步到相關(guān)氣象部門的預(yù)報模式中，為臺風(fēng)路徑的準確預(yù)報和預(yù)警提供重要的校準、驗證作用，有效提高對臺風(fēng)路徑預(yù)報的準確性。該浮標系統(tǒng)所獲取的水文參數(shù)數(shù)據(jù)將同步修正該海域水動力環(huán)境數(shù)值模式，對可能發(fā)生的海洋污染物的擴散和遷移軌跡進行更精準的數(shù)值模擬分析，預(yù)報污染物的可能影響范圍，為相關(guān)海事部門相關(guān)決策提供有利的科學(xué)理論保障體系。

國際地位：標志我國深海觀測技術(shù)邁入世界領(lǐng)先梯隊。

該浮標系統(tǒng)融合了高穩(wěn)性浮標體、傳感器、能源系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)榷囗楆P(guān)鍵技術(shù)，重點解決了高海況下的穩(wěn)定性、可靠性和長期在位觀測技術(shù)；建立了浮標-錨系耦合水動力分析模型，優(yōu)化完善了大型浮標深海系留設(shè)計；研發(fā)了適用于高海況下的太陽能、風(fēng)能、溫差能、波浪能等復(fù)合型能源供給與綜合管控系統(tǒng)，實現(xiàn)了浮標的大功率、長續(xù)航能源供給；開展了大型浮標智能數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)質(zhì)量實時在線控制、大數(shù)據(jù)量傳輸、主被動結(jié)合的浮標安防等系列關(guān)鍵技術(shù)研究，提升了海洋浮標的數(shù)據(jù)質(zhì)量與安全防護能力；突破了海氣通量、水體剖面觀測、空氣二氧化碳觀測等系列關(guān)鍵技術(shù)。該浮標系統(tǒng)的成功布放，標志著我國深海觀測技術(shù)邁入世界領(lǐng)先梯隊。

浮標運行情況

（圖片來源：中國科學(xué)院海洋研究所海洋觀測網(wǎng)絡(luò)管理中心）

未來展望

該浮標觀測技術(shù)現(xiàn)階段實現(xiàn)了垂直剖面觀測的技術(shù)突破，適用于全球范圍的深海研究。在此背景下，以海氣交互關(guān)鍵層大剖面綜合同步觀測浮標系統(tǒng)為代表的新型海洋觀測技術(shù)，不僅可為我國深遠海觀測領(lǐng)域提供技術(shù)助力，更能成為實現(xiàn)“透明海洋”立體觀測網(wǎng)的重要技術(shù)突破口，為構(gòu)建高精度海洋環(huán)境監(jiān)測體系提供重要支撐。

目前，國外發(fā)達國家在全球海洋關(guān)鍵海域建立了大規(guī)模的浮標監(jiān)測網(wǎng)。隨著我國海洋事業(yè)的發(fā)展，也必然面臨深遠海綜合海洋環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化觀測的新需求，其中水平方向的組網(wǎng)觀測將成為下一階段技術(shù)攻關(guān)重點。

出品：科普中國

作者：王旭劉長華王敏賈思洋王春曉（中國科學(xué)院海洋研究所）

監(jiān)制：中國科普博覽

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