一、我國(guó)海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

⒈ 我國(guó)總體技術(shù)水平與國(guó)際相當(dāng)

我國(guó)從1965年開(kāi)始研制海洋資料浮標(biāo)，經(jīng)過(guò)近50年的發(fā)展，在國(guó)家863等計(jì)劃和有關(guān)部門的支持下，取得了豐碩的成果，已經(jīng)基本掌握了關(guān)鍵核心技術(shù)，總體已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)研制的第一個(gè)海洋資料浮標(biāo)誕生于1965年，為船型結(jié)構(gòu)，如圖1(a)所示。此后， 在國(guó)家的支持下，浮標(biāo)技術(shù)大力發(fā)展，目前，已經(jīng)形成了直徑從10m到3m的產(chǎn)品系列(如圖1(b)～(e)所示)，完全能夠滿足我國(guó)近海長(zhǎng)期業(yè)務(wù)化觀測(cè)的需求，其中研制的3m直徑小型浮標(biāo)為2008年奧帆賽提供了大量有效數(shù)據(jù)，受到各界一致好評(píng)。深遠(yuǎn)海觀測(cè)浮標(biāo)方面也開(kāi)展了部分工作，研制了工程樣機(jī)，取得了一定成果，布放海域最深達(dá)到3500m，最遠(yuǎn)至印度洋和格陵蘭海海域。

圖1  我國(guó)自主生產(chǎn)的海洋資料浮標(biāo)代表產(chǎn)品

我國(guó)的海洋資料浮標(biāo)研制雖然起步較晚，但在某些方面的水平已經(jīng)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。觀測(cè)參數(shù)種類多于國(guó)外產(chǎn)品；采用了多種數(shù)據(jù)通信手段，其中北斗通信方式是我國(guó)獨(dú)有；數(shù)據(jù)傳輸間隔方面有多種傳輸間隔可供選擇。我國(guó)已經(jīng)初步建立了包含約130個(gè)浮標(biāo)的近海浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)，浮標(biāo)種類主要由圖1中的浮標(biāo)和波浪浮標(biāo)組成，圖2給出了由山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所生產(chǎn)的浮標(biāo)沿海分布圖，該研究所生產(chǎn)的浮標(biāo)占全國(guó)業(yè)務(wù)化浮標(biāo)總數(shù)的90%以上。

圖2   我國(guó)部分浮標(biāo)分布圖 

⒉ 專用型浮標(biāo)研究取得一定成果

在通用型浮標(biāo)研究成果的基礎(chǔ)上，綜合國(guó)外的研究成果，我國(guó)在專用型浮標(biāo)研究方面也取得了一定的成果，研制了多種專用浮標(biāo)。

⑴海洋剖面觀測(cè)浮標(biāo)

“十五”期間，國(guó)家海洋技術(shù)中心研制了利用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的剖面觀測(cè)系統(tǒng)(圖3(a))， “十一五”期間中船重工710所研制了利用浮力控制的剖面觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)(圖3(b))，中科院海洋所研制了波浪能驅(qū)動(dòng)式的剖面觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)(圖3(c))，3種系統(tǒng)均經(jīng)過(guò)了海上測(cè)試， 最大布放水深達(dá)4000m，能觀測(cè)海水溫度、鹽度、深度和海流等參數(shù)。

圖3   我國(guó)研制的海洋剖面觀測(cè)浮標(biāo) 

⑵光學(xué)浮標(biāo)

2005年，在863計(jì)劃的支持下，中科院南海所突破水下光輻射測(cè)量的子母浮標(biāo)設(shè)計(jì)和集成、海面和水體表層高光譜輻射測(cè)量、水體吸收/散射高光譜測(cè)量、錨鏈?zhǔn)剿露喙庾V輻射測(cè)量、海洋光學(xué)儀器窗口防污染等關(guān)鍵技術(shù)，研制了我國(guó)第一臺(tái)光學(xué)浮標(biāo)，如圖4所示， 并布放于青島海域。

圖4   我國(guó)研制的光學(xué)浮標(biāo)

⑶通量觀測(cè)浮標(biāo)

2012年，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所研制了圓盤形海氣耦合觀測(cè)浮標(biāo)，布放于格陵蘭海海域；中科院海洋所研制了多浮筒結(jié)構(gòu)的通量觀測(cè)浮標(biāo)，如圖5所示。

圖5 我國(guó)研制的海氣通量觀測(cè)浮標(biāo) 

⑷波浪浮標(biāo)

我國(guó)的浮標(biāo)測(cè)波技術(shù)取得豐碩成果，代表成果是山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所研制的0.9m直徑的SBF3型球形測(cè)波浮標(biāo)(圖6(a))，其觀測(cè)結(jié)果精度與國(guó)外產(chǎn)品相當(dāng)，已經(jīng)成為相關(guān)部門的業(yè)務(wù)化觀測(cè)裝備，廣泛應(yīng)用。此外，還有中國(guó)海洋大學(xué)研制的SZF型橢球形波浪浮標(biāo)(圖6(b))。

圖6 我國(guó)研制的波浪浮標(biāo) 

⑸核輻射監(jiān)測(cè)浮標(biāo)

2011年國(guó)家海洋技術(shù)中心研制了核輻射監(jiān)測(cè)浮標(biāo)，如圖7(a)所示，用于海洋核輻射污染應(yīng)急監(jiān)測(cè)；山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所研制的用于浮標(biāo)的放射性綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)于2013年11月通過(guò)驗(yàn)收如圖7(b)所示，該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)和分析海水中放射性核素總量， 甄別Cs-137、Co-60、I-131等多種核素并計(jì)算其活度，具備海洋核污染預(yù)警功能。

圖7   我國(guó)研制的核輻射監(jiān)測(cè)浮標(biāo) 

此外，通過(guò)消化吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)及自主創(chuàng)新，我國(guó)還研制了海冰浮標(biāo)、聲學(xué)浮標(biāo)、赤潮浮標(biāo)、子母浮標(biāo)和通信中繼浮標(biāo)等專用型海洋資料浮標(biāo)，表1列出了國(guó)內(nèi)海洋資料浮標(biāo)的優(yōu)勢(shì)科研機(jī)構(gòu)。

表1 國(guó)內(nèi)海洋資料浮標(biāo)的優(yōu)勢(shì)科研機(jī)構(gòu)

綜上所述，我國(guó)在海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)方面雖然已經(jīng)取得了豐碩的成果，海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)總體達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，能夠滿足沿海海域業(yè)務(wù)化運(yùn)行的需求，但與國(guó)外海洋技術(shù)大國(guó)相比還存在較大差距，主要體現(xiàn)在搭載的儀器設(shè)備的性能、測(cè)量精度和工作可靠性等方面，但在系統(tǒng)集成、布放回收等方面差距已不明顯。

⒊ 內(nèi)外同類海洋資料浮標(biāo)典型參數(shù)對(duì)比

通過(guò)上面的對(duì)比分析可以看出，我國(guó)的海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)與國(guó)外同類產(chǎn)品相比已經(jīng)基本一致，在有些方面甚至要由于國(guó)外同類產(chǎn)品。

美國(guó)、挪威和加拿大這3個(gè)在海洋資料浮標(biāo)制造領(lǐng)域具有較高水平，表2列出了我國(guó)代表產(chǎn)品與這三個(gè)國(guó)家4款優(yōu)秀產(chǎn)品的系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比。從表中可以看出，在監(jiān)測(cè)參數(shù)總數(shù)方面， 我國(guó)與國(guó)際上的主流浮標(biāo)一致，甚至比大部分浮標(biāo)的觀測(cè)參數(shù)多；在數(shù)據(jù)接收率方面，與國(guó)外產(chǎn)品一致，都大于95%，保證了數(shù)據(jù)的有效性；在數(shù)據(jù)傳輸間隔方面，國(guó)外的產(chǎn)品都只有1種，而我國(guó)的則有4種間隔可選，靈活性更好；在數(shù)據(jù)通信種類方面，我國(guó)的浮標(biāo)與國(guó)外浮標(biāo)相同，都是采用衛(wèi)星、VHF/UHF 電臺(tái)和GPRS/CDMA，其中北斗衛(wèi)星短報(bào)文通信則是我國(guó)獨(dú)有的。

表2      系統(tǒng)典型參數(shù)對(duì)比

海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)參數(shù)也是重要指標(biāo)之一，表3給出了我國(guó)浮標(biāo)和國(guó)外浮標(biāo)觀測(cè)參數(shù)的測(cè)量范圍和準(zhǔn)確度方面的對(duì)比。

表3    主要觀測(cè)參數(shù)對(duì)比

從表3中可以看出，絕大部分觀測(cè)參數(shù)的測(cè)量范圍和精度兩者之間是相同的，但個(gè)別參數(shù)方面還存在較大差距，如波浪觀測(cè)方面，國(guó)外的波向測(cè)量準(zhǔn)確度是±2°，而我國(guó)的則是±10°，波高和波周期方面的觀測(cè)也存在一定的差距，這種差距是由涉及海洋資料浮標(biāo)的整體技術(shù)水平造成的。需要說(shuō)明的是，表3中的大部分參數(shù)的傳感器都是進(jìn)口產(chǎn)品，僅波浪傳感器是我國(guó)自主研發(fā)產(chǎn)品。

二、海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)水平是一個(gè)國(guó)家海洋裝備制造水平的綜合體現(xiàn)。綜合我國(guó)的海洋戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃與需求以及全球?qū)Ｑ箨P(guān)注的日益增強(qiáng)，海洋監(jiān)測(cè)對(duì)觀測(cè)技術(shù)和裝備的需求將進(jìn)一步增強(qiáng)。隨著科技的進(jìn)步和發(fā)展，為了滿足不斷增長(zhǎng)的海洋研究和觀測(cè)需求，海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)技術(shù)將得到大力發(fā)展，功能和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)展。

綜合國(guó)外的核心關(guān)鍵技術(shù)、國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、國(guó)內(nèi)外同類浮標(biāo)的性能對(duì)比以及我國(guó)當(dāng)前的海洋觀測(cè)需求，海洋資料浮標(biāo)的發(fā)展大致呈現(xiàn)以下趨勢(shì)：

⒈ 海洋資料浮標(biāo)觀測(cè)由單點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)化綜合化發(fā)展

長(zhǎng)期、綜合觀測(cè)是海洋觀測(cè)的大趨勢(shì)。由各種近海、遠(yuǎn)海定點(diǎn)觀測(cè)平臺(tái)相結(jié)合，大、中、小型浮標(biāo)相協(xié)同，觀測(cè)站位疏松、緊密相彌補(bǔ)而組成的區(qū)域/全球定點(diǎn)觀測(cè)系統(tǒng)，能夠準(zhǔn)確、有效、快速及時(shí)地提供多種時(shí)空間分辨率的綜合立體的海洋浮標(biāo)網(wǎng)絡(luò)觀測(cè)數(shù)據(jù)，是海洋資料浮標(biāo)由單點(diǎn)向綜合化發(fā)展的必由之路。如美國(guó)NDBC管理數(shù)以千計(jì)的浮標(biāo)，構(gòu)成綜合浮標(biāo)網(wǎng)， 使海洋觀測(cè)進(jìn)入多層、立體、多角度、全方位、全天候的新時(shí)代，如由70多個(gè)浮標(biāo)組成的TAO浮標(biāo)網(wǎng)。我國(guó)在上海和福建海域也建立了初步的海洋立體觀測(cè)網(wǎng)，但在觀測(cè)和應(yīng)用效果方面與國(guó)外還存在較大差距。

⒉ 通用型浮標(biāo)向高精度、多參數(shù)、多功能綜合觀測(cè)發(fā)展

隨著海洋觀測(cè)技術(shù)的進(jìn)步以及人們對(duì)海洋環(huán)境認(rèn)識(shí)的不斷深化，應(yīng)用通用型浮標(biāo)進(jìn)行業(yè)務(wù)觀測(cè)的用戶對(duì)海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量的要求不斷提高，主要包括：觀測(cè)參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確度的提高， 如高精度觀測(cè)海流、鹽度、溫度等參數(shù)；隨著科學(xué)研究的突破和新發(fā)現(xiàn)，觀測(cè)參數(shù)增多，尤其是近年來(lái)生態(tài)觀測(cè)需求不斷增加，如CO₂、總有機(jī)碳(TOC)和化學(xué)需氧量(COD)等參數(shù)；觀測(cè)功能增強(qiáng)，同一個(gè)平臺(tái)能同時(shí)觀測(cè)多個(gè)參數(shù)，如荷蘭DATAWELL公司最新的DWR4型產(chǎn)品， 不但能夠高精度觀測(cè)波浪，還能同時(shí)高精度觀測(cè)表層海流。

⒊ 專用型浮標(biāo)向?qū)I(yè)化發(fā)展

隨著新時(shí)期海洋科學(xué)問(wèn)題的出現(xiàn)，以及海洋工程的新需求，需要一些針對(duì)特殊問(wèn)題，具備特殊功能的專業(yè)化浮標(biāo)，如國(guó)外的海氣通量觀測(cè)浮標(biāo)、剖面觀測(cè)浮標(biāo)、海嘯浮標(biāo)、海洋酸化觀測(cè)浮標(biāo)、海冰觀測(cè)浮標(biāo)等，國(guó)外這類浮標(biāo)種類越來(lái)越多，技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，功能越來(lái)越專業(yè)化。我國(guó)在此欠缺很多，由于其涉及很多專業(yè)科學(xué)問(wèn)題和技術(shù)難題，難度較大，亟需大力發(fā)展。

⒋ 深遠(yuǎn)海觀測(cè)浮標(biāo)向業(yè)務(wù)化觀測(cè)發(fā)展

深遠(yuǎn)海觀測(cè)是我國(guó)深遠(yuǎn)海戰(zhàn)略的有力保障和支撐。美國(guó)、日本等國(guó)早已實(shí)現(xiàn)數(shù)千米的深海浮標(biāo)業(yè)務(wù)化觀測(cè)，美國(guó)更是研制了高效易布放浮標(biāo)系統(tǒng)(用于DART計(jì)劃的第三代高效易布放(ETD)海嘯浮標(biāo))。而我國(guó)由于受到深遠(yuǎn)海浮標(biāo)布放和回收成本巨大、周期長(zhǎng)、海上作業(yè)困難等各種限制，亟需研發(fā)易布放和回收的低成本浮標(biāo)系統(tǒng)，關(guān)鍵技術(shù)主要包括深海錨系的設(shè)計(jì)及材料的選擇、鏈接部件設(shè)計(jì)、浮球位置和大小的設(shè)置，牢固緊湊的標(biāo)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

⒌ 數(shù)據(jù)傳輸向大容量、實(shí)時(shí)傳輸方向發(fā)展

數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸具有重要意義，特別是深遠(yuǎn)海大容量實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸，如美國(guó)NDBC的BuoyCAMs技術(shù)目前可以傳輸浮標(biāo)及周邊實(shí)況圖像數(shù)據(jù)，每15分鐘更新一次。我國(guó)隨著浮標(biāo)觀測(cè)參數(shù)、觀測(cè)功能的增加，數(shù)據(jù)量也在增加。目前，深遠(yuǎn)海數(shù)據(jù)通信受限于通用的海事衛(wèi)星、北斗衛(wèi)星通信數(shù)據(jù)量和價(jià)格的限制，如何進(jìn)行大容量、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸是目前急需解決的技術(shù)難題。另外，穩(wěn)定高效的海洋資料浮標(biāo)水下數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)還不是很成熟，因此高效穩(wěn)定的水聲、激光數(shù)據(jù)傳輸也是一種重要發(fā)展方向。

⒍ 海洋資料浮標(biāo)能源補(bǔ)給向多樣化發(fā)展

目前，太陽(yáng)能供電技術(shù)已經(jīng)非常成熟，絕大多數(shù)浮標(biāo)都采用太陽(yáng)能加蓄電池的混合能源補(bǔ)給方式。但隨著長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)要求的提高、搭載傳感器的增多及觀測(cè)功能的擴(kuò)展，這種能源補(bǔ)給方式注定將不能滿足需求，甚至?xí)拗聘?biāo)應(yīng)用的擴(kuò)展。隨著風(fēng)能、波浪能、溫差能等發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與成熟，這些技術(shù)必將成為浮標(biāo)能源補(bǔ)給的重要方式。加拿大AXYS公司的WindSentinel浮標(biāo)已經(jīng)在太陽(yáng)能加蓄電池的基礎(chǔ)上，率先增加了風(fēng)電和發(fā)電機(jī)兩種能源補(bǔ)給方式。我國(guó)則依然采用太陽(yáng)能和蓄電池混合的能源補(bǔ)給方式。

⒎ 海洋浮標(biāo)建造將更多采用新材料

海洋浮標(biāo)長(zhǎng)期工作于海洋環(huán)境中，面臨高鹽、高濕、高溫、暴曬、生物附著等惡劣環(huán)境， 對(duì)材料要求特別高。國(guó)外的浮標(biāo)已經(jīng)開(kāi)始大量采用復(fù)合材料、合金材料等，如加拿大AXYS公司的多款浮標(biāo)采用泡沫浮體，挪威AADI的DB 4700浮標(biāo)采用聚乙烯浮體。我國(guó)也開(kāi)始嘗試新材料浮體，但依然以鋼結(jié)構(gòu)為主。將來(lái)，我國(guó)的浮標(biāo)也將采用高性能、耐腐蝕的新材料新技術(shù)，這不僅可有效增強(qiáng)浮標(biāo)的生存周期，而且可大大降低成本。

⒏ 浮標(biāo)用傳感器技術(shù)

從表3中可以看出，海洋傳感器依然是我國(guó)的弱勢(shì)，雖然我國(guó)已經(jīng)能夠自主生產(chǎn)部分傳感器，但在精度、實(shí)時(shí)性、長(zhǎng)期可靠性和穩(wěn)定性方面還存在很大差距。高技術(shù)含量的傳感器則完全受制于人，如ADCP、葉綠素、CO₂、溶解氧等基于聲學(xué)和光學(xué)原理的傳感器完全依賴進(jìn)口產(chǎn)品。