海洋觀測技術(shù)（定義、分類、技術(shù)分析及實(shí)例介紹）
海洋觀測，是一切海洋活動(dòng)的開始，是透明海洋、智慧海洋和海洋信息化的重要基礎(chǔ)。
海洋中從海面到海底，溫度是如何分布的？長江口的近海海域的海底，溶解氧濃度有多高？印度洋的鹽度和大西洋的鹽度相比較，哪個(gè)更高？太平洋海底洋中脊周邊生活著的蝦類，它的生活規(guī)律是怎樣的？這些問題的回答，就必須要通過海洋觀測技術(shù)，獲得海洋中的數(shù)據(jù)來解決。
提要：此文從定義開始介紹海洋觀測技術(shù)，指出了海洋觀測技術(shù)的重要意義，提出了海洋觀測的數(shù)學(xué)表達(dá)。同時(shí)進(jìn)行了海洋觀測技術(shù)的分類和不同觀測技術(shù)的性能比較分析，并闡述了間接觀測技術(shù)和直接觀測技術(shù)的組成和應(yīng)用領(lǐng)域。最后通過實(shí)例，進(jìn)一步說明了海洋觀測技術(shù)的應(yīng)用。
01
何為海洋觀測技術(shù)
海洋觀測，是通過技術(shù)手段獲取海洋或海底特定地區(qū)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。海洋觀測的任務(wù)有
1）觀察未知海洋世界
2）監(jiān)測評估人為作業(yè)對海洋帶來的影響
3）觀測海洋特定地區(qū)
4）監(jiān)控海洋，保護(hù)國家安全，等等
海洋觀測，是一切海洋活動(dòng)的開始，是透明海洋、智慧海洋和海洋信息化的重要基礎(chǔ)。顧名思義，海洋觀測技術(shù)，是獲取海洋或海底特定地區(qū)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)的技術(shù)。海洋觀測技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，通常是利用傳感器及其平臺技術(shù)，或通過多次采樣分析，對海洋環(huán)境各量在一段時(shí)間內(nèi)的感知和認(rèn)識，而針對的對象通常是動(dòng)態(tài)變化的。
海洋觀測的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
Y(t) = F（X1，X2，X3，...，Xp，t）
其中Y(t) 是觀測值，X1，X2，X3，...，Xp表示為各種測量對象的值， t為時(shí)間。
從數(shù)學(xué)表達(dá)式中可以看出，海洋觀測得到的是一組時(shí)間序列數(shù)據(jù)，是隨時(shí)間變化而變化的一組數(shù)據(jù)。因此，觀測的對象是時(shí)變的，是動(dòng)態(tài)的。當(dāng)觀測對象是不變的，譬如海底地質(zhì)現(xiàn)象的觀測，那么在這個(gè)式子中的時(shí)間t無意義了，這時(shí)，數(shù)學(xué)式子則變成：
Y = F（X1，X2，X3，...，Xp）
這式子表達(dá)的是海洋探測。海洋探測是獲得一組數(shù)據(jù)，與時(shí)間無關(guān)，故通常用于時(shí)不變對象的觀測或者是資源探測、海底物體尋找等方面。
02
海洋觀測技術(shù)分類
海洋觀測技術(shù)的分類，主要可從這樣三個(gè)維度來考慮：一是觀測形式；二是觀測方法；三是觀測區(qū)域。重點(diǎn)是觀測方法。
海洋觀測形式有固定式和移動(dòng)式兩種，可稱為定點(diǎn)式海洋觀測技術(shù)和移動(dòng)式海洋觀測技術(shù)。傳感器掛在浮標(biāo)上的觀測、基于海底原位觀測站的觀測是定點(diǎn)觀測，而利用水下滑翔機(jī)攜帶傳感器遨游海上的，則屬于移動(dòng)觀測。
按海洋觀測方法的不同進(jìn)行分類，可分為間接觀測技術(shù) (indirect observing)與直接觀測技術(shù)(direct observing)兩種。間接觀測技術(shù)，通常是通過水面運(yùn)載工具或潛水器，進(jìn)行采樣作業(yè)或離線觀測作業(yè)，把樣品或數(shù)據(jù)取回到實(shí)驗(yàn)室，再進(jìn)行分析處理，獲得觀測結(jié)果。直接觀測技術(shù)，則直面對象，通過傳感器件，加之信號傳輸通道，在線地實(shí)時(shí)獲得海洋觀測數(shù)據(jù)結(jié)果。
海底間接觀測主要指采集海水、（微）生物和海底物質(zhì)樣品，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品分析從而實(shí)現(xiàn)觀測的一種手段。這種手段通過樣品的獲得并進(jìn)行對一些物理化學(xué)量的測量數(shù)據(jù)分析，獲得目標(biāo)結(jié)果。具體實(shí)現(xiàn)方法如拖網(wǎng)、CTD、多管、箱式、抓斗、熱流計(jì)、大洋鉆探計(jì)劃等。圖1是美國阿爾文（Alvin）載人深潛器在熱液地區(qū)進(jìn)行熱液水體采樣的照片。
圖1 熱液采樣器在東太平洋隆起地區(qū)熱液口進(jìn)行采樣作業(yè)
有一些原位觀測系統(tǒng)，把觀測器放在海底觀測對象附近，對觀測對象進(jìn)行不間斷地觀測與記錄，同時(shí)把數(shù)據(jù)存放在自容式存貯器中。間隔一段時(shí)間后取回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得過去一段時(shí)間內(nèi)的觀測結(jié)果。這種方式盡管實(shí)時(shí)性較差，但非常實(shí)用且經(jīng)濟(jì)。原位觀測，英文稱為in-situ observing，是特別強(qiáng)調(diào)海底某一具體位置上的觀測，對海洋技術(shù)是一種很大的考驗(yàn)。在海底放置海底觀測器，進(jìn)行長期觀測，并將數(shù)據(jù)采入隨之帶入海底的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。系統(tǒng)回收后，在實(shí)驗(yàn)室中將數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)中再進(jìn)行分析。這樣的方式，也可稱為海底原位觀測站，是間接觀測技術(shù)的一種重要形式。圖2 所示是美國科學(xué)家對海底熱液地區(qū)所實(shí)施的一項(xiàng)原位觀測活動(dòng)。
圖2 東太平洋隆起洋脊地區(qū)的熱液原位觀測站
海洋直接觀測是把觀測器直接放到觀測對象的附近，研究人員在線實(shí)時(shí)獲得觀測數(shù)據(jù)。如水下遙控潛水器把水下攝像機(jī)帶到觀測對象旁邊，將視頻圖像信號通過潛水器的光纖直接傳到海面，可實(shí)現(xiàn)人類對海底各種科學(xué)現(xiàn)象的直接觀測。建設(shè)海底觀測網(wǎng)絡(luò)，是把各種觀測傳感器連接在網(wǎng)絡(luò)上，直接傳到陸地，并通過internet傳遍全球，幫助科學(xué)家實(shí)現(xiàn)對海底某一關(guān)注地區(qū)的長期、在線的直接觀測。
海洋間接觀測和海洋直接觀測，最大的區(qū)別是在于有無用光電復(fù)合纜（有時(shí)只是具有通訊功能的纜繩）。用纜就意味著海洋觀測信號可以做直接獲取，可以做到在線、實(shí)時(shí)的觀測。同時(shí)，如果是采用光電復(fù)合纜的話，還意味著電能的無限供給，也即觀測時(shí)間的無限制，做到長期的觀測。從觀測方法的要點(diǎn)、特征、基本組成單元和載體（或平臺）技術(shù)四個(gè)方面對海洋間接觀測和直接觀測進(jìn)行歸納，可用表1來清楚地表示。
表1 海洋間接觀測和海洋直接觀測之歸納
另一個(gè)分類的維度，是根據(jù)觀測的區(qū)域不同進(jìn)行分類。對海洋的觀測，主要是對這樣三個(gè)不同區(qū)域進(jìn)行觀測：海面、海水、海底。也就是說，將海洋觀測技術(shù)分為海面觀測技術(shù)、海洋水體觀測技術(shù)（或稱海中觀測技術(shù)）和海底觀測技術(shù)。對海面的觀測，主要是開展海水與空氣界面間關(guān)系的研究。這方面的工作，除了對海洋進(jìn)行觀測之外，還涉及到海洋表面的大氣部分，如海面氣溫、風(fēng)向、風(fēng)速的觀測。從技術(shù)手段上來看，可采用海洋遙感技術(shù)。對海洋水體的觀測內(nèi)容十分豐富，在物理上可對涌、浪、潮、流、溫度、濁度、鹽度等量的觀測與數(shù)據(jù)采集；在化學(xué)上和生物上可對海洋中的化學(xué)和生化量的觀測，對二氧化碳、pH、DO（溶解氧）、營養(yǎng)鹽、葉綠素、重金屬、蛋白質(zhì)等含量的觀測與分析等。對海底進(jìn)行觀測，是近幾年來隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，特別是海洋技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出來的“新生事物”。對海底開展物理、化學(xué)和生物上的觀測之外，還可對地形地貌進(jìn)行觀測，對海底某一現(xiàn)象進(jìn)行觀測，以及在地球物理方面進(jìn)行觀測，如地震波的觀測等。
海底是地球上人類最不熟知的區(qū)域之一。作為海洋組成的重要部分，海底觀測歷來是人類努力希望實(shí)現(xiàn)的一項(xiàng)工作。由于技術(shù)上的困難，使得這項(xiàng)工作遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足科學(xué)研究發(fā)展的需求。除了要了解海底的海床構(gòu)造、深度，更要了解海底的巖石與沉積物的物理化學(xué)組成等海底情況。特別是隨著海底礦藏（海洋石油）、深海熱液、天然氣水合物等現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，海底觀測的內(nèi)容更加豐富，也更加迫切。圖3所示的是某一海底熱液地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)，對這樣的海底觀測，就需要依托多方面的技術(shù)來開展。
圖3 海底熱液地區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)
近年來，國內(nèi)外的一些科學(xué)家們提出了海底海洋的概念。認(rèn)為在海床的底下，還有大量的水域。在這些水域中，也發(fā)現(xiàn)了豐富的生命現(xiàn)象，故被譽(yù)為深部生物圈。事實(shí)上，深海天然氣水合物，也可以看作是海底海洋的另一種形式。如上所述，海洋的觀測又增加了一項(xiàng)新的內(nèi)容——海底海洋的觀測。這方面的觀測，需要對海底海洋的結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖石沉積物的物理化學(xué)組成以及海底海洋水體中的物理、化學(xué)及生化量的觀測。
03
海洋觀測技術(shù)分析
通過采集樣品，送到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析，是十分傳統(tǒng)而常用的手段。這種方法一直在大學(xué)里教授，并廣泛用于當(dāng)前的海洋科學(xué)的研究當(dāng)中。由于出海采樣耗時(shí)，且航次通常要持續(xù)一段時(shí)間，回到岸上再送到實(shí)驗(yàn)室分析獲得數(shù)據(jù)，“間接”時(shí)間是比較長的，通常幾天、幾周甚至一年以上。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)室分析儀器部分能夠帶到船上，這樣當(dāng)天就可以得到數(shù)據(jù)，“間接”時(shí)間大大減少。隨著海洋技術(shù)的進(jìn)步，直接或“準(zhǔn)直接”獲得數(shù)據(jù)的情況越來越多。當(dāng)然，不同的觀測方法，“間接程度”有別。例如采樣或岸上實(shí)驗(yàn)室分析間接時(shí)間最長；水下滑翔機(jī)觀測，間接時(shí)間可能數(shù)天；海洋衛(wèi)星或有纜的海底觀測網(wǎng)絡(luò)可以在線獲得實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)，也就是說是直接獲得數(shù)據(jù)。圖4顯示了不同觀測方法的“實(shí)時(shí)性”對比。
圖4 海洋觀測實(shí)時(shí)性與成本
不同的觀測手段，觀測涉及范圍也是相去甚遠(yuǎn)。譬如海洋衛(wèi)星的觀測范圍很大，甚至可覆蓋一個(gè)海區(qū)。而一個(gè)海底原位觀測站，其觀測范圍只有傳感器能及的很小范圍。圖5顯示了不同觀測技術(shù)的觀測范圍與成本的比較。當(dāng)然，從觀測精度來講，海底原位觀測站的觀測精度，一般來講要比海衛(wèi)星要高許多。
圖5 海洋觀測范圍與成本
04
海洋觀測技術(shù)實(shí)例介紹
最后，讓我們通過幾張圖片，來介紹一下不同的海洋觀測技術(shù)的組成和性能。
圖6 海洋漂流浮標(biāo)的工作流程
圖6顯示了海洋漂流浮標(biāo)的工作流程。很多人都知道，世界各國共同實(shí)施了ARGO計(jì)劃，在世界各大洋中布放了大量的漂流浮標(biāo)，來開展對海洋的動(dòng)力參數(shù)甚至生化參數(shù)的大范圍觀測。截止2017年3月，世界各大洋中正在工作的漂流浮標(biāo)共有3936個(gè)。其中美國貢獻(xiàn)量最大，布放了2210個(gè)浮標(biāo)。英法德日澳等國積極參與了這項(xiàng)計(jì)劃，我國也積極參與并布放了117個(gè)浮標(biāo)，并在國家海洋局第二海洋研究所（杭州）設(shè)立了ARGO數(shù)據(jù)處理中心。從圖6表示的漂流浮標(biāo)工作流程中，我們可以看到，我們通常是8-10天之后通過衛(wèi)星獲得一批數(shù)據(jù)，隨著浮標(biāo)的漂流，我們可以獲得一個(gè)海洋切面上的海洋動(dòng)力參數(shù)，如確定深度下的溫度、鹽度甚至流速等等。這些數(shù)據(jù)，很好地支撐了海洋科學(xué)研究，海洋大氣預(yù)報(bào)等工作。
圖7顯示了一個(gè)海底原位觀測站在海底熱液地區(qū)工作的情景。這個(gè)原位觀測站是用來觀測熱液煙囪的溫度變化的，由浙江大學(xué)設(shè)計(jì)制作。這個(gè)系統(tǒng)用一個(gè)不銹鋼圓錐筒，里面正交分布三層熱電偶，并配套設(shè)計(jì)自容式信號采集系統(tǒng)和電池倉，我們給這個(gè)系統(tǒng)一個(gè)俗稱——高溫帽。通過載人深潛器布放到2000多米的海底并擱置在熱液口上端，15天之后再通過深潛器下潛回收高溫帽，從而獲得15天時(shí)間內(nèi)的溫度連續(xù)變化曲線?？梢娺@是一個(gè)典型的間接觀測系統(tǒng)。
圖7 高溫帽在熱液口附近觀測作業(yè)
圖8是一個(gè)海底觀測系統(tǒng)示意圖。海底觀測系統(tǒng)通過布置海底光電纜，連接海底的觀測系統(tǒng)與岸基站。顯而易見，這樣的系統(tǒng)可以在線、實(shí)時(shí)地獲得海底的實(shí)測數(shù)據(jù)。海底觀測系統(tǒng)的關(guān)鍵部件是布放在海底的接駁盒，它承擔(dān)著連接海上海底的重任，進(jìn)行著海底的電能接駁與分配，信號的上接下聯(lián)。海底觀測站通常需要高壓通電，光纜通信，布放時(shí)需要采用有纜無人遙控潛水器來操作，成本是非常高的。維護(hù)起來也十分不便。
圖8 海底觀測系統(tǒng)
采用無人自主式潛水器（AUV）搭載傳感器進(jìn)行觀測，是一種傳統(tǒng)的觀測手段。然而AUV自帶電池，工作時(shí)間頗短，需要常?；厥盏酱线M(jìn)行充電（同時(shí)下載數(shù)據(jù)），然后再放回大海工作，效率甚低。如果利用海底觀測網(wǎng)絡(luò)對AUV進(jìn)行充電并下載數(shù)據(jù)，既可提高AUV的工作效率，又可解決海底觀測網(wǎng)絡(luò)觀測范圍有限的矛盾。因此，國內(nèi)外科學(xué)家們正在致力于AUV+海底觀測網(wǎng)絡(luò)的觀測系統(tǒng)研究。圖9顯示了海底觀測網(wǎng)絡(luò)與AUV“搭橋”的工作原理圖，這是浙江大學(xué)近年來完成的一項(xiàng)工作，通過在海底觀測網(wǎng)絡(luò)和AUV之間設(shè)置“DOCK”系統(tǒng)，解決AUV與海底觀測網(wǎng)絡(luò)的電能/信號連接問題。并在2017年5月12日，在中國南海海域成功實(shí)施了百米深度的AUV對接海底觀測網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)工作。
圖9 海底觀測網(wǎng)絡(luò)與AUV“搭橋”的DOCK系統(tǒng)
05
結(jié)語
海洋觀測技術(shù)在海洋科技領(lǐng)域中扮演著重要角色，它推動(dòng)著海洋科學(xué)研究的進(jìn)步和海洋各項(xiàng)事業(yè)的發(fā)展。海洋觀測技術(shù)還有待于進(jìn)一步的完善，在“深度”、“廣度”、“精度”、“持續(xù)度”和“經(jīng)濟(jì)度”等五個(gè)緯度上有很大的提升空間。發(fā)展海洋觀測技術(shù)，海洋技術(shù)研究人員義不容辭。讓我們共同努力，用先進(jìn)的海洋技術(shù)，推動(dòng)國家海洋事業(yè)進(jìn)步，為人類的科技文明發(fā)展作出貢獻(xiàn)。
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標(biāo)準(zhǔn)
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市場商機(jī)
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科技前沿
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