海洋觀測技術（定義、分類、技術分析及實例介紹）

　　海洋觀測，是一切海洋活動的開始，是透明海洋、智慧海洋和海洋信息化的重要基礎。

　　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，哪個更高？太平洋海底洋中脊周邊生活著的蝦類，它的生活規律是怎樣的？這些問題的回答，就必須要通過海洋觀測技術，獲得海洋中的數據來解決。

　　提要：此文從定義開始介紹海洋觀測技術，指出了海洋觀測技術的重要意義，提出了海洋觀測的數學表達。同時進行了海洋觀測技術的分類和不同觀測技術的性能比較分析，并闡述了間接觀測技術和直接觀測技術的組成和應用領域。最后通過實例，進一步說明了海洋觀測技術的應用。

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　　 何為海洋觀測技術

　　海洋觀測，是通過技術手段獲取海洋或海底特定地區的時間序列數據。海洋觀測的任務有

　　1）觀察未知海洋世界

　　2）監測評估人為作業對海洋帶來的影響

　　3）觀測海洋特定地區

　　4）監控海洋，保護國家安全，等等

　　海洋觀測，是一切海洋活動的開始，是透明海洋、智慧海洋和海洋信息化的重要基礎。顧名思義，海洋觀測技術，是獲取海洋或海底特定地區的時間序列數據的技術。海洋觀測技術的實現，通常是利用傳感器及其平臺技術，或通過多次采樣分析，對海洋環境各量在一段時間內的感知和認識，而針對的對象通常是動態變化的。

　　海洋觀測的數學表達式為：

　　 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為時間。

　　從數學表達式中可以看出，海洋觀測得到的是一組時間序列數據，是隨時間變化而變化的一組數據。因此，觀測的對象是時變的，是動態的。當觀測對象是不變的，譬如海底地質現象的觀測，那么在這個式子中的時間t無意義了，這時，數學式子則變成：

　　Y = F（X1，X2，X3，...，Xp）

　　這式子表達的是海洋探測。海洋探測是獲得一組數據，與時間無關，故通常用于時不變對象的觀測或者是資源探測、海底物體尋找等方面。

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　　海洋觀測技術分類

　　海洋觀測技術的分類，主要可從這樣三個維度來考慮：一是觀測形式；二是觀測方法；三是觀測區域。重點是觀測方法。

　　海洋觀測形式有固定式和移動式兩種，可稱為定點式海洋觀測技術和移動式海洋觀測技術。傳感器掛在浮標上的觀測、基于海底原位觀測站的觀測是定點觀測，而利用水下滑翔機攜帶傳感器遨游海上的，則屬于移動觀測。

　　按海洋觀測方法的不同進行分類，可分為間接觀測技術 (indirect observing)與直接觀測技術(direct observing)兩種。間接觀測技術，通常是通過水面運載工具或潛水器，進行采樣作業或離線觀測作業，把樣品或數據取回到實驗室，再進行分析處理，獲得觀測結果。直接觀測技術，則直面對象，通過傳感器件，加之信號傳輸通道，在線地實時獲得海洋觀測數據結果。

　　海底間接觀測主要指采集海水、（微）生物和海底物質樣品，并在實驗室進行樣品分析從而實現觀測的一種手段。這種手段通過樣品的獲得并進行對一些物理化學量的測量數據分析，獲得目標結果。具體實現方法如拖網、CTD、多管、箱式、抓斗、熱流計、大洋鉆探計劃等。圖1是美國阿爾文（Alvin）載人深潛器在熱液地區進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熱液口進行采樣作業

　　有一些原位觀測系統，把觀測器放在海底觀測對象附近，對觀測對象進行不間斷地觀測與記錄，同時把數據存放在自容式存貯器中。間隔一段時間后取回實驗室進行數據分析，獲得過去一段時間內的觀測結果。這種方式盡管實時性較差，但非常實用且經濟。原位觀測，英文稱為in-situ observing，是特別強調海底某一具體位置上的觀測，對海洋技術是一種很大的考驗。在海底放置海底觀測器，進行長期觀測，并將數據采入隨之帶入海底的數據采集系統。系統回收后，在實驗室中將數據導入計算機中再進行分析。這樣的方式，也可稱為海底原位觀測站，是間接觀測技術的一種重要形式。圖2 所示是美國科學家對海底熱液地區所實施的一項原位觀測活動。

圖2 東太平洋隆起洋脊地區的熱液原位觀測站

　　海洋直接觀測是把觀測器直接放到觀測對象的附近，研究人員在線實時獲得觀測數據。如水下遙控潛水器把水下攝像機帶到觀測對象旁邊，將視頻圖像信號通過潛水器的光纖直接傳到海面，可實現人類對海底各種科學現象的直接觀測。建設海底觀測網絡，是把各種觀測傳感器連接在網絡上，直接傳到陸地，并通過internet傳遍全球，幫助科學家實現對海底某一關注地區的長期、在線的直接觀測。

　　海洋間接觀測和海洋直接觀測，最大的區別是在于有無用光電復合纜（有時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、實時的觀測。同時，如果是采用光電復合纜的話，還意味著電能的無限供給，也即觀測時間的無限制，做到長期的觀測。從觀測方法的要點、特征、基本組成單元和載體（或平臺）技術四個方面對海洋間接觀測和直接觀測進行歸納，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

　　另一個分類的維度，是根據觀測的區域不同進行分類。對海洋的觀測，主要是對這樣三個不同區域進行觀測：海面、海水、海底。也就是說，將海洋觀測技術分為海面觀測技術、海洋水體觀測技術（或稱海中觀測技術）和海底觀測技術。對海面的觀測，主要是開展海水與空氣界面間關系的研究。這方面的工作，除了對海洋進行觀測之外，還涉及到海洋表面的大氣部分，如海面氣溫、風向、風速的觀測。從技術手段上來看，可采用海洋遙感技術。對海洋水體的觀測內容十分豐富，在物理上可對涌、浪、潮、流、溫度、濁度、鹽度等量的觀測與數據采集；在化學上和生物上可對海洋中的化學和生化量的觀測，對二氧化碳、pH、DO（溶解氧）、營養鹽、葉綠素、重金屬、蛋白質等含量的觀測與分析等。對海底進行觀測，是近幾年來隨著科學技術的不斷發展和完善，特別是海洋技術的發展，涌現出來的“新生事物”。對海底開展物理、化學和生物上的觀測之外，還可對地形地貌進行觀測，對海底某一現象進行觀測，以及在地球物理方面進行觀測，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現的一項工作。由于技術上的困難，使得這項工作遠遠不能滿足科學研究發展的需求。除了要了解海底的海床構造、深度，更要了解海底的巖石與沉積物的物理化學組成等海底情況。特別是隨著海底礦藏（海洋石油）、深海熱液、天然氣水合物等現象的發現，海底觀測的內容更加豐富，也更加迫切。圖3所示的是某一海底熱液地區的生態系統，對這樣的海底觀測，就需要依托多方面的技術來開展。

圖3 海底熱液地區的生態系統

　　近年來，國內外的一些科學家們提出了海底海洋的概念。認為在海床的底下，還有大量的水域。在這些水域中，也發現了豐富的生命現象，故被譽為深部生物圈。事實上，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新的內容——海底海洋的觀測。這方面的觀測，需要對海底海洋的結構構造、巖石沉積物的物理化學組成以及海底海洋水體中的物理、化學及生化量的觀測。

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　　海洋觀測技術分析

　　通過采集樣品，送到實驗室進行分析，是十分傳統而常用的手段。這種方法一直在大學里教授，并廣泛用于當前的海洋科學的研究當中。由于出海采樣耗時，且航次通常要持續一段時間，回到岸上再送到實驗室分析獲得數據，“間接”時間是比較長的，通常幾天、幾周甚至一年以上。當然，實驗室分析儀器部分能夠帶到船上，這樣當天就可以得到數據，“間接”時間大大減少。隨著海洋技術的進步，直接或“準直接”獲得數據的情況越來越多。當然，不同的觀測方法，“間接程度”有別。例如采樣或岸上實驗室分析間接時間最長；水下滑翔機觀測，間接時間可能數天；海洋衛星或有纜的海底觀測網絡可以在線獲得實時的數據，也就是說是直接獲得數據。圖4顯示了不同觀測方法的“實時性”對比。

圖4 海洋觀測實時性與成本

　　不同的觀測手段，觀測涉及范圍也是相去甚遠。譬如海洋衛星的觀測范圍很大，甚至可覆蓋一個海區。而一個海底原位觀測站，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的觀測范圍與成本的比較。當然，從觀測精度來講，海底原位觀測站的觀測精度，一般來講要比海衛星要高許多。

圖5 海洋觀測范圍與成本

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　　 海洋觀測技術實例介紹

　　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的組成和性能。

圖6 海洋漂流浮標的工作流程

　　圖6顯示了海洋漂流浮標的工作流程。很多人都知道，世界各國共同實施了ARGO計劃，在世界各大洋中布放了大量的漂流浮標，來開展對海洋的動力參數甚至生化參數的大范圍觀測。截止2017年3月，世界各大洋中正在工作的漂流浮標共有3936個。其中美國貢獻量最大，布放了2210個浮標。英法德日澳等國積極參與了這項計劃，我國也積極參與并布放了117個浮標，并在國家海洋局第二海洋研究所（杭州）設立了ARGO數據處理中心。從圖6表示的漂流浮標工作流程中，我們可以看到，我們通常是8-10天之后通過衛星獲得一批數據，隨著浮標的漂流，我們可以獲得一個海洋切面上的海洋動力參數，如確定深度下的溫度、鹽度甚至流速等等。這些數據，很好地支撐了海洋科學研究，海洋大氣預報等工作。

　　圖7顯示了一個海底原位觀測站在海底熱液地區工作的情景。這個原位觀測站是用來觀測熱液煙囪的溫度變化的，由浙江大學設計制作。這個系統用一個不銹鋼圓錐筒，里面正交分布三層熱電偶，并配套設計自容式信號采集系統和電池倉，我們給這個系統一個俗稱——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天時間內的溫度連續變化曲線。可見這是一個典型的間接觀測系統。

圖7 高溫帽在熱液口附近觀測作業

　　圖8是一個海底觀測系統示意圖。海底觀測系統通過布置海底光電纜，連接海底的觀測系統與岸基站。顯而易見，這樣的系統可以在線、實時地獲得海底的實測數據。海底觀測系統的關鍵部件是布放在海底的接駁盒，它承擔著連接海上海底的重任，進行著海底的電能接駁與分配，信號的上接下聯。海底觀測站通常需要高壓通電，光纜通信，布放時需要采用有纜無人遙控潛水器來操作，成本是非常高的。維護起來也十分不便。

圖8 海底觀測系統

　　采用無人自主式潛水器（AUV）搭載傳感器進行觀測，是一種傳統的觀測手段。然而AUV自帶電池，工作時間頗短，需要常常回收到船上進行充電（同時下載數據），然后再放回大海工作，效率甚低。如果利用海底觀測網絡對AUV進行充電并下載數據，既可提高AUV的工作效率，又可解決海底觀測網絡觀測范圍有限的矛盾。因此，國內外科學家們正在致力于AUV+海底觀測網絡的觀測系統研究。圖9顯示了海底觀測網絡與AUV“搭橋”的工作原理圖，這是浙江大學近年來完成的一項工作，通過在海底觀測網絡和AUV之間設置“DOCK”系統，解決AUV與海底觀測網絡的電能/信號連接問題。并在2017年5月12日，在中國南海海域成功實施了百米深度的AUV對接海底觀測網絡的試驗工作。

圖9 海底觀測網絡與AUV“搭橋”的DOCK系統

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　　結語

　　海洋觀測技術在海洋科技領域中扮演著重要角色，它推動著海洋科學研究的進步和海洋各項事業的發展。海洋觀測技術還有待于進一步的完善，在“深度”、“廣度”、“精度”、“持續度”和“經濟度”等五個緯度上有很大的提升空間。發展海洋觀測技術，海洋技術研究人員義不容辭。讓我們共同努力，用先進的海洋技術，推動國家海洋事業進步，為人類的科技文明發展作出貢獻。