矯玉田 ，史久新 ，趙進(jìn)平 ，張雪明 ，侯家強(qiáng)

（1．中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266100；2.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春130024）

極區(qū)冰下海洋自動剖面觀測系統(tǒng)及其應(yīng)用

矯玉田1，史久新1，趙進(jìn)平1，張雪明2，侯家強(qiáng)1

（1．中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島 266100；2.東北師范大學(xué)物理學(xué)院，吉林 長春130024）

中國第25次南極考察期間，于2008年12月，首次將國內(nèi)研制的冰下海洋自動剖面觀測系統(tǒng)用于南大洋考察，在普里茲灣沿岸海冰上開展冰下海洋觀測，獲得了連續(xù)數(shù)日的冰下上層海洋溫鹽剖面數(shù)據(jù)，為研究浮冰區(qū)次表層暖水提供了連續(xù)現(xiàn)場觀測資料。文中簡單介紹了自動剖面系統(tǒng)的技術(shù)特點和布放方法以及在南極海域的應(yīng)用，為以后開展極區(qū)冰下海洋觀測項目提供參考。

自動剖面觀測系統(tǒng)；設(shè)計；布放方法；冰下海洋

引言

在極區(qū)浮冰上進(jìn)行海洋剖面觀測有著重要的意義，近幾年國外在北極開展了冰下潛標(biāo)和冰上剖面儀（ITP）的布放。在國際極地年期間，美國、加拿大、日本等國家的海洋科研單位，在北冰洋大規(guī)模地布放帶有剖面儀的錨系潛標(biāo)和冰基海洋自動剖面系統(tǒng)觀測設(shè)備，獲取了大量冰下海洋要素剖面數(shù)據(jù)。國內(nèi)尚沒有成熟的極區(qū)冰下海洋自動剖面觀測系統(tǒng)，在2008年中國第3次北極考察期間，進(jìn)行了極區(qū)冰下垂向爬行海洋浮標(biāo)系統(tǒng)和冰基自動海洋剖面觀測系統(tǒng)的試驗，積累了一定的經(jīng)驗；同年12月，在中國第25次南極考察中，成功地開展了冰下海洋自動剖面觀測系統(tǒng)的試驗，獲取了連續(xù)數(shù)日的海洋溫鹽剖面數(shù)據(jù)，為研究南極上層海洋變化提供了現(xiàn)場資料，為今后開展冰下海洋剖面觀測積累了經(jīng)驗。

1 自動剖面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性能

自動剖面系統(tǒng)的設(shè)計充分考慮了極區(qū)的環(huán)境和浮冰上作業(yè)的特殊性。該系統(tǒng)由編程控制終端、變速器、自動停止器、長效蓄電池和懸掛觀測系統(tǒng)組成，采用耐低溫的電子器件、輕型機(jī)架和防水型的變速器及觸式保護(hù)器（圖1）。系統(tǒng)布放于極區(qū)浮冰冰洞之上，在程控絞車的牽引下，懸掛的觀測設(shè)備在冰下海洋中一定深度范圍內(nèi)自動上下運(yùn)動進(jìn)行剖面觀測，可以獲得長期連續(xù)的上層海洋剖面觀測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)于2008年夏季初步研發(fā)完成，經(jīng)過第3次北極考察的現(xiàn)場試驗后，將系統(tǒng)進(jìn)一步優(yōu)化，增加單片機(jī)編程控制冰下觀測儀器的運(yùn)動狀態(tài)和保溫等裝置?？紤]到冰上的承載力和供電系統(tǒng)的能力，目前的冰下剖面觀測設(shè)計最大觀測深度為300 m。

該系統(tǒng)有如下主要特點：采用便攜式設(shè)計，結(jié)構(gòu)輕巧緊湊；可通過編程控制定時上下運(yùn)動；在無人值守的條件下可以進(jìn)行長期連續(xù)觀測；適合在極地地區(qū)低溫、大風(fēng)等惡劣條件下運(yùn)行。

圖1 自動剖面系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

2 自動剖面系統(tǒng)冰面布放方法和位置的選取

搭載破冰船或直升機(jī)到達(dá)浮冰區(qū)后，選取布放點的位置（圖2）。盡量選擇平整冰，周邊不能有冰裂隙、冰融池等復(fù)雜冰況，冰厚一般在1.5～2.5 m之間，積雪較少。布放時，在計劃安置自動剖面系統(tǒng)的地方，先把表面的積雪鏟掉，再根據(jù)懸掛測量設(shè)備的類型及尺寸，開鑿冰洞。在第25次南極考察期間，懸掛的觀測儀器為RBR CTD，直徑是0.20 m，開鑿的冰洞直徑為0.25 m。在冰洞中布設(shè)自動剖面觀測系統(tǒng)，該系統(tǒng)調(diào)試成功后，可以每2 h自動進(jìn)行一次CTD剖面觀測。

3 系統(tǒng)的時間設(shè)置和下放深度的確定

系統(tǒng)的運(yùn)行是由程序控制的，根據(jù)極區(qū)上層海洋變化，設(shè)置最大觀測深度和間隔時間。由于表層溫度較低，懸掛的儀器不宜長期停留在表層。每次剖面觀測完成后，停在最深處。在一定時間間隔后，再完成一次上升和下降，進(jìn)行一次完整的剖面觀測。CTD的記錄可以采用壓強(qiáng)（深度）閾值開關(guān)，設(shè)置為小于某壓強(qiáng)值時開始記錄數(shù)據(jù)。這樣，CTD僅在上升和下降期間進(jìn)入正常觀測狀態(tài)，記錄數(shù)據(jù)，可以節(jié)約能源和內(nèi)存。在下放深度上，考慮自動系統(tǒng)的供電能力，針對極區(qū)觀測上層海洋變化的規(guī)律，來確定自動剖面觀測深度。

圖2 自動剖面系統(tǒng)現(xiàn)場觀測圖示

4 系統(tǒng)供電和保溫

由于極區(qū)溫度低，蓄電池的質(zhì)量很重要，本次試驗采用美國螺旋式卷繞專利技術(shù)的Optima蓄電池，最大電量為50 Ah。Optima是完全密封的免維護(hù)蓄電池，針對極端環(huán)境使用而設(shè)計，可在-40～65℃范圍內(nèi)安全快速啟動和工作，而普通蓄電池的適用溫度范圍一般在-5～40℃。由此可見，相對于極區(qū)寒冷的氣候，使用Optima蓄電池將會更安全可靠。我們的冰上試驗表明，該電池比較耐低溫，一塊電池可維持剖面觀測系統(tǒng)連續(xù)工作25 h。

用于極區(qū)浮冰上的觀測系統(tǒng)，還要考慮保溫問題。低溫會使鑿開的冰洞重新凍結(jié)，不僅會降低蓄電池的效率，還會影響觀測系統(tǒng)的正常工作。冰上用電受到限制，因此不能采用電加熱方式。為避免環(huán)境溫度過低，制作了毛毯罩，把整個系統(tǒng)和蓄電池都包在里面。冰上試驗效果很好，未加毛毯罩時，冰洞內(nèi)會結(jié)成一層薄冰，隨溫度的降低冰逐漸增厚，影響了剖面觀測，甚至導(dǎo)致絞車停止；加上毛毯罩后，未再發(fā)現(xiàn)冰洞結(jié)冰，自動剖面系統(tǒng)運(yùn)行正常。

5 系統(tǒng)懸掛設(shè)備定時控制的確定

根據(jù)懸掛設(shè)備的種類，參照觀測規(guī)范，設(shè)定觀測間隔時間。例如，懸掛CTD測量儀，可設(shè)定每2 h進(jìn)行一次剖面觀測；而懸掛海流計，可設(shè)定每1 h進(jìn)行一次剖面觀測。在具體測量時，應(yīng)對該區(qū)域的海洋環(huán)境有所了解，以便選取合適的定時控制時間。

6 試驗結(jié)果

我們從自動剖面系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)中，選取兩部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行簡要分析。

（1）12月11日 04:11-16:15，在此時間段內(nèi)，系統(tǒng)以一個統(tǒng)一的設(shè)置狀態(tài)自動運(yùn)行，共獲得完整的9個剖面的溫鹽數(shù)據(jù)（圖 3）。

（2）12月13日11:08-14日11:03自動剖面系統(tǒng)完成了25 h的連續(xù)觀測，得到了冰下海洋溫度的周日變化情況（圖 4）。

圖3 12月11日觀測的9個溫鹽剖面圖

7 結(jié)束語

在中國第25次南極科學(xué)考察中，自動冰下海洋剖面觀測系統(tǒng)首次應(yīng)用在南極普里茲灣的浮冰上，獲取了普里茲灣冰下上層海洋溫鹽剖面的長期連續(xù)觀測數(shù)據(jù)，進(jìn)一步給出了冰下次表層暖水的存在證據(jù)。次表層暖水是趙進(jìn)平教授通過分析中國首次北極考察浮冰區(qū)CTD數(shù)據(jù)，提出的一個值得關(guān)注的冰下上層海洋特有的溫度結(jié)構(gòu)。通過理論解析求解，認(rèn)為這一暖水主要是由進(jìn)入海洋的太陽輻射加熱海水而形成的。在第二次北極考察和一些后續(xù)的國外北冰洋考察中，都曾觀測過這一現(xiàn)象。但是，由于進(jìn)入北冰洋的太平洋暖水也在相近層次上，不容易與太陽輻射形成的暖水區(qū)分，在北冰洋的觀測數(shù)據(jù)沒有很強(qiáng)的說服力。這次在南極冰上進(jìn)行的自動剖面觀測系統(tǒng)長期觀測，為冰下次表層暖水的存在提供了新的觀測證據(jù)。這也證明了發(fā)展針對性的極區(qū)冰下海洋監(jiān)測技術(shù)對極地海洋研究是非常重要的。在現(xiàn)有觀測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步改進(jìn)，解決長期供電、實時傳輸數(shù)據(jù)等問題，極區(qū)自動剖面觀測系統(tǒng)有望得到推廣和應(yīng)用。

圖4 冰下海洋25 h連續(xù)觀測溫度分布圖

[1]趙進(jìn)平.發(fā)展海洋監(jiān)測技術(shù)的思考與實踐[M].北京：海洋出版社，2005.

[2]商紅梅，張少永，沈高山.極區(qū)冰蓋下定點剖面測量系統(tǒng)[J].海洋技術(shù),2006，25（3）：23-26.

[3]矯玉田，趙進(jìn)平，史久新，等.極區(qū)海洋錨錠觀測系統(tǒng)的設(shè)計和布放[J].極地研究,2007,19（4）:305-312.

Introduction and Application of An Automatic Profiler for Observing Ice Covered Polar Ocean

JIAO Yu-tian1,SHI Jiu-xin1,ZHAO Jin-ping1,ZHANG Xue-ming2,HOU Jia-qiang1
（1.College of Physical and Environmental Oceanography,Ocean University of China,Qingdao Shandong 266100,China;2.College of Physics,Northeast Normal University,Changchun Jilin 130024,China）

A newly-developed automatic profiler was applied for observing the ice covered ocean during the 25th Chinese National Antarctic Research Expedition in December,2008.The profiler was mounted on fast ice in the Prydz Bay and recorded temperature and salinity data of the upper ocean continuously in several days.The data were used to study the sub-surface warm water in the ice covered ocean.The design and deployment in the polar region of the profiler are introduced in order to present reference for the future observations in the polar ocean.

automatic profiler;design;deployment;ice covered ocean

P716

B

1003-2029（2010）04-0031-03

2010-01-11

國家科技支撐計劃課題（2006BAB18B02）；教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計劃資助項目（NCET-10-0720）