毛新燕，趙 亮，2，徐 鵬，江文勝，2，張 平，2，吳則舉

（1.中國海洋大學(xué)海洋環(huán)境學(xué)院，山東 青島266100；2.中國海洋大學(xué)物理海洋教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島266100；3.青島理工大學(xué)通信與電子工程學(xué)院，山東 青島266520）

海流是海水中各種物質(zhì)輸運(yùn)的重要方式，與溫、鹽同為海洋學(xué)基本觀測物理量，用于描述一個海區(qū)的水文背景場。針對海流的現(xiàn)場觀測，多采用的是歐拉方式，即在研究區(qū)域利用流速剖面儀等進(jìn)行走航式或者錨碇式測流，例如 Yanagi等［1］，袁耀初等［2］，張志欣等［3］，Chen等［4］的工作；或是利用高頻地波雷達(dá)測得表層海流矢量場的分布及變化［5－7］。隨著衛(wèi)星定位技術(shù)的發(fā)展，采用拉格朗日方式進(jìn)行觀測的研究報(bào)道日漸增多。衛(wèi)星跟蹤浮標(biāo)，包括各種表面漂流浮標(biāo)及Argo剖面浮標(biāo)，已被廣泛應(yīng)用于大洋及陸架海環(huán)流研究中。與歐拉觀測相比，這種跟蹤觀測方式更符合人們對物質(zhì)運(yùn)移的直觀理解。于非等［8］、賀志剛等［9］利用Argos漂流浮標(biāo)數(shù)據(jù)分別探討了黑潮水在東海陸架的入侵以及南海渦旋結(jié)構(gòu)。周慧等［10］、黃志達(dá)等［11］則利用Argo剖面浮標(biāo)資料對棉蘭老島以東海域的中層環(huán)流結(jié)構(gòu)及呂宋海峽一斷面處的水文特征進(jìn)行了深入分析。

上述衛(wèi)星跟蹤浮標(biāo)觀測開拓了人們的研究思路，提供了研究深海環(huán)流的獨(dú)特視角。而在潮運(yùn)動占優(yōu)的近海區(qū)域，受到不規(guī)則岸線和復(fù)雜地形的限制、頻繁人類活動的影響，衛(wèi)星跟蹤浮標(biāo)因其成本較高，難以廣泛應(yīng)用。而同時，在此海域由于大眾通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，一些靈活小巧、成本低廉的近海用小型漂流浮標(biāo)逐漸發(fā)展起來。Ohlmann等［12］利用 GPS－Cellular技術(shù)開發(fā)了一種近海浮標(biāo)觀測系統(tǒng)“Microstar”。Microstar浮標(biāo)體與主機(jī)服務(wù)器間通過Mobitex網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行定位信息傳輸，大大降低了通訊費(fèi)用（傳輸間隔取1min，則浮標(biāo)每月的通訊費(fèi)用由衛(wèi)星方式的＄300降至移動網(wǎng)絡(luò)方式的＄15）。在國內(nèi)，這種GPS／GPRS浮標(biāo)技術(shù)已應(yīng)用到河流水面流速、流向的測量工作中，既提高了測量精度，又減輕了工人的勞動強(qiáng)度［13］。本文介紹一種基于GPS－GPRS技術(shù)的近海用漂流軌跡觀測系統(tǒng)，包括其基本原理、實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果、現(xiàn)場布放過程及結(jié)果等。

1 近海GPS－GPRS漂流軌跡觀測系統(tǒng)的工作原理

圖1是該觀測系統(tǒng)的基本架構(gòu)圖，主要部分為一漂流瓶體，包含微控制器（MCU）、定位接收裝置（GPS）、移動通信裝置（GPRS）、鎳鎘電池等。其中主控MCU采用 ARM 32位的CortexTM－M3CPU，它通過RS－232接口分別和GPRS模塊和GPRS模塊相連，通過I2C協(xié)議與外部存儲器相連；GPS模塊采用Skylab SKG16A，是一款完整的GPS模塊，具有高靈敏度、低功耗、小型化、其極高追蹤靈敏度（－165dBm）擴(kuò)大了其定位的覆蓋面，在普通GPS接收模塊不能定位的地方，如狹窄都市天空下、密集的叢林環(huán)境，SKG16A都能高精度定位；GPRS模塊采用SIMCOM－900，它采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，工作頻率為 GSM／GPRS 850／900／1800／1900MHz，可以低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。

觀測系統(tǒng)的工作流程如下：漂流瓶體在GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的海區(qū)釋放后隨流運(yùn)動，每隔預(yù)設(shè)時刻t1，瓶體接收GPS定位信息，并緩存于微控制器中，而后休眠至下一工作時刻。經(jīng)過預(yù)設(shè)的t2時間間隔（t2＝n·t1，n為正整數(shù)，一般取3～5），瓶體通過GPRS裝置將n次定位信息上傳至數(shù)據(jù)服務(wù)器，在收到服務(wù)器的確認(rèn)指令后，再將微控制器中的緩存數(shù)據(jù)清空，完成一次整體工作循環(huán)。研究人員可由客戶端登錄到服務(wù)器，通過軟件界面查看瓶體的狀態(tài)信息：每個瓶體各時刻的位置、剩余電量等（見圖2）。考慮到瓶體在水中需保持直立姿態(tài)，在內(nèi)部配重了水泥，并將各主要工作元件安裝在支架上，以確保定位和移動通信裝置的天線高于水面（見圖3）。漂流瓶內(nèi)的大功率鎳鎘電池，理論上可持續(xù)工作10d，滿足低于潮頻的近海時均環(huán)流研究條件。

該GPS－GPRS漂流軌跡觀測系統(tǒng)的突出優(yōu)點(diǎn)是淺海適用性、數(shù)據(jù)實(shí)時性及瓶體的可回收利用性。在GPS導(dǎo)航、手機(jī)GPRS上網(wǎng)已普及的現(xiàn)代社會，基于這2項(xiàng)技術(shù)的系統(tǒng)開發(fā)成本十分低廉，便于批量應(yīng)用、獲取大量實(shí)測數(shù)據(jù)，進(jìn)而推動近海環(huán)流研究工作的開展。

2 漂流瓶體測試

2.1 GPS定位精度

為測試GPS－GPRS漂流瓶體的定位精度，將30個瓶體集中同一處（范圍不超過5m）靜置24h。設(shè)每5min（t1）獲取一次 GPS定位信息，每15min（t2）上傳信息至服務(wù)器，24h內(nèi)每瓶體約上報(bào)250組數(shù)據(jù)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，各瓶體定位的標(biāo)準(zhǔn)偏差范圍為29.6～51.8m，30個瓶體的總體定位標(biāo)準(zhǔn)誤差為42.4m。

2.2 隨水運(yùn)動性

拉格朗日觀測的前提假設(shè)是浮標(biāo)的運(yùn)動能夠體現(xiàn)流體微團(tuán)的運(yùn)動，這就要求浮標(biāo)體具有良好的隨水運(yùn)動性。利用中國海洋大學(xué)海洋學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心的風(fēng)浪流水槽，制造出不同強(qiáng)度的流動，配合以不同大小的風(fēng)速（風(fēng)、流取同向），而后再對水槽背景流速及漂流瓶體的運(yùn)動速度進(jìn)行多組測定，最終給出可靠的隨水性測試結(jié)果。

風(fēng)浪流水槽工作段長度為10m，槽中水深70cm左右。在無風(fēng)的情況下，背景流場可視為均勻流動，使用SLC9－2型直讀式海流計(jì)（精度1.0cm／s）讀取中層流速，與漂流瓶運(yùn)動速度作比較；在有風(fēng)的情形下，則將直讀式海流計(jì)提升至水面下15cm處，測得近表層的背景流速值。由于在水槽無法通過GPS定位方式追蹤得到漂流瓶體的運(yùn)動軌跡，所以采用傳統(tǒng)的“秒表計(jì)時再計(jì)算”的方法得到瓶體運(yùn)動速度：即通過記錄瓶體運(yùn)動相同距離（6m）的時間來確定。每種流、風(fēng)組合下，進(jìn)行5組試驗(yàn)，結(jié)果見表1。

表1 GPS－GPRS漂流瓶隨水性測試結(jié)果（室內(nèi)）Table 1 Laboratory tests of water－following property for the GPS－GPRS drifter bottle

結(jié)果顯示：在無風(fēng)條件下，背景流速越大，瓶體的隨水運(yùn)動性越好，這是因?yàn)槠矿w是具有質(zhì)量及慣性，水流只有達(dá)到一定速度，才能帶動瓶體運(yùn)動。隨著風(fēng)速的增大，瓶體受風(fēng)拖曳的作用明顯加強(qiáng)，隨流誤差也逐漸增大。該誤差除了與風(fēng)有關(guān)，也源于實(shí)驗(yàn)條件自身，風(fēng)浪流水槽長度很有限，瓶體在其中的運(yùn)動至多花費(fèi)1min，時間較短，測量誤差不可忽略。此外，水槽寬度僅為1m，在壁邊界的側(cè)摩擦作用下，瓶體所接觸水流存在一定的橫向剪切，使得瓶體運(yùn)動有向壁分量，這也會導(dǎo)致瓶體速度與背景流速的差異產(chǎn)生?？傊撌覂?nèi)隨水性測試實(shí)驗(yàn)給予作者的啟示在于：當(dāng)在現(xiàn)場進(jìn)行布放漂流瓶觀測時，要盡可能選取風(fēng)浪較小、空間開闊的時機(jī)及區(qū)域，以確保瓶體運(yùn)動具有水團(tuán)標(biāo)識性。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

通過前期測試，對GPS－GPRS漂流瓶體的定位精度及觀測適用條件有了基本認(rèn)識，現(xiàn)場應(yīng)用測試則是檢驗(yàn)該觀測系統(tǒng)可靠性的核心環(huán)節(jié)。2011年9月14日在浙江象山港峽灣內(nèi)段進(jìn)行了近海GPS－GPRS漂流軌跡觀測系統(tǒng)的首次海上布放試驗(yàn)。選取象山港作為實(shí)驗(yàn)海域（圖4），有如下原因：首先，象山港地處浙江中部沿海，半日潮占優(yōu)，屬于典型的的淺海動力環(huán)境；其次，港區(qū)呈東北—西南走向，是一個伸入陸地的狹長型海灣，移動通訊網(wǎng)絡(luò)覆蓋全面，有利于漂流瓶體的追蹤及回收；第三，象山港周圍由山地、丘陵環(huán)繞，是我國著名的避風(fēng)良港，灣內(nèi)風(fēng)平浪靜，其自然海況適于GPS－GPRS漂流瓶體的現(xiàn)場布放。

圖4 2011年9月象山港內(nèi)段觀測站位圖，三站水深約15mFig.4 Mooring stations（three red diamonds）in Xiangshan Bay（Sept.2011）with depth of 15m

上圖給出了象山港海區(qū)的岸線及本次拉格朗日－歐拉聯(lián)合觀測的3個站位B1，B2，B3。具體觀測過程如下：9月14日12：00～21：00，每3h（即高平、落急、低停、漲急時刻），由B1、B2站各釋放一組GPS－GPRS表層漂流瓶體，每組3瓶，4時次共釋放24瓶。這樣布放，既能提高獲取有效數(shù)據(jù)的概率，又能對比分析同組瓶體的軌跡結(jié)果。除上述拉格朗日觀測部分外，在三站還配合進(jìn)行周日錨系觀測：在海床基四腳架上，利用RDI－600K聲學(xué)多普勒流速剖面儀（ADCP）仰視工作測得流速的垂直剖面。觀測時正逢農(nóng)歷八月十六天文大潮期間，潮流速度較大，B1站海床基架子被走錨漁船拖倒，最終只獲得B2、B3兩站9月14日11時～15日12時之間的流速數(shù)據(jù)。

觀測期間天氣晴好，海面無風(fēng)浪，海況良好。大多數(shù)漂流瓶體在釋放至水中均能正常工作，即能夠接收定位信息，并與服務(wù)器正常通訊。圖5給出了某一時刻在客戶端交互界面上顯示的各漂流瓶體的位置分布情況，研究人員可據(jù)此查詢和掌握最近一次上報(bào)信息時瓶體所在位置。圖6給出的則是某一瓶體在觀測期間的所有上報(bào)位置，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊任一氣球標(biāo)志可顯示該處的經(jīng)、緯度及上報(bào)時間等信息，方便人們隨時關(guān)注瓶體的運(yùn)動軌跡。

為了盡可能多地獲取漂流軌跡觀測數(shù)據(jù)，僅在9月15日中午完成定點(diǎn)觀測返航時將沿途遇到的4個瓶體回收，并未依照服務(wù)器上儲存的定位信息去搜尋所有瓶體。通過查看服務(wù)器，發(fā)現(xiàn)至9月18日16時，其余20瓶體才停止了運(yùn)動，?？吭谘匕兜牟煌恢?。各瓶體定位數(shù)據(jù)顯示：在此次現(xiàn)場試驗(yàn)中，自釋放后正常工作時長大于12.4h（M2分潮周期T）的有16瓶，大于2T（24.8h）有10瓶，其中最長有效數(shù)據(jù)約2d，近4個半日潮循環(huán)。

4 結(jié)果討論

據(jù)中國海灣志［14］，象山港潮流以往復(fù)流為主，潮汐的基本特征為漲落潮不對稱：漲潮歷時長于落潮歷時。選取觀測期間9月14日16：00～15日04：30時段的一個漲落潮循環(huán)過程，對各瓶體的運(yùn)動路徑進(jìn)行了分析。發(fā)現(xiàn)各瓶體的運(yùn)動軌跡基本為往復(fù)型；漲落潮不對稱性集中體現(xiàn)在落潮期間的瓶體運(yùn)動距離要大于漲潮期間的（見圖7）。

結(jié)合B2站水位及表層流速的周日變化可知，漲潮階段的潮流并非勻速增加，而是在低潮時停留3h左右（漲潮流小于0.2m／s），此后迅速漲急并在2h內(nèi)達(dá)到高潮（圖8）。對比而言，落潮流速變化則較為均勻，因此盡管落潮歷時短、漲潮歷時長，但漂流瓶體卻是在落潮期間隨水運(yùn)動距離更遠(yuǎn)些。

此外，將同組漂流瓶體的運(yùn)動軌跡進(jìn)行對比可發(fā)現(xiàn)，在進(jìn)入鐵港淺水區(qū)之后（B1站附近），隨著非線性作用加強(qiáng)，高于潮頻的小尺度運(yùn)動愈加頻繁，瓶體運(yùn)動的

隨機(jī)性也加大（見圖9）。在狹灣中段的062、068號及099、100號2組瓶體，運(yùn)動軌跡幾乎是重合的，而鐵港內(nèi)同一組漂流瓶（009、010號）的軌跡僅在漲潮初期差別較小，到落潮階段軌跡差別較大，甚至出現(xiàn)了反向運(yùn)動。

在近海環(huán)流研究中，濾掉周期性潮流之后的低頻運(yùn)動是關(guān)注的重點(diǎn)，流體微團(tuán)經(jīng)過一個或多個潮周期的凈位移等價于表示環(huán)流的拉格朗日余速度。此次現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果顯示，由B1站釋放的瓶體歷經(jīng)一個M2周期后的凈位移大概1.5～2.4km，B2站釋放瓶體的凈位移則介于4.3～4.6km之間，方向指向?yàn)晨?。這為同期開展的象山港環(huán)流數(shù)值模型工作提供了寶貴的定量化觀測資料，有助于模擬結(jié)果的校驗(yàn)及模型的調(diào)校改進(jìn)。值得一提的是盡管漂流瓶體的定位誤差約40m，但相較于環(huán)流研究的凈位移尺度（此次在象山港的觀測結(jié)果為數(shù)km）來說，該誤差為小量，可忽略。

5 結(jié)語

本文系統(tǒng)、全面地介紹了一種適于近海使用的基于GPS－GPRS技術(shù)的漂流軌跡觀測系統(tǒng)，其主要部分為一表層漂流瓶體，能實(shí)時GPS定位并通過GPRS上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器，瓶體輕便、性能穩(wěn)定且能夠回收并再次使用，性價比高。前期實(shí)驗(yàn)室內(nèi)測試顯示漂流瓶體具有良好的隨水性；多樣本統(tǒng)計(jì)其定位誤差約為42m。在象山港海域進(jìn)行的現(xiàn)場釋放試驗(yàn)中，有2／3以上的瓶體可正常工作，其運(yùn)動軌跡符合人們對象山港潮流的一般認(rèn)識。同時，漂流瓶體在半日潮周期內(nèi)運(yùn)動的凈位移結(jié)果為象山港環(huán)流研究積累了量化資料，提高其環(huán)流復(fù)雜性的認(rèn)識。該近海GPS－GPRS漂流軌跡觀測系統(tǒng)可切實(shí)起到輔助環(huán)流研究的作用，具有一定科學(xué)價值及應(yīng)用前景。

致謝：感謝中國海洋大學(xué)呂紅民教授在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)漂流瓶隨水性測試的大力協(xié)助。感謝馮建龍、全祺、楊偉、張晶等在漂流瓶定位精度測量及象山港現(xiàn)場應(yīng)用過程中的配合與努力。

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