劉長華, 王春曉, 賈思洋, 楊青軍

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基于10米浮標(biāo)載體的錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測系統(tǒng)實(shí)踐之一——自容式采集方式

劉長華, 王春曉, 賈思洋, 楊青軍

(中國科學(xué)院海洋研究所, 山東青島 266071)

為了對我國近海海域進(jìn)行剖面觀測, 獲取到多層位水體的多要素觀測數(shù)據(jù), 嘗試依托中國近海海洋觀測研究網(wǎng)絡(luò)東海站10 m浮標(biāo)系統(tǒng)的錨系, 采用在錨系上掛載自容式組合傳感器方式, 獲取到8個(gè)觀測周期共412 d的有效剖面觀測數(shù)據(jù), 觀測層位分布于10, 20, 30 m 3個(gè)水層; 通過結(jié)合浮標(biāo)獲取的表層溫度數(shù)據(jù)與3個(gè)水層的對比分析表明, 錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測方案在實(shí)用性和可推廣性方面具有顯著優(yōu)勢, 是基于海面浮標(biāo)載體進(jìn)行剖面觀測的有益嘗試, 可在我國構(gòu)建的海洋浮標(biāo)觀測網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行廣泛應(yīng)用, 將為我國近海海洋科學(xué)研究提供彌足珍貴的水面-水體全序列系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)資料, 從而為近海海洋科學(xué)研究取得突破性進(jìn)展提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

剖面觀測; 錨鏈?zhǔn)? 近海觀測研究網(wǎng)絡(luò)

海洋科學(xué)是一門源于觀測的科學(xué), 觀測技術(shù)是促進(jìn)海洋科學(xué)逐漸走向成熟的關(guān)鍵因素之一, 目前我國基于錨泊式觀測浮標(biāo)的定點(diǎn)觀測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展較為成熟, 錨泊式觀測浮標(biāo)是海洋環(huán)境在位直接監(jiān)測的重要技術(shù)手段, 較船基觀測、海島站和遙感觀測具有突出的優(yōu)勢, 可以獲取海洋水文、氣象和水質(zhì)等綜合環(huán)境數(shù)據(jù), 具有全天候、全天時(shí)穩(wěn)定可靠, 持續(xù)觀測、自動(dòng)采集和發(fā)送的特點(diǎn)[1]。但是錨泊式觀測浮標(biāo)觀測采集的數(shù)據(jù)范圍有明顯的局限性, 氣象數(shù)據(jù)僅限于海面上界面附近范圍, 水質(zhì)數(shù)據(jù)主要是海表面附近水層范圍, 對于海面以下2 m以深水體的觀測幾乎是空白, 而目前海洋科學(xué)研究的趨勢和關(guān)注重點(diǎn)正逐漸向海面以下的剖面全水層延伸和拓展[2]。

在實(shí)際的海洋觀測中, 獲取觀測數(shù)據(jù)的困難程度從海面、海底到剖面水體是逐漸增加的[3-5], 主要原因是水面和海底一般可以借助較為可靠穩(wěn)定的“載體”, 比如海面可以依靠浮標(biāo)體, 進(jìn)行各類海洋數(shù)據(jù)的觀測和采集, 海底則依靠海床基進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)的觀測和采集, 往往剖面水體數(shù)據(jù)的采集在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)存在較大難度, 因沒有可依托的觀測載體, 在深海區(qū)域, 國際上一些海洋研究機(jī)構(gòu)和科學(xué)家做了許多開創(chuàng)性的工作, 在觀測方法的設(shè)計(jì)思路上提供了很好的借鑒, 同時(shí)也取得了許多極其寶貴的觀測數(shù)據(jù), 如美國伍茲霍爾海洋研究所的Weller等[6]開發(fā)出一套依靠錨泊式觀測浮標(biāo)的系留錨系的自動(dòng)垂直剖面觀測裝置, 即將整套傳感器裝在一起沿錨系上下滑行, 這樣傳感器可以從海底到海面進(jìn)行連續(xù)測量, 而其獲得的觀測數(shù)據(jù)就十分難得。比如歐洲共同體“海洋科學(xué)與技術(shù)”計(jì)劃支持的錨系剖面器YOYO則于1999年9月用15 d時(shí)間, 獲取到從水深200~1 100 m 30條硝酸鹽剖面, 為海洋生物地球化學(xué)取得了極其寶貴的觀測資料[7]。我國自行設(shè)計(jì)的波浪驅(qū)動(dòng)式垂直剖面測量系統(tǒng)采用“爬升式”觀測數(shù)據(jù)采集, 在設(shè)計(jì)思路上處于國際前沿[8], 但是在具體應(yīng)用中限于我國近海漁業(yè)的捕撈現(xiàn)狀, 極易遭受破壞, 在應(yīng)用上受到各種安全因素的限制, 很難廣泛應(yīng)用。

以海面浮標(biāo)為載體, 借助浮標(biāo)錨鏈, 可以有效開展水體中剖面數(shù)據(jù)的觀測, 主要原因有兩個(gè)方面, 一是海面浮標(biāo)可以作為標(biāo)志物, 起到安全保護(hù)作用, 二是錨鏈從水面浮標(biāo)底部一直到海底, 可以進(jìn)行全水層水體觀測, 結(jié)合海面浮標(biāo)的觀測數(shù)據(jù), 可以構(gòu)建從海面到水體, 甚至到海底的觀測層次, 真正構(gòu)建海面-水體-海底全序列的觀測模式, 這必將為海洋科學(xué)研究提供彌足珍貴的系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)資料。

本文以中國科學(xué)院海洋研究所布放于東海海礁附近10 m綜合觀測浮標(biāo)為例, 結(jié)合具體的剖面觀測實(shí)踐, 詳細(xì)介紹借助浮標(biāo)錨系進(jìn)行水體剖面觀測的應(yīng)用情況, 以供參考借鑒。

1 錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測方案設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)所依托的海面載體為直徑10 m的鋼制浮標(biāo), 是由山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所研制, 該類型浮標(biāo)在我國近海海域得到廣泛應(yīng)用, 浮標(biāo)系統(tǒng)主要包括浮標(biāo)體、系留系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、安全報(bào)警系統(tǒng)和陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)等9個(gè)部分, 觀測系統(tǒng)可以通過搭載不同類型的傳感器實(shí)現(xiàn)對布放海域表面的氣象、水文和水質(zhì)等參數(shù)進(jìn)行長期、連續(xù)、自動(dòng)、實(shí)時(shí)地觀測, 并可通過CDMA(Code Division Multiple Access)、GPRS(General Packet Radio Service)或北斗衛(wèi)星通信系統(tǒng)將觀測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地發(fā)送到岸基數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)[9]。該浮標(biāo)系統(tǒng)因體積大、堅(jiān)固, 而且具備實(shí)時(shí)通訊功能, 所以在具體的海上定點(diǎn)觀測應(yīng)用中, 具有較強(qiáng)的抗破壞性和穩(wěn)定性。

根據(jù)10 m浮標(biāo)觀測載體顯著的優(yōu)勢, 將自容式傳感器掛載于浮標(biāo)系統(tǒng)的錨鏈上, 進(jìn)行不同深度水層的長期連續(xù)觀測, 可有效降低設(shè)備的丟失率, 此種類型的剖面數(shù)據(jù)獲取方式在目前的條件下是一種有益的嘗試, 為便于描述, 我們將此方案定義為“錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測”, 錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測的方案設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮了傳感器(組)的選擇、觀測剖面深度和層位設(shè)計(jì)3個(gè)方面。

1.1 傳感器(組)的選擇

測量參數(shù)的需求是首要考慮的問題, 錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測的參數(shù)需要和浮標(biāo)體上已經(jīng)進(jìn)行的觀測數(shù)據(jù)有較好的匹配性, 浮標(biāo)體上目前獲取的水下觀測參數(shù)取決于配置傳感器性能的穩(wěn)定性, 較為成熟的參數(shù)有溫度、鹽度、濁度、葉綠素、溶解氧, 因此, 錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測同樣選擇溫度、鹽度、濁度、葉綠素、溶解氧這些參數(shù), 采用的傳感器類型為自容式, 在實(shí)際的設(shè)計(jì)中, 因?yàn)殄^鏈隨海面浮標(biāo)上下起伏和浮標(biāo)隨浪流往復(fù)移動(dòng)的原因, 一般在每個(gè)觀測層位配備深度傳感器, 以進(jìn)行觀測深度的校準(zhǔn)。

其次考慮到錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測中綁縛在錨鏈上的自容式傳感器體積和重量, 在保障足夠堅(jiān)固的前提下, 傳感器的體積要小巧, 重量輕, 體積大的傳感器在水下作業(yè)過程中不利于潛水員固定, 攜帶不方便, 尤其是水下作業(yè)過程中, 很多流網(wǎng)漂過, 造成的不良后果輕則儀器設(shè)備丟失, 重則對潛水員造成生命危險(xiǎn); 傳感器重量大則主要是攜帶不方便, 水下作業(yè)難度大; 如果不注意傳感器的體積和重量, 傳感器固定于錨鏈上后, 在海流的作用下將產(chǎn)生很大阻力, 長時(shí)間將會(huì)破壞錨鏈自身的結(jié)構(gòu), 進(jìn)而影響浮標(biāo)的錨系牢固性。

最終為獲取多項(xiàng)參數(shù), 采用多傳感器搭配形成傳感器組, 集中放在一個(gè)易于在錨鏈上固定和卸載的籠型體內(nèi), 進(jìn)行長期連續(xù)的自容式觀測(圖1)。

1.2 觀測剖面深度

在剖面深度的選擇方面, 理想的情況是從水面至海底進(jìn)行全水層的觀測, 但實(shí)際觀測深度根據(jù)潛水員下潛安全深度為限。目前潛水作業(yè)分為輕潛和重潛, 水深10 m以上為輕潛, 10 m以下為重潛; 輕潛通常是指穿普通潛水衣(3~5 mm厚的濕衣, 或干式潛水衣)攜帶氣瓶的潛水方式, 在水中的上升下降是通過配重鉛塊和BCD(一種可充放氣的浮力背心)協(xié)助完成; 重潛通常是指穿著金屬材質(zhì)或復(fù)合材質(zhì)的潛水衣, 用專用輸氣管道供氧的潛水方式, 重潛往往需要配置專用供氧船提供氧氣供給。東海海礁浮標(biāo)位置的實(shí)際水深為60 m, 依托當(dāng)?shù)氐臐撍b備和潛水員素質(zhì), 綜合考慮將觀測剖面最大深度設(shè)置在30 m水深位置。因此, 在這個(gè)水深位置, 為便于潛水員在水下安裝固定自容式傳感器組, 采用輕潛與重潛結(jié)合的方式進(jìn)行, 即在水中的潛水員通過配重鉛塊和BCD, 利用專用輸氣管道供氧的方式作業(yè)。

1.3 觀測剖面布設(shè)層位

在觀測層位設(shè)計(jì)方面, 主要是考慮觀測目的的需要, 首先需要考慮的是該海域溫躍層的深度分布范圍, 確定溫躍層深度范圍后, 在溫躍層的附近深度需要布設(shè)2~3套傳感器。其次是根據(jù)不同的科學(xué)需求進(jìn)行觀測層位的常規(guī)布設(shè)或加密布設(shè)。

在綜合考慮上述諸多因素的前提下, 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)為: 選擇設(shè)計(jì)水層為3層, 自上而下分別在10, 20和30 m的深度掛載傳感器組, 每個(gè)層位傳感器組包括有溫鹽儀、濁度葉綠素儀、溫深儀和溶解氧儀4個(gè)小型自容傳感器, 將這4個(gè)傳感器固定于一個(gè)預(yù)先設(shè)計(jì)好的籠子里, 在水下作業(yè)時(shí), 潛水員可迅速、便捷的將籠子固定于錨鏈上, 進(jìn)行剖面參數(shù)觀測, 圖2所示的是設(shè)計(jì)的整體方案(垂直剖面系統(tǒng))示意圖和根據(jù)設(shè)計(jì)觀測設(shè)備在水下實(shí)際布放情況和海上作業(yè)情況。

2 實(shí)際應(yīng)用及效果

在東海直徑10 m鋼制浮標(biāo)系統(tǒng)錨系上開展的3層水體錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測實(shí)驗(yàn)自2014年10月開始, 將12臺(tái)設(shè)備分為3組, 每組4臺(tái)設(shè)備, 分別固定于3個(gè)籠型框內(nèi), 設(shè)置一致的開始工作時(shí)間后, 由潛水員攜帶至水下綁縛于錨鏈上, 綁縛傳感器組錨鏈距離水面距離分別是10, 20和30 m。自容式傳感器由于采用電池供電, 所以到一定時(shí)間周期需要更換電池, 同時(shí)將觀測數(shù)據(jù)下載, 為有效保障觀測設(shè)備的正常運(yùn)行, 設(shè)定的每個(gè)采樣周期為30 d, 即設(shè)定的設(shè)備啟動(dòng)開始工作時(shí)間計(jì)算, 30 d后回收設(shè)備, 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集, 更換電池, 同時(shí)對設(shè)備上的生物附著物進(jìn)行清理, 以保障觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。同時(shí)為消除觀測設(shè)備的偏移誤差, 3組設(shè)備運(yùn)行2~3個(gè)周期后, 用相同類型的3組新傳感器進(jìn)行替換, 主要是需要對相關(guān)參數(shù)進(jìn)行校正。

錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測實(shí)際實(shí)驗(yàn)時(shí)間自2014年10月19日~2015年11月28日, 共8個(gè)周期, 總觀測時(shí)間為412 d, 獲取數(shù)據(jù)量518.2萬條(表1)。圖2展示了水下設(shè)備的在位狀態(tài)。

在實(shí)際的觀測中, 海面浮標(biāo)上搭載的直讀式溫鹽傳感器實(shí)際上表征的相當(dāng)于海面的水溫和鹽度的變化情況, 結(jié)合錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測系統(tǒng)部署的3層觀測設(shè)備, 即構(gòu)成4層要素的觀測(圖3)。錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)與水面表層浮標(biāo)獲取的觀測數(shù)據(jù)綜合對比分析, 可以對錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行很好的判定。

以錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測第二觀測周期即2014-12-28~ 2015-01-26期間, 3個(gè)水層觀測獲得的水溫參數(shù)為例, 與浮標(biāo)獲取的表層水溫(注: 在圖中以0 m水層代表)在同一時(shí)間周期內(nèi)比較可以看出(圖4、圖5)。

表1 東海站06號剖面浮標(biāo)數(shù)據(jù)情況統(tǒng)計(jì)

4個(gè)水層溫度的變化趨勢總體一致, 溫度逐漸降低, 0 m水層溫度變化區(qū)間是12.2~16.70℃, 10 m水層溫度變化區(qū)間是13.27~16.73℃, 20 m水層溫度變化區(qū)間是13.46~16.73℃, 30 m水層溫度變化區(qū)間是13.24~16.73℃, 可以看出隨著水深增加, 水溫的變化范圍逐漸縮小, 表層水溫受氣溫的影響波動(dòng)較大, 20 m水層溫度變化范圍最小, 30 m水層溫度變化較大的原因可能與該海域溫躍層深度有關(guān)。

這充分說明采用錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測系統(tǒng)實(shí)施水體多水層觀測方案的可靠性, 不僅獲取的數(shù)據(jù)質(zhì)量高, 而且該方案可結(jié)合水面浮標(biāo)主體搭載的各類傳感器有效進(jìn)行數(shù)據(jù)比對和校正, 進(jìn)一步保障了觀測數(shù)據(jù)的有效性和數(shù)據(jù)應(yīng)用的擴(kuò)展性。

3 存在問題及展望

目前, 我國海洋科學(xué)觀測研究的范圍逐漸從“海面”轉(zhuǎn)向“水體”, 采用錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測手段進(jìn)行淺水體的觀測是一項(xiàng)有益的嘗試, 雖然該方案還存在不能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸[10-12]、剖面深度受潛水深度限制、實(shí)施過程人員的安全、耗時(shí)、費(fèi)力[8]等諸多方面的不足, 但是錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測以海面浮標(biāo)為載體, 借助浮標(biāo)錨鏈, 在現(xiàn)有技術(shù)條件下可以有效開展水體中剖面數(shù)據(jù)的觀測, 既兼顧觀測設(shè)備的安全保護(hù), 又可實(shí)現(xiàn)近海全水層觀測, 更為重要的是, 目前我國近海海域各部門部署的浮標(biāo)系統(tǒng)規(guī)模大, 型號、種類全, 用于業(yè)務(wù)化運(yùn)行和科學(xué)研究的監(jiān)測網(wǎng)體系基本形成, 在渤海、黃海、東海和南海布放的各種類型浮標(biāo)上百套[1]。如果采用錨鏈?zhǔn)狡拭嬗^測手段進(jìn)行全面部署和實(shí)施, 可以將我國近海的觀測數(shù)據(jù)和觀測水層延伸至水面以下30 m深度, 這必將形成具有顯著特色的觀測體系, 結(jié)合海面浮標(biāo)的觀測體系數(shù)據(jù), 可以真正構(gòu)建起從海面到水體, 甚至到海底的海面-水體-海底全序列的觀測體系, “透明海洋”[13]的規(guī)劃理念從近海觀測開啟, 將逐漸向遠(yuǎn)洋、深海延伸, 這必將為海洋科學(xué)研究提供彌足珍貴的系統(tǒng)觀測數(shù)據(jù)資料, 為我國近海海洋科學(xué)研究取得突破性進(jìn)展提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

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Anchor chain-type profiling observation system based on 10 m buoy—self contained acquisition mode

LIU Chang-hua, WANG Chun-xiao, JIA Si-yang, YANG Qing-jun

(Institute of Oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China)

A new system is developed to conduct cross-sectional observations of coastal waters and obtain multi-layered and multi-factor water observational data. Self-contained combined sensors are mounted on mooring chains on a 10 m-buoy system located in the East Sea station of an offshore marine observation and research network (OMORN), and 412 days of effective cross-sectional observational data in three water layers at 10 m, 20 m, and 30 m are obtained. This chain-type cross-sectional observational mode is advantageous in a wide sprectra of applications as combined surface data from the buoy is acquired. If applied to all buoys in the Chinese coastal buoy observation network, it would provide a valuable data source of the complete sequence water and would thus promote a breakthrough in marine scientific research.

cross-sectional observation, chain-type, offshore marine observation and research network (OMORN)

(本文編輯: 劉珊珊)

[Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences, No.XDA11020306-2]

May 23, 2016

P715.2

A

1000-3096(2016)08-0094-06

10.11759/hykx20160523002

2016-05-23;

2016-06-07

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A 類)資助(XDA11020306-2)

劉長華(1977-), 男, 山東臨邑人, 高級工程師, 博士, 主要從事海洋觀測方面的研究管理工作, E-mail: lch@qdio.ac.cn