氣象水文海洋觀測技術(shù)與儀器發(fā)展報告

氣象篇

第1章 概述…(1)

第2章 氣象觀測技術(shù)…（14）

第3章 氣象儀器與裝備…（87）

第4章 氣象儀器保障技術(shù)（153）

第5章 氣象儀器發(fā)展趨勢…（206）

參考文獻…（213）

附錄1 氣象儀器計量檢定規(guī)程一覽表…（216）

附錄2 有關(guān)國家計量技術(shù)規(guī)范一覽表…（218）

附錄3 氣象國家標準一覽表…（219）

附錄4 氣象行業(yè)標準一覽表…（221）

水文篇

第1章 概述…（1）

第2章 水文監(jiān)測技術(shù)…（10）

第3章 水文儀器和裝備…（43）

第4章 水文儀器保障技術(shù)…（121）

第5章 水文監(jiān)測技術(shù)與儀器發(fā)展趨勢...（139）

參考文獻...（146)

附錄A 水文儀器系列型譜...（147）

附錄B 水文標準體系表...（152）

海洋篇

第1章 概述...(1)

第2章 海洋觀/監(jiān)測技術(shù)...（25）

第3章 海洋觀測儀器與裝備...（56）

第4章 海洋儀器保障技術(shù)...（131）

第5章 海洋儀器發(fā)展趨勢和建設(shè)...（151)

參考文獻...（156） 2100433B

海洋監(jiān)測儀器和技術(shù)是伴隨著人類從海洋獲取“魚鹽之利”、“舟楫之便”發(fā)展起來的，涉及機械、電子、能源、材料、信息等多學科交叉，涵蓋十分廣泛的綜合性技術(shù)領(lǐng)域，本報告中的海洋監(jiān)測儀器及技術(shù)是指針對海洋環(huán)境監(jiān)、觀、勘測的儀器及技術(shù)，包括了海洋氣象、水文、生態(tài)化學、海洋聲光物理特性及海洋地質(zhì)地理勘探類的監(jiān)測儀器和技術(shù)。當前，海洋監(jiān)測儀器和技術(shù)發(fā)展的重要方向是，智能化、高適應性、高可靠性和穩(wěn)定性等，能夠適應大洋狂風、巨浪等惡劣災害環(huán)境和海底高壓、低溫、黑暗等極端環(huán)境，達到滿足人類大尺度研究和開發(fā)利用海洋等各項需求的能力。本報告對我國海洋環(huán)境監(jiān)測儀器及技術(shù)領(lǐng)域進行綜述，通過國內(nèi)外本專業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)狀分析總結(jié)，對未來10年本領(lǐng)域的發(fā)展進行預計，以供本專業(yè)領(lǐng)域的科研、應用及管理人員參考。

經(jīng)過多年的發(fā)展我國已建成了包括海洋站、浮標、調(diào)查觀測船、海監(jiān)飛機，以及利用國外遙感衛(wèi)星資料的海洋環(huán)境初級監(jiān)測網(wǎng)，但是和國外發(fā)達國家相比還存在著以下兩個方面的不足：

1）起步晚，能力弱

我國的海洋科學研究起步較晚，海洋觀測能力建設(shè)與國際發(fā)達國家相比差距較大，觀測內(nèi)容少，精度低，無法滿足現(xiàn)代海洋軍事活動的需要。觀測僅以岸基站常規(guī)監(jiān)測為主，主要依靠國家海洋局的若干觀測站、固定浮標以及少量ARGO浮標，以及近年來建立的海底觀測網(wǎng)，缺少海上固定式長期海洋綜合觀測平臺，無法滿足海洋科學研究長期、連續(xù)、實時、多學科同步的綜合性觀測要求。而美國有基于NOAA的90個浮標、60多個海岸自動觀測網(wǎng)以及多源衛(wèi)星構(gòu)成的海洋動力環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)。

2）時空覆蓋范圍與監(jiān)測尺度遠遠不夠

我國有一系列關(guān)系國計民生和國防安全的海洋問題亟待研究與解決，但是由于缺少水下觀測節(jié)點，加之國外遙感衛(wèi)星資料來源十分有限，因此對第二島鏈附近相關(guān)海域、臺灣周邊、南海及重要出海通道的監(jiān)測能力十分薄弱；缺少水下自主浮動節(jié)點，只能觀測點、面或某一層次的海洋環(huán)境要素，立體探測能力幾乎是空白，缺乏重要海域的長期斷面觀測數(shù)據(jù)；和海軍活動、水下資源開發(fā)密切相關(guān)的深、遠海立體監(jiān)、探測技術(shù)尚處于空白階段，無法滿足我海軍走向大洋，成為藍水海軍的需求。未來需要在以下幾個方面應加大投入力度：

1）大力發(fā)展基于衛(wèi)星的全球海洋環(huán)境探測體系，同時發(fā)展基于無人機的區(qū)域海洋環(huán)境機動探測系統(tǒng)，兩者相輔相成，優(yōu)勢互補。

2）建立高密度立體觀測網(wǎng)絡(luò)，從總體上看，國際海洋觀測的目標是建立全球聯(lián)網(wǎng)的立體觀測系統(tǒng)，已發(fā)展起包括衛(wèi)星遙感、浮標陣列、海洋觀測站、水下剖面、海底有纜網(wǎng)絡(luò)和科學考察船的全球化觀測網(wǎng)絡(luò)。因此要有針對性地在關(guān)鍵海區(qū)建立多參數(shù)長期、立體、實時監(jiān)測網(wǎng)，有效、連續(xù)地獲取和傳遞海洋長時間序列綜合參數(shù)。要加大重要現(xiàn)象與過程機理的強化觀測力度，綜合運用各種先進的傳感器和觀測儀器，如將聲學、遙感等手段更多地運用于海洋觀測，使得點、線、面結(jié)合更為緊密，對區(qū)域進行有效監(jiān)控。

3）發(fā)揮各行業(yè)優(yōu)勢提升科技創(chuàng)新水平，由于海洋監(jiān)測技術(shù)涉及的學科繁多，且一個單位或一個團體又不可能在海洋監(jiān)測技術(shù)各學科都處于領(lǐng)先地位，因此就必須先梳理海洋觀測技術(shù)核心技術(shù)，緊跟該領(lǐng)域世界發(fā)展潮流[9～11]，提出一批極具核心競爭力的關(guān)鍵技術(shù)，在全國范圍內(nèi)廣泛尋找有實力的研究隊伍，通過一定的組織形式，將海洋科研院所、高校和軍工單位、地方企業(yè)有序的聯(lián)合起來，充分發(fā)掘海洋監(jiān)測技術(shù)與其它行業(yè)的共性技術(shù)，相互借鑒，取長補短，構(gòu)建一支高效穩(wěn)定的海洋觀測技術(shù)科研團隊和人才梯隊以不斷提升海洋觀測的竟爭力。 2100433B

隨著航天和航空遙感技術(shù)的發(fā)展，航天和航空遙感技術(shù)逐漸應用于海洋探測，形成天基海洋環(huán)境遙感。天基海洋遙感具有觀測范圍廣、重復周期短、時空分辨率高等特點，可以在較短時間內(nèi)對全球海洋成像，可以觀測船舶不易到達的海域，可以觀測普通方法不易測量或不可觀測的參量，成為繼地面和海面觀測的第二大海洋觀探測平臺，也成為發(fā)達國家竭力爭奪的海洋高科技之一。近年來，美國、歐洲、日本等航天大國相繼制定了相應的海洋發(fā)展規(guī)劃。

海洋觀測技術(shù)衛(wèi)星遙感觀測

國外已經(jīng)陸續(xù)發(fā)射了多顆海洋水色衛(wèi)星、海洋地形衛(wèi)星和海洋動力環(huán)境衛(wèi)星。

1）SeaStar衛(wèi)星

1997年8月，美國發(fā)射了SeaStar海洋水色衛(wèi)星。星上裝載有第二代海洋水色傳感器，共有8個通道，前6個通道位于可見光范圍，7、8通道位于近紅外，中心波長分別為765nm和865nm；地面分辨率為1．1km，該衛(wèi)星現(xiàn)仍在運行。

2）EOS衛(wèi)星系列

EOS系列中的EOS－AM衛(wèi)星主要用于陸地和大氣觀測、物理和化學、氣候環(huán)境調(diào)查。第一顆EOS－AM衛(wèi)星Terra于1999年12月18日發(fā)射。EOS－AM1衛(wèi)星裝載五個主要儀器：中分辨率成像光譜儀（MODIS－N）、先進星載熱發(fā)射和反射輻射器（ASTER）、多角度成像光譜儀（MI－SR）、云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）和對流層污染儀（MOPITT）。EOS－PM衛(wèi)星共計三顆，第一顆EOS－PM衛(wèi)星Aqua于2002年5月4日發(fā)射；EOS－PM2衛(wèi)星Aura于2004年7月15發(fā)射；EOS－PM3于2010年12月發(fā)射。

EOS－PM衛(wèi)星裝載的儀器有：先進的微波探測器（AMSU）、微波濕度探測器（MHS）、云和地球輻射能量系統(tǒng)（CERES）、中分辨率成像光譜儀（MODIS－N）、大氣紅外探測器（AIRS）、多通道微波成像輻射器（MIMR）。

3）Geosat衛(wèi)星

1985年3月，美國海軍發(fā)射了Geosat大地測量衛(wèi)星，也是一顆海洋地形衛(wèi)星，星上裝載的唯一傳感器是一部Ku波段（13．5GHz）的雷達高度計。該衛(wèi)星以軍用為主，用于測量海洋表面有效波高，研究地球重力場、海潮和海面地形等，鑒于衛(wèi)星軌道誤差大（50cm）和數(shù)據(jù)保密等原因，沒有得到廣泛應用。1998年2月，美國海軍又發(fā)射了Geosat的后繼衛(wèi)星GFO－1，運行至今。

海洋觀測技術(shù)航空海洋觀測

航空海洋探測采用固定翼飛機和無人機為傳感器載體，具有機動靈活、探測項目多、接近海面、分辨率高、不受軌道限制、易于海空配合而且投資少等特點，是海洋環(huán)境監(jiān)測的重要遙感平臺，通過搭載的微波和光學遙測設(shè)備，能夠?qū)崟r獲取大氣海洋環(huán)境資料。在軍事上，由于無人機可有效減少人員傷亡，得到了廣泛應用。典型代表有美國的“全球鷹”、“捕食者”，澳大利亞的Aerosonde等無人機。

海洋觀測技術(shù)海洋測量船

海洋測量船也叫海洋調(diào)查船，是一種能夠完成海洋環(huán)境要素探測、海洋各學科調(diào)查和特定海洋參數(shù)測量的艦船，西方早在19世紀后半葉就認識到海洋測量船的作用并開始改裝使用測量船。隨著社會的進步、科技的發(fā)展和軍事的需求，海洋測量已從單一的水深測量拓展到海底地形、海底地貌、海洋氣象、海洋水文、地球物理特性、航天遙感和極地參數(shù)測量，海洋測量船的作用日益突出。

美國擁有的海洋測量船型號多、技術(shù)新。1989～1994年短期內(nèi)裝備了6艘現(xiàn)代化測量船（USNS系列）之后，又迅速在兩年時間內(nèi)建造了6艘更先進的5000噸級中遠海測量船，每艘船上都裝備了淺?；芈暅y深儀、深?；芈暅y深儀、海底淺層剖面儀、淺海多波束系統(tǒng)、深海多波束系統(tǒng)、多普勒聲學測流儀、側(cè)掃聲吶、全球定位系統(tǒng)、遙控潛水器、重力儀、磁力儀等20多種海洋測量設(shè)備和多個測量工作站，可以詳盡準確地探測海底地形、海底地貌、海底淺層剖面、海底表層地質(zhì)等多種要素，在一些中型以上的測量船上還配置有海洋生物和海洋特性等專項調(diào)查設(shè)備。長期在我國南?；顒拥摹盁o暇”號是美國海洋測量船的典型代表，其中配有約20名水手，10名技術(shù)人員和20名海軍人員，裝備有大型拖曳陣聲納，可以有效探測和跟蹤安靜型艦艇，此外，美國海軍在航空母艦上也裝有先進的測量設(shè)備。

俄羅斯的海洋測量船較多，幾乎每兩三年就造一艘，噸位也比較大，俄羅斯大型測量船常年保持全球海域活動，海洋作業(yè)項目是綜合性的，主要有海洋測量、救生、地質(zhì)、氣象、水文，生物和化學等方面，搭載的測量設(shè)備數(shù)量多，但指標和功能一般，不如美、日等國先進。

日本海上自衛(wèi)隊和海上保安廳管轄有20多艘各類測量船，包括“二見”級、“明石”級和“明洋”級等系列，數(shù)量位居世界前列，部分由軍方管理，部分由地方部門管理。其中“明洋”號裝有海底地形測繪系統(tǒng)，通過高頻聲吶進行海底地形測繪與海底地質(zhì)探測，配合傳感器以及聲速儀等測量裝備，可快速測量深度與大面積海底地形，建立三維空間海底圖像，艦上還配備先進的磁力探測儀，通過水下磁力的對比，就能立刻分辨因潛艇水下活動造成的磁力異常，達到探測敵方潛艇的目的。日本測量船裝備的測量設(shè)備都很先進，更新速度很快。日本測量船近來頻頻在周邊國家近海出沒，主要是探測這些地區(qū)海流等情報，這些情報可用作諸如潛艇巡航所需要的水文數(shù)據(jù)。此外，日本借助測量船成果已出版了1：20萬和1：50萬的大陸架海底地形圖。日本無論是在測量船隊的數(shù)量上，還是在最新的測量技術(shù)上，都努力保持海洋大國的地位。

海洋觀測技術(shù)浮標

浮標監(jiān)測分布面廣、測量周期長，已經(jīng)成為海洋和水文監(jiān)測的主要手段。浮標集計算機、通信、能源、傳感器測量等技術(shù)于一身，成為科技含量較高的科技綜合體。

法國研制出帶溶解氧式傳感器的新型浮標Provor　CT。該浮標由“法國海洋開發(fā)研究所”（IFREMER）與MARTEC集團合作研制，以滿足ARGO國際研究計劃的需要。最大深度可達2000m，可以預設(shè)漂浮深度和時間。浮標通過預先設(shè)定的程序，提供所處海洋環(huán)境的有關(guān)狀況，收集有關(guān)含鹽量、溫度和壓力的參數(shù)。浮標浮出水面之后，通過AR－GOS衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳出。浮標潛入水中的周期為十天。可以從一艘船上采用一般施放浮標的拋出器向海洋中施放，也可以采用專用的投放箱進行施放。

挪威在歐共體尤里卡海洋計劃支持下，研制和開發(fā)的SEAWATCH系統(tǒng)主要用于小區(qū)域的生態(tài)環(huán)境監(jiān)測和預報，配有相應的應用軟件，其中使用的TOBIS浮標，帶有多種適于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的傳感器和儀器。

海洋觀測技術(shù)剖面探測漂流浮標

該項技術(shù)是上世紀90年代初的重大成果，它的出現(xiàn)催生了國際“阿爾戈”（ARGO）計劃，解決了全球次表層溫鹽同步觀測的難題。美國、法國相繼研制了幾種剖面浮標，最大設(shè)計深度2000m，設(shè)計工作壽命4～5年。

“阿爾戈”浮標指用于建立全球海洋觀測網(wǎng)的一種專用測量設(shè)備。Argo是英文“Array　for　Real－time　GeostrophicOceanography”的縮寫，其中文含義為“地轉(zhuǎn)海洋學實時觀測陣”。它可以在海洋中自由漂移，自動測量海面到2000m水深之間的海水溫度、鹽度和深度，并可跟蹤它的漂移軌跡，獲取海水的移動速度和方向。ARGO全球海洋實時觀測網(wǎng)是1998年，由美國、法國和日本等國家大氣、海洋科學家推出的一個大型海洋觀測計劃，設(shè)想在全球大洋中每隔300km布放一個由衛(wèi)星跟蹤的剖面漂流浮標（即ARGO剖面浮標），總計為3000個，組成一個龐大的ARGO全球海洋實時觀測網(wǎng)，以便快速、準確、大范圍地收集全球海洋0～2000m上層的海水溫度和鹽度剖面資料，有助于更細致地了解大尺度實時海洋的變化，提高氣候和海洋預報的精度，有效防御全球日益嚴重的氣候和海洋災害（如颶風、臺風、龍卷風、冰暴、洪水和干旱，以及風暴潮、赤潮等）給人類造成的威脅。

中國Argo計劃自2002年初組織實施以來，已經(jīng)在太平洋、印度洋等海域投放了155個Argo剖面浮標，有78個浮標仍在海上正常工作。