氣象水文海洋觀測(cè)技術(shù)與儀器發(fā)展報(bào)告目錄

氣象篇

第1章 概述…(1)

第2章 氣象觀測(cè)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(shì)…（206）

參考文獻(xiàn)…（213）

附錄1 氣象儀器計(jì)量檢定規(guī)程一覽表…（216）

附錄2 有關(guān)國(guó)家計(jì)量技術(shù)規(guī)范一覽表…（218）

附錄3 氣象國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)一覽表…（219）

附錄4 氣象行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)一覽表…（221）

水文篇

第1章 概述…（1）

第2章 水文監(jiān)測(cè)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(cè)技術(shù)與儀器發(fā)展趨勢(shì)...（139）

參考文獻(xiàn)...（146)

附錄A 水文儀器系列型譜...（147）

附錄B 水文標(biāo)準(zhǔn)體系表...（152）

海洋篇

第1章 概述...(1)

第2章 海洋觀/監(jiān)測(cè)技術(shù)...（25）

第3章 海洋觀測(cè)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(shì)和建設(shè)...（151)

參考文獻(xiàn)...（156） 2100433B

海洋監(jiān)測(cè)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(lái)的，涉及機(jī)械、電子、能源、材料、信息等多學(xué)科交叉，涵蓋十分廣泛的綜合性技術(shù)領(lǐng)域，本報(bào)告中的海洋監(jiān)測(cè)儀器及技術(shù)是指針對(duì)海洋環(huán)境監(jiān)、觀、勘測(cè)的儀器及技術(shù)，包括了海洋氣象、水文、生態(tài)化學(xué)、海洋聲光物理特性及海洋地質(zhì)地理勘探類的監(jiān)測(cè)儀器和技術(shù)。當(dāng)前，海洋監(jiān)測(cè)儀器和技術(shù)發(fā)展的重要方向是，智能化、高適應(yīng)性、高可靠性和穩(wěn)定性等，能夠適應(yīng)大洋狂風(fēng)、巨浪等惡劣災(zāi)害環(huán)境和海底高壓、低溫、黑暗等極端環(huán)境，達(dá)到滿足人類大尺度研究和開(kāi)發(fā)利用海洋等各項(xiàng)需求的能力。本報(bào)告對(duì)我國(guó)海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器及技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)行綜述，通過(guò)國(guó)內(nèi)外本專業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)狀分析總結(jié)，對(duì)未來(lái)10年本領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行預(yù)計(jì)，以供本專業(yè)領(lǐng)域的科研、應(yīng)用及管理人員參考。

經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展我國(guó)已建成了包括海洋站、浮標(biāo)、調(diào)查觀測(cè)船、海監(jiān)飛機(jī)，以及利用國(guó)外遙感衛(wèi)星資料的海洋環(huán)境初級(jí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，但是和國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比還存在著以下兩個(gè)方面的不足：

1）起步晚，能力弱

我國(guó)的海洋科學(xué)研究起步較晚，海洋觀測(cè)能力建設(shè)與國(guó)際發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大，觀測(cè)內(nèi)容少，精度低，無(wú)法滿足現(xiàn)代海洋軍事活動(dòng)的需要。觀測(cè)僅以岸基站常規(guī)監(jiān)測(cè)為主，主要依靠國(guó)家海洋局的若干觀測(cè)站、固定浮標(biāo)以及少量ARGO浮標(biāo)，以及近年來(lái)建立的海底觀測(cè)網(wǎng)，缺少海上固定式長(zhǎng)期海洋綜合觀測(cè)平臺(tái)，無(wú)法滿足海洋科學(xué)研究長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)、多學(xué)科同步的綜合性觀測(cè)要求。而美國(guó)有基于NOAA的90個(gè)浮標(biāo)、60多個(gè)海岸自動(dòng)觀測(cè)網(wǎng)以及多源衛(wèi)星構(gòu)成的海洋動(dòng)力環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)。

2）時(shí)空覆蓋范圍與監(jiān)測(cè)尺度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠

我國(guó)有一系列關(guān)系國(guó)計(jì)民生和國(guó)防安全的海洋問(wèn)題亟待研究與解決，但是由于缺少水下觀測(cè)節(jié)點(diǎn)，加之國(guó)外遙感衛(wèi)星資料來(lái)源十分有限，因此對(duì)第二島鏈附近相關(guān)海域、臺(tái)灣周邊、南海及重要出海通道的監(jiān)測(cè)能力十分薄弱；缺少水下自主浮動(dòng)節(jié)點(diǎn)，只能觀測(cè)點(diǎn)、面或某一層次的海洋環(huán)境要素，立體探測(cè)能力幾乎是空白，缺乏重要海域的長(zhǎng)期斷面觀測(cè)數(shù)據(jù)；和海軍活動(dòng)、水下資源開(kāi)發(fā)密切相關(guān)的深、遠(yuǎn)海立體監(jiān)、探測(cè)技術(shù)尚處于空白階段，無(wú)法滿足我海軍走向大洋，成為藍(lán)水海軍的需求。未來(lái)需要在以下幾個(gè)方面應(yīng)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(cè)體系，同時(shí)發(fā)展基于無(wú)人機(jī)的區(qū)域海洋環(huán)境機(jī)動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，兩者相輔相成，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)。

2）建立高密度立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，從總體上看，國(guó)際海洋觀測(cè)的目標(biāo)是建立全球聯(lián)網(wǎng)的立體觀測(cè)系統(tǒng)，已發(fā)展起包括衛(wèi)星遙感、浮標(biāo)陣列、海洋觀測(cè)站、水下剖面、海底有纜網(wǎng)絡(luò)和科學(xué)考察船的全球化觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。因此要有針對(duì)性地在關(guān)鍵海區(qū)建立多參數(shù)長(zhǎng)期、立體、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，有效、連續(xù)地獲取和傳遞海洋長(zhǎng)時(shí)間序列綜合參數(shù)。要加大重要現(xiàn)象與過(guò)程機(jī)理的強(qiáng)化觀測(cè)力度，綜合運(yùn)用各種先進(jìn)的傳感器和觀測(cè)儀器，如將聲學(xué)、遙感等手段更多地運(yùn)用于海洋觀測(cè)，使得點(diǎn)、線、面結(jié)合更為緊密，對(duì)區(qū)域進(jìn)行有效監(jiān)控。

3）發(fā)揮各行業(yè)優(yōu)勢(shì)提升科技創(chuàng)新水平，由于海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)涉及的學(xué)科繁多，且一個(gè)單位或一個(gè)團(tuán)體又不可能在海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)各學(xué)科都處于領(lǐng)先地位，因此就必須先梳理海洋觀測(cè)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(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵技術(shù)，在全國(guó)范圍內(nèi)廣泛尋找有實(shí)力的研究隊(duì)伍，通過(guò)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(lái)，充分發(fā)掘海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)與其它行業(yè)的共性技術(shù)，相互借鑒，取長(zhǎng)補(bǔ)短，構(gòu)建一支高效穩(wěn)定的海洋觀測(cè)技術(shù)科研團(tuán)隊(duì)和人才梯隊(duì)以不斷提升海洋觀測(cè)的竟?fàn)幜Α?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(yīng)用于海洋探測(cè)，形成天基海洋環(huán)境遙感。天基海洋遙感具有觀測(cè)范圍廣、重復(fù)周期短、時(shí)空分辨率高等特點(diǎn)，可以在較短時(shí)間內(nèi)對(duì)全球海洋成像，可以觀測(cè)船舶不易到達(dá)的海域，可以觀測(cè)普通方法不易測(cè)量或不可觀測(cè)的參量，成為繼地面和海面觀測(cè)的第二大海洋觀探測(cè)平臺(tái)，也成為發(fā)達(dá)國(guó)家竭力爭(zhēng)奪的海洋高科技之一。近年來(lái)，美國(guó)、歐洲、日本等航天大國(guó)相繼制定了相應(yīng)的海洋發(fā)展規(guī)劃。

海洋觀測(cè)技術(shù)衛(wèi)星遙感觀測(cè)

國(guó)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(dòng)力環(huán)境衛(wèi)星。

1）SeaStar衛(wèi)星

1997年8月，美國(guó)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(gè)通道，前6個(gè)通道位于可見(jiàn)光范圍，7、8通道位于近紅外，中心波長(zhǎng)分別為765nm和865nm；地面分辨率為1．1km，該衛(wèi)星現(xiàn)仍在運(yùn)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(cè)、物理和化學(xué)、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(gè)主要儀器：中分辨率成像光譜儀（MODIS－N）、先進(jìn)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(duì)流層污染儀（MOPITT）。EOS－PM衛(wèi)星共計(jì)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(jìn)的微波探測(cè)器（AMSU）、微波濕度探測(cè)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(cè)器（AIRS）、多通道微波成像輻射器（MIMR）。

3）Geosat衛(wèi)星

1985年3月，美國(guó)海軍發(fā)射了Geosat大地測(cè)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(dá)高度計(jì)。該衛(wèi)星以軍用為主，用于測(cè)量海洋表面有效波高，研究地球重力場(chǎng)、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(méi)有得到廣泛應(yīng)用。1998年2月，美國(guó)海軍又發(fā)射了Geosat的后繼衛(wèi)星GFO－1，運(yùn)行至今。

海洋觀測(cè)技術(shù)航空海洋觀測(cè)

航空海洋探測(cè)采用固定翼飛機(jī)和無(wú)人機(jī)為傳感器載體，具有機(jī)動(dòng)靈活、探測(cè)項(xiàng)目多、接近海面、分辨率高、不受軌道限制、易于?？张浜隙彝顿Y少等特點(diǎn)，是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要遙感平臺(tái)，通過(guò)搭載的微波和光學(xué)遙測(cè)設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)獲取大氣海洋環(huán)境資料。在軍事上，由于無(wú)人機(jī)可有效減少人員傷亡，得到了廣泛應(yīng)用。典型代表有美國(guó)的“全球鷹”、“捕食者”，澳大利亞的Aerosonde等無(wú)人機(jī)。

海洋觀測(cè)技術(shù)海洋測(cè)量船

海洋測(cè)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(cè)、海洋各學(xué)科調(diào)查和特定海洋參數(shù)測(cè)量的艦船，西方早在19世紀(jì)后半葉就認(rèn)識(shí)到海洋測(cè)量船的作用并開(kāi)始改裝使用測(cè)量船。隨著社會(huì)的進(jìn)步、科技的發(fā)展和軍事的需求，海洋測(cè)量已從單一的水深測(cè)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(cè)量，海洋測(cè)量船的作用日益突出。

美國(guó)擁有的海洋測(cè)量船型號(hào)多、技術(shù)新。1989～1994年短期內(nèi)裝備了6艘現(xiàn)代化測(cè)量船（USNS系列）之后，又迅速在兩年時(shí)間內(nèi)建造了6艘更先進(jìn)的5000噸級(jí)中遠(yuǎn)海測(cè)量船，每艘船上都裝備了淺?；芈暅y(cè)深儀、深?；芈暅y(cè)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(xué)測(cè)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(cè)量設(shè)備和多個(gè)測(cè)量工作站，可以詳盡準(zhǔn)確地探測(cè)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(cè)量船上還配置有海洋生物和海洋特性等專項(xiàng)調(diào)查設(shè)備。長(zhǎng)期在我國(guó)南?；顒?dòng)的“無(wú)暇”號(hào)是美國(guó)海洋測(cè)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(cè)和跟蹤安靜型艦艇，此外，美國(guó)海軍在航空母艦上也裝有先進(jìn)的測(cè)量設(shè)備。

俄羅斯的海洋測(cè)量船較多，幾乎每?jī)扇昃驮煲凰?，噸位也比較大，俄羅斯大型測(cè)量船常年保持全球海域活動(dòng)，海洋作業(yè)項(xiàng)目是綜合性的，主要有海洋測(cè)量、救生、地質(zhì)、氣象、水文，生物和化學(xué)等方面，搭載的測(cè)量設(shè)備數(shù)量多，但指標(biāo)和功能一般，不如美、日等國(guó)先進(jìn)。

日本海上自衛(wèi)隊(duì)和海上保安廳管轄有20多艘各類測(cè)量船，包括“二見(jiàn)”級(jí)、“明石”級(jí)和“明洋”級(jí)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(hào)裝有海底地形測(cè)繪系統(tǒng)，通過(guò)高頻聲吶進(jìn)行海底地形測(cè)繪與海底地質(zhì)探測(cè)，配合傳感器以及聲速儀等測(cè)量裝備，可快速測(cè)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(jìn)的磁力探測(cè)儀，通過(guò)水下磁力的對(duì)比，就能立刻分辨因潛艇水下活動(dòng)造成的磁力異常，達(dá)到探測(cè)敵方潛艇的目的。日本測(cè)量船裝備的測(cè)量設(shè)備都很先進(jìn)，更新速度很快。日本測(cè)量船近來(lái)頻頻在周邊國(guó)家近海出沒(méi)，主要是探測(cè)這些地區(qū)海流等情報(bào)，這些情報(bào)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(cè)量船成果已出版了1：20萬(wàn)和1：50萬(wàn)的大陸架海底地形圖。日本無(wú)論是在測(cè)量船隊(duì)的數(shù)量上，還是在最新的測(cè)量技術(shù)上，都努力保持海洋大國(guó)的地位。

海洋觀測(cè)技術(shù)浮標(biāo)

浮標(biāo)監(jiān)測(cè)分布面廣、測(cè)量周期長(zhǎng)，已經(jīng)成為海洋和水文監(jiān)測(cè)的主要手段。浮標(biāo)集計(jì)算機(jī)、通信、能源、傳感器測(cè)量等技術(shù)于一身，成為科技含量較高的科技綜合體。

法國(guó)研制出帶溶解氧式傳感器的新型浮標(biāo)Provor　CT。該浮標(biāo)由“法國(guó)海洋開(kāi)發(fā)研究所”（IFREMER）與MARTEC集團(tuán)合作研制，以滿足ARGO國(guó)際研究計(jì)劃的需要。最大深度可達(dá)2000m，可以預(yù)設(shè)漂浮深度和時(shí)間。浮標(biāo)通過(guò)預(yù)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(biāo)浮出水面之后，通過(guò)AR－GOS衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳出。浮標(biāo)潛入水中的周期為十天?？梢詮囊凰掖喜捎靡话闶┓鸥?biāo)的拋出器向海洋中施放，也可以采用專用的投放箱進(jìn)行施放。

挪威在歐共體尤里卡海洋計(jì)劃支持下，研制和開(kāi)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(cè)和預(yù)報(bào)，配有相應(yīng)的應(yīng)用軟件，其中使用的TOBIS浮標(biāo)，帶有多種適于生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)的傳感器和儀器。

海洋觀測(cè)技術(shù)剖面探測(cè)漂流浮標(biāo)

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

“阿爾戈”浮標(biāo)指用于建立全球海洋觀測(cè)網(wǎng)的一種專用測(cè)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(xué)實(shí)時(shí)觀測(cè)陣”。它可以在海洋中自由漂移，自動(dòng)測(cè)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(dòng)速度和方向。ARGO全球海洋實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)是1998年，由美國(guó)、法國(guó)和日本等國(guó)家大氣、海洋科學(xué)家推出的一個(gè)大型海洋觀測(cè)計(jì)劃，設(shè)想在全球大洋中每隔300km布放一個(gè)由衛(wèi)星跟蹤的剖面漂流浮標(biāo)（即ARGO剖面浮標(biāo)），總計(jì)為3000個(gè)，組成一個(gè)龐大的ARGO全球海洋實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)，以便快速、準(zhǔn)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(xì)致地了解大尺度實(shí)時(shí)海洋的變化，提高氣候和海洋預(yù)報(bào)的精度，有效防御全球日益嚴(yán)重的氣候和海洋災(zāi)害（如颶風(fēng)、臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、冰暴、洪水和干旱，以及風(fēng)暴潮、赤潮等）給人類造成的威脅。

中國(guó)Argo計(jì)劃自2002年初組織實(shí)施以來(lái)，已經(jīng)在太平洋、印度洋等海域投放了155個(gè)Argo剖面浮標(biāo)，有78個(gè)浮標(biāo)仍在海上正常工作。