最全海洋观测技术综述研究

海洋观测技术海洋观测，是一切海洋活动的开始，是透明海洋、智慧海洋和海洋信息化的重要基础。

海洋中从海面到海底，温度是如何分布的？长江口的近海海域的海底，溶解氧浓度有多高？印度洋的盐度和大西洋的盐度相比较，哪个更高？太平洋海底洋中脊周边生活着的虾类，它的生活规律是怎样的？这些问题的回答，就必须要通过海洋观测技术，获得海洋中的数据来解决。

提要：此文从定义开始介绍海洋观测技术，指出了海洋观测技术的重要意义，提出了海洋观测的数学表达。

同时进行了海洋观测技术的分类和不同观测技术的性能比较分析，并阐述了间接观测技术和直接观测技术的组成和应用领域。

最后通过实例，进一步说明了海洋观测技术的应用。

一、何为海洋观测技术海洋观测，是通过技术手段获取海洋或海底特定地区的时间序列数据。

海洋观测的任务有：1）观察未知海洋世界2）监测评估人为作业对海洋带来的影响3）观测海洋特定地区4）监控海洋，保护国家安全，等等海洋观测，是一切海洋活动的开始，是透明海洋、智慧海洋和海洋信息化的重要基础。

顾名思义，海洋观测技术，是获取海洋或海底特定地区的时间序列数据的技术。

海洋观测技术的实现，通常是利用传感器及其平台技术，或通过多次采样分析，对海洋环境各量在一段时间内的感知和认识，而针对的对象通常是动态变化的。

海洋观测的数学表达式为：Y(t) = F（X1，X2，X3，...，Xp，t）其中Y(t)是观测值，X1，X2，X3，...，Xp表示为各种测量对象的值，t为时间。

从数学表达式中可以看出，海洋观测得到的是一组时间序列数据，是随时间变化而变化的一组数据。

因此，观测的对象是时变的，是动态的。

当观测对象是不变的，譬如海底地质现象的观测，那么在这个式子中的时间t无意义了，这时，数学式子则变成：Y = F（X1，X2，X3，...，Xp）这式子表达的是海洋探测。

海洋探测是获得一组数据，与时间无关，故通常用于时不变对象的观测或者是资源探测、海底物体寻找等方面。

二、海洋观测技术分类海洋观测技术的分类，主要可从这样三个维度来考虑：一是观测形式；二是观测方法；三是观测区域。

重点是观测方法。

海洋观测形式有固定式和移动式两种，可称为定点式海洋观测技术和移动式海洋观测技术。

传感器挂在浮标上的观测、基于海底原位观测站的观测是定点观测，而利用水下滑翔机携带传感器遨游海上的，则属于移动观测。

按海洋观测方法的不同进行分类，可分为间接观测技术(indirect observing)与直接观测技术(direct observing)两种。

间接观测技术，通常是通过水面运载工具或潜水器，进行采样作业或离线观测作业，把样品或数据取回到实验室，再进行分析处理，获得观测结果。

直接观测技术，则直面对象，通过传感器件，加之信号传输通道，在线地实时获得海洋观测数据结果。

海底间接观测主要指采集海水、（微）生物和海底物质样品，并在实验室进行样品分析从而实现观测的一种手段。

这种手段通过样品的获得并进行对一些物理化学量的测量数据分析，获得目标结果。

具体实现方法如拖网、CTD、多管、箱式、抓斗、热流计、大洋钻探计划等。

图1是美国阿尔文（Alvin）载人深潜器在热液地区进行热液水体采样的照片。

图1 热液采样器在东太平洋隆起地区热液口进行采样作业有一些原位观测系统，把观测器放在海底观测对象附近，对观测对象进行不间断地观测与记录，同时把数据存放在自容式存贮器中。

间隔一段时间后取回实验室进行数据分析，获得过去一段时间内的观测结果。

这种方式尽管实时性较差，但非常实用且经济。

原位观测，英文称为in-situ observing，是特别强调海底某一具体位置上的观测，对海洋技术是一种很大的考验。

在海底放置海底观测器，进行长期观测，并将数据采入随之带入海底的数据采集系统。

系统回收后，在实验室中将数据导入计算机中再进行分析。

这样的方式，也可称为海底原位观测站，是间接观测技术的一种重要形式。

图2 所示是美国科学家对海底热液地区所实施的一项原位观测活动。

图2 东太平洋隆起洋脊地区的热液原位观测站海洋直接观测是把观测器直接放到观测对象的附近，研究人员在线实时获得观测数据。

如水下遥控潜水器把水下摄像机带到观测对象旁边，将视频图像信号通过潜水器的光纤直接传到海面，可实现人类对海底各种科学现象的直接观测。

建设海底观测网络，是把各种观测传感器连接在网络上，直接传到陆地，并通过internet传遍全球，帮助科学家实现对海底某一关注地区的长期、在线的直接观测。

海洋间接观测和海洋直接观测，最大的区别是在于有无用光电复合缆（有时只是具有通讯功能的缆绳）。

用缆就意味着海洋观测信号可以做直接获取，可以做到在线、实时的观测。

同时，如果是采用光电复合缆的话，还意味着电能的无限供给，也即观测时间的无限制，做到长期的观测。

从观测方法的要点、特征、基本组成单元和载体（或平台）技术四个方面对海洋间接观测和直接观测进行归纳，可用表1来清楚地表示。

表1 海洋间接观测和海洋直接观测之归纳另一个分类的维度，是根据观测的区域不同进行分类。

对海洋的观测，主要是对这样三个不同区域进行观测：海面、海水、海底。

也就是说，将海洋观测技术分为海面观测技术、海洋水体观测技术（或称海中观测技术）和海底观测技术。

对海面的观测，主要是开展海水与空气界面间关系的研究。

这方面的工作，除了对海洋进行观测之外，还涉及到海洋表面的大气部分，如海面气温、风向、风速的观测。

从技术手段上来看，可采用海洋遥感技术。

对海洋水体的观测内容十分丰富，在物理上可对涌、浪、潮、流、温度、浊度、盐度等量的观测与数据采集；在化学上和生物上可对海洋中的化学和生化量的观测，对二氧化碳、pH、DO（溶解氧）、营养盐、叶绿素、重金属、蛋白质等含量的观测与分析等。

对海底进行观测，是近几年来随着科学技术的不断发展和完善，特别是海洋技术的发展，涌现出来的“新生事物”。

对海底开展物理、化学和生物上的观测之外，还可对地形地貌进行观测，对海底某一现象进行观测，以及在地球物理方面进行观测，如地震波的观测等。

海底是地球上人类最不熟知的区域之一。

作为海洋组成的重要部分，海底观测历来是人类努力希望实现的一项工作。

由于技术上的困难，使得这项工作远远不能满足科学研究发展的需求。

除了要了解海底的海床构造、深度，更要了解海底的岩石与沉积物的物理化学组成等海底情况。

特别是随着海底矿藏（海洋石油）、深海热液、天然气水合物等现象的发现，海底观测的内容更加丰富，也更加迫切。

图3所示的是某一海底热液地区的生态系统，对这样的海底观测，就需要依托多方面的技术来开展。

图3海底热液地区的生态系统近年来，国内外的一些科学家们提出了海底海洋的概念。

认为在海床的底下，还有大量的水域。

在这些水域中，也发现了丰富的生命现象，故被誉为深部生物圈。

事实上，深海天然气水合物，也可以看作是海底海洋的另一种形式。

如上所述，海洋的观测又增加了一项新的内容——海底海洋的观测。

这方面的观测，需要对海底海洋的结构构造、岩石沉积物的物理化学组成以及海底海洋水体中的物理、化学及生化量的观测。

三、海洋观测技术分析通过采集样品，送到实验室进行分析，是十分传统而常用的手段。

这种方法一直在大学里教授，并广泛用于当前的海洋科学的研究当中。

由于出海采样耗时，且航次通常要持续一段时间，回到岸上再送到实验室分析获得数据，“间接”时间是比较长的，通常几天、几周甚至一年以上。

当然，实验室分析仪器部分能够带到船上，这样当天就可以得到数据，“间接”时间大大减少。

随着海洋技术的进步，直接或“准直接”获得数据的情况越来越多。

当然，不同的观测方法，“间接程度”有别。

例如采样或岸上实验室分析间接时间最长；水下滑翔机观测，间接时间可能数天；海洋卫星或有缆的海底观测网络可以在线获得实时的数据，也就是说是直接获得数据。

图4显示了不同观测方法的“实时性”对比。

图4 海洋观测实时性与成本不同的观测手段，观测涉及范围也是相去甚远。

譬如海洋卫星的观测范围很大，甚至可覆盖一个海区。

而一个海底原位观测站，其观测范围只有传感器能及的很小范围。

图5显示了不同观测技术的观测范围与成本的比较。

当然，从观测精度来讲，海底原位观测站的观测精度，一般来讲要比海卫星要高许多。

图5 海洋观测范围与成本四、海洋观测技术实例介绍最后，让我们通过几张图片，来介绍一下不同的海洋观测技术的组成和性能。

图6 海洋漂流浮标的工作流程图6显示了海洋漂流浮标的工作流程。

很多人都知道，世界各国共同实施了ARGO计划，在世界各大洋中布放了大量的漂流浮标，来开展对海洋的动力参数甚至生化参数的大范围观测。

截止2017年3月，世界各大洋中正在工作的漂流浮标共有3936个。

其中美国贡献量最大，布放了2210个浮标。

英法德日澳等国积极参与了这项计划，我国也积极参与并布放了117个浮标，并在国家海洋局第二海洋研究所（杭州）设立了ARGO数据处理中心。

从图6表示的漂流浮标工作流程中，我们可以看到，我们通常是8-10天之后通过卫星获得一批数据，随着浮标的漂流，我们可以获得一个海洋切面上的海洋动力参数，如确定深度下的温度、盐度甚至流速等等。

这些数据，很好地支撑了海洋科学研究，海洋大气预报等工作。

图7显示了一个海底原位观测站在海底热液地区工作的情景。

这个原位观测站是用来观测热液烟囱的温度变化的，由浙江大学设计制作。

这个系统用一个不锈钢圆锥筒，里面正交分布三层热电偶，并配套设计自容式信号采集系统和电池仓，我们给这个系统一个俗称——高温帽。

通过载人深潜器布放到2000多米的海底并搁置在热液口上端，15天之后再通过深潜器下潜回收高温帽，从而获得15天时间内的温度连续变化曲线。

可见这是一个典型的间接观测系统。

图7 高温帽在热液口附近观测作业图8是一个海底观测系统示意图。

海底观测系统通过布置海底光电缆，连接海底的观测系统与岸基站。

显而易见，这样的系统可以在线、实时地获得海底的实测数据。

海底观测系统的关键部件是布放在海底的接驳盒，它承担着连接海上海底的重任，进行着海底的电能接驳与分配，信号的上接下联。

海底观测站通常需要高压通电，光缆通信，布放时需要采用有缆无人遥控潜水器来操作，成本是非常高的。

维护起来也十分不便。

图8 海底观测系统采用无人自主式潜水器（AUV）搭载传感器进行观测，是一种传统的观测手段。

然而AUV自带电池，工作时间颇短，需要常常回收到船上进行充电（同时下载数据），然后再放回大海工作，效率甚低。

如果利用海底观测网络对AUV进行充电并下载数据，既可提高AUV 的工作效率，又可解决海底观测网络观测范围有限的矛盾。

因此，国内外科学家们正在致力于AUV+海底观测网络的观测系统研究。

图9显示了海底观测网络与AUV“搭桥”的工作原理图，这是浙江大学近年来完成的一项工作，通过在海底观测网络和AUV之间设置“DOCK”系统，解决AUV与海底观测网络的电能/信号连接问题。