劉長華, 王春曉, 賈思洋, 楊青軍

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基于10米浮標載體的錨鏈式剖面觀測系統(tǒng)實踐之一——自容式采集方式

劉長華, 王春曉, 賈思洋, 楊青軍

(中國科學院海洋研究所, 山東青島 266071)

為了對我國近海海域進行剖面觀測, 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)絡東海站10 m浮標系統(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個水層; 通過結(jié)合浮標獲取的表層溫度數(shù)據(jù)與3個水層的對比分析表明, 錨鏈式剖面觀測方案在實用性和可推廣性方面具有顯著優(yōu)勢, 是基于海面浮標載體進行剖面觀測的有益嘗試, 可在我國構(gòu)建的海洋浮標觀測網(wǎng)絡上進行廣泛應用, 將為我國近海海洋科學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研究取得突破性進展提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

剖面觀測; 錨鏈式; 近海觀測研究網(wǎng)絡

海洋科學是一門源于觀測的科學, 觀測技術(shù)是促進海洋科學逐漸走向成熟的關(guān)鍵因素之一, 目前我國基于錨泊式觀測浮標的定點觀測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展較為成熟, 錨泊式觀測浮標是海洋環(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、全天時穩(wěn)定可靠, 持續(xù)觀測、自動采集和發(fā)送的特點[1]。但是錨泊式觀測浮標觀測采集的數(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, 而目前海洋科學研究的趨勢和關(guān)注重點正逐漸向海面以下的剖面全水層延伸和拓展[2]。

在實際的海洋觀測中, 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體, 進行各類海洋數(shù)據(jù)的觀測和采集, 海底則依靠海床基進行相關(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構(gòu)和科學家做了許多開創(chuàng)性的工作, 在觀測方法的設計思路上提供了很好的借鑒, 同時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的系留錨系的自動垂直剖面觀測裝置, 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“海洋科學與技術(shù)”計劃支持的錨系剖面器YOYO則于1999年9月用15 d時間, 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取得了極其寶貴的觀測資料[7]。我國自行設計的波浪驅(qū)動式垂直剖面測量系統(tǒng)采用“爬升式”觀測數(shù)據(jù)采集, 在設計思路上處于國際前沿[8], 但是在具體應用中限于我國近海漁業(yè)的捕撈現(xiàn)狀, 極易遭受破壞, 在應用上受到各種安全因素的限制, 很難廣泛應用。

以海面浮標為載體, 借助浮標錨鏈, 可以有效開展水體中剖面數(shù)據(jù)的觀測, 主要原因有兩個方面, 一是海面浮標可以作為標志物, 起到安全保護作用, 二是錨鏈從水面浮標底部一直到海底, 可以進行全水層水體觀測, 結(jié)合海面浮標的觀測數(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。

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

1 錨鏈式剖面觀測方案設計

實驗所依托的海面載體為直徑10 m的鋼制浮標, 是由山東省科學院海洋儀器儀表研究所研制, 該類型浮標在我國近海海域得到廣泛應用, 浮標系統(tǒng)主要包括浮標體、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)、安全報警系統(tǒng)和陸基數(shù)據(jù)接收系統(tǒng)等9個部分, 觀測系統(tǒng)可以通過搭載不同類型的傳感器實現(xiàn)對布放海域表面的氣象、水文和水質(zhì)等參數(shù)進行長期、連續(xù)、自動、實時地觀測, 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)實時地發(fā)送到岸基數(shù)據(jù)接收處理系統(tǒng)[9]。該浮標系統(tǒng)因體積大、堅固, 而且具備實時通訊功能, 所以在具體的海上定點觀測應用中, 具有較強的抗破壞性和穩(wěn)定性。

根據(jù)10 m浮標觀測載體顯著的優(yōu)勢, 將自容式傳感器掛載于浮標系統(tǒng)的錨鏈上, 進行不同深度水層的長期連續(xù)觀測, 可有效降低設備的丟失率, 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“錨鏈式剖面觀測”, 錨鏈式剖面觀測的方案設計中重點考慮了傳感器(組)的選擇、觀測剖面深度和層位設計3個方面。

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, 錨鏈式剖面觀測的參數(shù)需要和浮標體上已經(jīng)進行的觀測數(shù)據(jù)有較好的匹配性, 浮標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, 錨鏈式剖面觀測同樣選擇溫度、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, 在實際的設計中, 因為錨鏈隨海面浮標上下起伏和浮標隨浪流往復移動的原因, 一般在每個觀測層位配備深度傳感器, 以進行觀測深度的校準。

其次考慮到錨鏈式剖面觀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備丟失, 重則對潛水員造成生命危險; 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, 長時間將會破壞錨鏈自身的結(jié)構(gòu), 進而影響浮標的錨系牢固性。

最終為獲取多項參數(shù), 采用多傳感器搭配形成傳感器組, 集中放在一個易于在錨鏈上固定和卸載的籠型體內(nèi), 進行長期連續(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行全水層的觀測, 但實際觀測深度根據(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。東海海礁浮標位置的實際水深為60 m, 依托當?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置在30 m水深位置。因此, 在這個水深位置, 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 觀測剖面布設層位

在觀測層位設計方面, 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2~3套傳感器。其次是根據(jù)不同的科學需求進行觀測層位的常規(guī)布設或加密布設。

在綜合考慮上述諸多因素的前提下, 實驗方案設計為: 選擇設計水層為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個小型自容傳感器, 將這4個傳感器固定于一個預先設計好的籠子里, 在水下作業(yè)時, 潛水員可迅速、便捷的將籠子固定于錨鏈上, 進行剖面參數(shù)觀測, 圖2所示的是設計的整體方案(垂直剖面系統(tǒng))示意圖和根據(jù)設計觀測設備在水下實際布放情況和海上作業(yè)情況。

2 實際應用及效果

在東海直徑10 m鋼制浮標系統(tǒng)錨系上開展的3層水體錨鏈式剖面觀測實驗自2014年10月開始, 將12臺設備分為3組, 每組4臺設備, 分別固定于3個籠型框內(nèi), 設置一致的開始工作時間后, 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, 所以到一定時間周期需要更換電池, 同時將觀測數(shù)據(jù)下載, 為有效保障觀測設備的正常運行, 設定的每個采樣周期為30 d, 即設定的設備啟動開始工作時間計算, 30 d后回收設備, 進行數(shù)據(jù)采集, 更換電池, 同時對設備上的生物附著物進行清理, 以保障觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量。同時為消除觀測設備的偏移誤差, 3組設備運行2~3個周期后, 用相同類型的3組新傳感器進行替換, 主要是需要對相關(guān)參數(shù)進行校正。

錨鏈式剖面觀測實際實驗時間自2014年10月19日~2015年11月28日, 共8個周期, 總觀測時間為412 d, 獲取數(shù)據(jù)量518.2萬條(表1)。圖2展示了水下設備的在位狀態(tài)。

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

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

表1 東海站06號剖面浮標數(shù)據(jù)情況統(tǒng)計

4個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式剖面觀測系統(tǒng)實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)合水面浮標主體搭載的各類傳感器有效進行數(shù)據(jù)比對和校正, 進一步保障了觀測數(shù)據(jù)的有效性和數(shù)據(jù)應用的擴展性。

3 存在問題及展望

目前, 我國海洋科學觀測研究的范圍逐漸從“海面”轉(zhuǎn)向“水體”, 采用錨鏈式剖面觀測手段進行淺水體的觀測是一項有益的嘗試, 雖然該方案還存在不能實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸[10-12]、剖面深度受潛水深度限制、實施過程人員的安全、耗時、費力[8]等諸多方面的不足, 但是錨鏈式剖面觀測以海面浮標為載體, 借助浮標錨鏈, 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, 既兼顧觀測設備的安全保護, 又可實現(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系統(tǒng)規(guī)模大, 型號、種類全, 用于業(yè)務化運行和科學研究的監(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上百套[1]。如果采用錨鏈式剖面觀測手段進行全面部署和實施, 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, 將逐漸向遠洋、深海延伸, 這必將為海洋科學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研究取得突破性進展提供重要的數(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

中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項(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