王 寧, 程長闊, 楊鵬程, 李 燕, 司惠民, 任永琴

船載海洋生態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)研究與應用進展

王 寧, 程長闊, 楊鵬程, 李 燕, 司惠民, 任永琴

(國家海洋技術(shù)中心, 天津 300112)

船載海洋生態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)是海洋生態(tài)在線監(jiān)測的一種重要手段。本文介紹了船載在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成和功能, 系統(tǒng)全面地論述了國內(nèi)外船載在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究和應用現(xiàn)狀, 重點論述了典型應用案例歐洲FerryBox系統(tǒng)的發(fā)展歷程、監(jiān)測方式、成果應用以及運行管理體系等, 為中國船載海洋生態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)的研究和應用提供建設性意見。

船載; 海洋環(huán)境; 在線監(jiān)測; 生態(tài)監(jiān)測

在線監(jiān)測技術(shù)已在全球范圍內(nèi)多個海洋立體觀測體系中得應用[1-3], 所支持的技術(shù)包括衛(wèi)星遙感、浮標陣列、海洋觀測站、水下剖面、海底觀測網(wǎng)絡和科學考察船等, 提供實時或準實時的基礎信息和產(chǎn)品服務, 為海洋生態(tài)與環(huán)境研究、海洋資源開發(fā)利用和軍事海洋學研究等提供了資料[4-5]。

與浮標、固定站等定點在線監(jiān)測手段相比, 船載海洋生態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)(以下簡稱船載在線監(jiān)測系統(tǒng))機動性強、監(jiān)測范圍廣, 既可用于常規(guī)定期走航監(jiān)測, 獲取生態(tài)區(qū)和功能區(qū)的大范圍本底數(shù)據(jù); 又可臨時快速安裝到小型商業(yè)船和漁船上, 用于災害和突發(fā)事故的應急監(jiān)測, 能夠在海洋環(huán)境中動態(tài)地跟蹤監(jiān)測, 實現(xiàn)空間和時間上的高分辨率, 是在線監(jiān)測的重要手段之一。

利用機會船和志愿船開展海洋生態(tài)在線監(jiān)測的歷史由來已久, 20世紀30年代, Reid[6]等首次嘗試采用新研制的連續(xù)式浮游生物記錄儀安裝到拖船以及志愿船只上, 通過走航測量定期收集北海浮游動物和仔魚的分布。與此同時, 挪威人使用了游輪沿挪威海岸線定期自動采集鹽度和溫度數(shù)據(jù)。1993年芬蘭海洋研究所(FIMR now SYKE)在Alg@line項目支持下, 在波羅的海開始定期采用渡輪在線監(jiān)測藻類水華及營養(yǎng)鹽分布等[7]。隨著傳感器技術(shù)和集成通訊技術(shù)的發(fā)展, 船載在線監(jiān)測技術(shù)在國外廣泛用于業(yè)務化海洋觀測、監(jiān)測和科研應用等領域, 為環(huán)境監(jiān)測提供預警和評價數(shù)據(jù), 或為科學研究者提供建模所用數(shù)據(jù), 用于對生態(tài)系統(tǒng)和海洋學模型的驗證和測試。歐洲的FerryBox系統(tǒng)是船載在線監(jiān)測技術(shù)的典型應用案例, 世界上其他國家如澳大利亞、美國和加拿大等, 船載在線監(jiān)測技術(shù)也已經(jīng)得到廣泛應用, 中國在近年來也逐漸開展了相關技術(shù)的研究和應用, 但同國外仍存在一定的差距。

本文系統(tǒng)全面地介紹國內(nèi)外船載在線監(jiān)測系統(tǒng)的研究和應用現(xiàn)狀, 重點介紹了典型應用案例歐洲FerryBox系統(tǒng)的發(fā)展歷程、監(jiān)測方式、成果應用以及運行管理體系等, 為中國船載海洋生態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)的研究和應用提供建設性意見。

1 船載在線監(jiān)測系統(tǒng)組成及功能

船載在線監(jiān)測系統(tǒng)一般由采樣系統(tǒng)、采集傳輸系統(tǒng)、遠程數(shù)據(jù)管理軟件、清潔單元、傳感器/分析儀器、輔助系統(tǒng)等組成, 如圖1所示。在現(xiàn)場無人值守情況下, 系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)基于時間或地點(GPS)的水樣采集、分配、過濾、測量、實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸全程自動化, 并實現(xiàn)現(xiàn)場及遠程參數(shù)設置、工作狀態(tài)監(jiān)控、數(shù)據(jù)編輯分析、系統(tǒng)安全控制故障報警等功能。

2 國外船載監(jiān)測系統(tǒng)研究與應用現(xiàn)狀

2.1 歐洲船載監(jiān)測系統(tǒng)(FerryBox)

歐洲FerryBox系統(tǒng)是歐洲全球海洋觀測系統(tǒng)(european global ocean observing system, Euro-GOOS)7個觀測部分的其中之一[8], 該系統(tǒng)主要基于船載觀測平臺運行, 旨在促進歐洲海洋觀測基礎設施之間的科學協(xié)同和技術(shù)協(xié)作。FerryBox觀測系統(tǒng)向橫跨所有歐洲海洋區(qū)域的EuroGOOS提供歐洲海洋監(jiān)測數(shù)據(jù), 也是歐洲海洋觀測數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(european marine observation and data network, EMODnet)和哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測服務(copernicus marine service, CMEMS)監(jiān)測數(shù)據(jù)的重要來源[8-11]。

圖1 船載在線監(jiān)測系統(tǒng)的組成

2.1.1 FerryBox系統(tǒng)發(fā)展及應用情況

最初的FerryBox觀測系統(tǒng)是由歐盟資助(2002年—2005年)[9-10], 主要在志愿船、商船及貨輪安裝并進行自動測量。早期由于傳感器發(fā)展及維護成本的要求, FerryBox系統(tǒng)一般包括4個標準測量參數(shù), 即溫度、鹽度、溶解氧和濁度。隨著傳感器技術(shù)以及維護水平的發(fā)展, 越來越多的傳感器應用到了FerryBox系統(tǒng), 包括pH、二氧化碳分壓、葉綠素、營養(yǎng)鹽等[11-14]。

在所有的FerryBox系統(tǒng)中, 數(shù)據(jù)都記錄在船上的數(shù)據(jù)記錄器上。數(shù)據(jù)可以實時地發(fā)送到岸上(在有衛(wèi)星連接的5～10 min的間隔)或當渡船已經(jīng)到達港口時(用于GSM連接)再發(fā)送。

經(jīng)過十多年的發(fā)展, FerryBox觀測系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到一個成熟的階段。主要的成果是開發(fā)了適合不同鹽度、溫度、葉綠素熒光、溶解氧和濁度傳感器的多種流路系統(tǒng), 并開發(fā)了一種防止生物淤積在系統(tǒng)內(nèi)的沖洗系統(tǒng)。因此, FerryBox系統(tǒng)在流量的堵塞、數(shù)據(jù)的收集和存儲等技術(shù)細節(jié)方面現(xiàn)在都已經(jīng)很完善, 并且高度成熟。目前已經(jīng)安裝在客船、貨船、調(diào)查船、集裝箱船、滾裝船、巡邏船等多種船只, 在歐洲40余條航線上進行在線監(jiān)測, 部分仍在運行的代表性航線的監(jiān)測參數(shù)及監(jiān)測頻率如表1所示, 航線遍布英國東岸北海、大西洋、北大西洋、挪威海、波羅的海和地中海[12-17], 航線圖如圖2所示。

FerryBox系統(tǒng)獲得的數(shù)據(jù)在歐洲環(huán)境監(jiān)測和科學問題研究中發(fā)揮了重要作用, 安裝在志愿船上的FerryBox系統(tǒng)定期提供固定航線的高頻率表層海水測量數(shù)據(jù), 包括水溫和鹽度在內(nèi)的重要生態(tài)參數(shù), 為沿線海域尤其是為北海、英吉利海峽等海域水質(zhì)模型的建立提供了基礎數(shù)據(jù), 揭示水團性質(zhì)的變化, 并利用模型進行環(huán)境預測等[10, 14, 16]。通過連續(xù)監(jiān)測記錄了波羅的海藍綠藻災害的發(fā)生或早期預警, 建立了營養(yǎng)鹽濃度與赤潮的關系, 評估了波羅的海中藍藻的發(fā)生與營養(yǎng)鹽、鹽度和溫度的關系, 理順了跨國界營養(yǎng)化和浮游植物生產(chǎn)力的相互關系[11-12]。利用FerryBox數(shù)據(jù)結(jié)合遙感可以估算赤潮的空間擴展, 并對衛(wèi)星數(shù)據(jù)進行驗證等[17]。

表1 FerryBox計劃代表性航線監(jiān)測要素及頻率

圖2 FerryBox計劃航線圖

2.1.2 FerryBox系統(tǒng)運行管理體系

FerryBox系統(tǒng)的運行由EuroGOOS組織下成立的歐洲FerryBox觀測任務小組統(tǒng)一協(xié)調(diào)組織, 他們建立了觀測平臺門戶網(wǎng)站促進歐洲海洋觀測基礎設施的科學協(xié)同和技術(shù)合作, 并建立了較為完善的運行管理體系, 具體包括:

(1) FerryBox系統(tǒng)在系統(tǒng)功能設計、傳感器選型、接口設計、數(shù)據(jù)格式、操作規(guī)程等方面有統(tǒng)一的標準和技術(shù)要求。歐洲應用的FerryBox系統(tǒng)雖然生產(chǎn)廠家不盡相同, 但相互之間都有可比性。

(2) 系統(tǒng)和設備均經(jīng)過測試和檢驗, 并在航線上至少運行1 a, 才能達到應用技術(shù)要求。主要對不同F(xiàn)erryBox系統(tǒng)的可操作性、可靠性和長期穩(wěn)定性進行比較。測試和評估不同市售標準傳感器的各項性能指標, 保證不同型號設備之間的數(shù)據(jù)可比性。

(3) 系統(tǒng)運行過程中, 對設備進行定期質(zhì)量控制, 通過FerryBox水路循環(huán)系統(tǒng)的水路分支取樣進行實驗室分析, 并將分析結(jié)果與 FerryBox監(jiān)測數(shù)據(jù)對比, 進行數(shù)據(jù)檢驗。

(4) 有較為完善的運維措施, 定期對設備進行維修保養(yǎng)、清洗、校準、備件更換等, 保障系統(tǒng)的長期運行。

(5) 建有穩(wěn)定的技術(shù)保障團隊, 在FerryBox項目中, 每一個系統(tǒng)都有大約3～4個人(包括科學家、技術(shù)人員和支持人員)。

(6) FerryBox系統(tǒng)的所有運營商都為各自的系統(tǒng)應用建立個人網(wǎng)站、網(wǎng)頁、數(shù)據(jù)檢索和 DOR公共信息服務。用戶可以生成圖形, 注冊的用戶也可以提取數(shù)字數(shù)據(jù)。國家海洋學中心NNC.NOC建立了動態(tài)的FerryBox網(wǎng)頁和數(shù)據(jù)服務, 提供了由中心操作的FerryBox系統(tǒng)的信息。用戶可以查看圖表和動畫, 生成數(shù)據(jù)圖, 也可以檢索軌道信息?？梢栽跊]有訪問限制的情況下從在線數(shù)據(jù)庫中提取準實時和原始數(shù)字數(shù)據(jù)。

2.1.3 FerryBox系統(tǒng)供應商概況

FerryBox主要生產(chǎn)商有德國4H-JENA、SubCtech公司、英國CTG公司挪威Aanderaa公司等, 具體信息如表2所示。以德國4H-JENA產(chǎn)品應用最多, 從2001年起, 4H-JENA工程公司研發(fā)了超過70套Ferry-Box及便攜式FerryBox系統(tǒng)。圖3～圖4為4H-JENA工程公司在德國和希臘安裝的FerryBox系統(tǒng)。

表2 FerryBox主要生產(chǎn)商

圖3 德國黑爾戈蘭島安裝的FerryBox系統(tǒng), 2003年

雖然FerryBox系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家略有不同, 但均進行了統(tǒng)一任務規(guī)劃及數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng), 他們采用的傳感器和設備基本是一致的, 因此數(shù)據(jù)具有可比性、連續(xù)性, 應用率較高。

2.2 國外其他船載在線監(jiān)測系統(tǒng)研究及應用現(xiàn)狀

借鑒歐洲FerryBox系統(tǒng)的成功運行經(jīng)驗, 美國、加拿大、日本、澳大利亞等國家也相繼開展了類似的船載在線監(jiān)測項目。

在美國北卡羅來納州一個大河口, 采用船載監(jiān)測系統(tǒng)測量水質(zhì)指標, 分析水質(zhì)、人類活動和氣候因素之間的關系, 建立水質(zhì)變化模型[18]。在加拿大喬治亞海峽, 裝有儀器的渡輪對生物要素葉綠素開展走航監(jiān)測, 用來評估弗雷澤河洋流對浮游植物生物量的影響[19]。邁阿密大學和郵輪運營商(皇家加勒比郵輪有限公司)建立了特定的合作關系, 沿著游輪的航線開展在線測量, 獲得了連續(xù)8 a大量大氣和海洋的綜合監(jiān)測數(shù)據(jù), 這些數(shù)據(jù)已被用于研究大加勒比地區(qū)的海洋酸化[20]。在Oleander項目中, 連續(xù)的船載ADCP測量被用來研究墨西哥灣流的變化情況, 該項目是一項跨機構(gòu)合作, 目的是在新澤州和百慕大之間海域高頻率的收集海洋洋流、表層海水溫度、表層海水鹽度、表層二氧化碳等基礎數(shù)據(jù)[21]。其他類似的船載系統(tǒng)也在日本[22]和澳大利亞[23]運行了一段時間。

3 中國船載在線監(jiān)測系統(tǒng)研究及應用現(xiàn)狀

國內(nèi)船載在線監(jiān)測系統(tǒng)研究和應用較少, 在“十一五”863項目的支持下, 自然資源部北海局和東海局分別在向陽紅08號船[24]和原海監(jiān)47號船上建設了船載集成監(jiān)測系統(tǒng), 用于渤海生態(tài)環(huán)境的預警監(jiān)測和東海赤潮災害的預警監(jiān)測, 實現(xiàn)了對溫度、鹽度、溶解氧、濁度、pH、葉綠素、營養(yǎng)鹽、化學需氧量(chemical oxygen demand, COD)、生化需氧量(biochemical oxygen demand, BOD)、總磷、總氮等參數(shù)的走航監(jiān)測。國家海洋技術(shù)中心研制的船載便攜式在線監(jiān)測系統(tǒng)安裝在小型商業(yè)船上對天津紅線區(qū)內(nèi)大神堂海域開展了多次走航式監(jiān)測, 實現(xiàn)常態(tài)化實時的海洋大范圍監(jiān)測, 為紅線區(qū)預警監(jiān)測和監(jiān)管提供了數(shù)據(jù)支撐[25]。

中國海洋大學[26]、清華大學[27]等也相繼開展了船載海洋生態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研究開發(fā)工作, 可集成多種水質(zhì)監(jiān)測設備, 實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線傳輸?shù)裙δ? 但后續(xù)應用報道較少。

國內(nèi)一些公司如杭州淺海、北京歐仕科技、上海澤銘等也在其官網(wǎng)登出相關船載集成監(jiān)測系統(tǒng)信息, 可根據(jù)用戶的選擇定制系統(tǒng)功能和監(jiān)測要素, 如表3所示, 宣傳圖片與外國產(chǎn)品類似。

表3 國內(nèi)公司船載在線監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測要素

4 結(jié)語

近年來, 中國涉海相關部門積極開展了海洋生態(tài)環(huán)境在線監(jiān)測系統(tǒng)建設和業(yè)務化運行工作[28-33]。目前業(yè)務化運行的海洋生態(tài)在線監(jiān)測系統(tǒng)主要采用岸基站[34]和浮標[35-36]兩種手段, 船載在線監(jiān)測系統(tǒng)雖然已開展了初步應用, 但尚未進入到業(yè)務化體系中。為提升中國的海洋生態(tài)監(jiān)測能力, 應加強船載在線監(jiān)測系統(tǒng)的應用, 建議開展以下幾方面工作。

1) 充分參考歐洲FerryBox應用及管理模式, 制定統(tǒng)一的標準和技術(shù)要求, 明確設備功能和選型、數(shù)據(jù)接口、數(shù)據(jù)格式、傳輸方式等。形成在線監(jiān)測系統(tǒng)在硬件方面的標準化, 增加不同站點設備之間的互換性, 降低在線監(jiān)測建設和運維成本。

2) 對設備和系統(tǒng)進行測試評估和試運行檢驗, 綜合評估國內(nèi)外產(chǎn)品在可靠性、準確性、適用性、維護難度、性價比等方面的優(yōu)劣, 結(jié)合需求科學選型, 推進多參數(shù)、營養(yǎng)鹽等較成熟國產(chǎn)設備的逐步應用。

3) 建議選擇固定航線的貨船或客船搭載在線監(jiān)測系統(tǒng), 并對航線進行仔細的評估, 以判斷是否滿足監(jiān)測或研究任務的目標。根據(jù)船舶基礎條件的不同, 設計不同的進樣和安裝方式, 做到“一船一方案”, 滿足差異化需求。

4) 建立系統(tǒng)運行維護管理制度, 細化船載在線監(jiān)測系統(tǒng)管理職責分工、日常維護保養(yǎng)細則、質(zhì)量保證與質(zhì)量控制實施細則、信息上報制度、專業(yè)服務機構(gòu)維護維修管理辦法、經(jīng)費使用與管理辦法、運行考核辦法等。

5) 建立專業(yè)的維護隊伍和管理團隊, 建立與之匹配的運維保障能力, 從而完成數(shù)據(jù)日常運維、質(zhì)量控制、設備報錯等日常任務。定期開展技術(shù)培訓和交流, 提高整體運維能力。建立長效財政投入機制, 完善保障措施, 保障在線監(jiān)測工作的持續(xù)運行。

6) 加強后端數(shù)據(jù)應用軟件和模型的開發(fā), 同海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測、海洋災害預警、基礎性監(jiān)測等業(yè)務化需求緊密銜接, 推進數(shù)據(jù)的有效應用。

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Research and application progress of shipborne marine ecological online monitoring technology

WANG Ning, CHENG Chang-kuo, YANG Peng-cheng, LI Yan, SI Hui-min, REN Yong-qin

(National Ocean Technology Center, Tianjin 300112, China)

shipborne; marine environment; online monitoring; ecological monitoring

The shipborne marine ecological online monitoring system is an important means of online monitoring of marine ecology.In this paper, the composition and functions of the system are introduced, and the research and application status of the system at home and abroad are discussed systematically and comprehensively.Emphasis is placed on the development history, monitoring methods, achievement applications, and operation management system of the European FerryBox system, which provides constructive suggestions for the research and application of the shipborne marine ecological online monitoring technology in China.

Jan.5, 2021

[National Key Research and Development Program, No.2017YFC1403804]

王寧(1980—), 女, 山東濰坊人, 碩士, 主要從事海洋生態(tài)在線監(jiān)測技術(shù)研究, 電話: 13821282829, E-mail: wangning0825@ 126.com

P76

A

1000-3096(2021)10-0133-08

10.11759/hykx20210105003

2021-01-05;

2021-01-27

國家重點研發(fā)計劃項目(2017YFC1403804)

(本文編輯: 譚雪靜)