賀亞楠，朱洪海

(1.齊魯工業(yè)大學(xué)(山東省科學(xué)院)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所，青島 266061；2.山東省海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國家海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備工程技術(shù)研究中心，青島 266061)

0 引言

海洋水文觀測(cè)是海洋調(diào)查中重要的作業(yè)內(nèi)容。其中，海水溫度是反映海水冷熱程度的物理量，是海水觀測(cè)和監(jiān)測(cè)的重要因素，對(duì)其他海水因素起著重要的影響作用。

海溫?cái)?shù)據(jù)可以通過船舶、浮標(biāo)、衛(wèi)星等多種平臺(tái)進(jìn)行觀測(cè)，是海洋環(huán)境各要素中較容易獲得的空間范圍最廣、時(shí)間最長(zhǎng)(至今已有200多年)的觀測(cè)記錄。目前已能觀測(cè)到全球范圍(包括海冰)的海溫，海溫資料是全球氣候變化分析中應(yīng)用最廣泛的重要海洋參數(shù)[1]。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，海水溫度觀測(cè)技術(shù)從最基礎(chǔ)的木桶水銀溫度表，逐漸發(fā)展為使用基于衛(wèi)星的大范圍觀測(cè)技術(shù)[2]。

近年來材料、電子、信息和人工智能等相關(guān)技術(shù)發(fā)展迅速，海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)也隨之取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步和快速發(fā)展?！?1世紀(jì)海上絲綢之路”的建設(shè)和海洋科學(xué)研究的加強(qiáng)，海洋建設(shè)等領(lǐng)域?qū)刭Y料的時(shí)效性和準(zhǔn)確度的要求越來越高[3]。然而海水表層溫度的觀測(cè)還沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。因此文章結(jié)合國內(nèi)外在海水溫度相關(guān)領(lǐng)域的研究，通過對(duì)海溫觀測(cè)技術(shù)發(fā)展的梳理，預(yù)測(cè)其發(fā)展趨勢(shì)，為國家海洋溫度觀測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供參考和依據(jù)。

1 海溫觀測(cè)方法

海溫觀測(cè)按照觀測(cè)方式可以分為直接觀測(cè)和間接觀測(cè)。其中，直接觀測(cè)包括海基觀測(cè)和岸基觀測(cè)；間接觀測(cè)包括天基觀測(cè)。

按照觀測(cè)平臺(tái)劃分，?；^測(cè)可以分為船舶觀測(cè)和浮標(biāo)觀測(cè)。天基觀測(cè)包括衛(wèi)星觀測(cè)和航空海洋觀測(cè)。衛(wèi)星觀測(cè)儀器采用微波和紅外輻射間接觀測(cè)海洋表層溫度。

1.1 ?；^測(cè)

1.1.1 船舶觀測(cè)

船舶觀測(cè)是海溫資料最多、最可靠的數(shù)據(jù)來源。船舶觀測(cè)資料分布與船的航線有關(guān)，航線密集地區(qū)資料密度較大。船舶觀測(cè)包括水桶觀測(cè)、機(jī)艙引水觀測(cè)和船體感應(yīng)觀測(cè)3種。

1)水桶測(cè)溫

19世紀(jì)中期船舶觀測(cè)以水桶觀測(cè)為主，觀測(cè)時(shí)將水桶放入海里，再將裝滿水的水桶拉到甲板上進(jìn)行人工測(cè)量，海水溫度用“最小T”溫度計(jì)測(cè)得。水桶觀測(cè)到的是表層水溫，這對(duì)于物理海洋學(xué)的研究具有很重要的意義。最初的水桶是由木頭、帆布、錫、皮革、黃銅、橡膠和塑料等材質(zhì)制成的，其結(jié)構(gòu)因其使用的材料而異，其中木桶的隔熱性能比較好，而且往往體積較大，導(dǎo)致溫度變化較小。20世紀(jì)40年代以前水桶材質(zhì)以木桶為主。后來改為隔熱效果更好的橡膠水桶和雙層結(jié)構(gòu)的水桶，可以觀測(cè)到更加真實(shí)的海溫。

觀測(cè)用的溫度計(jì)選用水銀溫度計(jì)，由于讀取汞柱刻度時(shí)產(chǎn)生誤差較大，因此會(huì)影響所測(cè)溫度精度。水桶觀測(cè)海溫通常比真實(shí)值偏低，這與觀測(cè)方法、讀數(shù)和記錄過程中引起的誤差有關(guān)[4，5]。隨著船舶變得越來越大，船速越來越快，吊桶的部署難度和危險(xiǎn)系數(shù)都會(huì)增加，當(dāng)處于高風(fēng)速條件時(shí)，水桶在海面上顛簸，難以下沉，此時(shí)使用水桶收集水樣進(jìn)行海溫測(cè)量不僅變得很困難，而且很危險(xiǎn)。因此，海溫觀測(cè)由桶式測(cè)量逐漸傾向于抽取近水面的樣本進(jìn)行測(cè)量。

2)ERI測(cè)溫

蒸汽船最早建造于19世紀(jì)30年代，至1914年，英國蒸汽船占世界總噸位的一半以上。在裝有發(fā)動(dòng)機(jī)的船舶上，測(cè)量用于冷卻發(fā)動(dòng)機(jī)的泵送海水的溫度非常方便[6]。機(jī)艙引水觀測(cè)(Engine Room Intake，ERI)是利用溫度計(jì)測(cè)量引入輪機(jī)艙用于冷卻渦輪機(jī)的海水溫度。測(cè)量是在靠近引擎的位置進(jìn)行，而不是靠近入口。但為了避免溫度計(jì)受到渦輪機(jī)溫度的影響，通常將溫度計(jì)置于入口處測(cè)量[7，8]。機(jī)艙測(cè)溫測(cè)量的是給渦輪機(jī)降溫的海水，觀測(cè)到的海溫值通常較水桶觀測(cè)值偏大。當(dāng)選用精確溫度計(jì)，且溫度計(jì)遠(yuǎn)離渦輪機(jī)時(shí)，該誤差會(huì)減小。ERI測(cè)量的便利性及風(fēng)險(xiǎn)性的降低使其成為20世紀(jì)下半葉測(cè)量海面溫度(SST)的首選方法。

溫度測(cè)量技術(shù)的進(jìn)步，使熱電阻商業(yè)化，ERI測(cè)量從水銀溫度計(jì)或溫度間隔數(shù)度的刻度盤演化為電子式溫度計(jì)。電子式溫度計(jì)測(cè)溫精確度高，無論是定點(diǎn)還是走航式測(cè)量都可以使用，誤差也較小。但進(jìn)水口與溫度計(jì)之間水溫變化的不可控因素仍然是ERI測(cè)溫的主要問題，而且會(huì)隨著測(cè)量深度的變化而變得更加復(fù)雜。

3)船體傳感器感應(yīng)測(cè)溫

隨著傳感器技術(shù)的發(fā)展，采用熱敏電阻制成的溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海洋水溫，并將所測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉鍓K儲(chǔ)存。使用溫度傳感器測(cè)溫時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置好傳感器系統(tǒng)布線后，就可以實(shí)現(xiàn)溫度的自動(dòng)測(cè)量，只需要定期進(jìn)行維護(hù)和校驗(yàn)，但需要與計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)相結(jié)合，對(duì)于工作人員的日常使用、維護(hù)和維修技術(shù)要求較高，且早期工程量大，測(cè)溫結(jié)點(diǎn)位置不易靈活移動(dòng)。

船體感應(yīng)海溫測(cè)量是利用船體上安裝的溫度計(jì)直接測(cè)量海溫。為了使溫度計(jì)始終在船的吃水線以下，經(jīng)常在船體一側(cè)垂直排列放置3～5個(gè)溫度計(jì)。船體感應(yīng)溫度具有較高的可信度和連貫性。該方法被推薦使用，但是由于其安裝費(fèi)用較高，因此未能得到廣泛地應(yīng)用[9]。

1.1.2 浮標(biāo)觀測(cè)

為了研究大尺度地轉(zhuǎn)海洋環(huán)流，需要在更廣闊的海洋區(qū)域?qū)Υ伪韺雍Ｑ鬁囟群望}分進(jìn)行觀測(cè)，而研究船只的數(shù)量并不足以提供對(duì)所需區(qū)域的覆蓋。MBT以其快速、廉價(jià)，且無需研究船只的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于溫度剖面的測(cè)量。隨著越來越多的學(xué)者加入全球調(diào)查，對(duì)新的剖面浮標(biāo)技術(shù)越來越熟悉。自20世紀(jì)70年代開始使用浮標(biāo)觀測(cè)海溫[10]。中國ARGO計(jì)劃自2002年初組織實(shí)施以來，已經(jīng)在太平洋和印度洋等海域投放了155個(gè)ARGO剖面浮標(biāo)，目前有78個(gè)浮標(biāo)仍在海上正常工作。

浮標(biāo)分為漂流浮標(biāo)和系泊浮標(biāo)。這些浮標(biāo)可以進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量，并通過衛(wèi)星進(jìn)行中繼。所有SST觀測(cè)值中約有90%來自浮標(biāo)。在平靜條件下，根據(jù)其體積大小不同，漂流浮標(biāo)的標(biāo)稱深度多分布在10～20 cm，但在某些波浪運(yùn)動(dòng)的影響下，浮標(biāo)會(huì)被淹沒一段時(shí)間。漂流浮標(biāo)技術(shù)是20世紀(jì)90年代初的重大成果，它的出現(xiàn)催生了國際“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。漂流浮標(biāo)觀測(cè)范圍較固定浮標(biāo)大，但是觀測(cè)要素較少，且觀測(cè)到的同一個(gè)點(diǎn)的時(shí)間序列不夠長(zhǎng)，不利于做長(zhǎng)期分析，且較不容易訂正。

系泊浮標(biāo)是固定的平臺(tái)，類似于地面上的氣象站，有各種形狀和尺寸。經(jīng)常使用的最大浮標(biāo)規(guī)格為12 m，一般用于北方海洋。系泊浮標(biāo)分為2類：全球熱帶系泊浮標(biāo)陣列(GTMBA)和分布在美國各地的更多類型的沿海系泊浮標(biāo)。大多數(shù)系泊浮標(biāo)在1 m深處測(cè)量SST，也有的系泊浮標(biāo)在一定深度范圍內(nèi)測(cè)量。系泊浮標(biāo)海溫?cái)?shù)據(jù)在同一個(gè)位置提供了一系列連續(xù)的觀測(cè)結(jié)果，并且由于年度維護(hù)和(重新)校準(zhǔn)計(jì)劃，其數(shù)據(jù)質(zhì)量可能高于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)系統(tǒng)的其他組成部分。1971年，系泊浮標(biāo)首次在ICOADS上觀測(cè)到海溫。除熱帶列陣外，大部分系泊處都在沿海，大部分在美國海岸附近。固定浮標(biāo)可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間、多要素的定點(diǎn)觀測(cè)[11，12]。

1.2 天基觀測(cè)

1.2.1 航空海洋觀測(cè)

航空海洋探測(cè)采用固定翼飛機(jī)和無人機(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、分辨力高、不受軌道限制、易于?？张浜隙視r(shí)效性高、成本低的特點(diǎn)，是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)的重要遙感平臺(tái)，通過搭載的微波和光學(xué)遙測(cè)設(shè)備，能夠?qū)崟r(shí)獲取大氣海洋環(huán)境資料和進(jìn)行其他海洋環(huán)境要素的探測(cè)，是海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)不可或缺的平臺(tái)。

隨著無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，世界各國越來越重視無人機(jī)在海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用。美國、俄羅斯、英國、德國等國都大力支持無人機(jī)的發(fā)展，以將其應(yīng)用在海洋探測(cè)中。中國也十分注重?zé)o人機(jī)在海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用，在技術(shù)上緊跟發(fā)達(dá)國家先進(jìn)水平，如中測(cè)新圖公司自主研制的無人機(jī)續(xù)航時(shí)間達(dá)到了30 h、拍攝分辨力達(dá)到了0.05～0.20 dm。未來會(huì)向搭載各類傳感器以及持續(xù)能力更強(qiáng)的平臺(tái)方向發(fā)展[13-15]。

1.2.2 衛(wèi)星觀測(cè)

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，測(cè)溫儀器感溫時(shí)間大大縮短，準(zhǔn)確度也不斷提高。但船舶的航線具有局限性，浮標(biāo)的布放數(shù)量也很有限。這種方式觀測(cè)的SST 的覆蓋率非常低，即使將幾十年的資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，在全球海洋仍然有許多地方是空白的，無法得到同步大面積數(shù)據(jù)，而且在分析溫度大面積分布特征時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不可避免的誤差，甚至得出與實(shí)際情況完全相反的結(jié)論。與傳統(tǒng)的船舶和浮標(biāo)相比，海洋衛(wèi)星遙感觀測(cè)具有全天候、近實(shí)時(shí)、覆蓋范圍廣和可以長(zhǎng)期重復(fù)進(jìn)行海洋觀測(cè)的優(yōu)勢(shì)，能更好地適應(yīng)海洋現(xiàn)象的特點(diǎn)，填補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的空白[16，17]。

20世紀(jì)50—60年代的太空時(shí)代，標(biāo)志著海洋觀測(cè)從實(shí)地船載觀測(cè)向衛(wèi)星遙感觀測(cè)轉(zhuǎn)變。衛(wèi)星海洋學(xué)始于20世紀(jì)70年代，當(dāng)時(shí)在威廉斯敦召開了一次開創(chuàng)性的會(huì)議(Kaula 1969)，會(huì)議概述了衛(wèi)星遙感的許多關(guān)鍵概念，包括海洋學(xué)和大地測(cè)量學(xué)。第1次從太空測(cè)量海面溫度(SST)是在20世紀(jì)60年代末由TIROS氣象衛(wèi)星完成的。衛(wèi)星遙感在20世紀(jì)80年代開始應(yīng)用于海溫觀測(cè)，衛(wèi)星觀測(cè)空間覆蓋率高，能夠觀測(cè)船舶或浮標(biāo)不能觀測(cè)的區(qū)域。海洋衛(wèi)星遙感觀測(cè)海表溫度主要依靠紅外傳感器和微波傳感器。

紅外傳感器測(cè)量的應(yīng)用極為廣泛，具有高時(shí)空分辨力的優(yōu)勢(shì)，但是容易受到云和氣溶膠的影響，造成反演出的海表溫度偏低，且其探測(cè)的海面水溫只是0～50 μm的溫度，與通常所說的“表層”(0～1 m)水溫有很大的不同，因此也稱為皮層(表皮)溫度。

微波傳感器測(cè)量具有全天時(shí)、全天候和穿透性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)，但其空間分辨力相對(duì)較低。與其他觀測(cè)方法相比，衛(wèi)星在大規(guī)模海洋現(xiàn)象觀測(cè)方面有很大的潛力，但不同反演方法所得到的SST資料與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的偏差受云的遮擋而造成大面積資料缺測(cè)等原因，在很大程度上影響了衛(wèi)星遙感海表溫度產(chǎn)品的實(shí)際使用，因此衛(wèi)星觀測(cè)具有較大的系統(tǒng)偏差，需要對(duì)其觀測(cè)的海溫資料進(jìn)行偏差訂正，通常采用漂流浮標(biāo)對(duì)其進(jìn)行訂正。

1.3 岸基觀測(cè)

岸基海洋站觀測(cè)是獲取沿岸海洋環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)的傳統(tǒng)方式，也是中國最重要和最基本的海洋觀測(cè)方式之一，其所獲取的海洋環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)具有標(biāo)準(zhǔn)化程度高、質(zhì)量可靠等優(yōu)點(diǎn)。岸基海洋站觀測(cè)是指在沿岸或依托石油平臺(tái)建設(shè)觀測(cè)站，作為固定式的海洋觀測(cè)平臺(tái)，對(duì)沿岸海域的水文氣象環(huán)境進(jìn)行觀測(cè)，或?qū)Νh(huán)境質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，包括海洋站臺(tái)觀測(cè)和石油井架觀測(cè)。海上石油平臺(tái)抗風(fēng)能力強(qiáng)，但由于石油立柱會(huì)改變局部水流流向和流速從而干擾了觀測(cè)儀器的準(zhǔn)確性。

自20世紀(jì)50年代開始，中國陸續(xù)在全國沿海建立并投入運(yùn)行岸基海洋觀測(cè)站，對(duì)包括表層溫度在內(nèi)的海洋水文參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在實(shí)際應(yīng)用中，常見的岸邊定點(diǎn)水溫測(cè)量多半使用傳感器測(cè)溫，其穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、連續(xù)的特性得到了很好的發(fā)揮，加上實(shí)時(shí)通訊技術(shù)，可以在計(jì)算機(jī)看到連續(xù)直觀的海水溫度變化。在觀測(cè)某站點(diǎn)特定時(shí)間和特定層次時(shí)，則使用較為簡(jiǎn)單的水銀溫度表進(jìn)行觀測(cè)。

2 海溫觀測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

海洋監(jiān)測(cè)技術(shù)水平是一個(gè)國家海洋裝備制造水平的綜合體現(xiàn)。隨著國家的海洋戰(zhàn)略發(fā)展規(guī)劃與需求以及全球?qū)Ｑ箨P(guān)注的日益增強(qiáng)，海洋監(jiān)測(cè)對(duì)觀測(cè)技術(shù)和裝備的需求將進(jìn)一步增強(qiáng)[18-20]。

海溫發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下兩個(gè)方面：

1)向高精度、多參數(shù)綜合觀測(cè)發(fā)展。隨著高新技術(shù)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，以及水文監(jiān)測(cè)需求的日益增加，一些水文要素如海浪、海表溫和鹽度的觀測(cè)還沒有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)水文觀測(cè)的研究，擴(kuò)充觀測(cè)要素，將觀測(cè)要素?cái)U(kuò)展為水文要素和氣象要素同時(shí)進(jìn)行。

2)由單點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)化、綜合化發(fā)展。一方面海上資料的獲取難度大，費(fèi)用高、周期長(zhǎng)。另一方面，海溫觀測(cè)資料的稀疏成為中國近海海溫長(zhǎng)期趨勢(shì)變化研究最主要的制約因素。因此應(yīng)該將衛(wèi)星觀測(cè)、浮標(biāo)觀測(cè)、船舶觀測(cè)和岸基觀測(cè)緊密結(jié)合，建立立體、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)，有效、連續(xù)地獲取大面積海溫?cái)?shù)據(jù)，生成高分辨力、高精度的海表溫度數(shù)據(jù)，使海洋觀測(cè)進(jìn)入多層、立體、多角度、全方位和全天候的新時(shí)代。

3 結(jié)束語

海洋水溫是研究海氣間水汽交換、了解海區(qū)水文及水質(zhì)狀況的重要參數(shù)，是海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)、海上交通安全和國防軍事建設(shè)的重要參考依據(jù)。隨著海洋實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)網(wǎng)的建立，中國的全球海洋資料獲取能力和開發(fā)利用海洋資源能力逐步提高。