“浮”看海洋—揭示浮标观测系统的奥秘

在浩瀚无垠的海洋中，隐藏着无数未知的秘密，而浮标观测系统，便是我们探索这片神秘领域的重要“眼睛”。今天，就让我们一起走进浮标观测的世界，揭开它神秘的面纱，探寻它如何在波涛汹涌的海面上，默默观察着海洋的变化，为我们传递着宝贵的海洋信息。

图1:全球argo浮标分布图

浮标技术的起源可以追溯到20世纪40年代末期，当时主要用于海洋调查和研究。到了20世纪60年代，随着电子技术的进步，浮标观测技术开始进入实用阶段。到了20世纪70年代，浮标技术逐渐成熟，开始被广泛应用于海洋环境监测。美国伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）在此期间进行了大规模的浮标项目，改进了浮标的设计和回收机制。

自1990年代以来，Argo计划成为全球海洋观测的重要里程碑。该计划由超过3000个漂流浮标组成，自2007年起在全球海洋中部署，每10天从海面至2000米深度获取温度和盐度数据。

近年来，国际上多个发达国家已经在其关键海域建立了大规模的浮标监测网。例如，美国国家资料浮标中心（NDBC）管理着超过1400个观测站，其中锚泊浮标数量超过380个，覆盖了太平洋、大西洋等重要区域。日本在西北太平洋引入了12个浮标组建了三角跨洋浮标网（TRITON），并与赤道太平洋热带大气海洋（TAO）观测阵列合作，形成了全球热带锚系浮标阵列。

图2:我国研发系列化浮标实物图

我国浮标技术研究起步较早，1966年第一台浮标H23诞生。八九十年代先后开发了FZS与FZF浮标系统，即第一代与第二代浮标系统。2001年，研制了FZF3-1浮标，是我国第三代大型浮标。2008年，研制了第四代大型浮标FZF4-1，测量要素20余个，成为我国海洋资料浮标网主力浮标。

    到目前为止，中国科学院海洋研究所负责建设的近海海洋观测研究网络，在东海、黄海、南海北部海域进行了长期定点综合观测，现有业务运行浮标共计20余套，主要包括15m超大型浮标、10m大型浮标、3m小型浮标等类型。这些浮标构成了一个庞大的海洋监测网络，不仅能够提供连续的数据流，还支持了多项科学研究和技术应用。

图3:浮标锚系系统示意图

按照锚泊方式，浮标可分为锚系型和漂流型，漂流型又可分为表面漂流浮标与中性漂流浮标。锚系型浮标通过锚系连接海底与浮标体，锚系克服海流作用将浮标限定于一定位置范围内工作，主要用于获取海洋特定位置长时间序列水文和气象变化实况信息，特别适合对关键海区布设长期观测网从而对海洋进行监测和研究。漂流浮标没有锚系的限制，可以在海洋中随风、波浪、洋流作用自由漂移或升沉，在运动过程中收集大范围的海洋表层、次表层环境数据。

此外可根据浮标测量功能，分为气象水文监测浮标、水质浮标、波浪浮标、光学浮标、核辐射监测浮标等类型。还可以按照浮标体尺度、应用需求等进行分类，不同浮标的分类往往有所交叉，可根据习惯、用途、某一方面突出特点进行命名，如波浪浮标，同时也是球形、锚系型、小型浮标。

图4:南海观测浮标远程监控软件

现代海洋浮标作为一种无人值守自动观测系统，能够在特定海域进行水文、气象等环境要素的现场直接监测，并将监测数据通过卫星传输到岸基数据接收站。具体来说，浮标可以测量一系列参数，包括但不限于：水文参数如水温、盐度、波高、波周期、波向、流速、流向、透明度等；气象参数如气温、气压、相对湿度、风速、风向、辐射、降雨量、能见度、云高、云量等；生态参数如叶绿素含量、溶解氧含量、总有机碳含量、叶绿素a含量、酚含量、黄色物质含量、石油含量、硝酸盐含量、亚硝酸盐含量、磷酸盐含量、二氧化碳分压等。

此外，某些类型的浮标还可以实现生物光学测量、海水表皮层光学特性测量、海水化学成分测量、海表面大气成分测量等功能。例如，智能感知技术的发展使得浮标能够扩展深海剖面环境参数测量，从而解决了当前海洋浮标观测中存在的观测要素少、剖面观测能力差等问题。

    海洋浮标具有诸多显著优点，使其成为海洋监测不可或缺的技术手段之一。首先，浮标能够在复杂海洋环境中适应性强，特别是在台风、风暴潮、巨浪、强海流、大风等恶劣条件下获取代表性实时数据。其次，浮标提供的观测数据准确度高，能够为海洋环境预报及灾害预警提供全天候、可靠的实况数据，有利于提高或优化海洋数值预报模式，实现提前预警，为防灾减灾争取时间。再者，浮标无需人工值守，全自动化运行，降低了人力成本的同时提高了工作效率；并且，浮标兼具水面和水下观测功能，可以满足不同层次的研究需求。

目前，我国的海洋浮标主要适用于近海海域，在深远海的观测方面较为薄弱，未来深海应用中相应传感技术及相关配套技术的国产化亟待解决。因此，需要在已掌握海洋浮标关键核心技术的基础上，综合利用新原理、新技术、新方法、新材料、新能源，着力开展智能化综合监测浮标的研发，以形成具有自主知识产权的全球海洋立体实时监测浮标技术和产品。同时，随着人类活动范围的扩大，对于更精确、更多样化的海洋数据的需求也日益增加，这要求浮标技术不断革新，以更好地服务于科学研究和社会经济发展。

图5:拼装式大浮标实物图

首先，浮标将采用先进技术、降低成本、提高可靠度、扩大功能、延长工作寿命、方便布放，以满足日益增长的数据需求。其次，为了更好地服务于国家海洋战略，浮标的布放将向多站位、高密度方向发展，形成全覆盖、立体化的监测网络，实现对近海潮位点、风暴潮、生态系统、河口监测、陆架水体运动、气象水文等方面的全天候全天时观测。

此外，随着海洋研究、探测和开发的深入，浮标的布放也将更加专题化，以适应特定领域的需求，如海洋水文、海洋气象、海洋生物、海洋化学、海洋物理、海洋工程、海洋地质、海洋环境等方面的研究和服务。同时，海洋监测数据的组织和管理正朝规范化方向发展，确保了数据共享的基础平台，为科学研究提供了标准化的支持。

在绿色低碳方面，浮标需要开发节能技术、新能源利用技术、燃气排放处理技术和水下辐射噪声控制技术等，以减少对环境的影响。在无人化和智能化方面，通过加强数据收集与共享，搭建大数据平台，推动深度学习、人工智能、各设备集成互联、仿真模拟、人机交互和数字孪生等技术的应用，从而提升浮标的智能感知能力和自动化水平。

图6:海洋资料浮标理论技术体系

技术难题

目前，我国虽然已经掌握了部分关键核心技术，但在高端制造工艺能力上仍存在不足，导致一些先进的设计理念无法完全落实到实际产品中。例如，在材料科学领域，尽管我们已经在理论上取得了一定进展，但受限于某些高端制造工艺的能力，相关配套技术的发展也受到了制约。对此，可以通过加大对科研机构的资金投入，鼓励跨学科合作，集中力量攻克难关，促进技术创新和技术转化，逐步缩小差距。

成本问题

由于海洋浮标的设计复杂性高，涉及多个学科的知识和技术集成，因此其建造成本较高，特别是在大型浮标的研制过程中更为明显。为了降低生产成本，一方面可以优化设计方案，简化结构，减少不必要的组件；另一方面则应积极探索新材料的应用，减轻重量的同时增强性能，从而达到降本增效的目的。此外，还可以考虑批量生产和模块化设计的方式，进一步摊薄单位产品的固定费用。

数据质量与传输效率

随着观测站点数量的增加，如何保证海量数据的质量成为了一个新的挑战。一方面要加强对传感器长期稳定性的研究，确保采集到的数据准确无误；另一方面也要改善通信链路，提高数据传输的速度和可靠性，避免因信号干扰或丢失而影响最终结果。为此，可以引入先进的编码解码算法，改进现有的卫星通信系统，并结合5G等新一代无线通讯技术，构建一个高效稳定的传输网络。

环境适应性

深海和极地环境极端恶劣，这对浮标的生存能力和工作稳定性提出了更高的要求。比如，在低温环境下，电子元件可能会出现故障，而在高压条件下，则容易引发机械部件的损坏。针对这些问题，可以从以下几个方面入手：一是选用耐腐蚀、抗压强的材料制作外壳；二是研发高效的保温措施，维持内部温度恒定；三是强化密封设计，防止海水侵入；四是建立完善的故障诊断机制，及时发现并排除潜在隐患。