学术沟通 海洋观测技能与观测仪器及其展开

发布时间:2022-07-03 12:41:40 | 作者:环球体育靠谱吗


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  海洋观测是研讨海洋、开发海洋、运用海洋的根底,作为海洋科学和技能的重要组成部分,在维护海洋权益、开发海洋资源、预警海洋灾祸、维护海洋环境、加强国防建设、谋求新的展开空间等方面起着十分重要的效果,也是展现一个国家归纳国力的重要标志。早在上世纪80年代中期,海洋发达国家就相继出台海洋科技与开发战略,进入21世纪后,世界政治、经济、军事围绕着海洋活动发生了深入的改动,在新的海洋战略及其军事需求牵引下,各国相继调整战略,进一步加大了对海洋观测范畴的投入。

  海洋技能的展开最早起源于船舶技能展开的需求,由于罗盘技能广泛地运用于帆海,加上前人堆集的牵星术、地文、潮流、季风等帆海常识,以及造船技能的展开,促进了海洋技能的展开。正如海洋测绘技能起步于船舶安全飞行需求,故被称之为海道丈量。

  1872年12月7日至1876年5月26日,英国2300吨排水量的“挑战者”号海洋科考船三年半时刻的海上查询活动,敞开了近代海洋科学研讨前史。这一次行程由英国爱丁堡大学的C.W.汤姆逊领导,船上装备了当时世界上最先进的海洋科学仪器和技能设备,对除北冰洋以外的世界各大洋展开了水文查询、深度丈量、深水拖网、温度测定等等技能作业,得到了海洋深层水温散布数据,发现了4400多种海洋生物,制作了等深线图,初次搜集到锰结核,并发现了深海软泥和红土,等等。

  在那个年代,回声原理现已被发现,像温度和压力传感器也逐步被运用于水下作业,拖网、海水采样器、沉积物采样设备等这些机械式仪器设备,也被很多创造并得到运用。这些海洋技能装备与海洋科学查询效果,为现代海洋地质、海洋化学、海洋生物等研讨,奠定了坚实的根底。

  上世纪40年代冯诺曼创造了核算机技能,把海洋技能带入了主动化年代,极大地推动了海洋科学研讨与海洋作业展开,其间水声技能的展开和潜水器的呈现,是主动化海洋技能展开的重要标志。1917年法国科学家朗之万依据压电效应原理创造了晶体和钢组成的声学换能器,然后产生了世界上第一台回声测深仪。

  鉴于声响在水中的优秀传达特性,使得水下声学技能,成为海洋技能的重要理论与作业根底。人们运用声波的特征,能够进行水下测深的运用,乃至展开深海海底地势地貌的丈量,进行海洋勘探、水下通讯和水下定位导航等作业。除了回声测深仪之外,还有侧扫声呐(海底地貌仪)、多普勒声呐、ADCP流速丈量仪、鱼探仪、水声通讯体系等等。海洋声学技能与装备,成为当今海洋技能中不可或缺的重要组成部分。

  潜水器,望文生义便是具有水下作业才能的潜水设备或搭载渠道,有无人和载人之分,首要用来履行水下使命,如水下观测、海底勘探、水下采样、水下作业等作业。上世纪30年代,在瑞士呈现了世界上第一台名为“费恩斯-1”号潜水器,由皮卡尔教授创造,创始了潜水器技能的前史。能够说,潜水器的呈现,成了海洋技能最重要的研讨方向,也可称之为海洋技能的“皇冠”。

  一起,跟着海洋作业的不断推动,在海洋资源开发、海洋动力运用、海洋环境维护、海洋军事和海洋科学研讨与查询的各个方面,都对海洋技能提出了更高的要求。海洋技能的智能化,前史上应该是从自主式潜水器(AUV)的创造开端的。真实意义上的自主式潜水器的研发始于19世纪50年代,民用上早前首要用于海上石油与天然气的开发等,军用方面首要用于打捞试验丢掉的海底兵器(如鱼雷)。除了AUV之外,水下滑翔机也是海洋技能智能化的重要产品,在最近几年中出尽了风头,俨然成为海洋科学研讨、海洋军事运用等范畴中不可或缺的重要人物。

  五花八门的海洋观测方案的施行,比如美国的IOOS方案等,扮演重要人物的网络化移动观测渠道、海底观测网络技能、特别是移动与固定结合的海底观测网络技能等等,则是智能化海洋技能的另一个重要舞台。进入21世纪之后,跟着物联网、云核算、大数据、移动互联、超大规划核算等技能的展开,为海洋技能的智能化展开注入了新的生机。“才智海洋”是海洋技能范畴的一个新的热词,也是海洋技能智能化“空前绝后”的展开方向。

  海洋观测仪器能够依照结构原理分为声学式仪器、光学式仪器、电子式仪器、机械式仪器,以及遥测遥感仪器等。还能够依据运载东西不同,区分红天基、海基和水下三个方向,包含船载仪器、潜水器仪器、浮标仪器、岸站仪器和飞机、卫星仪器等。

  其间船载海洋观测仪器品种最多,按其操作办法又可分为投弃式、自返式、悬挂式、拖曳式等。投弃式仪器运用时将其传感器部分投入海中,观测的数据经过导线或无线电波传递到船上,传感器用后不再收回。自返式仪器观测时沉入海中,完结丈量或采样使命后卸掉压载物,借自身浮力回来海面。悬挂式仪器运用船上的绞车吊杆从船舷旁送入海中,在船舶锚碇或漂流的情况下进行观测。拖曳式仪器作业时从船尾放入海中,拖曳在船后进行走航观测。

  海洋观测仪器对运用者来说,一般按所测的要素进行分类。例如测温仪器、测盐仪器、测波仪器、测流仪器、营养盐仪器、重力和磁力仪器、底质勘探仪器、浮游生物与底栖生物仪器等等,大致归纳起来能够区分红4大类。

  用于观测海洋中的声、光、温度、密度、动力等现象。由于海水密度不方便直接测定,一般用温度、盐度和压力值核算得到,所以盐度丈量成为一个必测参数。

  温盐丈量:观测海水温度、盐度和压力的仪器,20世纪60年代曾经只能用倒置温度表、采水器、滴定管和机械式深温计(BT),现在则用电子式盐温深丈量仪(STD或CTD)等;船舶走航测温常用投弃式深温计(XBT),空中遥感观测海水温度则用红外辐射温度计。

  潮汐观测:岸边潮汐观测运用浮子式验潮仪,外海测潮选用压力式自容仪,大洋潮波的观测依托卫星上的雷达测高仪。

  波浪观测:波浪观测仪器的品种比较冗杂,有各种形式的测波杆、压力式测波仪、光学原理的测波仪、超声波式测波仪,近年用得较多的是加速度计式测波仪。

  海流观测:海流观测适当困难,或用仪器定点丈量,或用漂流物盯梢观测。定点测流是海洋观测中常用的办法,所用仪器有转子式海流计、电磁式海流计、声学海流计等,其间最盛行的是转子式仪器。

  光学丈量:海洋光参数仪器有透明度计和照度计,用以观测海水对光线的吸收和海洋天然光场的强度。

  海洋观测中所用的化学仪器,首要用来测定海水中各种溶解物的含量。60年代曾经,除少数几项可在船上用滴定管和眼力比色设备完结外,大部分项目要保存样品带回陆上试验室分析。60年代今后,查询船上逐步选用船用盐度计、船用pH计、溶解氧测定仪,以及船用分光光度计和船用荧光计。

  近年来船用单项化学分析仪器与主动操控设备相结合,构成船用多要素的主动测定仪器,这种归纳仪器还可装备电子核算机,进步其主动化程度。

  船用化学分析仪器的作业原理大致分两类:一类用传感器(首要为电极)直接测定化学参数;一类经过样品显色进行光电比色测定。现在,海水中的各种营养盐靠比色仪器测定,pH值、溶解氧、氧化-复原电位等运用电极式仪器测定。

  海洋生物品种繁复,从微生物、浮游生物、底栖生物到游水生物,相应有不同的观测仪器。海水中的微生物需采样后进行研讨,采样东西有复背式采水器和无菌采水袋。

  浮游生物采样器首要有浮游生物网和浮游生物接连搜集器。底栖生物采样运用海底拖网、采泥器和取样管。游水生物采样依托鱼网,调查鱼群运用鱼探仪。

  海洋初级生产力的观测,除运用化学仪器测营养盐,运用光学仪器测定光场强度之外,还用荧光计测定海水中的叶绿素含量。

  为了调查海洋生物在海中的天然情况,需求运用水中摄象,有时还得运用潜水技能。水下试验室或深潜器可使人们在海底逗留较长时刻,是调查海洋生物活动情况的杰出设备。

  底质取样设备是最早展开的海洋地质仪器,分表层取样设备与柱状取样设备两类。表层取样设备又称采泥器,有重力式采泥器、绷簧式采泥器和箱式采泥器,其间箱式采泥器能坚持沉积物原样。

  底质柱状采样东西有重力取样管、振荡活塞取样管、重力活塞取样管和水下浅钻,有一种靠玻璃浮子设备使柱状样品上浮的重力取样管称为自返式取样管。结合底质取样,还可进行海底照相。

  回声测深仪是观测水深、地貌和地层结构最常用的仪器。侧扫声呐又称地貌仪,装置在船壳上或拖曳体上,能够观测海底地貌。地层剖面仪运用声波在海底沉积物中的传达和反射测出地层结构。

  海洋地球物理仪器有重力仪、磁力仪和地热计等。地热计结构比较简单,将热敏电阻安放在钢质探针的顶端,靠重力效果刺进海底,便能测出海底沉积物的温度。

  全球海洋观测体系包含海洋事务运用和海洋生物生态环境,从海洋自身到有部分世界人口寓居的滨海环境,在全球范围内现已有了较高的参加度。例如,Argo全球剖面浮标阵列和丈量海洋外表温度、海洋色彩、海洋外表地势和海洋外表矢量流的虚拟卫星星座群,在曩昔十年中,它在区域和全球海洋评价、渔业办理、生态体系服务和实时服务中已成为全球海洋观测体系的驱动力。一起,为了满意海洋气候、运用服务和海洋生态体系健康扩展的需求,明显需求新的观测成果和数据,特别对生物海洋根本变量的丈量,因而需将全球海洋观测体系从远海扩展到大陆架和滨海。现在,全球海洋观测体系正在运转高频雷达网络,如海洋滑翔机,动物标签方案和海洋酸化网络等,下面就来详细讨论一下。

  全球高频雷达网络(GHFRN)可在海岸线公里以内每小时生成一次海洋外表活动图,正在成为区域海洋观测体系的规范组成部分,现在大约有400个台站正在运转并实时搜集地表当时信息。全球高频雷达网络旨在使整个区域的数据格式规范化,拟定质量操控规范和高频雷达丈量的新式运用,并加速将外表活动丈量吸收到海洋和生态体系模型中。现在仅运用该技能丈量了全世界2%的海岸线个站点陈述,亚太区域约有140个装置处于活动情况,而且跟着菲律宾和越南的新装置,估计这一数字还会添加。

  水下滑翔机和其他自主水面载具是共同而通用的观测渠道,能够在要害数据稀少区域进行继续自主的外表及以下海洋数据搜集,这对其他观测渠道来说是具有挑战性的。他们跟着组织和国家级水下滑翔机操作的展开和成熟,人们现已意识到区域和世界合作的优点和时机。从区域上讲,滑翔机运营商集合在一起,构成了每个人的滑翔机观测站(EGO)和水下滑翔机用户组(UG2)等用户群,以同享最好的实际操作,进步操作可靠性和数据办理,并共同努力改进滑翔机监控,海洋观测及滑翔机渠道的开发。鉴于水下滑翔机具有搜集各种规划的物理和生物地舆化学丈量值的才能,终究将成为全球海洋观测体系内的观测元素。

  全球海洋观测体系现在已界说九种新的生物海洋根本变量,其间包含“鱼类丰度和散布”以及“海龟,鸟类,哺乳动物丰度和散布”。动物盯梢技能(声学和卫星技能)在全球范围内广泛运用,能够继续观测物种的散布和丰度。现在全球海洋观测体系生物学和生态体系现已布置了2000多个声学盯梢站(接收器),并盯梢了130多种具有商业化,生态化和文明价值的水生物种。自2004年以来,经过在海洋哺乳动物(如南部象海豹)上贴标签,在世界海洋中已搜集了超越500000个温度和盐度笔直剖面。这些数据是Argo搜集的数据的弥补,而且现已证明在其他观测数据稀少缺失的海豹采样区域将温度剖面吸收到全球海洋预报模型中对区域温度和盐度的猜测具有积极影响。包含美国归纳海洋观测体系,欧洲全球海洋观测体系和海洋归纳观测体系在内的多个全球海洋观测体系区域联盟都在进行动物盯梢项目,并致力于支撑世界动物盯梢数据规范化。

  全球海洋酸性观测网络用于记载远海、滨海和河口环境中海洋酸性的情况和发展,了解海洋酸性对海洋生态体系的驱动力和影响,并供给必要的时空分化生物地舆化学数据以优化海洋酸性的建模。他们经过全球海洋酸性观测网络和全球海洋酸性观测网络数据浏览器重视海洋酸性活动,数据浏览器供给对海洋酸化数据和数据组成产品的拜访和可视化,这些酸化数据和数据组成产品是从全球范围内各种来历搜集的,包含系泊设备,科研巡游船和固定时刻序列站。现在,全球海洋酸性观测网络恪守全球海洋观测体系数据准则,其全球数据门户网站是在美国归纳海洋观测体系数据门户网站的根底上树立的。

  地球观测小组的海洋生物多样性观测网络(MBON)优先考虑海洋生命的观测以满意特定用户的需求,一起也为归纳继续生物观测进步了功率和时机,并开发将生物学观测与物理和生物地舆化学观测相叠加的产品,以描绘生态体系的影响改动日子社区。在滨海海洋监测中还开发了其他一些具有本钱效益的仪器,例如“摆渡箱”体系和浅水Argo剖面浮标(含氧气和叶绿素a丈量值)。为了进行环境评价,在滨海水域进行了很多的离线进行的化学和生物观测。“浮游生态体系全球共同化定量观测”体系可经过离散水样、网状拖曳、接连浮游生物记载仪(CPR)和卫星海洋色彩等多种办法,以获取更大价值的时机,特别是在与生物地舆化学和生态体系建模办法合作选用时。

  全球海洋观测体系的扩展涵盖了生物根本海洋变量、大陆架和滨海海洋体系,而海洋生物地舆信息体系旨在为科学、维护和可继续展开供给有关海洋生物多样性的全球敞开数据和信息交换所。高频雷达、海洋滑翔机、动物符号和盯梢,“摆渡箱”和Argo浅水剖面浮标,未来将作为全球海洋观测体系中的观测要素研讨。在未来,物理-生物地舆化学观测体系、海洋酸性观测网络和海洋生物多样性观测网络的树立,关于完成跨区域、集体和技能的新合作所供给的时机至关重要。