海洋是人類生存發(fā)展的新領(lǐng)域，也是各國競爭的關(guān)鍵之地。海洋觀測作為認(rèn)識和經(jīng)略海洋的基礎(chǔ)，其技術(shù)發(fā)展對于提升海洋環(huán)境監(jiān)測能力、強(qiáng)化災(zāi)害預(yù)警預(yù)報水平、增強(qiáng)海洋資源開發(fā)能力、促進(jìn)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展至關(guān)重要，是我國實(shí)施海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的重要保障。

當(dāng)前，我國海洋觀測技術(shù)的主要發(fā)展方向包括：緊跟國際海洋科技前沿，建設(shè)全球海洋立體觀測網(wǎng)和國家近海業(yè)務(wù)化精準(zhǔn)觀測系統(tǒng)，自主研發(fā)海洋環(huán)境監(jiān)測探測技術(shù)與核心裝備。

2025年6月，我國研發(fā)的海氣交互關(guān)鍵層大剖面綜合同步觀測浮標(biāo)系統(tǒng)，成功在南海3500米水深布放。該系統(tǒng)將開展針對復(fù)雜海洋動力環(huán)境及高海況背景下的南海海氣通量和海洋—?dú)庀笏纳鷳B(tài)要素的長期觀測，并獲取綜合同步數(shù)據(jù)。此項(xiàng)目由中國科學(xué)院海洋研究所牽頭，聯(lián)合多家單位，歷經(jīng)近三年研發(fā)完成。

該浮標(biāo)系統(tǒng)的成功布放開創(chuàng)了國內(nèi)外在超3500米水深布放大剖面觀測浮標(biāo)系統(tǒng)的先例。目前，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)接收正常，將為深入了解南海海氣交互關(guān)鍵層提供關(guān)鍵技術(shù)和數(shù)據(jù)支持，為我國防災(zāi)減災(zāi)、海洋環(huán)境安全保障發(fā)揮重要作用。

攻克技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)海洋觀測技術(shù)跨越式發(fā)展

深海（尤其是3500米以上）的長期同步觀測技術(shù)曾是全球性難題。深海錨泊浮標(biāo)是實(shí)時獲取深海大洋長期連續(xù)觀測資料的重要手段之一。我國相關(guān)科研單位（主要以中國科學(xué)院海洋研究所和自然資源部第一海洋研究所為代表）經(jīng)過多年努力，已在西太平洋和印度洋獲得了大洋上層和海氣界面長時間序列的實(shí)時連續(xù)觀測資料，其技術(shù)達(dá)到了國際同類浮標(biāo)（美國ATLAS浮標(biāo)、日本TRITON浮標(biāo)）的先進(jìn)水平。

然而，實(shí)現(xiàn)海洋大氣剖面與水體剖面的大剖面綜合同步觀測，是國際海洋學(xué)界面臨的重大技術(shù)挑戰(zhàn)。海洋大氣剖面觀測需對二氧化碳、溫度、濕度、風(fēng)場等多種海洋參數(shù)進(jìn)行大范圍快速精確測量；水體剖面觀測則要對1000米以淺的水體（水深不超過1000米的海水層）的水文要素（水溫、鹽度、流向、流速）、生態(tài)要素（溶解氧、葉綠素）剖面進(jìn)行連續(xù)觀測。其難點(diǎn)在于小型化低功耗技術(shù)、大數(shù)據(jù)量傳輸技術(shù)及其穩(wěn)定性。若能實(shí)現(xiàn)海洋大氣 - 海氣界面 - 水體大剖面多要素同步觀測，將對我國海事活動保障、海洋能源開發(fā)、海洋防災(zāi)減災(zāi)預(yù)報等起到重要作用。

此次首套超3500米水深浮標(biāo)系統(tǒng)布放成功，填補(bǔ)了國內(nèi)外在大水深、大剖面、大浮標(biāo)觀測技術(shù)領(lǐng)域的空白。該團(tuán)隊創(chuàng)新設(shè)計了適用于深海高海況的高穩(wěn)性浮標(biāo)結(jié)構(gòu)和錨系結(jié)構(gòu)，開發(fā)了海洋量子激光雷達(dá)和海洋微波輻射計等多套先進(jìn)的觀測設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了水上10千米、水下1千米的“大氣 - 界面 - 水下”綜合同步觀測，推動了海洋觀測技術(shù)的跨越式發(fā)展。

技術(shù)突破解析

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浮標(biāo)體：“穩(wěn)如泰山”的設(shè)計

該團(tuán)隊研發(fā)了高穩(wěn)性的浮標(biāo)體，解決了浮標(biāo)觀測系統(tǒng)在高海況下的穩(wěn)定性、可靠性和長期在位觀測能力問題，可適應(yīng)風(fēng)速超過60米/秒，最大波高20米的極端工作環(huán)境。

為此，研究員們建立了浮標(biāo) - 錨系耦合水動力分析模型，對初穩(wěn)性、大傾角穩(wěn)性、極限海況下的穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)以及諧搖幅值等參數(shù)進(jìn)行計算分析，并據(jù)此優(yōu)化浮標(biāo)體結(jié)構(gòu)形式和設(shè)備布置方案。在深水錨系設(shè)計方面，通過收集擬布放站位歷年的風(fēng)、浪、流等環(huán)境參數(shù)，建立有限元計算模型，施加環(huán)境載荷，分析深水系留纜的形態(tài)和受力情況，對關(guān)鍵部位和節(jié)點(diǎn)加密計算，最終研發(fā)出可靠的“耦合纜 - 系泊纜 - 錨鏈”錨系鏈接方案。此外，設(shè)計了倒S型松弛式錨系結(jié)構(gòu)，使浮標(biāo)能安全可靠地布放于超3500米水深站位。

總之，浮標(biāo)體作為觀測系統(tǒng)的載體平臺，其穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)設(shè)計為各觀測模塊發(fā)揮高精度觀測性能提供了保障，是整套觀測系統(tǒng)安全運(yùn)行的“鎧甲”。

2

觀測設(shè)備：?？找惑w同步

該浮標(biāo)系統(tǒng)搭載了自主研發(fā)的兩款海上大氣剖面多參數(shù)遙感設(shè)備，包括用于探測大氣剖面二氧化碳和風(fēng)三維結(jié)構(gòu)特征的海洋量子激光雷達(dá)，以及用于探測溫度和濕度垂直剖面的多波段微波輻射計。陸用同類探測設(shè)備通常體積大、耗能高，要將其搭載于海洋浮標(biāo)上，需解決小型化、低功耗、模塊化、易維護(hù)等技術(shù)難題。為此，研究員們經(jīng)過多年攻關(guān)，進(jìn)行了多次海洋浮標(biāo)模擬實(shí)驗(yàn)，包括安裝測試、功耗測試、通信測試等，最終研發(fā)出適用于海洋環(huán)境的海洋量子激光雷達(dá)和海洋微波輻射計。

海洋量子激光雷達(dá)綜合應(yīng)用差分吸收、銦鎵砷量子探測、偏振探測和多普勒探測等多種先進(jìn)探測技術(shù)，以及脈沖編碼技術(shù)、多發(fā)多收技術(shù)和主動式光纖耦合修正方法等先進(jìn)軟件算法，提升了探測性能，實(shí)現(xiàn)了更遠(yuǎn)距離、更高精度的大氣探測。它對大氣剖面二氧化碳的觀測范圍可達(dá)0 - 1千米，濃度誤差小于10ppm（百萬分率），對風(fēng)場探測的距離超過3千米，風(fēng)場距離分辨率小于30米，風(fēng)速誤差小于0.5米/秒，風(fēng)向誤差小于10度。

海洋微波輻射計以自主研制的地基微波輻射計為基礎(chǔ)，通過選用特定材料、設(shè)計工藝、環(huán)控系統(tǒng)和開發(fā)軟件算法等方法，解決了海上高溫、高濕、高鹽等惡劣環(huán)境下設(shè)備持續(xù)穩(wěn)定工作的問題，并實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜海況條件下的精確探測。該設(shè)備可連續(xù)、可靠、穩(wěn)定地探測海洋大氣溫濕垂直廓線，探測范圍可達(dá)10千米，探測層數(shù)為73層；對大氣溫度剖面探測誤差為0.98K（開爾文）；相對濕度剖面探測誤差為9.54%。

浮標(biāo)系統(tǒng)還可對水下1000米以淺的水體水文要素（水溫、鹽度、流向、流速）、生態(tài)要素（溶解氧、葉綠素）剖面進(jìn)行連續(xù)觀測。該系統(tǒng)突破了水下大深度剖面數(shù)據(jù)的可靠傳輸技術(shù)，采用感應(yīng)耦合傳輸式高精度溫度、溫鹽深、溶解氧儀、葉綠素儀等測量儀，并集成中控系統(tǒng)和聲學(xué)多普勒海流剖面儀（ADCP）作為浮標(biāo)水下觀測系統(tǒng)的觀測設(shè)備。此外，開發(fā)了超高分子聚乙烯纜繩結(jié)合包塑纜形成的新型耦合纜，實(shí)現(xiàn)了水體剖面各要素的連續(xù)觀測和實(shí)時傳輸。

浮標(biāo)系統(tǒng)通過智能數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)將大氣剖面與水體剖面同步觀測數(shù)據(jù)整合壓縮，并統(tǒng)一回傳至岸基，真正實(shí)現(xiàn)了“?？找惑w”的大剖面同步觀測。

3

能源供給：“超長待機(jī)”能力

海洋觀測浮標(biāo)的工作周期受能源供給限制。充足、合理的能源供給方案可保證觀測系統(tǒng)長周期穩(wěn)定運(yùn)行。該團(tuán)隊針對大剖面浮標(biāo)在海上運(yùn)行時的能源供給問題，特別是高海況下實(shí)施大氣、海氣通量以及水體觀測的高能需求，開展了太陽能、風(fēng)能、溫差能和波浪能等多種能源供給方案設(shè)計，旨在研發(fā)適用于高海況下浮標(biāo)平臺的多種類型能源補(bǔ)給與控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)浮標(biāo)大功率、長周期能源供給。

依托中國科學(xué)院海洋研究所黃、東海站現(xiàn)有浮標(biāo)觀測網(wǎng)收集浮標(biāo)布放點(diǎn)的歷史風(fēng)、輻射度、波浪、溫度數(shù)據(jù)，通過模擬仿真確定了供電系統(tǒng)各組件的最佳容量配置。同時，針對蓄電池的特點(diǎn)，設(shè)計了四段式充電策略（涓流充電、恒流充電、恒壓充電、浮充電）以提高電池使用壽命。此外，通過設(shè)計開關(guān)頻率高、反饋環(huán)路帶寬的穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)負(fù)載的快速動態(tài)響應(yīng)。最后，研究員在海上浮標(biāo)進(jìn)行了四種能源供給方式與蓄電池集成試驗(yàn)，確保理論設(shè)計的準(zhǔn)確性。

基于以上研究與設(shè)計，研究員最終開發(fā)出了多種能源采集和優(yōu)化的充放電控制功能，太陽能、風(fēng)能、溫差能和波浪能之間可智能切換，實(shí)現(xiàn)能源的優(yōu)化配給，保證了浮標(biāo)系統(tǒng)的超長待機(jī)。

科學(xué)價值與應(yīng)用

科研：開展深海南海海氣交互研究，助力全球氣候變化模型優(yōu)化。

海洋觀測浮標(biāo)具有船基監(jiān)測、岸基監(jiān)測和衛(wèi)星遙感等其他觀測手段不可替代的重要作用，能夠在不同時間尺度上、各種天氣情況下、復(fù)雜海洋水體環(huán)境中連續(xù)獲取海上資料，特別是能在臺風(fēng)、風(fēng)暴潮、巨浪、強(qiáng)海流、大風(fēng)等惡劣環(huán)境條件下，直接獲取具有代表性和實(shí)時性的海洋環(huán)境過程資料。

值得一提的是，研究員們此次研發(fā)的浮標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)突破，其突出特點(diǎn)包括：能夠在特定海域長期連續(xù)觀測、具備較強(qiáng)的復(fù)雜海洋環(huán)境適應(yīng)性、觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高、實(shí)現(xiàn)全自動化無人值守運(yùn)行、兼顧大氣 - 界面 - 水體觀測等。

在這些優(yōu)勢的支持下，我們可以對我國南海海域的氣象、水溫、水質(zhì)等參數(shù)及特殊的海洋現(xiàn)象進(jìn)行長期觀測和實(shí)時精細(xì)化監(jiān)測。這有助于進(jìn)一步闡明該海域海洋動力環(huán)境多時間尺度變化特征和機(jī)理，研究該海域海氣相互作用、海洋動力過程、生物地球化學(xué)過程、生態(tài)動力過程之間的耦合作用，揭示海洋物質(zhì)通量、初級生產(chǎn)力及生物資源變動之間的關(guān)系，發(fā)展各類海洋要素的預(yù)測模式等，進(jìn)而滿足我國對南?！翱吹们濉⒉榈妹?、報得準(zhǔn)”的需求。

民生：提升臺風(fēng)預(yù)警、海洋污染監(jiān)測精度。

南海是臺風(fēng)發(fā)生頻率較高的海域之一，精準(zhǔn)掌握臺風(fēng)動向是關(guān)系民生的重要技術(shù)。該浮標(biāo)系統(tǒng)獲取的實(shí)時數(shù)據(jù)可同步到相關(guān)氣象部門的預(yù)報模式中，為臺風(fēng)路徑的準(zhǔn)確預(yù)報和預(yù)警提供重要的校準(zhǔn)、驗(yàn)證作用，有效提高對臺風(fēng)路徑預(yù)報的準(zhǔn)確性。該浮標(biāo)系統(tǒng)所獲取的水文參數(shù)數(shù)據(jù)將同步修正該海域水動力環(huán)境數(shù)值模式，對可能發(fā)生的海洋污染物的擴(kuò)散和遷移軌跡進(jìn)行更精準(zhǔn)的數(shù)值模擬分析，預(yù)報污染物的可能影響范圍，為相關(guān)海事部門的決策提供科學(xué)理論支持。

國際地位：標(biāo)志我國深海觀測技術(shù)邁入世界領(lǐng)先梯隊。

該浮標(biāo)系統(tǒng)融合了高穩(wěn)性浮標(biāo)體、傳感器、能源系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)榷囗?xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，重點(diǎn)解決了高海況下的穩(wěn)定性、可靠性和長期在位觀測技術(shù)；建立了浮標(biāo) - 錨系耦合水動力分析模型，優(yōu)化完善了大型浮標(biāo)深海系留設(shè)計；研發(fā)了適用于高海況下的太陽能、風(fēng)能、溫差能、波浪能等復(fù)合型能源供給與綜合管控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了浮標(biāo)的大功率、長續(xù)航能源供給；開展了大型浮標(biāo)智能數(shù)據(jù)采集與控制、數(shù)據(jù)質(zhì)量實(shí)時在線控制、大數(shù)據(jù)量傳輸、主被動結(jié)合的浮標(biāo)安防等系列關(guān)鍵技術(shù)研究，提升了海洋浮標(biāo)的數(shù)據(jù)質(zhì)量與安全防護(hù)能力；突破了海氣通量、水體剖面觀測、空氣二氧化碳觀測等系列關(guān)鍵技術(shù)。該浮標(biāo)系統(tǒng)的成功布放，標(biāo)志著我國深海觀測技術(shù)邁入世界領(lǐng)先梯隊。

未來展望

該浮標(biāo)觀測技術(shù)現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)了垂直剖面觀測的技術(shù)突破，適用于全球范圍的深海研究。以海氣交互關(guān)鍵層大剖面綜合同步觀測浮標(biāo)系統(tǒng)為代表的新型海洋觀測技術(shù)，不僅可為我國深遠(yuǎn)海觀測領(lǐng)域提供技術(shù)支持，更能成為實(shí)現(xiàn)“透明海洋”立體觀測網(wǎng)的重要技術(shù)突破口，為構(gòu)建高精度海洋環(huán)境監(jiān)測體系提供重要支撐。

目前，國外發(fā)達(dá)國家在全球海洋關(guān)鍵海域建立了大規(guī)模的浮標(biāo)監(jiān)測網(wǎng)。隨著我國海洋事業(yè)的發(fā)展，也必然面臨深遠(yuǎn)海綜合海洋環(huán)境網(wǎng)絡(luò)化觀測的新需求，其中水平方向的組網(wǎng)觀測將成為下一階段技術(shù)攻關(guān)的重點(diǎn)。

策劃制作

出品丨科普中國

作者丨王旭 劉長華 王敏 賈思洋 王春曉 中國科學(xué)院海洋研究所

監(jiān)制丨中國科普博覽

原標(biāo)題：《我國突破 3500 米深海觀測技術(shù)！這套浮標(biāo)系統(tǒng)有多厲害？》

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