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“海上哨兵”的创新之路

2020-12-01 11:00:06    来源: 中国自然资源报    作者:王晶

山东省科学院海洋仪器仪表研究所秉承“拼搏、务实、开放、创新”的科研攻关精神,研制的海洋资料浮标系统有效支撑并加快促进海洋环境监测行业的健康发展。

从纯粹的海洋动力环境向包括水质、生态等综合海洋环境监测,从近海向大洋和极区等极端环境监测,从一两个浮标的单点观测向上百个浮标集群组网观测的跨越……五十余载春华秋实,风雨兼程。山东省科学院海洋仪器仪表研究所(以下简称海仪所)秉承“拼搏、务实、开放、创新”的科研攻关精神,研制的海洋资料浮标系统有效支撑并加快促进海洋环境监测行业的健康发展。在助力“海洋强国”建设的道路上,踏实走好每一步。

海洋监测浮标是一种锚定于海上的长期、连续、全天候、自动化海洋观测装备,主要用于海洋业务化环境观测与预报,以及台风、海啸、风暴潮、赤潮等自然灾害的实时监测,是构成海洋环境立体监测网的重要装备。

五十余年来,海仪所在海洋监测浮标行业内打造出了“国家队”的声誉。《中国海洋灾害公报》的数据显示,海洋灾害对我国沿海造成的直接经济损失在十年间降低了数百亿元,这其中浮标组成的监测网络发挥了重要作用。海仪所研制的浮标每天向自然资源部和中国气象局提供数万组海洋水文气象数据,为海洋灾害预警预报提供了不可取代的宝贵资料。

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极地海气耦合观测浮标(2012年布放于格陵兰海)

从“地方队”到“国家队”

上世纪八九十年代,我国仅有几套试验浮标,观测参数少、测量精度低、运行可靠性差。当时海洋浮标已成为我国立体监测网建设“卡脖子”的核心装备。在国家“863”计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金和省部级科技计划等项目的持续支持下,海仪所瞄准我国海洋环境监测迫切需求,针对浮标科技发展的瓶颈问题,历经几十年的发展,突破了浮标用海洋动力环境和海洋生态环境多参数现场高精度测量、系列浮标研制等关键技术,实现了浮标的标准化和系列化,构建了我国海洋监测浮标技术体系,全面支撑了国家浮标网建设及海洋监测的发展。

突破了浮标用传感器研制的关键技术。针对海洋环境监测精细化的新需求,发明臭氧消解光度法、数字加速度计式波向测量等新技术,研制了高湿、高盐、高浊度等复杂环境动力与生态参数稳定、精准测量的浮标用系列新型传感器,极大提升浮标的综合观测能力,使浮标用传感器国产化率从10%提高到70%,扭转了浮标用传感器依靠进口的局面。

创新开发了浮标研制的系列关键技术。针对浮标的可靠性和环境适应性等难题,提出了复杂系统理论的浮标设计理念,开发了新型双机并行控制、深水系留水动力建模与计算仿真、浮标分体模块力学连接等新方法,突破大风大浪海况下抗恶劣海洋环境、高可靠性、深海系留、拼装式浮标等技术瓶颈,浮标平均故障率显著降低,在位可靠运行时间提高了3倍。

构建了我国海洋监测浮标技术体系,研制了12种规格系列浮标产品,形成了我国浮标的系列标准,全面支撑国家浮标网建设。瞄准国家从近海向大洋和极区等极端环境监测的重大需求,研发15米、10米、6米、3米、2.4米、1.5米、0.9米等不同规格系列浮标,功能由常规业务化浮标拓展到专用浮标,从动力环境拓展到生态等综合环境,观测参数由原来不到10种扩展到现在超过20种,并制定系列浮标的行业标准,引领我国海洋浮标技术的发展。

截至目前,海仪所共研制系列浮标200余套,占我国海洋业务浮标网的90%以上,支撑着我国“海洋资料浮标网”和“海洋气象网”的业务运行,在国家海洋与气象环境预报、防灾减灾、海洋维权、科学考察、资源开发等保障中发挥不可替代的重要作用。同时,相关成果已在国际合作中得到应用并产生重大影响,团队带头人王军成研究员被授予国际人类自然生态与安全科学院院士、“金色弗尔图娜”荣誉证书。凭借海洋监测浮标成果,海仪所项目团队及个人获得国家科技进步奖2项、全国创新争先奖状1项、光华工程科技奖1项、山东省科学技术最高奖1项、省部级一等奖3项及国家自主创新产品证书,获得相关发明专利30项,制定行业标准3项,发表论文57篇,出版著作2部,培养了国务院特殊津贴专家3人、全国优秀科技工作者荣誉获得者1人、山东省有突出贡献专家5人。

当今,浮标成为海上极端天气过程最重要现场实时观测手段之一。2014年7月18日,布放南海的浮标抵御了历史上有记录以来南海最强台风“威玛逊”的正面冲击,实时记录了台风经过浮标的天气过程,观测到了74.1 米/秒的最大风速。这是我国有史以来利用仪器在海上现场观测到的最大风速,超过17级以上超强台风评级极限。附近岛屿的陆基测风塔在风速71米/秒时被吹倒,但海上浮标仍在正常工作。

经业内专家鉴定,海仪所研制的浮标推动了海洋环境监测装备的进步及业务化应用,引领了我国海洋浮标技术的发展,总体技术水平国内领先、国际先进,其中大型浮标在极端海况下(风速超过70米/秒)的稳定性和可靠性处于国际领先水平。

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大型海洋资料浮标(1990年布放于东海海域)

从“零”到世界水平

我国海洋浮标的研制工作始于20世纪60年代,“当时我们没有经验,大家都没有做过海洋仪器装备,资料也很缺乏。”海仪所原所长王军成回忆起老一代海仪所人创业的艰难。

1964年,国务院责成当时的第一工业部、中国科学院、国家海洋局在青岛联合组织进行“海洋仪器战役”,两年后,初步取得一批成果。到20世纪70年代末,海洋仪器研制得到进一步的重视。刚刚参加工作的王军成和单位的一些老同事,开始摸索着研究海洋浮标。在海风、海浪昼夜不断地拍打、侵袭中,浮标独自随波沉浮,顽强挺立,为人类“站岗放哨”。巨浪、狂风、盐雾、腐蚀、生物污损,这就是海洋监测装备的工作环境。

面对着很多技术专业的陌生和浮标工作环境的恶劣,海仪所浮标团队没有退缩。经过无数次探索试验后,最终,他们于1989年研制出了我国第一台正式投入业务化运行的大型海洋浮标,并在黄海成功布放。

至今,这台浮标仍在运行。随着技术进步,“内核换了”,浮标性能更进一步提高完善了。2009年,科技部评选“国家自主创新产品”,海仪所研制的海洋资料浮标成为海洋技术领域入选的两项产品之一。

“FZF4-1”孤独地坚守在一望无际的南中国海上。这个形似UFO的“大家伙”,是海仪所研制出的第四代海洋环境监测浮标。

2008年北京奥帆赛浮标项目,被代表着该领域世界水平的国外公司中标,但该浮标仅运行半年就坏了两次。无奈之下,奥帆委随即决定改用我国自主研发的浮标。

“2007年夏天我们把浮标布好,直到2008年奥帆赛结束,设备一直正常运行。”临时“替补”,却完成了“世界水平”胜任不了的任务,这让海仪所研究员李民很自豪。

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奥帆赛小型海洋气象监测浮标(2008年布放于黄海海域)

满足国家重大需要

经过多年攻关,海仪所成功掌握了海洋浮标的关键技术,打破了国外技术垄断。我国在沿海布设的业务化运行的逾百套10米大型浮标,几乎全部为该所研制。

随着国家加快建设海洋强国,对海洋监测提出了更高的要求。浮标的需求数量越来越多,种类越来越广。浮标团队除了精益求精,提高常规业务化浮标的性能之外,还拓展研发了激光雷达剖面观测浮标、极地通量观测浮标、海洋酸化二氧化碳观测浮标等一系列新型功能型浮标。

2012年8月,海仪所研发的首个极地大型海洋观测浮标,随“雪龙”船由中国第五次北极考察队成功实现在北纬70度、东经3度的挪威海布放和长期连续运行。这也是中国首次将自主研发的浮标和观测技术应用于北极海域,并利用大型浮标对海气相互作用进行连续观测,标志着我国自主研发的浮标观测与布放技术达到世界先进水平,对于我国极地科考具有重要意义。

目前,国内外大浮标多数运行在浅海,布放深海大型浮标鲜有先例可循,尤其是在北极圈内布放大型浮标,要面临长达4个月的极夜、无法利用太阳能、极区低温导致传感器冻结以及恶劣海况等特殊问题。

海仪所在全面掌握大型浮标结构体设计、锚系设计、数据采集处理、通信传输等大批关键技术的基础上,刘世萱研究员带领浮标团队针对北极特殊应用环境,开展观测系统极寒防冻技术、太阳能风能多源供电与管理技术、传感器和采集通信系统双机双备可靠运行技术等关键技术和特殊设计,以保障大浮标能够在低温、极夜等极地条件下正常工作。浮标持续获取该海域的海气耦合长期观测数据,为研究北极气候变化作出贡献。

研究表明,被称为“北极涛动核心区”的格陵兰海不仅是影响全球海洋循环和气候变化的重要海域,也是影响中国气候变化的关键海域,而缺乏该海域水文气象数据一直是中国科学家开展气候变化研究的薄弱点。

通过此次在关键海域布放大型海洋观测浮标,中国科学家可以实时获取海洋大气相互作用观测数据,全面了解北欧海在全球海洋循环和气候系统中的关键作用,并应用到气候预报模式中,对于大幅提高中国海洋监测能力、海洋与气候预测水平具有重要意义。此外,通过大浮标获取的数据还将与挪威相关科研机构共享,促进相关领域重大科学问题的解决。

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深海轻型观测浮标(2018年布放于印度洋海域) 图片由山东省科学院海洋仪器仪表研究所提供

服务“一带一路”观测

“21世纪海上丝绸之路”建设需要海洋环境安全保障技术的有力支撑。海仪所抓住机遇,积极开展国际合作,大力推广系列海洋监测浮标产品,致力于与“一带一路”沿线国家共同开展海洋教育、研究和保护。目前,其浮标产品已走出国门,实现了在印度洋及太平洋海域长期业务化运行。为丝路沿线国家提供优质的海上公共服务产品。

2017年起,海仪所与第一海洋研究所合作,在印度洋安达曼海开展海洋环境观测项目研究,为“一带一路”有关国家进行海洋观测提供了我国自主研发的海洋监测浮标装备。2017年10月,海仪所研制的编号为OFS-01浮标成功布放在安达曼海南部海域,布放后浮标正常业务化运行,不断将监测到的气象和水文数据参数实时地发回接收岸站。2019年,海仪所又在安达曼海马来西亚半岛海域成功布放了编号为OFS-02的深海浮标系统。这两套浮标的布放,首次实现了安达曼海水文、气象要素的浮标观测,填补了安达曼海长期原位定点观测资料空白,为该海域的海洋预报和季风监测提供观测数据,这对于通过国际科技合作与有关国家认识海洋变化、保护海洋生态环境、提高海洋防灾减灾能力具有重要意义。

随着我国海洋事业的发展,深远海综合海洋环境监测将会面临新的需求。海仪所将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,在智能化及信息化技术推动下,着力开展智能化综合监测浮标的研发,扩展深海剖面环境参数测量、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、全球海平面测量、水声通信及水下定位中继等的应用,解决当前海洋浮标观测中存在的观测要素少、剖面观测能力差、智能感知水平低等问题,形成我国具有自主知识产权的海洋监测浮标新技术和新产品。

同时,在智能化感知和信息挖掘、传感器标准化、浮标新型材料、低成本深海浮标、极地海冰浮标、锚泊剖面观测浮标、浮标数据质量控制、浮标数据共享等方面进一步开展研究,使浮标更好地满足海洋气象预警预报、海洋防灾减灾、海洋生态保护、海洋卫星遥感数据检验、海洋科学研究等的需要。

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