我国海洋资料浮标技术的发展与应用

王军成，厉运周,2*

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，国家海洋监测设备工程技术研究中心，山东 青岛 266061；2.国防科技大学气象海洋学院，江苏 南京211101)

海洋资料浮标(简称浮标)是利用无动力漂浮载体获取海洋环境(水文、气象、生态等)参数信息的无人值守自动观测系统，具有“海洋上的地球同步卫星”“地球气候守望者”“海上天气侦察兵”等称号。针对特定海域水文气象环境定点观测的需要，20世纪中期出现锚系浮标(moored buoy，MB)，后来随着全球大范围海洋环境观测的需要，20世纪末又发展出漂流浮标(drifting buoy，DB)。本文主要介绍锚系浮标，如图1所示，浮标通常被锚泊在离岸较远的海洋特定位置，进行水文、气象等环境要素的现场直接监测，监测数据通过卫星传输到岸基数据接收站，具有在特定海域观测时间长期连续、复杂海洋环境适应性强、观测数据准确度高、无人值守全自动化、兼顾水面水下观测等特殊优点。浮标具有船基监测、岸基监测和卫星遥感等其他观测手段不可替代的重要作用，能够在不同时间尺度上(秒、分、时、天、月、季、年、十年、百年)、各种天气情况下(风、云、雨、雪、雾、霜、湿、雷电、高温、低温等)、复杂海洋水体环境中(波浪、潮汐、海流、腐蚀、泥沙、生物附着、鱼咬、水体污染等)连续获取海上资料，特别是在台风、风暴潮、巨浪、强海流、大风等恶劣环境条件下直接获取具有代表性和实时性的海洋环境过程资料[1]。因此，浮标在海洋环境实况监测、预警预报、防灾减灾、资源开发、海上交通、渔业生产、军事活动保障等方面具有重要作用，可以与遥感卫星、遥感飞机、调查船、水下移动平台等组成海洋立体监测体系。世界主要沿海国家和国际组织极为重视海洋浮标技术的发展[2-3]，目前已建立起了近海或大洋浮标监测网[4-10]，满足海洋的研究、开发、管理、利用等活动的需要。

图1 浮标工作示意图Fig.1 Ocean data buoy

随着人类海上活动的增多及范围变广，为了进行海洋天气预报预警以及与气候变化有关的监测和研究，人们迫切需要获得海洋气象观测数据。而台风、风暴潮、灾害性海浪、海冰、赤潮等海洋灾害对海洋相关活动的影响频繁且剧烈，对海洋的监测已经成为保障海洋经济发展的重要因素[11-12]，准确的海洋灾害预报预警是防灾减灾最有效的方式。海洋资料浮标以其全天候、长期、定点、连续、实时监测等优点，在收集海洋气象实况数据方面起着关键作用，组建的浮标网在国家海洋监测中具有重要的作用[1-4，13]，主要体现在以下几个方面：

(1)在海洋预报及防灾减灾中的作用

海洋资源勘探开发、海上交通、海洋渔业等活动的开展离不开海洋预报的保障，而海洋预报离不开连续、准确、及时的海上实况资料。台风、风暴潮、灾害性海浪、赤潮、ENSO(el nio-southern oscillation)事件、海洋污染等海洋灾害[14-15]往往会造成严重的经济损失和人员伤亡。浮标可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[16]，实现对海洋灾害的提前预警，从而为防灾减灾争取时间。

(2)在维护国家权益中的作用

海洋是战略要地，由于历史和现实利益等原因，世界上有些海域存在较大海洋权益纠纷。在离岸较远的海区维护海洋权益的活动面临着复杂的海洋环境制约，特定海区布放无人值守、全天候、长时间可靠工作的浮标，既是长久性有形存在的象征，同时其获取的监测数据能够对管控、开发等活动提供可靠依据，从而起到维护国家权益的作用。

(3)在海洋经济开发中的作用

海洋资源丰富，随着海洋经济的发展，海上交通、近海养殖、海洋油气开采、海底矿产勘探、海洋波浪能发电、海上风能发电、海洋工程建设等活动持续增多，对海洋环境的实况和预测需求增多，迫切需要浮标获得准确、及时的水文气象资料，保障相关活动或作业施工的开展。

(4)在海洋科学研究中的作用

全球海洋内部时刻发生着变化，且通过大气对陆地上的天气产生重要影响，浮标能够为海洋和大气科学研究提供宝贵的现场观测数据。浮标监测数据为海气交换、海洋环流、北极涛动、厄尔尼诺现象、拉尼娜现象、海洋生物等研究创造了良好条件。

(5)在卫星遥感检验中的作用

海洋卫星遥感是得到海表面大范围监测数据的主要技术手段，如海面温度、电导率、风场、波浪、海流、海上风暴和潮汐等水色及动力要素信息。卫星遥感器得到的是海表面的辐射或散射参数，需根据一定的反演模型、算法才能得到海面要素参数，反演数据的准确性、一致性需借助浮标现场测量数据进行真实性检验[17-18]，从而提高遥感定量化水平和改进反演算法。

1 海洋资料浮标的组成及分类

1.1 海洋资料浮标的组成

海洋资料浮标主要由浮标体、锚系、传感器、数据采集器、通信系统、供电系统、安全系统、浮标检测仪等部分组成[1-2，19]。浮标体包括标体、桅杆(塔架)、小平台、配重等组成部分，与锚系相连，为浮标正常工作提供漂浮浮力，并为水下测量传感器、水上测量传感器、数据采集器、蓄电池等提供搭载支撑。锚系包括锚、锚链、缆绳、浮子等组成部分，连接浮标体和海底，是浮标在不同深度海区长期定点工作的基础，为浮标在恶劣海洋环境下不跑锚、不断链提供可靠支撑。传感器包括气温计、气压计、风速计、湿度计、波浪传感器、海流计等，用于获取水文、气象等各类参数。数据采集器包括各类传感器接口和功能模块，按照一定的时序完成数据的自动采集、处理、存储、传输和控制等功能，是浮标系统的数据处理和控制中枢。通信系统包括天线、通信模块或一体化通信设备，采用卫星、短波、超短波、蜂窝移动通信等无线方式将观测数据传输到陆地数据接收站。供电系统由太阳能电池板、蓄电池组和充放电控制器等组成，为浮标通信系统、数据采集器、传感器等各类仪器设备长期连续工作提供电源。安全系统包括卫星定位系统、避雷针、雷达反射器、雷达应答器、锚灯、开舱检测装置、进水传感器等组成部分，具有浮标移位、防雷、警示、应答、避险、舱门状态预警、进水报警等功能。浮标检测仪包括各类检测应答接口，用于对浮标进行设置、调试和检测。我国研制的大型海洋资料浮标组成示意图如图2所示。

图2 海洋资料浮标组成示意图Fig.2 Components of an ocean data buoy

1.2 海洋资料浮标的分类

海洋资料浮标按照不同的分类方法，具有不同的名称，通常按照应用需求、浮标体结构形式、锚泊方式、浮标体尺度(尺寸)测量功能等进行分类[1-2]。

按照应用需求，浮标分为通用型和专用型。通用型浮标测量的环境参数多，能够满足对布放海域水文、气象、生态环境的综合监测；专用型浮标对某个或某类海洋环境参数进行测量(如波浪浮标、水质浮标、核辐射浮标、海啸浮标、海气通量浮标等)，可实现对特定海域特殊海洋环境的重点监测。

按照浮标体结构形式，浮标分为圆盘形、球形、船形、柱形等类型。圆盘形、球形浮标具有结构对称、机械强度大、有效空间和利用面积大、随波性好、抗沉性好等特点；船形浮标具有体形线性好、重量轻、运输拖曳方便、抗风浪流的能力强、不易倾翻、适于在强海流的海区工作等特点；柱形浮标具有吃水线深、水动阻力大、升沉横摇运动稳定性好、不易倾翻等特点。

按照锚泊方式，浮标分为锚系型和漂流型。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[20-22]，具有体积小、重量轻、布放机动灵活、成本低、工作可靠性高等优点，适合在全球海洋大规模投放，进行海洋环流、气候变化等监测和研究。

按照浮标体尺度，可以分为大型、中型、小型等不同类型。浮标尺度越大，其稳定性越好、更不易倾覆、抗破坏性和抗恶劣海况的能力更强，但浮标的设计难度更大、建造价格更高、周期更长，运输、拖航、布放回收难度也会更大。为保障浮标在海况特别恶劣海区正常工作，可以研制、布放一定数量的大型浮标；根据成本控制、布放回收的方便，在海况不太恶劣海区，可以考虑布放中小型浮标。

按照浮标测量功能，可分为气象水文监测浮标、水质浮标、波浪浮标、光学浮标[23]、核辐射监测浮标[24]等类型。根据搭载的测量传感器不同，浮标能够实现对海洋水文、气象、生态、光学等环境参数的测量。海洋水文参数主要有水温、盐度、波高、波周期、波向、流速、流向、透明度等；海洋气象参数主要有气温、气压、相对湿度、风速、风向、辐射、降雨量、能见度、云高、云量等；海洋生态参数主要有叶绿素含量、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、化学需氧量、放射性物质含量等；海洋光学参数主要有向下光谱辐照度、向上光谱辐亮度、海面入射光辐照度、向下光谱辐照度漫射衰减系数、向上光谱辐亮度漫射衰减系数等。

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；船形浮标，同时也是通用型、锚系型、中型浮标；而大型、中型浮标，同时也是通用型、圆盘形、锚系型浮标。目前我国浮标已经发展出了十几种类型，形成了系列化浮标。

图3为我国研发的系列化浮标，大部分为锚系型，已经在我国渤海、黄海、东海、南海广泛应用，并布放到北极及印度洋等相关海域。

图3 系列化资料浮标实物图Fig.3 Serialized data buoy physical map

2 海洋资料浮标的主要理论及技术体系

海洋资料浮标涉及力学、系统理论、材料学、机械设计技术、传感技术、微电子技术、计算机技术、通信技术、可靠性技术等多学科的交叉、集成，主要由锚系、浮标体、电子系统(传感器、数据采集、通信、供电)等部分组成。浮标体是锚系和电子系统的浮力载体，锚系是浮标系统定点工作的基础，电子系统是获取海洋资料的关键，这三者是浮标总数效能中最重要的三个部分，任何一个部分的失效，都会造成整个系统的失效。浮标所处的工作环境极为恶劣，面临气象、水文、生态等环境参数多、变化范围大、冲击强度剧烈、持续作用时间长等特点，这就要求浮标在设计时需充分考虑测量范围、测量精度、浮性、稳性、抗沉性、风载荷、波浪载荷、海流载荷、结构形式、密封性、可靠性等因素，才能保证浮标系统的正常工作。

海洋资料浮标工程具有严重的非线性、内外部随机扰动、结构和参数的不确定性和时变性。复杂系统理论为浮标的研制、技术改进及应用维护提供了必要的分析方法和解决思路。图4为海洋资料浮标以复杂系统理论为基础的理论和技术体系[1]，理论体系具体细分为浮标力学理论、系留索力学理论、海洋动力环境浮标监测理论3部分；技术体系主要包括信息处理技术、软测量技术、传感器及弱小信号处理技术、通信技术、可靠性设计及相关技术、海洋资源浮标观测网络技术6部分。

图4 海洋资料浮标理论技术体系Fig.4 The theory and technology system of marine data buoys

2.1 理论体系

2.1.1 浮标力学理论

浮标力学理论分为自由浮体静力学、自由浮体动力学和约束浮体水动力学。自由浮体静力学主要研究不受约束的自由浮体在流体中所受浮力、完全浸没在流体中的静力平衡、水面浮体静力平衡，是确定浮体浮心位置、稳心位置并分析其受外力作用稳定的理论分析基础，对于设计出在任何海况条件下不发生倾覆的浮标体提供理论依据。自由浮体动力学主要研究自由浮体对波浪激励的动态响应，包括浮标在简谐波中的升沉运动、纵荡和横摇，当波浪的频率接近浮标固有频率时，浮标将发生谐振，浮标升沉振幅、横摇角将变得很大。约束浮体水动力学主要研究分析浮在水面的浮体所受平滑流体表面摩擦阻力即流体阻力与流体密度、速度、浸湿表面积的关系以及浮体在振动流体中所受惯性力与阻力的关系，对于浮体几何形状与特性尺度确定、浮体与海底锚系方法选择以及浮体海上拖航速度确定等具有重要理论指导意义。

2.1.2 系留索力学理论

系留索力学理论分为系留索静力学和系留索动力学。系留索静力学主要研究稳态条件下流体对系留索的负荷及其产生的影响，可以从单点系留索和多点系留索两种情况进行研究，为预知系留索的几何形状和应力沿系留索的稳态分布提供理论基础。系留索动力学主要研究系留索对波浪激励的响应，可以预知波浪动力激励沿绳索的幅度和分布以及研究谐振的条件，当波浪与系留索产生谐振会使系留索产生巨大的位移，从而引起系留索承受很高的受力峰值负荷或绳索松弛，造成跑锚或系留索结构疲劳甚至断裂。

2.1.3 海洋动力环境浮标监测理论

海洋动力环境浮标监测理论是山东省科学院海洋仪器仪表研究所根据海洋动力环境、环境特征监测而进行浮标设计的一个理论体系，主要包括基于波浪理论的浮标系统随波性分析、动力分析技术、软测量技术等，为研制系列化、工程化、随波性好的海洋监测浮标提供必要的理论支撑。

2.2 技术体系

2.2.1 信息处理技术

信息处理技术是指可以扩展信息功能的所有技术，包括信息的变换、监测、提取、识别、传递、控制、分析、处理、存储等。在海洋资料浮标研制过程中，采用了信息熵模型、噪声模型、随机数据以及多源数据处理等方面的信息处理技术。

2.2.2 软测量技术

软测量技术是通过辅助变量来获得对主导变量的最佳估计的数学模型处理技术，其本质上是完成由辅助变量构成的可测信息集(各辅助变量)到主导变量估计的映射。海洋资料浮标开发中采用的软测量方法有回归分析、状态估计、人工神经网络方法等。

2.2.3 传感器及弱小信号处理技术

传感器技术是关于传感器原理、结构、材料、设计、制造及应用的综合技术，是浮标系统获得海洋各类信息的重要手段。传感器直接感受被测海洋环境的气象、水文、生态参数变化，并将变化的被测参数转换成易于传送的物理量。

弱小信号处理技术是通过抑制噪声和提高信噪比，从强噪声中检测出有用弱小信号的一种技术。浮标上的弱小信号处理技术是极为重要且难度较高的关键技术。

2.2.4 通信技术

浮标上采用的信息编码方法主要有发送端数据压缩、接收端数据译码等技术，包括北斗通信、短波通信、Inmarsat-C卫星通信、GPRS(general packet radio service)以及CDMA(code division multiple access)等。

2.2.5 可靠性设计及相关技术

浮标所采取的可靠性设计及技术包括开展可靠性设计(包括建立可靠性模型、可靠性分配、可靠性预计、故障模式和影响及其危害度分析、划分可靠性关键件及重要件等)，提高工艺水平，通过可靠性增长试验改进设计和工艺，进行环境应力筛选，强化可靠性管理等。

2.2.6 海洋资料浮标观测网络技术

海洋资料浮标观测网络技术是实现海洋监测数据共享的基本技术。随着各类海洋资料浮标的广泛应用，在海洋海况预报、海洋气象预报及海洋科学探索等领域的资料数据共享成为一种必然。目前海洋资料浮标观测网络的拓扑结构已形成，可以通过包括卫星通信组网(海事卫星组网、北斗通信组网)、移动通信组网(CDMA、GPRS)以及无线通信组网(地浪、天波等)等方式单独或同时运行来实现。

3 我国海洋资料浮标技术取得的突破和进展

我国近海地处亚洲大陆和太平洋结合处，是大陆和大洋的过渡带，在大陆、大洋、大气三方面的作用和影响下，天气和气候系统较为复杂[25]，一年四季受到热带气旋、寒潮和冷空气、温带气旋等天气系统的影响，容易引起近海狂风、霜冻、雨雪、风暴潮、巨浪等恶劣天气及海况的产生，给浮标的正常工作造成较大的冲击。这就要求浮标在各类环境中适应性要足够强，特别是对于浮标体稳性、抗沉性、随波性、结构强度，锚系抗拉伸拉断强度、尺寸、姿态等，以及电子系统的抗震动、抗冲击等的设计提出了很高的要求。

浮标是涉及学科广泛、技术密集的综合性工程装备，要保证其在复杂恶劣海洋环境条件下正常工作，研制难度大。由于海洋气候特点、不同阶段科技发展水平以及工程技术经验积累等原因，我国浮标技术发展经历了比较漫长的过程。伴随着科技水平的提升和实践经验的积累，我国浮标技术正在走向成熟。

3.1 我国浮标技术发展历程

我国的海洋浮标技术在世界上起步较早，通过不断摸索逐渐走向了满足业务应用的成熟阶段[1-2]。1966年，我国第一台浮标H23诞生，浮标体为艇式，可以测量7个水文气象要素，通过二极管组合器输出莫尔斯码，并由发报机发出，海上通信距离为50 km，当时在近海试运行了27 d。1968年，我国在H23浮标原理样机基础上进行改进，研制出第二台浮标2H23，整机及程序控制电路采用晶体管，当时在海上试验了24 d。1978年，我国研制出第一台大型浮标HFB-1，属于我国第一代大型浮标科研样机，浮标体直径为10 m圆盘形，排水量为50 t，采用三锚固定，主控系统采用了小规模集成电路，可以测量11个水文气象要素，海上通信距离为150 km，当时在海上试验95 d，其中海上连续工作时间58 d。1979年，我国研制出第一个用数字传输的全自动浮标“南浮”1号，浮标体为6 m圆盘形，排水量13 t，控制系统采用单板微处理机取代小规模集成电路，测量12个水文气象参数，通信距离500 km，当时海上试用13个月，其中海上连续工作时间90 d，属于第一代向第二代过渡的科研样机。1983年，我国研制了科研样机“科浮”2号，浮标体直径为5 m圆盘形，排水量13.58 t，测量要素12个，通信距离1000 km，海上试用4个月，也属于第一代向第二代过渡科研样机。1984年，在HFB-1浮标基础上改进研制出HFB-1A浮标，将原来分立元件改为小规模集成电路，对电子仪器系统进行了可靠性设计，海上试用连续工作325 d；1986年，在HFB-1A浮标基础上改进研制出HFB-1B浮标，三锚改为单锚固定，增加了测波项目，测量要素11个，通信距离400 km，海上试用3年，海上连续工作时间351 d，是当时国内海洋浮标海上连续工作时间最长、获得海洋水文气象资料最多的浮标系统，浮标可靠性的提高，使我国浮标从试验阶段进入实用阶段。1987年和1989年，我国自行研制出自动化程度高、实用的大型海洋资料浮标FZF2-1，又称Ⅱ型海洋资料浮标，浮标体为10 m圆盘形，排水量52 t，单锚固定，数据采集系统采用CMOS 低功耗微机，测量要素9个，通信距离400 km，海上连续工作时间500余天，浮标综合技术性能和指标处于国内领先水平，达到了20世纪80代初期国际水平，属于我国第二代大型浮标。1989年，我国研制了第一台小型资料浮标FZS1-1，浮标体为3 m圆盘形，排水量3 t，单锚固定，数据采集系统采用CMOS 低功耗微机，测量要素9个，通信距离150 km，海上试用80 d，整机性能达到20世纪80年代国际同类产品水平，填补了我国小型资料浮标空白，属于我国第一代小型浮标。1990年，我国研制了第一台深海浮标FZS2-1，浮标体为10 m圆盘形，排水量54 t，倒S单锚固定，布放水深4000 m，数据采集控制及通信系统沿用FZF2-1浮标，测量要素15个，国内首次采用太阳能复充蓄电池供电方式，通信距离600 km，海上试用332 d，海上连续工作时间75 d，属于我国第二代大型浮标。1992年—1994年，我国对原FZF2-1浮标系统(不包括浮标体及锚系部分)进行改进，研制了FZF2-2浮标系统，显著提高了可靠性和测量准确度，实现了当时我国海洋资料浮标网大型浮标设备、结构、软件的统一标准化，国内首次应用大容量固态存储器代替数据磁带机，使用ARGOS卫星传输数据，浮标在技术性能、工作可靠性、实用性、数据准确性和回收率等综合性能处于当时国内领先地位，达到了20世纪80年代末国际先进水平，3套浮标海上业务应用7 a。1995年—1996年，我国利用FZF2-2浮标技术对FZS2-1浮标的数据采集、控制、通信、传感器、岸站系统进行重新设计后，研制成功FZF2-3海洋资料浮标系统，国内首次应用INMARSAT-C海事卫星通信，彻底解决了我国浮标信息接收率低的问题，实现了2套南海深海浮标长期业务运行，填补了我国南海海域无浮标的空白。1997年—1998年，我国利用FZF2-3浮标技术对两台FZS2-1浮标技术改造，采用工控机作为主控微机统一传感器等部件接口，系统具有故障诊断和自测试功能，实现了东海海域的业务监测。1999年，我国研制了第一台深海船形浮标XHZ01，浮标体为船形，排水量10 t，采用倒S单锚固定，数据采集系统采用工控机，测量要素9个，通信距离1500 km，布放于我国南海海域试用了1 a。2001年，我国研制了FZF3-1浮标，浮标体为为10 m圆盘形，排水量52 t，单锚固定，数据采集系统改用工控机，海上连续工作时间18个月，测量要素10个，通信距离600 km，是我国第三代大型浮标，成为我国海洋资料浮标网主力浮标，满足了海上业务应用需要。2008年，我国研制了第四代大型浮标FZF4-1，浮标体为为10 m圆盘形，排水量52 t，单锚固定，测量要素20余个，海上连续工作时间2 a，成为我国海洋资料浮标网主力浮标。

3.2 我国浮标技术突破与进展

浮标观测要实现长期、稳定、可靠的业务化运行，需要在诸多方面进行技术突破[26]。我国自“七五”以来的多个国家和省部科研计划都对海洋资料浮标领域进行资助，目前已经在多个方面取得了多项突破。

3.2.1 平台基础技术突破

山东省科学院海洋仪器仪表研究所多年来在海洋资料浮标技术方面进行研究，相关技术的突破为我国海洋资料浮标观测网业务化运行提供重要技术支撑和业务保障。该所从浮标的抗恶劣环境、多通道通信、远程维护、深海系留等关键技术入手，逐步解决了浮标长期运行的稳定性和可靠性问题，使国产浮标的性能得到大幅度提高，并且研制了系列化的海洋环境观测浮标。

3.2.2 观测数据的长期连续性、准确性、稳定性突破

研制可靠性高、兼容性强的海洋资料浮标双机并行控制系统，是提高浮标及浮标观测网长期观测数据连续性、准确性和稳定性的有效措施。

图5 双机并行控制系统框图Fig.5 Two-machine parallel control system block diagram

图5为山东省科学院海洋仪器仪表研究所设计的双机并行控制系统结构。该系统采用低能耗、高可靠性、模块化、开放性的设计，在数据处理上采用了新的算法，双采集处理器连接两套观测设备独立进行采集、控制、存储、通信等工作，双机之间数据共享，提高了浮标监测数据的连续性和可靠性。图6为浮标双机并行控制系统实物图，两套系统结构、运行软件、电路相同，并列安装在仪器舱内。两套系统分别连接两套独立传感器，均按照各自的时序独立工作，通过串口共享数据与读取对方状态；都具备存储功能，可以存储采集数据；都具备独立的通信传输系统如CDMA、GPRS和北斗卫星通信等方式传输数据，可以同时进行数据发送。

图6 双机并行控制系统实物图Fig.6 Physical map of a two-machine parallel control system

3.2.3 检测传感新方法突破

随着技术的不断进步，对环境参数的要求也越来越高，传统的测量方式已经不能满足需求。传感器的测量要素种类、参数范围、测量精确性需要不断提高，如波浪测量除需要测量波高外，还需精确测量波向。随着海洋开发的进行，海水富营养化、海洋污染加剧，海洋生态监测传统上采集海水样品到实验室检测分析已不再满足需要，因而亟需研究新的检测传感方法解决现场测量难题。

针对浮标对海洋生态参数监测功能的不足，提出用超声波、紫外光协同臭氧消解光度法测量水体中总氮总磷和流动注射臭氧氧化方式、臭氧氧化紫外扫描光谱积分方式测量总有机碳等方法，研制了检测总磷总氮、总有机碳、营养盐等多种传感器。如图7所示，通过自动取样、自动测量等方法实现对海洋生态多参数的现场实时监测。

图7 总氮总磷测量仪样机Fig.7 Meter machine of total nitrogen and phosphorus

针对浮标复杂运动状态下风场精确测量的难题，提出结构、算法更加简洁的四面体三维风场声学测量方法。如图8所示，用4只声学探头组成测风四面体，通过两条水平面内路径上的风速分量合成二维风速，进而合成三维风速矢量。如图9所示，由于浮标运动会造成浮标测风仪测量到的风速参数Fwind存在误差，通过建立浮标运动风观测坐标模型，其中x,y,z为地球坐标系，x1,y1,z1为浮标运动坐标系，N为电子罗盘测量的地磁北向，开发了基于俯仰角(θ)、横滚角(φ)、偏航角(ψ)等姿态参数精确监测风场修正补偿的测量技术，解决浮标现场风高精度测量的难题。

图8 测风传感器Fig.8 Wind sensor

图9 浮标运动平台风观测模型Fig.9 Buoy motion platform wind observation model

针对浮标波向测量的难题，提出数字加速度计式波向测量方法，研发了波浪测量仪，如图10所示。基于水质点运动理论，建立波浪测量模型，采用全数字化的数据处理技术，对波浪运动中产生的三维加速度信号进行同步数字积分实现对波高的测量,并利用浮标的水平运动实现对波向的测量[27-28]，克服传统机械平衡方式结构复杂、模拟积分稳定性差的不足，填补了国内大中型浮标中波向测量的技术空白。

图10 波浪浮标及其测量系统Fig.10 Wave buoy and its measuring system

3.2.4 传统浮标体结构设计突破

目前大型浮标是海洋业务化监测最常用的长期现场观测平台，具有抗环境冲击能力强、倾覆概率小、海上工作寿命长和在位率突出的优势。但大中型浮标的浮标体结构尺度大，给制造、安装、布放、回收带来极大的不便。鉴于大型浮标只能依靠船舶拖运，存在成本高、时间长、难度大等问题，且受陆路运输条件限制，在改变传统浮标体结构，保持原来浮标体尺度不变前提下，设计新型的浮标体，使其便于运输、现场安装、布放成为一项需要突破的重要技术。

山东省科学院海洋仪器仪表研究所在国内首次研制了拼装式海洋浮标体，如图11所示。针对拼装式浮标[29]在大风大浪等恶劣海况下的拼接点抗冲击、抗疲劳等力学结构问题，基于有限元分析方法，建立了浮标受力仿真分析模型，开发了浮标分体模块力学连接技术，设计了拼装式结构的浮标体。该浮标体组装和拆分便捷，通过陆地运输、异地组装缩短了海上运输的时间，节约了运输及布放的成本，突破了传统大中型浮标仅能依赖海运的问题，使浮标在深远海海域大范围布放成为可能。

图11 拼装式大浮标实物图Fig.11 Assembled large buoy physical map

3.2.5 浮标锚系技术突破

图12 浮标锚系系统示意图Fig.12 Buoy mooring system schematic

浮标应用于大陆架浅海监测，海水深度通常为数十米至数百米，但在深海大洋，海水深度通常达数千米。锚系的设计是决定浮标在布放海域定点长期工作的重要因素。海上波浪无时无刻都对链、缆系留索产生动力冲击，极容易使系留索疲劳而造成断裂，造成浮标随波浪、海流漂移从而使定点监测失效。根据浮标布放海区极限环境条件和深度，浅水区采用全锚链的悬链线状锚系，中深水区采用链缆混合的半张紧状锚系，深水区采用倒S形锚系[2]，如图12所示。

随着浮标在深远海观测应用的需要，山东省科学院海洋仪器仪表研究所基于倒S深海锚系结构，采用深水系留水动力建模与计算仿真[30]、缩比模型水池试验相结合的方法优化深水锚系方案，设计开发直读式浮标柔性温盐链监测技术及水下传感器链的快速布放装置，采用高强度、防鱼咬的新型高分子聚乙烯缆绳和深水耐压玻璃浮球等新材料，开发了尼龙缆绳防磨损保护新工艺，突破深远海浮标安全可靠系留技术以及水下传感器链的快速安装与回收技术，解决浮标系泊点抗疲劳及抗冲击、钢制锚链与尼龙缆绳可靠对接、包塑钢缆水密数据转环信号传输等技术难题。

3.2.6 实现系列浮标研发的标准化

山东省科学院海洋仪器仪表研究所历经几十年研究与实践，制定了海洋环境监测浮标行业标准，研发了12种不同规格的系列资料浮标，实现我国浮标自主研发和产业化，为国家海洋浮标监测网提供系列产品。

4 我国海洋监测浮标网的建设及业务化运行现状

“十五”以来，我国资料浮标系统技术不断完善，逐渐实现了浮标的标准化[31]、系列化和产品化，浮标各项技术性能逐渐达到国外发达国家先进水平，具备了大规模业务组网应用的条件。随着国家海洋开发、海洋预报、海洋权益需求增多，以国家海洋局、中国气象局为应用主体的国家海洋监测网快速发展，系列浮标目前已应用于我国从南到北、从近海到远海的浮标监测网。

4.1 我国海洋监测浮标网构成

目前我国海洋监测网上运行的资料浮标主要是“十五”“十一五”“863”计划创新研究及成果标准化定型后的系列化浮标，各种规格和不同功能的系列浮标基本满足我国海洋监测的需求，支撑建成了我国海洋监测浮标网。

我国业务化运行的海洋监测浮标网[32-33]主体用户是原国家海洋局和中国气象局系统所属部门，浮标网每天为海洋环境预报和防灾减灾提供海上监测的实时数据。另外，中国科学院等涉海研究机构、中国海洋石油集团有限公司、海军等相关单位也是海洋监测浮标网的重要用户。

4.2 我国海洋监测浮标网应用

4.2.1 原国家海洋局海洋资料浮标网及中国气象局海洋气象网的应用

原国家海洋局于1985年提出国家海洋资料浮标网建设总体方案[2]，由于当时国产浮标技术不成熟，“总体方案”确定了建设我国第一代浮标网以引进国外技术成熟的浮标为主，第一代浮标网由12个浮标组成，其中8个中型浮标为主、4个小型浮标为辅，并派团分别赴美国、英国引进购买浮标。中型浮标计划购买美国浮标监测网业务应用的船形VE-NOMAD浮标，该浮标是由国家资料浮标中心在原美国海军研制的船形浮标即海军海洋气象自动装置(navy oceanographic meteorological automatic device，NOMAD)的基础上采用价值工程(Value Engineered，VE)理念设计的。由于引进VE-NOMAD浮标失败，最后只引进了6套英国Martex公司直径为2.75 m的圆盘形DS-14型浮标，后来这些浮标在我国近海应用中虽然遭受多次被盗和撞坏，但仍然为海洋预报部门传送了较多水文气象实时观测资料，为保障海洋天气、海浪预报及南海海洋石油开发发挥了重要作用。引进的Martex浮标可通过3种方式得到海上监测资料：通过乘船读取浮标体内磁带记录的连续资料；通过ARGOS卫星进行地面接收，但平均资料接收率只有20%，满足预报时效的更少；通过国际电传从法国ARGOS中心获取预报，但时效差、电传费用太高。虽然数据记录连续完整、数据安全性高，但对于离岸远的浮标往返时间长(恶劣天气、海况下根本无法乘船出海)，因此不能满足预报业务的时效；而且随着时间的推移，浮标传感器等备件维修、更换、检定等保障困难。可见，建设我国海洋资料浮标网靠购买引进国外先进技术浮标是行不通的，这项工作离不开国产自主研制的浮标。

随着“七五”(1986年—1990年)国家重点科学技术攻关项目Ⅱ型海洋资料浮标等的研制成功以及后续对相关浮标的技术改型研制，进入20世纪90年代，我国第二代海洋资料浮标网上常年运行的浮标，只有国产自主研制的FZF系列的直径10 m大型浮标，即FZF2-2型、FZF2-3型共7套浮标[2]。国产浮标故障率降低到3次/年，基本解决了长期可靠运行的问题。岸站卫星资料接收率达到90%以上，扭转了第一代浮标网依靠引进浮标资料接收率低、运行费用高、维护修理难以保障等难题，我国浮标网的建设逐渐进入良性发展阶段。

进入21世纪，随着FZF型等浮标可靠性继续提高、标准化定型，以及系列化浮标发展，2008年以后，原国家海洋局布署建设的海洋浮标网快速发展，进入了大规模业务化应用阶段，到目前已有70余套海洋浮标在海上相关站位工作。中国气象局根据海洋气候观测、海洋气象预报的需求，通过直接利用技术成熟的FZF型浮标，于2008年投资建设了首个大型海洋气象浮标观测站，布放在青岛市奥帆赛区指定海域。之后海洋气象浮标监测网不断发展，目前约有50余套浮标长期在我国近海连续业务化运行。表1所示为我国海洋资料浮标网发展情况。

浮标相继经历了2006年台风“桑美”、2009年“10·29”冷空气浪、2010年台风“鲇鱼”与“狮子山”、2011年台风“梅花”与“纳沙”、2012年台风“布拉万”与“启德”、 2013年台风“菲特”与“天兔”、2014年台风“威马逊”、2015年台风“灿鸿”、2017年台风“泰利”、2018年台风“玛莉亚”等恶劣天气过程的考验，成功获得极端天气过程的实时观测数据。图13为浮标监测到的“菲特”强台风过程中海浪和风速变化情况。

表1 我国海洋资料浮标网一览表

续表1

图13 浮标站观测到的“菲特”强台风过程Fig.13 The “Fit” strong typhoon process observed by the buoy station

4.2.2 中国科学院海洋研究所近海海洋观测研究网络应用

中国科学院近海海洋观测研究网络[9-10]始建于2006年，重点对我国东海、黄海、南海北部海域进行长期定点综合观测，海洋监测浮标是构成该网络的主体观测系统，潜标、调查船、海床基、温盐链等观测手段作为主体观测系统的补充。中国科学院海洋研究所管理着近海观测研究网络，现有在位业务运行浮标共计20余套，主要包括15 m超大型浮标、10 m大型浮标、3 m小型浮标等类型。浮标观测数据每10 min向数据接收站发送一次，每天24 h不间断运行，浮标观测环境要素多于13种。

近海海洋观测研究网络的建成，克服了过去以岸基站常规监测为主、以科考船开展短期海洋调查、缺少海上固定式长期海洋综合观测平台的局面，满足了海洋科学研究长序列周期、连续、实时、多学科同步的综合性观测要求。该网络积累的长期综合性基础资料，为阐明中国近海的长期变化规律，发现新的海洋现象，揭示和预测自然与人类活动双重作用下海洋动力环境、水体环境、地质条件、生态系统的响应，以及原创性理论的创立和海洋环境预测、灾害预警提供了实时监测数据。

4.2.3 地方(省市)海洋浮标网应用

地方(省市)海洋浮标网主要用于地方所属海域海洋灾害应急预警报(冬季大风、汛期风暴潮和海浪灾害、海冰、赤潮灾害)、海洋渔业生产安全环境保障、高分辨率海洋数据预报(高分辨率气象、海流、潮汐潮流、海浪预报系统)、海洋牧场精细化预报、通航安全、重要海上赛事活动等方面。

福建省海洋预报台在福建与台湾之间构建了局部海洋资料浮标观测网络，在位业务运行浮标共计11套，为福建海域海洋监测发挥了重要作用。该网络浮标相继经历了2008年“森拉克”、2010年“鲇鱼”等强台风过程的连续考验，成功获得台风过程的实时观测数据。

另外，在2008年奥运会帆船比赛、2009年全运会日照赛场、2010年广州亚运会和上海世博会、2011年南昌城运会、2012年海阳亚沙会等重大赛事活动中，浮标为赛场气象预报提供数据来源，水上赛场的水文气象监测保障了赛事的顺利进行。在2009年的浒苔灾害中，浮标实时传输水文、气象数据及浒苔图片，为实时掌握浒苔灾情、浒苔漂移路径及有效应对提供了有效支持。浮标为海洋和大气提供了良好观测手段，2012年我国在北欧海布放了海气耦合观测浮标[34]，是国际上首次在该海域布放监测浮标，为研究北极涛动及北极气候变化等提供了长时间连续观测数据。

4.3 我国海洋监测浮标应用与国外对比

当前美国、加拿大、英国、法国、日本、印度、韩国等海洋国家逐步建立了锚系浮标监测网，并已经应用到太平洋、印度洋、大西洋等关键海域，在布放浮标的范围、密度、种类、多参数等方面较为领先，为海洋气象预报、海洋灾害预警、海洋资源开发、海洋工程、海上交通运输以及海洋科学研究等提供服务。海洋浮标从注重长期稳定可靠工作进入到产品化应用、质量控制、全球观测和资料交换阶段。

美国海洋浮标的研制始于20世纪40年代末，50年代海军研制出NOMAD船形浮标，60年代开始将浮标研制纳入国家计划并开始建造12 m直径大型圆盘浮标，1974年成立了世界上第一个也是迄今唯一的国家资料浮标中心(national data buoy center，NDBC)，负责浮标的设计、开发、运营和维护，加快了美国浮标技术的发展，进而使美国的浮标技术及应用规模保持世界领先地位。该中心研发了包含直径12 、10、3、2.4、1.8、1.5 m 的系列化圆盘形锚系浮标和6 m船形浮标，如图14所示。目前NDBC管理着1400多个遍布全球的观测站[4]，其中锚泊浮标超过380个，规模较大的区域监测网[4]有美国NDBC气象海洋浮标网(108个锚系浮标 )、国际合作浮标(总数超过124个锚系浮标，分别为大西洋预测和分析锚系浮标阵列18个浮标、非洲-亚洲-澳洲季风分析预测锚系浮标研究网27个浮标、加拿大环境与气候变化锚系浮标阵列53个浮标、英国气象局18个浮标、韩国气象局8个浮标)、综合海洋观测系统(超过60个锚系浮标)、热带大气海洋观测阵列(55个锚系浮标)和海啸浮标观测网(40个浮标)。

图14 NDBC的系列锚系浮标[4]Fig.14 NDBC series anchor buoy[4]

2000年，日本在西北太平洋引入12个浮标组建三角跨洋浮标网 (triangle trans-ocean buoy network，TRITON) ，与赤道太平洋热带大气海洋(tropical atmosphere ocean，TAO)观测阵列密切合作，TAO阵列因而改名为TAO/TRITON阵列，其与热带大西洋预测和分析锚系浮标阵列、印度洋的非洲-亚洲-澳洲季风分析预测锚系浮标研究网组成了全球热带锚系浮标阵列[7]。全球热带锚系浮标阵列是一项利用锚系浮标大规模、长期监测上层海洋和低层大气的多国合作项目，为气候研究和预报提供实时数据，为世界气候研究计划中的热带海洋全球大气计划在几个月到几年的时间尺度上预测气候现象研究提供观测支撑。

浮标除了满足上述海洋表面水文气象观测的需要，还被用于海底-水下-海表面的立体多平台综合观测。2009年，美国国家自然基金(NSF)资助了该国海洋科学基础设施历史上规模最大的海洋观测计划(ocean observation initiative，OOI)[5，35-36]，投入资金3.86亿美元。该计划设置了7大观测阵列[5]共计44个锚系浮标，可测量大西洋、太平洋沿海和开阔海域从海底到海平面的物理、化学、地质、生物特性和过程，能够更好地了解气候变化、生态系统变化、海洋酸化、板块地震活动、海底火山以及碳循环等有关地球-海洋系统的关键问题。OOI依托坐底平台、锚泊系统、自主潜航器，在大西洋和太平洋全天候实时或近实时地收集海洋数据，用于观察时间尺度从数秒至数十年、空间尺度从英寸到英里的复杂海洋学过程。锚泊系统提供了从海底到海面之间固定深度及海表面放置传感器的平台，主要包括水下固定深度观测、剖面观测、海表面观测3种类型。表2为OOI观测阵列锚泊系统的数量及布放水深[5]。水下固定深度观测是在水下锚系特定深度布置仪器获取数据，通过声学链路与附近滑翔机通信向海岸数据接收站发送数据；剖面观测是剖面仪沿着系留缆上下移动获取数据，数据可以通过连接的海底电缆传输到陆地数据接收站，或利用海面浮标通过卫星进行数据传输；海表面观测可收集海洋大气交界面数据，具有太阳能和风力发电装置，以及卫星和视距通信天线，图15所示为海表面浮标实物图，图16为海表面浮标组成示意图。

表2 OOI研究阵列锚泊系统数量及布放水深[5]

图15 OOI海表面浮标实物图[5]Fig.15 OOI sea surface buoy physical map[5]

图16 OOI海表面浮标组成示意图[5]Fig.16 OOI sea surface buoy composition diagram[5]

为了在全球范围内提高海洋气象观测、数据管理和服务的效率，世界气象组织(WMO)和联合国教科文组织政府间海洋学委员会(IOC)联合组建了海洋学和海洋气象学联合技术委员会，该委员会下设的资料浮标合作组[6]维护和协调1250多个漂流浮标和400多个锚系浮标网络。浮标通过全球电信系统传输测量到的海面温度、海面流速、气温、风速和风向等数据，这些数据可用于天气和海洋预报和研究，还可用于补充或验证遥感数据和数学模型，有效增加大气和海洋数据的数量、质量、全球覆盖范围和及时性，从而改善全球天气和海洋预报，提高海洋安全。 表3为2019年6月资料浮标合作组统计的世界主要沿海国家通过全球电信系统传输数据的锚系浮标数量。

表3 DBCP通过GTS接收的各国近海锚系浮标资料统计[6]

在我国，海洋监测浮标网业务运行浮标约200套，其中原国家海洋局海洋资料浮标网70套，中国气象局海洋气象网50余套，其他涉海单位60套，成为我国海洋业务化现场原位监测的支柱，构成世界第二大锚系浮标监测网络。我国海洋浮标监测网的浮标种类主要以大型圆盘浮标、中型圆盘浮标、小型圆盘浮标、波浪浮标为主，这些浮标大部分由山东省科学院海洋仪器仪表研究所研制生产，占全国业务化浮标总数的90%左右。

4.4 我国浮标与国外浮标性能参数对比

美国、加拿大、英国、法国、挪威等国家研制海洋资料浮标开始时间较早，浮标技术随着应用的增多不断得到提高，代表了世界浮标技术的先进水平。表4为我国浮标与美国、加拿大浮标典型参数的对比[3，32]，从表中可以看出，我国在业务浮标种类、运输方式、通信方式等方面较美国、加拿大浮标选择灵活性更多，在数据接收率、锚系水深、年故障次数等方面较为一致。

表4 我国浮标与国外浮标典型参数比较

对于环境特别恶劣的海区，浮标的稳定性和可靠性是浮标正常工作极为重要的性能因素。美国在20世纪70年代曾发生1个直径12 m和5个直径10 m圆盘形浮标倾覆，2005年又有1个直径12 m的圆盘形浮标倾覆，造成对海上飓风这一重大灾害性天气过程资料获取的中断[2, 37-39]。我国大型浮标业务监测应用以来虽然也经历多次超强台风(浮标曾在海上测得最大风速74 m/s、最大浪高19 m)的考验，没有发生过浮标倾覆的情况，浮标性能稳定可靠，能够在恶劣海洋天气条件下不间断传输观测数据，表明我国大型浮标在稳定性和可靠性方面在国际上技术优势突出。

海洋环境各类参数时刻处于变化中，且变化范围大，要求浮标传感器的测量范围要足够宽，能够涵盖并超过环境参数极限变化范围，且测量结果尽可能接近环境要素真实值。因此，测量范围和准确度是资料浮标观测极为重要的指标，也是海洋浮标技术水平的重要标志。表5为我国浮标主要观测参数在测量范围和准确度两项指标上与国外浮标的对比[3，32]。表中可见，我国浮标在水文、气象类环境要素的测量范围和准确度方面与国外浮标基本一致，但在生态环境要素监测方面差异较大。除了测量范围和准确性，可靠性、环境适应性也是浮标的重要指标，决定着浮标在恶劣海洋环境工作寿命的长短，文中不再进行比较。

表5 我国与国外浮标主要观测参数标对比

5 总结与展望

目前，国外发达国家在全球海洋关键海域建立了大规模的浮标监测网。随着我国海洋事业的发展，也必然会面临深远海综合海洋环境监测新的需求。我国现有海洋浮标技术主要适用于近海海域，在深远海的观测方面还比较薄弱，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，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，在当前主要观测海洋表层水文参数和海表面气象参数等基础上，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[40]，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全球海洋立体实时监测浮标技术和产品。

我国未来海洋资料浮标技术发展需在智能化感知和信息挖掘[41]、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[42]、锚泊剖面观测浮标[43-50]、浮标数据质量控制[51-53]、浮标数据共享[54]等方面进一步开展工作，以使浮标更好地满足天气和海洋预报、遥感数据和数学模型检验、全球海洋环境监测等需要[55-62]。

海洋锚系浮标作为海洋环境综合观测平台，未来将与移动平台、海底平台、天空基平台等观测手段的互补性、互联性、协同性更加密切，从而构建多手段协同、网格化观测、高时空分辨率等多功能于一体的综合观测系统。随着智能化技术和无线实时通信技术发展，未来不同平台及组成的观测网将从自动化向智能化的方向发展，实现海底-水下-海洋表面-低空-高空的立体、综合、智能感知。

海洋气象观测具有全球性，我国应在不断加强浮标技术进步的同时，通过自主实施全球海洋立体观测、海洋-大气自然科学研究计划及参与国际性大科学计划等，在全球关键海域如菲律宾以东的洋面建设浮标观测网，这里是台风的重要源地，每年都有一定数量的台风生成，对我国沿海地区产生重要影响。利用全球海洋观测应用能够提升浮标观测技术与仪器的发展，同时也可以提升海洋气象预报和基础研究水平。

另外，为保障全球海洋浮标观测网建设，我国应借鉴国外发达国家经验，优化资源配置，强化建设浮标研究设计、制造、检验、工程应用、运维、数据质量控制等的国家级高水平海洋浮标科研体系，增强全球海洋浮标监测保障能力。