气象水文海洋观测技术与仪器发展报告

气象篇

第1章 概述…(1)

第2章 气象观测技术…（14）

第3章 气象仪器与装备…（87）

第4章 气象仪器保障技术（153）

第5章 气象仪器发展趋势…（206）

参考文献…（213）

附录1 气象仪器计量检定规程一览表…（216）

附录2 有关国家计量技术规范一览表…（218）

附录3 气象国家标准一览表…（219）

附录4 气象行业标准一览表…（221）

水文篇

第1章 概述…（1）

第2章 水文监测技术…（10）

第3章 水文仪器和装备…（43）

第4章 水文仪器保障技术…（121）

第5章 水文监测技术与仪器发展趋势...（139）

参考文献...（146)

附录A 水文仪器系列型谱...（147）

附录B 水文标准体系表...（152）

海洋篇

第1章 概述...(1)

第2章 海洋观/监测技术...（25）

第3章 海洋观测仪器与装备...（56）

第4章 海洋仪器保障技术...（131）

第5章 海洋仪器发展趋势和建设...（151)

参考文献...（156） 2100433B

海洋监测仪器和技术是伴随着人类从海洋获取“鱼盐之利”、“舟楫之便”发展起来的，涉及机械、电子、能源、材料、信息等多学科交叉，涵盖十分广泛的综合性技术领域，本报告中的海洋监测仪器及技术是指针对海洋环境监、观、勘测的仪器及技术，包括了海洋气象、水文、生态化学、海洋声光物理特性及海洋地质地理勘探类的监测仪器和技术。当前，海洋监测仪器和技术发展的重要方向是，智能化、高适应性、高可靠性和稳定性等，能够适应大洋狂风、巨浪等恶劣灾害环境和海底高压、低温、黑暗等极端环境，达到满足人类大尺度研究和开发利用海洋等各项需求的能力。本报告对我国海洋环境监测仪器及技术领域进行综述，通过国内外本专业领域现状分析总结，对未来10年本领域的发展进行预计，以供本专业领域的科研、应用及管理人员参考。

经过多年的发展我国已建成了包括海洋站、浮标、调查观测船、海监飞机，以及利用国外遥感卫星资料的海洋环境初级监测网，但是和国外发达国家相比还存在着以下两个方面的不足：

1）起步晚，能力弱

我国的海洋科学研究起步较晚，海洋观测能力建设与国际发达国家相比差距较大，观测内容少，精度低，无法满足现代海洋军事活动的需要。观测仅以岸基站常规监测为主，主要依靠国家海洋局的若干观测站、固定浮标以及少量ARGO浮标，以及近年来建立的海底观测网，缺少海上固定式长期海洋综合观测平台，无法满足海洋科学研究长期、连续、实时、多学科同步的综合性观测要求。而美国有基于NOAA的90个浮标、60多个海岸自动观测网以及多源卫星构成的海洋动力环境监测网。

2）时空覆盖范围与监测尺度远远不够

我国有一系列关系国计民生和国防安全的海洋问题亟待研究与解决，但是由于缺少水下观测节点，加之国外遥感卫星资料来源十分有限，因此对第二岛链附近相关海域、台湾周边、南海及重要出海通道的监测能力十分薄弱；缺少水下自主浮动节点，只能观测点、面或某一层次的海洋环境要素，立体探测能力几乎是空白，缺乏重要海域的长期断面观测数据；和海军活动、水下资源开发密切相关的深、远海立体监、探测技术尚处于空白阶段，无法满足我海军走向大洋，成为蓝水海军的需求。未来需要在以下几个方面应加大投入力度：

1）大力发展基于卫星的全球海洋环境探测体系，同时发展基于无人机的区域海洋环境机动探测系统，两者相辅相成，优势互补。

2）建立高密度立体观测网络，从总体上看，国际海洋观测的目标是建立全球联网的立体观测系统，已发展起包括卫星遥感、浮标阵列、海洋观测站、水下剖面、海底有缆网络和科学考察船的全球化观测网络。因此要有针对性地在关键海区建立多参数长期、立体、实时监测网，有效、连续地获取和传递海洋长时间序列综合参数。要加大重要现象与过程机理的强化观测力度，综合运用各种先进的传感器和观测仪器，如将声学、遥感等手段更多地运用于海洋观测，使得点、线、面结合更为紧密，对区域进行有效监控。

3）发挥各行业优势提升科技创新水平，由于海洋监测技术涉及的学科繁多，且一个单位或一个团体又不可能在海洋监测技术各学科都处于领先地位，因此就必须先梳理海洋观测技术核心技术，紧跟该领域世界发展潮流[9～11]，提出一批极具核心竞争力的关键技术，在全国范围内广泛寻找有实力的研究队伍，通过一定的组织形式，将海洋科研院所、高校和军工单位、地方企业有序的联合起来，充分发掘海洋监测技术与其它行业的共性技术，相互借鉴，取长补短，构建一支高效稳定的海洋观测技术科研团队和人才梯队以不断提升海洋观测的竟争力。 2100433B

随着航天和航空遥感技术的发展，航天和航空遥感技术逐渐应用于海洋探测，形成天基海洋环境遥感。天基海洋遥感具有观测范围广、重复周期短、时空分辨率高等特点，可以在较短时间内对全球海洋成像，可以观测船舶不易到达的海域，可以观测普通方法不易测量或不可观测的参量，成为继地面和海面观测的第二大海洋观探测平台，也成为发达国家竭力争夺的海洋高科技之一。近年来，美国、欧洲、日本等航天大国相继制定了相应的海洋发展规划。

海洋观测技术卫星遥感观测

国外已经陆续发射了多颗海洋水色卫星、海洋地形卫星和海洋动力环境卫星。

1）SeaStar卫星

1997年8月，美国发射了SeaStar海洋水色卫星。星上装载有第二代海洋水色传感器，共有8个通道，前6个通道位于可见光范围，7、8通道位于近红外，中心波长分别为765nm和865nm；地面分辨率为1．1km，该卫星现仍在运行。

2）EOS卫星系列

EOS系列中的EOS－AM卫星主要用于陆地和大气观测、物理和化学、气候环境调查。第一颗EOS－AM卫星Terra于1999年12月18日发射。EOS－AM1卫星装载五个主要仪器：中分辨率成像光谱仪（MODIS－N）、先进星载热发射和反射辐射器（ASTER）、多角度成像光谱仪（MI－SR）、云和地球辐射能量系统（CERES）和对流层污染仪（MOPITT）。EOS－PM卫星共计三颗，第一颗EOS－PM卫星Aqua于2002年5月4日发射；EOS－PM2卫星Aura于2004年7月15发射；EOS－PM3于2010年12月发射。

EOS－PM卫星装载的仪器有：先进的微波探测器（AMSU）、微波湿度探测器（MHS）、云和地球辐射能量系统（CERES）、中分辨率成像光谱仪（MODIS－N）、大气红外探测器（AIRS）、多通道微波成像辐射器（MIMR）。

3）Geosat卫星

1985年3月，美国海军发射了Geosat大地测量卫星，也是一颗海洋地形卫星，星上装载的唯一传感器是一部Ku波段（13．5GHz）的雷达高度计。该卫星以军用为主，用于测量海洋表面有效波高，研究地球重力场、海潮和海面地形等，鉴于卫星轨道误差大（50cm）和数据保密等原因，没有得到广泛应用。1998年2月，美国海军又发射了Geosat的后继卫星GFO－1，运行至今。

海洋观测技术航空海洋观测

航空海洋探测采用固定翼飞机和无人机为传感器载体，具有机动灵活、探测项目多、接近海面、分辨率高、不受轨道限制、易于海空配合而且投资少等特点，是海洋环境监测的重要遥感平台，通过搭载的微波和光学遥测设备，能够实时获取大气海洋环境资料。在军事上，由于无人机可有效减少人员伤亡，得到了广泛应用。典型代表有美国的“全球鹰”、“捕食者”，澳大利亚的Aerosonde等无人机。

海洋观测技术海洋测量船

海洋测量船也叫海洋调查船，是一种能够完成海洋环境要素探测、海洋各学科调查和特定海洋参数测量的舰船，西方早在19世纪后半叶就认识到海洋测量船的作用并开始改装使用测量船。随着社会的进步、科技的发展和军事的需求，海洋测量已从单一的水深测量拓展到海底地形、海底地貌、海洋气象、海洋水文、地球物理特性、航天遥感和极地参数测量，海洋测量船的作用日益突出。

美国拥有的海洋测量船型号多、技术新。1989～1994年短期内装备了6艘现代化测量船（USNS系列）之后，又迅速在两年时间内建造了6艘更先进的5000吨级中远海测量船，每艘船上都装备了浅海回声测深仪、深海回声测深仪、海底浅层剖面仪、浅海多波束系统、深海多波束系统、多普勒声学测流仪、侧扫声呐、全球定位系统、遥控潜水器、重力仪、磁力仪等20多种海洋测量设备和多个测量工作站，可以详尽准确地探测海底地形、海底地貌、海底浅层剖面、海底表层地质等多种要素，在一些中型以上的测量船上还配置有海洋生物和海洋特性等专项调查设备。长期在我国南海活动的“无暇”号是美国海洋测量船的典型代表，其中配有约20名水手，10名技术人员和20名海军人员，装备有大型拖曳阵声纳，可以有效探测和跟踪安静型舰艇，此外，美国海军在航空母舰上也装有先进的测量设备。

俄罗斯的海洋测量船较多，几乎每两三年就造一艘，吨位也比较大，俄罗斯大型测量船常年保持全球海域活动，海洋作业项目是综合性的，主要有海洋测量、救生、地质、气象、水文，生物和化学等方面，搭载的测量设备数量多，但指标和功能一般，不如美、日等国先进。

日本海上自卫队和海上保安厅管辖有20多艘各类测量船，包括“二见”级、“明石”级和“明洋”级等系列，数量位居世界前列，部分由军方管理，部分由地方部门管理。其中“明洋”号装有海底地形测绘系统，通过高频声呐进行海底地形测绘与海底地质探测，配合传感器以及声速仪等测量装备，可快速测量深度与大面积海底地形，建立三维空间海底图像，舰上还配备先进的磁力探测仪，通过水下磁力的对比，就能立刻分辨因潜艇水下活动造成的磁力异常，达到探测敌方潜艇的目的。日本测量船装备的测量设备都很先进，更新速度很快。日本测量船近来频频在周边国家近海出没，主要是探测这些地区海流等情报，这些情报可用作诸如潜艇巡航所需要的水文数据。此外，日本借助测量船成果已出版了1：20万和1：50万的大陆架海底地形图。日本无论是在测量船队的数量上，还是在最新的测量技术上，都努力保持海洋大国的地位。

海洋观测技术浮标

浮标监测分布面广、测量周期长，已经成为海洋和水文监测的主要手段。浮标集计算机、通信、能源、传感器测量等技术于一身，成为科技含量较高的科技综合体。

法国研制出带溶解氧式传感器的新型浮标Provor　CT。该浮标由“法国海洋开发研究所”（IFREMER）与MARTEC集团合作研制，以满足ARGO国际研究计划的需要。最大深度可达2000m，可以预设漂浮深度和时间。浮标通过预先设定的程序，提供所处海洋环境的有关状况，收集有关含盐量、温度和压力的参数。浮标浮出水面之后，通过AR－GOS卫星将数据传出。浮标潜入水中的周期为十天。可以从一艘船上采用一般施放浮标的抛出器向海洋中施放，也可以采用专用的投放箱进行施放。

挪威在欧共体尤里卡海洋计划支持下，研制和开发的SEAWATCH系统主要用于小区域的生态环境监测和预报，配有相应的应用软件，其中使用的TOBIS浮标，带有多种适于生态环境监测的传感器和仪器。

海洋观测技术剖面探测漂流浮标

该项技术是上世纪90年代初的重大成果，它的出现催生了国际“阿尔戈”（ARGO）计划，解决了全球次表层温盐同步观测的难题。美国、法国相继研制了几种剖面浮标，最大设计深度2000m，设计工作寿命4～5年。

“阿尔戈”浮标指用于建立全球海洋观测网的一种专用测量设备。Argo是英文“Array　for　Real－time　GeostrophicOceanography”的缩写，其中文含义为“地转海洋学实时观测阵”。它可以在海洋中自由漂移，自动测量海面到2000m水深之间的海水温度、盐度和深度，并可跟踪它的漂移轨迹，获取海水的移动速度和方向。ARGO全球海洋实时观测网是1998年，由美国、法国和日本等国家大气、海洋科学家推出的一个大型海洋观测计划，设想在全球大洋中每隔300km布放一个由卫星跟踪的剖面漂流浮标（即ARGO剖面浮标），总计为3000个，组成一个庞大的ARGO全球海洋实时观测网，以便快速、准确、大范围地收集全球海洋0～2000m上层的海水温度和盐度剖面资料，有助于更细致地了解大尺度实时海洋的变化，提高气候和海洋预报的精度，有效防御全球日益严重的气候和海洋灾害（如飓风、台风、龙卷风、冰暴、洪水和干旱，以及风暴潮、赤潮等）给人类造成的威胁。

中国Argo计划自2002年初组织实施以来，已经在太平洋、印度洋等海域投放了155个Argo剖面浮标，有78个浮标仍在海上正常工作。