海洋氣象探測基地—浮標(biāo)

黃飛龍，呂雪芹，陳 剛

（廣東省大氣探測技術(shù)中心，廣東 廣州 510080）

海洋氣象探測基地—浮標(biāo)

黃飛龍，呂雪芹，陳 剛

（廣東省大氣探測技術(shù)中心，廣東 廣州 510080）

浮標(biāo)是海洋氣象探測的前沿陣地和堡壘。文中分別對海洋浮標(biāo)探測系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)做了詳細(xì)介紹。其中探測系統(tǒng)對常規(guī)氣象探測傳感器的原理和常規(guī)水文探測傳感器的原理進(jìn)行介紹；通訊系統(tǒng)介紹了浮標(biāo)常用的幾種通訊方式和各自的優(yōu)缺點(diǎn)；供電方面介紹了儀器用電限制以及太陽能供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。從特殊觀測環(huán)境的角度分析了海洋環(huán)境對浮標(biāo)系統(tǒng)各個(gè)部分的特殊要求。最后結(jié)合汕尾浮標(biāo)運(yùn)行情況，從系統(tǒng)使用和維護(hù)的角度，對浮標(biāo)進(jìn)一步完善提出建議。

海洋氣象；浮標(biāo)；海洋探測

1 海洋氣象探測的現(xiàn)狀

海洋天氣預(yù)報(bào)所需要參考的數(shù)據(jù)主要來自氣象衛(wèi)星云圖。近十幾年來，沿海天氣雷達(dá)的建設(shè)密集布點(diǎn)，探測范圍可以覆蓋近海數(shù)百公里的區(qū)域，提供了區(qū)域性的高空氣象資料。近幾年來，為了更好地向社會(huì)提供沿海氣象預(yù)報(bào)與氣候變化服務(wù)，海洋氣象事業(yè)發(fā)展得到了高度的重視，沿海建設(shè)了大量的海島自動(dòng)氣象探測站，廣東省沿海就建設(shè)了約20個(gè)。海島自動(dòng)站為監(jiān)測臺(tái)風(fēng)與寒流等氣象災(zāi)害提供了寶貴的海面氣象觀測資料。但是海島的分布是固定的，某些關(guān)鍵的海域不一定有海島用于安裝探測設(shè)備，其次海島本身對于海流，波浪等海上水文要素具有巨大的影響，并不適合安裝水文監(jiān)測儀器。

海洋氣象資料浮標(biāo)觀測系統(tǒng)是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和海洋氣象監(jiān)測、預(yù)報(bào)的需要而迅速發(fā)展起來的新型海洋氣象監(jiān)測設(shè)備。海洋氣象資料浮標(biāo)觀測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了海洋氣象立體監(jiān)測、海洋氣象全天候監(jiān)測、海洋氣象無人值守自動(dòng)監(jiān)測。還以氣象資料浮標(biāo)的功能、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及要完成的使命與同步衛(wèi)星相似，被氣象學(xué)家譽(yù)為“海洋上的地球同步氣象衛(wèi)星”。因此浮標(biāo)作為方便布點(diǎn)的氣象探測堡壘具有不可替代的作用[1]。

我國從1966年開始起步研制浮標(biāo)，1976年制成具有使用價(jià)值的第一個(gè)大型浮標(biāo)[2]，而氣象行業(yè)使用浮標(biāo)進(jìn)行海洋氣象探測才剛開始。目前，氣象行業(yè)在沿海已經(jīng)陸續(xù)投放了一些浮標(biāo)，其中廣東有茂名，汕尾，汕頭3個(gè)；山東有青島，煙臺(tái)，威海，日照，濰坊等，河北有曹妃甸；浙江有舟山浮標(biāo)；福建則在臺(tái)灣海峽建了3個(gè)海洋氣象浮標(biāo)站。

2 浮標(biāo)的探測系統(tǒng)

海洋氣象資料浮標(biāo)一般分為水上和水下兩部分[3]，水上部分裝有多種氣象要素傳感器，分別測量風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓和溫度等氣象要素；水下部分有多種水文要素傳感器，分別測量波浪、海流、潮位、海溫和鹽度等海洋水文要素。

水上部分的探測系統(tǒng)如圖1，根據(jù)不同的科研需要還可以增加更多種類的探測設(shè)備。

溫度的測量一般是通過一種特殊的電阻--鉑電阻，鉑電阻的電阻值會(huì)隨著溫度的變化而變化。因此，使恒定的電流通過鉑電阻，根據(jù)電壓、電阻與電流的關(guān)系，測量鉑熱電阻兩端的電壓就可以計(jì)算出電阻值變化的大小，從而推算出溫度的變化值。

目前空氣中相對濕度一般是通過濕敏電容來測量[4]。該電容兩極之間的介質(zhì)采用對相對濕度非常敏感的高分子材料，電容值會(huì)隨著相對濕度的變化而變化。通過測量電容兩極間電容值的變化，可以計(jì)算出相對濕度。

圖1 浮標(biāo)水上氣象探測要素

雨量數(shù)據(jù)一般采用翻斗來實(shí)現(xiàn)測量。雨量桶里面設(shè)計(jì)有兩個(gè)精巧的翻斗，一個(gè)翻斗的容量是0.1 mm雨量。每次裝滿一斗就翻過來換另外一個(gè)斗接雨水，翻轉(zhuǎn)的動(dòng)作觸動(dòng)計(jì)數(shù)開關(guān)，采集器就得到信號，記錄0.1 mm。通過不斷的機(jī)械翻轉(zhuǎn)觸發(fā)計(jì)數(shù)器，采集器就可以累記降雨的總量。

紫外線是利用光敏電阻來測量的[5]。首先太陽光通過濾光片，留下特定頻率段的光，它的波長是200～400 nm，這就是紫外線。選用特殊的光敏電阻，它的電阻值會(huì)隨紫外線的強(qiáng)度產(chǎn)生線性變化。通過測量電阻的變化計(jì)算紫外線強(qiáng)度。

能見度可以通過測量大氣消光系數(shù)推算。紅外線發(fā)生器發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線，在它前方的25°～45°散射角內(nèi)接收到的散射光的強(qiáng)度與大氣的消光系數(shù)有某種函數(shù)關(guān)系。因此測量此散射光就可以得到消光系數(shù)，從而計(jì)算出能見度。

氣象監(jiān)測系統(tǒng)采用風(fēng)杯式風(fēng)速傳感器[6]，風(fēng)杯的軸轉(zhuǎn)一周，傳感器上的霍爾元件就感應(yīng)并且輸出18個(gè)脈沖信號，風(fēng)速越大，脈沖信號輸出頻率就越高。采集器通過脈沖信號的頻率計(jì)算出風(fēng)速大小。風(fēng)向的測量則是采用了格雷碼盤和光電電路結(jié)合的方式。風(fēng)向軸每轉(zhuǎn)過一定的角度，帶動(dòng)格雷碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，通過光電電路輸出對應(yīng)的格雷碼，采集器讀出格雷碼就可以知道對應(yīng)的風(fēng)向角度了。

氣壓是采用硅電容壓力傳感器測量的[7]?？諝鈮毫Φ淖兓苯訉?dǎo)致敏感電容的容量變化，通過與參考電容的對比得到變化的大小，然后再經(jīng)過復(fù)雜的補(bǔ)償修正，就可以輸出氣壓的大小了。

水下部分的探測系統(tǒng)如圖2，還可以根據(jù)需要增加水質(zhì)傳感器，溶解氧傳感器等等。

圖2 浮標(biāo)水下探測要素

波浪傳感器可以測量波浪的高度以及變化的周期，它主要是利用了加速度傳感器[8]。加速度傳感器隨著波浪的起伏輸出加速度變化的信號，再經(jīng)過數(shù)學(xué)積分運(yùn)算，得到與波浪起伏高度相關(guān)的信號和方向，然后再推算出波浪的高度和變化周期。我國在測量波浪方面的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)有專家進(jìn)行了詳細(xì)的論述[9]。

電磁海流計(jì)利用了法拉第的電磁感應(yīng)定律[10]。它首先產(chǎn)生一個(gè)人工磁場，將流動(dòng)的海水當(dāng)成運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)體，當(dāng)海水切割磁力線時(shí)，測量海水的感生電動(dòng)勢，然后根據(jù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)體的速度與感生電動(dòng)勢的關(guān)系計(jì)算出海水的流動(dòng)速度。

海流剖面儀是利用了聲學(xué)多普勒的原理測量不同深度的海水的流速[11]。它向海水發(fā)射聲波，聲波遇到水泡、懸浮的顆粒、浮游生物等反射回來，經(jīng)過分析這些響應(yīng)信號的多普勒效應(yīng)就可以得到不同層次的海水的流動(dòng)速度以及流動(dòng)方向[12]。

溫鹽傳感器可以測量海水的溫度，并且通過測量海水的電導(dǎo)率，利用電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系計(jì)算出鹽度。

3 浮標(biāo)的通訊系統(tǒng)

由于浮標(biāo)所處的特殊觀測環(huán)境，浮標(biāo)資料如何可靠地傳輸?shù)椒?wù)器是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)。一般浮標(biāo)的通訊必須考慮多種可靠途徑或者備用方案[13]。

圖3 浮標(biāo)的幾種通訊方式

如圖3所示，遠(yuǎn)海浮標(biāo)可以將資料發(fā)送到通訊衛(wèi)星上，再由衛(wèi)星接收站通過互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送回?cái)?shù)據(jù)庫服務(wù)器。這種方法可靠，但是成本相對高昂一些。離岸邊不遠(yuǎn)的浮標(biāo)能選擇的方法較多，比如使用公眾通訊大型網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS或者CDMA通訊方式。只要浮標(biāo)上的無線通訊模塊能夠登錄到附近的通訊基站，這是成本比較低的一種選擇。缺點(diǎn)是基站信號可能不穩(wěn)定?？亢０兜母?biāo)還可以選擇使用超短波無線電臺(tái)通信，在岸邊建立固定的無線電收發(fā)點(diǎn)直接與浮標(biāo)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。當(dāng)然，還可以使用大容量存儲(chǔ)器將數(shù)據(jù)保存起來，到下一次做維護(hù)的時(shí)候再取回來。

4 浮標(biāo)的供電系統(tǒng)

老式的浮標(biāo)由于供電不方便，節(jié)能是提高工作效率的一種方法，要求浮標(biāo)設(shè)備電壓低，功率小。另外一個(gè)方法是采用間斷采集資料的方法，在固定的時(shí)間啟動(dòng)儀器做數(shù)據(jù)采集，等到數(shù)據(jù)處理完之后就關(guān)閉設(shè)備，等待下一次采集時(shí)間的到來?，F(xiàn)在多數(shù)都是使用太陽能電池板，再配以足夠多的蓄能電池。這樣大大提高了數(shù)據(jù)采集的頻率，基本上小功率儀器都可以做到不間斷采集。如圖4所示，太陽能電池板陣列將太陽能轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)過電源管理模塊給儀器設(shè)備供電，同時(shí)給電池組充電。當(dāng)晚上或者陰雨天氣沒有太陽的時(shí)候，電池組的電能通過電源管理模塊給設(shè)備供電。由于采集系統(tǒng)和傳感器一般使用標(biāo)準(zhǔn)電壓輸入，因此電源模塊可以直接對其供電，如果浮標(biāo)上還有其他交流設(shè)備，則需要通過變頻器先轉(zhuǎn)換成交流電再接入設(shè)備。浮標(biāo)上盡量少用交流設(shè)備，因?yàn)樽冾l器的轉(zhuǎn)換過程會(huì)產(chǎn)生能量損耗。

圖4 浮標(biāo)的太陽能供電系統(tǒng)

5 浮標(biāo)系統(tǒng)的特點(diǎn)以及汕尾浮標(biāo)運(yùn)行狀況

海面潮濕的空氣和鹽分含量，對浮標(biāo)防腐蝕能力提出很高的要求。因此要求所選的儀器在設(shè)計(jì)時(shí)候就要考慮這些因素，而且設(shè)備接線口的密封性要非常好。對于安裝在標(biāo)體艙內(nèi)的設(shè)備，保持干燥和密封有利于保持電路的穩(wěn)定性和可靠性。海上的風(fēng)浪非常多，由于強(qiáng)風(fēng)和巨浪的破壞性是巨大的，因此不但要求儀器具備很強(qiáng)的抗風(fēng)和抗打擊能力，而且儀器設(shè)備的雙備份是必要的，這樣可以使惡劣天氣狀況下的重要數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)閮x器損壞而丟失。維護(hù)成本的高昂對浮標(biāo)采集系統(tǒng)的智能控制和遠(yuǎn)程控制提出了更高的要求。下面是采集系統(tǒng)的功能分布。

圖5 浮標(biāo)采集控制功能分布

如圖5所示，浮標(biāo)采集控制系統(tǒng)常規(guī)的功能有數(shù)據(jù)采集、現(xiàn)場控制、保存資料和通過無線定點(diǎn)發(fā)送資料。維護(hù)浮標(biāo)的時(shí)候很可能會(huì)遇到惡劣的海況，時(shí)間不足或者浮標(biāo)平臺(tái)大幅度搖擺等情況都不允許維護(hù)人員從容檢查、作出判斷，智能系統(tǒng)增加傳感器故障判斷和電源故障判斷，以便登陸浮標(biāo)之前在遠(yuǎn)程作出判斷，登陸之后的維護(hù)更加有針對性。此外還需要強(qiáng)大的遠(yuǎn)程控制命令。岸站通訊中斷恢復(fù)之后可以使用調(diào)用數(shù)據(jù)功能，重新傳輸歷史數(shù)據(jù)，保持接收數(shù)據(jù)的連續(xù)性；系統(tǒng)或者通訊模塊復(fù)位、自檢狀態(tài)等功能有利于判斷系統(tǒng)和子系統(tǒng)的工作狀態(tài)，或者逐步排查故障；校對時(shí)間、設(shè)置發(fā)送頻率和實(shí)時(shí)測量實(shí)時(shí)發(fā)送可以滿足特殊時(shí)段的觀測要求，例如在重要天氣過程增加數(shù)據(jù)采集和發(fā)送頻率；傳感器供電控制可以節(jié)省能耗，也可以防止由于傳感器損壞而發(fā)生短路影響系統(tǒng)運(yùn)行。

汕尾浮標(biāo)使用的是我國新一代FZF3-1型海洋資料浮標(biāo)系統(tǒng)[14]，于2009年6月投放在離岸5 km的紅海灣海域，到2010年11月亞運(yùn)會(huì)帆船比賽結(jié)束，期間提供了很多寶貴的海洋監(jiān)測資料。期間維護(hù)多次：超短波天線損壞2次，其他風(fēng)速風(fēng)向傳感器等也損壞更換過，海洋水文儀器多次需要清理附著的貝類生物和漁網(wǎng)等障礙物。損壞最嚴(yán)重的一次是受臺(tái)風(fēng)“鲇魚”的影響，15 m傳感器平臺(tái)被風(fēng)浪打斷，導(dǎo)致采集控制系統(tǒng)短路停止運(yùn)行；10 m平臺(tái)風(fēng)速風(fēng)向傳感器損壞需要更換；CDMA天線被破壞；海流傳感器被障礙物纏繞導(dǎo)致流速測量值偏低；太陽能電池板損壞2塊。從汕尾浮標(biāo)的運(yùn)行情況來看，系統(tǒng)具有儀器雙備份和多種資料傳輸方式，每10 min發(fā)送資料一次，但沒有提供遠(yuǎn)程調(diào)用資料功能，傳送資料丟失之后沒有提供重新獲取的方法。標(biāo)體抗風(fēng)浪的能力比較強(qiáng)，防腐蝕和電路穩(wěn)定性也比較好，但維護(hù)間隔遠(yuǎn)小于1 a，防生物附著能力不足半年，不滿足海洋氣象對浮標(biāo)的要求[5]，智能控制和遠(yuǎn)程控制功能不完善，不方便遠(yuǎn)程排查故障。為了使浮標(biāo)能夠在更遠(yuǎn)的海域長期穩(wěn)定觀測資料，減少維護(hù)次數(shù)，降低維護(hù)成本，此類型號的浮標(biāo)還需要做更多的改進(jìn)。

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Detection Base for Maritime Meteorology-Buoy

HUANG Fei-long,LV Xue-qin,CHEN Gang
(Guangdong Atmosphere Detection Technology Center,Guangzhou Guangdong 510080,China)

Buoy is an important base in maritime meteorology data collection.The detection system,communication system and power supply system are introduced in detail.Principle of routine meteorological instruments and hydrologic instruments are introduced in detection system,respectively.Frequently-used communication ways on buoy are shown including their advantages and disadvantages.Power supply for devices and solar cell system are introduced then.The special requirements for different parts of buoy are analyzed in special oceanic observation environment.After the application of Buoy in Shanwei area,some proposal is given to improve buoy system from the point of view of operation and maintenance.

maritime meteorology;buoy;hydrospace detection

P715.2

B

1003-2029（2011）04-0046-04

2011-03-12

黃飛龍（1980-），男，工程師，碩士，從事探測傳感器以及自動(dòng)控制儀器研發(fā)工作。Email:chasellong@126.com