基于無(wú)人船的大洋中尺度渦觀測(cè)系統(tǒng)展望*

范聰慧 于 非 南 峰 魏傳杰 任 強(qiáng)

(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)境工程技術(shù)研究發(fā)展中心, 青島 266071)

基于無(wú)人船的大洋中尺度渦觀測(cè)系統(tǒng)展望*

范聰慧 于 非①南 峰 魏傳杰 任 強(qiáng)

(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所 海洋環(huán)境工程技術(shù)研究發(fā)展中心, 青島 266071)

中尺度渦在大洋中普遍存在, 研究發(fā)現(xiàn), 其能量比大尺度海洋環(huán)流的能量大一個(gè)量級(jí), 在海洋物質(zhì)能量輸運(yùn)和全球氣候變化中起著重要作用。受觀測(cè)條件限制,目前對(duì)中尺度渦的觀測(cè)主要通過(guò)衛(wèi)星高度計(jì)實(shí)現(xiàn), 只能從海面高度來(lái)推算中尺度渦大小、分布、強(qiáng)度及其伴隨的水體和能量輸送, 而衛(wèi)星高度計(jì)對(duì)中尺度渦垂直結(jié)構(gòu)特征認(rèn)識(shí)不足, 也導(dǎo)致了對(duì)中尺度渦所引起的上層海洋能量、熱量輸送估計(jì)誤差偏大。目前, 對(duì)中尺度渦三維結(jié)構(gòu)觀測(cè)認(rèn)識(shí)不足, 展望未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)基于無(wú)人船平臺(tái)的大洋中尺度渦三維結(jié)構(gòu)自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng), 該平臺(tái)將集成自動(dòng)水下剖面觀測(cè)功能等先進(jìn)技術(shù), 以便觀測(cè)中尺度渦的垂直結(jié)構(gòu)特征及其時(shí)空變化特征, 進(jìn)而系統(tǒng)地認(rèn)識(shí)中尺度渦帶來(lái)的物質(zhì)和能量輸送。

無(wú)人船; 中尺度渦; 海洋自動(dòng)剖面觀測(cè)

海洋中尺度渦是一種以長(zhǎng)期封閉環(huán)流為主要特征, 時(shí)間尺度在數(shù)天至數(shù)月之間, 空間尺度在數(shù)十千米至數(shù)百千米之間的海洋現(xiàn)象(Chelton and Schlax, 1996; 王桂華等, 2005)。中尺度渦在大洋中是普遍存在的, 研究發(fā)現(xiàn), 其能量比大部分海域平均環(huán)流能量大一個(gè)量級(jí)(Chelton et al., 2007)。中尺度渦對(duì)大洋環(huán)流、海洋水團(tuán)分布、海洋能量平衡、熱鹽和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)輸送等都具有重要意義(Chelton et al., 2011; Xiu et al., 2011; Dong et al., 2014; Xu et al., 2014; Zhang et al., 2014b)。根據(jù)旋轉(zhuǎn)方向和溫鹽結(jié)構(gòu)的不同, 中尺度渦可以分為氣旋渦和反氣旋渦兩種。在北半球, 氣旋渦逆時(shí)針旋轉(zhuǎn), 渦中心為上升流, 溫鹽和密度等值線上翹, 水溫較周圍低, 因而又稱為冷渦; 反氣旋渦則順時(shí)針旋轉(zhuǎn),渦中心為下降流, 海面高度比周圍高, 溫鹽和密度等值線下凹, 中心水溫較周圍高, 因而又稱為暖渦(李立, 2002; 程旭華和齊義泉, 2008)。由于海水輻散作用, 氣旋渦中心海面高度比周圍低; 而由于海水輻聚作用, 反氣旋渦中心海面高度比周圍高。因此, 可以用海面高度來(lái)判定海洋中的中尺度渦, 圖1(見(jiàn)文后彩圖)是衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)的海面高度和計(jì)算的地轉(zhuǎn)流場(chǎng), 從圖1中可以看到大洋中中尺度渦無(wú)處不在。

圖1 衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)的海面高度和計(jì)算的地轉(zhuǎn)流場(chǎng)Fig.1 Sea surface height and geostrophic current calculated by satellite altimeter observations

1 大洋中尺度渦觀測(cè)存在的問(wèn)題

自20世紀(jì)90年代以來(lái), 所積累的20多年的全球衛(wèi)星高度計(jì)海面高度資料為學(xué)者研究中尺度渦提供了前所未有的基礎(chǔ)資料。中國(guó)近海的中尺度渦研究主要集中在南海, 且隨著現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料的積累和衛(wèi)星觀測(cè)海面高度資料的應(yīng)用, 南海中尺度渦研究涌現(xiàn)出了大量成果(Chu et al., 1998; Li et al., 1998; Morimoto et al., 2000; Chu and Fan, 2001; Wang et al., 2003; Chen et al., 2010; Hu et al., 2011)。統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果顯示, 南海東北部和越南東部是中尺度渦的高發(fā)區(qū)和南海中尺度渦動(dòng)能的高值區(qū)(Hwang and Chen, 2000; He et al., 2002; Xiu et al., 2010; Chen et al., 2011; Nan et al., 2011a)。李立等(1997)和Li等(1998)利用1994年觀測(cè)數(shù)據(jù), 在南海東北部大陸坡外捕獲一反氣旋型的黑潮分離流環(huán), 該流環(huán)為中心位于21°N, 117.5°E, 直徑約為150km, 垂直尺度超過(guò) 1000m 的反氣旋, 其近表層流速接近1m/s。王胄和陳慶生(1987)在臺(tái)灣西南部觀測(cè)到一個(gè)從黑潮流套中脫離出來(lái)的反氣旋暖渦。Jia和Liu(2004)利用衛(wèi)星高度計(jì)資料和模式輸出資料得出不斷有反氣旋渦從黑潮流套中脫離出來(lái), 反氣旋渦脫離周期為 70～ 90d, 脫離位置大多在 119.5°E～120°E。2003年冬季, Wang等(2008)在南海北部捕捉到兩個(gè)反氣旋渦, 根據(jù)水團(tuán)特性分析其中一個(gè)是從黑潮流套中脫離出來(lái)的。Metzger和Hurlburt (2001)認(rèn)為, 反氣旋渦從黑潮流套中脫離出來(lái)具有極大的不確定性。Yuan等(2006)指出, 黑潮反氣旋式入侵不是永久現(xiàn)象, 發(fā)生的概率小于30%, 即超過(guò)70%的情況下黑潮是以分支的形式進(jìn)入南?；虿贿M(jìn)入南海。Nan等(2011a)結(jié)合南海北部的觀測(cè)資料和衛(wèi)星高度計(jì)資料, 發(fā)現(xiàn)南海北部夏季存在3個(gè)長(zhǎng)周期的反氣旋渦。Nan等(2011b)還利用衛(wèi)星高度計(jì)資料統(tǒng)計(jì)分析了南海東北部中尺度渦的特征, 發(fā)現(xiàn)該海域冬季主要為反氣旋渦, 夏季則主要被氣旋渦占據(jù), 反氣旋渦一般比氣旋渦要強(qiáng), 具有更大的渦動(dòng)能, 能攜帶更多的能量。

利用 16年衛(wèi)星高度計(jì)資料, Chelton等(2011)針對(duì)全球表層中尺度渦的分布、大小、存在時(shí)間、傳播特性等給出了詳細(xì)的描述(圖2見(jiàn)文后彩圖), 發(fā)現(xiàn)氣旋渦和反氣旋渦數(shù)目基本相當(dāng), 且大部分為非線性渦(旋轉(zhuǎn)速度大于傳播速度), 除南極繞流區(qū), 大部分區(qū)域中尺度渦產(chǎn)生后向西傳播。結(jié)合全球衛(wèi)星高度計(jì)資料和自沉浮式剖面探測(cè)浮標(biāo)(Argo)剖面資料, Zhang等(2013)反演了中尺度渦三維結(jié)構(gòu),進(jìn)而估計(jì)了中尺度渦在全球范圍造成的西向水體輸運(yùn)量可以達(dá)到 30～40Sv(1Sv=106m3/s),在量級(jí)上與大尺度的風(fēng)生及熱鹽環(huán)流是可比的(Zhang et al., 2014a)。Dong等(2014)和Xu等(2014)分別利用衛(wèi)星高度計(jì)資料計(jì)算了全球中尺度渦的熱鹽和能量輸送。Faghmous等(2015)基于逐日衛(wèi)星高度計(jì)資料, 統(tǒng)計(jì)了全球1993～2014年中尺度渦大小、強(qiáng)度、傳播軌跡等參數(shù), 并形成了數(shù)據(jù)集供學(xué)者免費(fèi)下載(http: //datadryad.org/resource/doi: 10.5061/ dryad. gp40h)。

圖2 衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)的全球中尺度渦分布和運(yùn)動(dòng)軌跡(Chelton et al., 2011)Fig.2 Global distribution and trajectories of mesoscale eddy by satellite altimeter observations (Chelton et al., 2011)

總之, 目前對(duì)中尺度渦的大小、分布、強(qiáng)度、生成消亡、水體和能量輸送都有比較清楚的認(rèn)識(shí), 但是也存在不少問(wèn)題: ①衛(wèi)星只能看中尺度渦的表面, 不能看到其三維結(jié)構(gòu), 因此目前對(duì)中尺度渦的三維結(jié)構(gòu)認(rèn)識(shí)不足。Zhang等(2013)利用 Argo浮標(biāo)剖面資料建立了中尺度渦統(tǒng)一的三維結(jié)構(gòu), 但是實(shí)際觀測(cè)到的中尺度渦垂向結(jié)構(gòu)差別很大。對(duì)中尺度渦三維結(jié)構(gòu)觀測(cè)的不足阻礙了其動(dòng)力學(xué)研究的發(fā)展。②海洋中絕大部分渦旋是非定常渦旋,產(chǎn)生的位置和時(shí)間不固定(Chelton et al., 2011),因此目前中尺度渦的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)基本都是靠運(yùn)氣, 還沒(méi)有專門針對(duì)性的觀測(cè)設(shè)計(jì)。中尺度的三維結(jié)構(gòu)缺少觀測(cè), 尤其對(duì)其精細(xì)結(jié)構(gòu)尚不清楚。③對(duì)中尺度渦傳播過(guò)程中熱鹽輸送和結(jié)構(gòu)變異缺乏觀測(cè)。目前還沒(méi)有針對(duì)一個(gè)中尺度渦三維結(jié)構(gòu)的追蹤觀測(cè)。雖然衛(wèi)星高度計(jì)可以從表面追蹤中尺度渦, 但是其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化無(wú)法得到, 這也使得對(duì)中尺度渦輸送水量、熱量的計(jì)算產(chǎn)生誤差。④針對(duì)中尺度渦的多要素、多參數(shù)追蹤觀測(cè)尚未開展。目前觀測(cè)到的僅限于其溫鹽結(jié)構(gòu), 中尺度渦對(duì)營(yíng)養(yǎng)鹽和浮游動(dòng)物都有輸送作用, 對(duì)中尺度渦的生化要素觀測(cè)也是必要的。⑤大洋中還存在次表層和深層渦旋(Gordon et al., 2002; Chiang and Qu, 2013; Zhang et al., 2015), 這是衛(wèi)星高度計(jì)無(wú)法觀測(cè)的。因?yàn)橐陨蠁?wèn)題亟待解決, 預(yù)計(jì)不久的將來(lái)便會(huì)出現(xiàn)大洋中尺度渦三維結(jié)構(gòu)無(wú)人自主觀測(cè)系統(tǒng), 且該系統(tǒng)最有可能是基于無(wú)人船平臺(tái)的, 系統(tǒng)將會(huì)具有渦旋識(shí)別和自動(dòng)跟蹤功能, 可以用來(lái)研究中尺度渦三維精細(xì)結(jié)構(gòu),獲取高分辨率的中尺度渦立體海洋要素。

2 中尺度渦觀測(cè)設(shè)備國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

中尺度渦研究存在的問(wèn)題要通過(guò)高密度多參數(shù)追蹤觀測(cè)來(lái)解決。目前, 僅有少數(shù)學(xué)者初步開展了針對(duì)中尺度過(guò)程垂向結(jié)構(gòu)的研究,如應(yīng)用Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)配合衛(wèi)星高度計(jì)數(shù)據(jù)對(duì)大洋中尺度渦旋(反渦旋)的平均三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究, 揭示了中尺度渦的溫鹽垂直結(jié)構(gòu)差異(Chaigneau et al., 2011; Zhang et al., 2014a); Pairaud等(2014)利用水下滑翔機(jī)(glider)和集成于科考船的移動(dòng)式船基剖面觀測(cè)系統(tǒng)(moving vessel profiler, MVP), 對(duì)中尺度過(guò)程中海洋要素垂直分布進(jìn)行了11d的觀測(cè), 對(duì)西北地中海海域上層600m中尺度過(guò)程的不穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。Lien等(2014)利用在菲律賓以東18.75°N斷面的潛標(biāo)資料, 研究了中尺度渦對(duì)黑潮流量的影響, 發(fā)現(xiàn)氣旋渦增大黑潮流量,反氣旋渦減小黑潮流量?？梢钥闯? 目前針對(duì)中尺度過(guò)程的現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段存在以下問(wèn)題:①科考船大面觀測(cè)成本太高, 且難以做到高密度站位觀測(cè)。②Argo浮標(biāo)觀測(cè)隨波逐流, 遇到中尺度渦靠運(yùn)氣, 且不能實(shí)現(xiàn)同步或準(zhǔn)同步觀測(cè)。③水下滑翔機(jī)運(yùn)動(dòng)速度低于大多數(shù)中尺度渦旋轉(zhuǎn)速度, 不能實(shí)現(xiàn)針對(duì)中尺度渦的跟蹤觀測(cè)。④自主式水下潛器(autonomous underwater vehicle, AUV)續(xù)航能力差, 應(yīng)用成本高。⑤波浪滑翔機(jī)(wave glider)受自身供電能力制約, 無(wú)法為觀測(cè)設(shè)備提供足夠的電力支撐。⑥潛標(biāo)、浮標(biāo)觀測(cè)對(duì)于研究中尺度渦來(lái)說(shuō)無(wú)異于守株待兔, 且無(wú)法實(shí)現(xiàn)三維結(jié)構(gòu)觀測(cè)。鑒于目前觀測(cè)手段對(duì)中尺度渦觀測(cè)能力的不足, 因此迫切需要一種新的機(jī)動(dòng)性強(qiáng)、續(xù)航能力高、具有環(huán)境感知能力和連續(xù)自主水下剖面觀測(cè)的手段對(duì)中尺度渦精細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行觀測(cè)。無(wú)人船平臺(tái)具有無(wú)人操作、自主航行等技術(shù)特點(diǎn), 結(jié)合水下無(wú)人自主剖面測(cè)量單元, 其可成為最合適的觀測(cè)手段。其優(yōu)勢(shì)在于可實(shí)現(xiàn)專門針對(duì)中尺度渦的觀測(cè), 且成本較低; 可實(shí)現(xiàn)對(duì)中尺度渦三維精細(xì)結(jié)構(gòu)的觀測(cè), 包括溫、鹽、流等; 可實(shí)現(xiàn)對(duì)中尺度渦的追蹤觀測(cè), 對(duì)其形成和傳播過(guò)程進(jìn)行全程觀測(cè)。

近些年來(lái), 無(wú)人船技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟并實(shí)用。1993年, 麻省理工學(xué)院讓名為“ARTEMIS”的無(wú)人船首次進(jìn)入水文觀測(cè)領(lǐng)域, 并先后在查爾斯河和波士頓港進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。21世紀(jì), 隨著人工智能、微電子、通信等技術(shù)的迅速發(fā)展,制約無(wú)人船發(fā)展的諸多技術(shù)瓶頸得以部分解決, 許多國(guó)家加大了無(wú)人船的研發(fā)力度, 尤其在海洋軍事中得到極大的發(fā)展和應(yīng)用。2002年, 美國(guó)水下作戰(zhàn)中心聯(lián)合 Radix Marine、Northrop Grumman等公司開發(fā)了 Spartan Scout號(hào)無(wú)人艇, 其具備模塊化、多任務(wù)、可高速航行、半自主控制等特點(diǎn)。在無(wú)人科考船方面, 2003年, 雅馬哈公司研制的“Kan-Chan”號(hào)無(wú)人船可用于監(jiān)控海洋和大氣的化學(xué)和物理參數(shù), 具有很長(zhǎng)的續(xù)航能力(孔慶福等, 2004)。2004年, 英國(guó)普利茅斯大學(xué) MIDAS科研小組研發(fā)了“Springer”號(hào)無(wú)人船, 其可被用于內(nèi)河、水庫(kù)和沿海等淺水水域污染物追蹤、環(huán)境和航道信息測(cè)量等。其被設(shè)計(jì)成一款長(zhǎng)4m、寬2.3m及排水量0.6t的中等水線面雙體船。其裝載的 YSI環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備可以對(duì)溫度、電導(dǎo)率、溶解氧、pH、氯化物、水深、濁度、葉綠素等因子進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析。Naeem等將“Springer”用于淺水水域測(cè)繪、水文及環(huán)境監(jiān)測(cè), 以及污染物跟蹤。2005年, 意大利研發(fā)的雙體“Charlie”號(hào)無(wú)人船可對(duì)南極洲海洋表層進(jìn)行取樣, 收集大氣海洋界面數(shù)據(jù)(Caccia et al., 2008)。2005年, 以色列Elbit公司研制的“Stingary”號(hào)無(wú)人艇, 具有隱蔽性好、船型小巧等特點(diǎn), 可應(yīng)用于海岸物標(biāo)識(shí)別、電子戰(zhàn)爭(zhēng)、智能巡邏等任務(wù)中(Yan et al., 2010)。美國(guó)南佛羅里達(dá)大學(xué)的 Steimle和Hall(2006)同樣開發(fā)了一款雙體船作為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備。2010年, 新加坡航展推出的“Venus”號(hào)無(wú)人船可搭載水雷及電子戰(zhàn)模塊,并能進(jìn)行海上監(jiān)視任務(wù)(萬(wàn)接喜, 2014)。2013年, 挪威卑爾根大學(xué)與美國(guó)華盛頓大學(xué)聯(lián)合研制了風(fēng)能無(wú)人船, 對(duì)墨西哥灣北部區(qū)域進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)兩個(gè)月的觀測(cè), 實(shí)現(xiàn)了海洋表層溫度、電導(dǎo)率和可溶性有機(jī)物的測(cè)量(Ghani et al., 2014)。雖然我國(guó)的無(wú)人船技術(shù)研究起步較晚,但近年來(lái)也有很多進(jìn)展。2013年, 我國(guó)研發(fā)的“海巡166號(hào)”無(wú)人船具備玻璃鋼全封閉結(jié)構(gòu),采用柴油機(jī)作為動(dòng)力推進(jìn), 具有良好的機(jī)動(dòng)性、抗沉性和抗風(fēng)浪能力; 無(wú)人駕駛海上探測(cè)船“天象一號(hào)”曾為北京奧運(yùn)會(huì)青島奧帆賽提供氣象保障服務(wù); 沈陽(yáng)新光公司推出的 XG-2概念無(wú)人船能依靠衛(wèi)星通信, 承擔(dān)海上反潛任務(wù); 還有珠海云洲智能科技有限公司將無(wú)人船運(yùn)用到環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域, 進(jìn)行在線水質(zhì)污染和核污染監(jiān)測(cè)(及軼嶸, 2014; 張?jiān)骑w, 2015)。但現(xiàn)有的無(wú)人船都不具備水下溫鹽剖面及水質(zhì)要素剖面探測(cè)能力。

3 基于無(wú)人船的中尺度渦觀測(cè)設(shè)備展望

作為自動(dòng)觀測(cè)中尺度渦最合適的平臺(tái),近年來(lái)無(wú)人船已從人為操作到自動(dòng)控制, 從無(wú)避碰到基本避碰、再到智能避碰, 從無(wú)智能策略到個(gè)體智能策略、再發(fā)展到群體智能策略。然而, 作為一種強(qiáng)大的兼容和擴(kuò)展性平臺(tái), 無(wú)人船在海洋科學(xué)數(shù)據(jù)觀測(cè)方面仍需完善, 如提升無(wú)人船艇的自適應(yīng)水平和自主決策能力,減少對(duì)遠(yuǎn)程操控人員的依賴, 應(yīng)對(duì)惡劣海況的防搖晃能力, 降低通信帶寬要求, 以及海洋觀測(cè)設(shè)備的免維護(hù)設(shè)計(jì)等。

作為中尺度渦精細(xì)結(jié)構(gòu)觀測(cè)的重要技術(shù)手段, 全自動(dòng)海洋觀測(cè)無(wú)人船將自動(dòng)獲取所測(cè)海域的多參數(shù)環(huán)境數(shù)據(jù), 在線同步計(jì)算相關(guān)數(shù)據(jù), 并通過(guò)平臺(tái)記錄能夠?yàn)楹Ｑ罂茖W(xué)的前沿研究提供重要數(shù)據(jù)。通過(guò)搭載衛(wèi)星、通信設(shè)備模塊, 實(shí)現(xiàn)數(shù)字化、信息化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)運(yùn)用, 無(wú)人船能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷、實(shí)時(shí)的中尺度渦現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)信息傳遞。在其他觀測(cè)設(shè)備難以達(dá)到或者接近的情況下, 還可以直接干預(yù)中尺度渦的觀測(cè)工作, 實(shí)現(xiàn)全維度和全方位的實(shí)時(shí)觀測(cè), 這對(duì)有效獲取中尺度渦精細(xì)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)至關(guān)重要。

無(wú)人船是移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái), 高分辨率的中尺度渦垂直剖面海洋要素的獲取, 還需要在無(wú)人船上裝載海洋要素垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)。目前, 可在科考船上進(jìn)行海水溫度和鹽度等垂直剖面測(cè)量的設(shè)備主要有定點(diǎn)溫鹽深(CTD)剖面儀、投棄式CTD剖面儀、以SeaSoar為代表的多參數(shù)拖曳測(cè)量系統(tǒng)、走航式垂直剖面測(cè)量系統(tǒng)MVP和UCTD等。定點(diǎn)CTD剖面儀需要在船舶停止航行時(shí)人為控制作業(yè), 其測(cè)量點(diǎn)位準(zhǔn)確, 但耗費(fèi)船時(shí), 導(dǎo)致測(cè)量效率低下, 從而帶來(lái)高昂的海洋測(cè)量成本, 大大限制了海洋數(shù)據(jù)的獲得。XCTD是投棄式儀器, 其測(cè)量剖面接近垂直, 雖可在航行中使用, 但由于不可回收, 即使制造成本已得到控制, 使用成本仍然較高。多參數(shù)拖曳測(cè)量系統(tǒng)(如SeaSoar)是在拖曳體內(nèi)置數(shù)字化伺服系統(tǒng), 根據(jù)拖曳體攜帶的壓力傳感器所觀測(cè)到的壓力,以及預(yù)置工作軌跡對(duì)應(yīng)深度壓力之間的差異信號(hào), 通過(guò)調(diào)整其拖體上旋轉(zhuǎn)翼的攻角, 實(shí)現(xiàn)連續(xù)的鋸齒形測(cè)量剖面。它既可在航測(cè)量, 也可重復(fù)使用, 并且可搭載多種傳感器, 實(shí)現(xiàn)多參數(shù)測(cè)量, 但其尺寸, 尤其是所用絞車尺寸較大, 系統(tǒng)也很復(fù)雜, 船只不能同時(shí)拖曳其他儀器。其投放和回收過(guò)程繁雜而費(fèi)力, 當(dāng)達(dá)到300m 以上深度需在拖曳纜上安裝導(dǎo)流片時(shí),更增加了操作的復(fù)雜度, 無(wú)法實(shí)現(xiàn)無(wú)人自主觀測(cè)。與SeaSoar一樣可重復(fù)使用且可在航海洋剖面進(jìn)行測(cè)量的還有 MVP, 其特點(diǎn)在于通過(guò)不斷釋放和收回絞車上的纜繩, 使其測(cè)量剖面接近垂直, 且在船只航行同樣距離時(shí), 可測(cè)量更多的剖面。與SeaSoar相仿, 該系統(tǒng)體積較大, 系統(tǒng)復(fù)雜度高, 造價(jià)昂貴, 只適合在大型船舶或?qū)Ｓ谜{(diào)查船上安裝。美國(guó)的斯克里普斯海洋研究所開發(fā)了一種成本相對(duì)較低、結(jié)構(gòu)緊湊的在航CTD剖面測(cè)量系統(tǒng)(UCTD), 其體積較小、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝和使用方便,既可用于專業(yè)調(diào)查船, 也可用于志愿船和機(jī)會(huì)船; 其造價(jià)較低且可回收以重復(fù)使用, 從而大大降低了每一剖面測(cè)量的成本, 可大量獲取海洋剖面數(shù)據(jù), 也可在投放測(cè)量后校準(zhǔn)傳感器, 從而大大提高觀測(cè)數(shù)據(jù)的質(zhì)量, 但是其下潛深度有限, 并需要人工繞線, 因此增加了觀測(cè)期間的勞動(dòng)強(qiáng)度?？傊? 目前現(xiàn)有的海洋剖面測(cè)量裝置雖然已部分實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化觀測(cè),但都需要人為干預(yù)才能正常工作。未來(lái)將會(huì)出現(xiàn)基于無(wú)人船平臺(tái)的自動(dòng)水下剖面觀測(cè)單元及船載自動(dòng)絞車垂直剖面測(cè)量單元, 它具有自動(dòng)控制升降、自行數(shù)據(jù)傳輸?shù)茸灾饔^測(cè)能力,可為中尺度渦三維結(jié)構(gòu)的高分辨率海洋要素的獲取作出貢獻(xiàn)。

圖3 中尺度渦自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.3 System charts of oceanic mesoscale eddies automatic observing system

圖4 中尺度渦自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)框圖Fig.4 System block diagram of oceanic mesoscale eddies automatic observing system

綜上所述, 未來(lái)會(huì)出現(xiàn)基于無(wú)人船平臺(tái)的大洋中尺度渦三維結(jié)構(gòu)觀測(cè)系統(tǒng), 以解決目前對(duì)中尺度渦三維結(jié)構(gòu)觀測(cè)認(rèn)識(shí)的不足,該無(wú)人船平臺(tái)將具有長(zhǎng)期自主航行能力, 將搭載自動(dòng)水下剖面觀測(cè)平臺(tái)(包括走航ADCP、船載自動(dòng)絞車及其集成的 CTD)、自動(dòng)氣象站,搭載上述平臺(tái)后無(wú)人船便成為大洋中尺度渦三維結(jié)構(gòu)無(wú)人自主觀測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)將具有中尺度渦觀測(cè)航線自動(dòng)規(guī)劃、自動(dòng)水下剖面觀測(cè)等先進(jìn)技術(shù), 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)預(yù)計(jì)如圖3所示, 系統(tǒng)框圖初步設(shè)計(jì)如圖4所示, 將由無(wú)人船平臺(tái)和觀測(cè)單元構(gòu)成, 其中觀測(cè)單元將由各種傳感器和數(shù)據(jù)采集控制中心構(gòu)成。在無(wú)人船的航行過(guò)程中, 走航 ADCP和船載自動(dòng)氣象站將進(jìn)行海面氣象和剖面海流的連續(xù)觀測(cè); 同時(shí),通過(guò)船載自動(dòng)絞車平臺(tái)對(duì)拖曳纜繩的收放,實(shí)現(xiàn)水下測(cè)量平臺(tái)在水中周期性的近似垂直下降與拋物線式爬升, 并在下降過(guò)程中完成海洋要素的垂直剖面觀測(cè), 實(shí)現(xiàn)高空間分辨率的海洋氣象、海流、水下溫鹽深等參數(shù)的立體觀測(cè), 來(lái)支撐大洋中尺度渦三維結(jié)構(gòu)的研究。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)中尺度渦觀測(cè)設(shè)備及無(wú)人船平臺(tái)在觀測(cè)中尺度渦方面的應(yīng)用前景和展望等問(wèn)題進(jìn)行了綜述。鑒于中尺度渦觀測(cè)的重要性及無(wú)人船在其應(yīng)用方面的廣闊前景, 很多國(guó)家都致力于無(wú)人船的研究, 目前正處于高速發(fā)展的關(guān)鍵階段。特別是隨著我國(guó)電子通信, 尤其是北斗衛(wèi)星通信技術(shù)的迅速發(fā)展, 為無(wú)人船在大洋自主航行的通信奠定了科技支撐,未來(lái)的無(wú)人船艇有可能帶來(lái)中尺度渦觀測(cè)的革命。不過(guò)在無(wú)人船的研究方面, 我國(guó)與世界先進(jìn)水平仍存在差距, 應(yīng)該借鑒美國(guó)、以色列等國(guó)家的經(jīng)驗(yàn), 積極開展無(wú)人船各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究, 推進(jìn)無(wú)人船的實(shí)用化進(jìn)程。沒(méi)有理由懷疑, 基于無(wú)人船的全自動(dòng)化中尺度渦三維結(jié)構(gòu)觀測(cè)系統(tǒng)將在近些年誕生, 到時(shí)便可觀測(cè)中尺度渦的垂直結(jié)構(gòu)特征及其時(shí)空變化特征, 進(jìn)而可對(duì)中尺度渦帶來(lái)的物質(zhì)和能量輸送進(jìn)行系統(tǒng)認(rèn)識(shí)。

程旭華, 齊義泉. 2008. 基于衛(wèi)星高度計(jì)觀測(cè)的全球中尺度渦的分布和傳播特征. 海洋科學(xué)進(jìn)展, 26(4): 447-453

及軼嶸. 2014. 云洲智能: “萬(wàn)能”無(wú)人船. 創(chuàng)業(yè)邦, (8): 40-41

孔慶福, 吳家明, 賈野, 等. 2004. 艦船噴水推進(jìn)技術(shù)研究. 艦船科學(xué)技術(shù), 26(3): 28-30

李立, 蘇紀(jì)蘭, 徐建平. 1997. 南海的黑潮分離流環(huán).熱帶海洋, 16(2): 42-57

李立. 2002. 南海中尺度海洋現(xiàn)象研究概述. 臺(tái)灣海峽, 21(2): 265-274

萬(wàn)接喜. 2014. 外軍無(wú)人水面艇發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì). 國(guó)防科技, 35(5): 91-96

王桂華, 蘇紀(jì)蘭, 齊義泉. 2005. 南海中尺度渦研究進(jìn)展. 地球科學(xué)進(jìn)展, 20(8): 882-886

王胄, 陳慶生. 1987. 南海北部之暖心渦流(一): 對(duì)南海暖渦之初步觀測(cè). 臺(tái)灣大學(xué)海洋學(xué)刊, (18): 92-103

張?jiān)骑w. 2015. 讓無(wú)人船在水面飛. 百科探秘(海底世界), (6): 29-30

Caccia M, Bibuli M, Bono R, et al. 2008. Basic navigation, guidance and control of an Unmanned Surface Vehicle. Autonomous Robots, 25(4): 349-365

Chaigneau A, Le Texier M, Eldin G, et al. 2011. Vertical structure of mesoscale eddies in the eastern South Pacific Ocean: a composite analysis from altimetry and Argo profiling floats. Journal of Geophysical Research: Oceans, 116: C11025

Chelton D B, Schlax M G, Samelson R M, et al. 2007. Global observations of large oceanic eddies. Geophysical Research Letters, 34(15): L15606

Chelton D B, Schlax M G, Samelson R M. 2011. Global observations of nonlinear mesoscale eddies. Progress in Oceanography, 91(2): 167-216

Chelton D B, Schlax M G. 1996. Global observations of oceanic Rossby waves. Science, 272(5259): 234-238

Chen G X, Hou Y J, Chu X Q, et al. 2010. Vertical structure and evolution of the Luzon Warm Eddy. Chinese Journal of Oceanology and Limnology, 28(5): 955-961

Chen G X, Hou Y J, Chu X Q. 2011. Mesoscale eddies in the South China Sea: mean properties, spatiotemporal variability, and impact on thermohaline structure. Journal of Geophysical Research: Oceans, 116: C06018

Chiang T L, Qu T D. 2013. Subthermocline eddies in the western equatorial Pacific as shown by an eddyresolving OGCM. Journal of Physical Oceanography, 43(7): 1241-1253

Chu P C, Chen Y C, Lu S H. 1998. Wind-driven South China Sea deep basin warm-core/cool-core eddies. Journal of Oceanography, 54(4): 347-360

Chu P C, Fan C W. 2001. A low salinity, cool-core cyclonic eddy detected northwest of Luzon during the South China Sea Monsoon Experiment (SCSMEX) in July 1998. Journal of Oceanography, 57(5): 549-563

Dong C M, McWilliams J C, Liu Y, et al. 2014. Global heat and salt transports by eddy movement. Nature Communications, 5: 3294

Faghmous J H, Frenger I, Yao Y S, et al. 2015. A daily global mesoscale ocean eddy dataset from satellite altimetry. Scientific Data, 2: 150028

Ghani M H, Hole L R, Fer I, et al. 2014. The SailBuoy remotely-controlled unmanned vessel: measurements of near surface temperature, salinity and oxygen concentration in the Northern Gulf of Mexico. Methods in Oceanography, 10: 104-121

Gordon A L, Giulivi C F, Lee C M, et al. 2002. Japan/East Sea intrathermocline eddies. Journal of Physical Oceanography, 32(6): 1960-1974

He Z G, Wang D X, Hu J N. 2002. Features of eddy kinetic energy and variations of upper circulation in the South China Sea. Acta Oceanologica Sinica, 21(2): 305-314

Hu J Y, Gan J P, Sun Z Y, et al. 2011. Observed three-dimensional structure of a cold eddy in the southwestern South China Sea. Journal of Geophysical Research: Oceans, 116: C05016

Hwang C, Chen S A. 2000. Circulations and eddies over the South China Sea derived from TOPEX/Poseidon altimetry. Journal of Geophysical Research: Oceans, 105(C10): 23943-23965

Jia Y L, Liu Q Y. 2004. Eddy Shedding from the Kuroshio Bend at Luzon Strait. Journal of Oceanography, 60(6): 1063-1069

Li L, Nowlin W D Jr, Su J L. 1998. Anticyclonic rings from the Kuroshio in the South China Sea. Deep Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers, 45(9): 1469-1482

Lien R C, Ma B, Cheng Y H, et al. 2014. Modulation of Kuroshio transport by mesoscale eddies at the Luzon Strait entrance. Journal of Geophysical Research: Oceans, 119(4): 2129-2142

Metzger E J, Hurlburt H E. 2001. The nondeterministic nature of Kuroshio penetration and eddy shedding in the South China Sea. Journal of Physical Oceanography, 31: 1712-1732

Morimoto A, Koichi K, Yanagi T. 2000. Characteristics of sea surface circulation and eddy field in the South China Sea revealed by Satellite Altimetric Data. Journal of Oceanography, 56(3): 331-344

Nan F, He Z G, Zhou H, et al. 2011a. Three long-lived anticyclonic eddies in the northern South China Sea. Journal of Geophysical Research: Oceans, 116: C05002

Nan F, Xue H J, Xiu P, et al. 2011b. Oceanic eddy formation and propagation southwest of Taiwan. Journal of Geophysical Research: Oceans, 116: C12045

Pairaud I L, Garreau P, Le Berre D, et al. 2014. Observation of Mesoscale Instabilities of the Northern Current in the North Western Mediterranean Sea: A Combined Study Using Gliders, Surface Drifters, Moving Vessel Profiler and Vessel Data in the Ligurian Sea. American Geophysical Union

Steimle E T, Hall M L. 2006. Unmanned Surface Vehicles as Environmental Monitoring and Assessment Tools. Proceedings of the OCEANS. Boston, MA: IEEE

Wang G H, Chen D K, Su J L. 2008. Winter eddy genesis in the eastern South China Sea due to orographic wind jets. Journal of Physical Oceanography, 38(3): 726-732

Wang G H, Su J L, Chu P C. 2003. Mesoscale eddies in the South China Sea observed with altimeter data. Geophysical Research Letters, 30(21): 2121

Xiu P, Chai F, Shi L, et al. 2010. A census of eddy activities in the South China Sea during 1993-2007. Journal of Geophysical Research: Oceans, 115: C03012

Xiu P, Palacz A P, Chai F, et al. 2011. Iron flux induced by Haida eddies in the Gulf of Alaska. Geophysical Research Letters, 38: L13607

Xu C, Shang X D, Huang R X. 2014. Horizontal eddy energy flux in the world oceans diagnosed from altimetry data. Scientific Reports, 4: 5316

Yan R J, Pang S, Sun H B, et al. 2010. Development and missions of unmanned surface vehicle. Journal of Marine Science and Application, 9(4): 451-457

Yuan D L, Han W Q, Hu D X. 2006. Surface Kuroshio path in the Luzon Strait area derived from satellite remote sensing data. Journal of Geophysical Research: Oceans, 111(C11): C11007

Zhang Z G, Wang W, Qiu B. 2014a. Oceanic mass transport by mesoscale eddies. Science, 345(6194): 322-324

Zhang Z G, Zhang Y, Wang W, et al. 2013. Universal structure of mesoscale eddies in the ocean. Geophysical Research Letters, 40(14): 3677-3681

Zhang Z W, Li P L, Xu L X, et al. 2015. Subthermocline eddies observed by rapid-sampling Argo floats in the subtropical northwestern Pacific Ocean in Spring 2014. Geophysical Research Letters, 42(15): 6438-6445

Zhang Z W, Zhong Y S, Tian J W, et al. 2014b. Estimation of eddy heat transport in the global ocean from Argo data. Acta Oceanologica Sinica, 33(1): 42-47

Prospects for Unmanned Observation System of the Oceanic Mesoscale Eddy

FAN Cong-Hui, YU Fei*, NAN Feng, WEI Chuan-Jie, REN Qiang
(Marine environmental engineering technology research and Development Center, Institute of oceanology, Chinese Academy of Sciences, Qingdao 266071, China) *Corresponding author, Email: yuf@qdio.ac.cn

Mesoscale eddy is ubiquitous in the world ocean. Its energy is an order of magnitude larger than the large-scale general ocean circulation playing an important role on the mass and energy transports, and global climate change. Due to lack of in-situ observations, eddies are mainly observed by utilizing satellite altimeter data. Its size, distribution, intensity, and mass and energy transports can also be estimated based on sea surface height data. However, the vertical structure of the mesoscale eddy can’t be captured by remote sensing, which led to large error for estimation of heat and energy transports by mesoscale eddy. Now we know little about the three-dimensional structure of the mesoscale eddy. To design an unmanned observation system to investigate the three-dimensional structure of the oceanic mesoscale eddy is necessary. This system will integrate and apply the advanced technology (such as unmanned ship platform, ocean automatic profile observation) to observe the three-dimensional structure and temporal-spatial variation of the mesoscale eddy, which will enhance understanding of the material and energy transfer by the mesoscale eddy.

unmanned surface vehicle; mesoscale eddy; ocean automatic profile observation

P715.4

10.12036/hykxjk20160719002

* 資助項(xiàng)目: 國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2013AA122803); 中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(XDA11040102)。范聰慧, 男, 工程師, E-mail: fanconghui@qdio.ac.cn

① 通訊作者: 于非, 男, 研究員, 博士生導(dǎo)師, 從事海洋調(diào)查與區(qū)域海洋學(xué)研究工作, E-mail: yuf@qdio.ac.cn

2016-7-19, 收修改稿日期: 2016-7-31