東海浮標綜合觀測網(wǎng)絡(luò)支撐海洋環(huán)境保護和防災(zāi)減災(zāi)預(yù)報

劉長華 王 旭 賈思洋 王春曉

中國科學(xué)院海洋研究所 東海海洋觀測研究站 青島 266071

我國東?？偯娣e 77×104km2，平均水深 370 m，東海大陸架是世界上最廣闊的大陸架之一，面積占東?？偯娣e的 2/3[1]；東海是我國海洋災(zāi)害種類最多的海區(qū)之一，也是我國主要海洋災(zāi)害頻發(fā)的海區(qū)之一[2]。東海海域海洋過程復(fù)雜、海洋現(xiàn)象眾多，一直以來都是海洋科學(xué)研究的熱點海域。在這樣的背景下，中國科學(xué)院在“知識創(chuàng)新工程”三期期間，大膽實踐，勇于突破，在 2008 年開始著手建設(shè)以浮標觀測手段為主、海島自動氣象站為輔的中國科學(xué)院東海海洋觀測研究站（以下簡稱“東海站”），并于 2009 年 8 月14日在東海海礁附近成功布放第一套 10 m 綜合觀測研究浮標，拉開了東海站建設(shè)的大幕。迄今為止，東海站的觀測系統(tǒng)主要包括海洋浮標觀測系統(tǒng)、垂直剖面觀測系統(tǒng)、綜合觀測潛標系統(tǒng)和自動氣象站系統(tǒng)等，形成了完整的海上實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)體系，致力于東海水文、海洋氣象和環(huán)境要素的長期、連續(xù)、同步、實時監(jiān)測，提供滿足東海大生態(tài)系對氣候變異響應(yīng)研究需求的實測水文數(shù)據(jù)，在精細時間尺度上記錄極端天氣過程和主要洋流對東海典型生境的作用。東海站通過環(huán)境指數(shù)的建立和數(shù)據(jù)產(chǎn)品的開發(fā)，成為東海資源和環(huán)境科學(xué)研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)平臺，陸架開闊的邊緣海、復(fù)雜流系特征長期變化研究的開放平臺；通過海洋觀測技術(shù)的跟蹤和研發(fā)，不斷探索研究適用于我國近海水體環(huán)境特點的觀測技術(shù)手段，成為連續(xù)觀測設(shè)備集成應(yīng)用和剖面觀測手段拓展創(chuàng)新的示范平臺，同時也是海洋科學(xué)人才的培養(yǎng)基地和面向大眾的科普基地。

1 建設(shè)了長期綜合觀測研究的東海浮標觀測網(wǎng)絡(luò)

東海站針對東海水域范圍廣闊、海洋現(xiàn)象復(fù)雜、科學(xué)研究熱點眾多等問題組建了中國科學(xué)院東海浮標觀測網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了以舟山花鳥島為中心，西北至長江口，南至舟山外海，東至 124°E 的一個近三角形的廣闊觀測研究海域（圖 1），總觀測面積約 2 000 km2。在這個廣闊的研究海域，主要的研究對象包括東海沿岸流、臺灣暖流、黑潮入侵分支等主要流系[3]和長江口羽狀鋒、長江口外與浙江沿岸上升流、長江口外溶氧低值區(qū)和春季水華等主要海洋現(xiàn)象[2]，以及包括淺灘、島礁、港灣和河口等多種棲息生境形成的許多復(fù)雜的生態(tài)結(jié)構(gòu)類型[4]等眾多科學(xué)熱點問題，東海浮標觀測研究網(wǎng)絡(luò)可進行長期、連續(xù)、定點、聯(lián)網(wǎng)、實時地觀測研究。

浮標觀測是東海站的主要觀測研究方式，具有全天候、長期連續(xù)、實時定點等其他海洋觀測手段無法替代的優(yōu)勢，被海洋學(xué)家譽為“海洋上的地球同步衛(wèi)星”。東海站配置的觀測浮標系統(tǒng)有 1 套直徑 15 m 三錨式浮標綜合觀測平臺、4 套直徑 10 m 的大型綜合觀測浮標、1 套直徑 3 m 的綜合觀測浮標、3 套船型觀測浮標、3 套潮位浮標、4 套波浪浮標。此外，還建設(shè)有 10 套島基和陸基自動氣象站等其他類型觀測系統(tǒng)以輔助浮標觀測網(wǎng)絡(luò)進行海洋氣象、水文物理、水質(zhì)參數(shù)的長期、定點連續(xù)觀測，形成了一套成熟的集觀測、匯總、整合、開放與共享為一體的信息平臺，可以從海洋科學(xué)研究、生態(tài)環(huán)境保護、生物資源持續(xù)利用、防災(zāi)減災(zāi)、國防和地方經(jīng)濟發(fā)展等不同角度為科學(xué)研究和國家需求等提供基礎(chǔ)資料服務(wù)。

東海站浮標觀測網(wǎng)絡(luò)持續(xù)穩(wěn)定運行 10 余年，始終保持有效的高質(zhì)量數(shù)據(jù)產(chǎn)出，為海洋科學(xué)研究和地方經(jīng)濟發(fā)展提供了強有力的數(shù)據(jù)支撐。截至 2018 年底，浮標數(shù)據(jù)大約有 4 029.7 萬條，數(shù)據(jù)量大小為 109.7 GB，累計連續(xù)觀測時間達到 113 個月。目前，該站獲取的數(shù)據(jù)量和時長已經(jīng)成為以科研應(yīng)用為目標的中國東海長時間序列系統(tǒng)中各站點觀測之最。東海站觀測參數(shù)主要包括氣象參數(shù)、水文參數(shù)和水質(zhì)參數(shù)。其中，氣象參數(shù)主要包括平均風(fēng)向、平均風(fēng)速、最大風(fēng)速、最大風(fēng)速的風(fēng)向、測得最大風(fēng)速的時間、瞬時風(fēng)速、瞬時風(fēng)向、10 分鐘內(nèi)每分鐘的風(fēng)速風(fēng)向、氣溫、氣壓、相對濕度、雨量、能見度等；水文參數(shù)主要包括波浪的有效波高、有效波周期、最大波高、最大波周期、平均波高及周期、1/10 波高及周期、波向、剖面流速和流向；水質(zhì)參數(shù)包括水溫、電導(dǎo)率、葉綠素、濁度、溶解氧等[5-8]（圖 2）。

2 構(gòu)建了臺風(fēng)實時觀測數(shù)據(jù)庫

每年夏季，我國東南沿海都會頻繁遭受臺風(fēng)災(zāi)害的侵擾。準確預(yù)報這種具有很強破壞力的海上熱帶氣旋對于海岸防災(zāi)減災(zāi)有著十分重要的作用，而臺風(fēng)的精確預(yù)報更是離不開實測臺風(fēng)數(shù)據(jù)的獲取[9-11]。東海站的浮標觀測系統(tǒng)在獲取臺風(fēng)實時數(shù)據(jù)方面優(yōu)勢明顯，自 2009 年成功布放首套海洋綜合觀測浮標至 2018 年底，東海站共有 8 套浮標先后獲取到了 28 個臺風(fēng)經(jīng)過時的實時觀測數(shù)據(jù)，其中有 4 對雙臺風(fēng)（2012 年的第 14 號和 15 號、2013 年的第 23 號和 24 號、2016 年的第 14 號和 16 號、2018 年的第 18 號和 19 號）被東海站浮標系統(tǒng)連續(xù)觀測到完整的數(shù)據(jù)；觀測到臺風(fēng)數(shù)量最多的年份是 2012 年——共有 6 個臺風(fēng)被浮標系統(tǒng)獲取到實時觀測數(shù)據(jù)；觀測臺風(fēng)實時數(shù)據(jù)次數(shù)最多的浮標系統(tǒng)為東海站的 06 號浮標，其自布放以來共獲取了 27 個臺風(fēng)經(jīng)過時的實時觀測數(shù)據(jù)。這些寶貴的實測數(shù)據(jù)和中國科學(xué)院黃海海洋觀測研究站（以下簡稱“黃海站”）獲取的臺風(fēng)數(shù)據(jù)一同構(gòu)建了經(jīng)過我國境內(nèi)臺風(fēng)的實測數(shù)據(jù)庫，為深入研究臺風(fēng)形成和發(fā)展機理、校準完善臺風(fēng)模式、提高臺風(fēng)預(yù)報預(yù)警能力提供了彌足珍貴的科學(xué)依據(jù)。

2019 年東海站的 8 套浮標再次完整記錄了超強臺風(fēng)“利奇馬”過境期間的實時數(shù)據(jù)（圖 3）。其中，最低氣壓為 974.3 hPa，由東海站花鳥島氣象站獲?。粯O大風(fēng)速為 33.3 m/s，由東海站 22 號浮標獲取；最大波高為 11.8 m，由東海站 20 號浮標獲?。ū?1）。

圖1 東海站觀測研究站點分布圖

圖2 海洋科學(xué)綜合觀測研究浮標搭載主要設(shè)備和觀測參數(shù)詳圖

表1 東海站觀測到的“利奇馬”臺風(fēng)典型數(shù)據(jù)列表（按照臺風(fēng)影響先后排序）

圖3 東海站記錄臺風(fēng)“利奇馬”的典型數(shù)據(jù)曲線

海上觀測浮標和海島自動氣象站，是東海站獲取臺風(fēng)實時數(shù)據(jù)的重要且唯一的觀測設(shè)施：臺風(fēng)來臨時，觀測船只因人員和船舶的安全必須回港避風(fēng)，不可能獲取到臺風(fēng)期間的實時數(shù)據(jù)；而雷達、衛(wèi)星等觀測設(shè)施則采用的是遙測方式，更不能得到臺風(fēng)過境時的實時數(shù)據(jù)；最終僅有無人值守的錨系式浮標 24 小時堅守崗位，全天候不間斷獲取到寶貴的臺風(fēng)實時數(shù)據(jù)，這些寶貴的實時觀測數(shù)據(jù)便成了研究臺風(fēng)的唯一實測資料。中國科學(xué)院院士穆穆建立的條件非線性最優(yōu)擾動（CNOP）臺風(fēng)目標觀測框架系統(tǒng)，采用東海站觀測的臺風(fēng)實時數(shù)據(jù)，通過比對校驗，有效改善了臺風(fēng)路徑預(yù)報的準確性[13-15]。這些實時觀測到的臺風(fēng)數(shù)據(jù)也為臺風(fēng)路徑的預(yù)報、預(yù)警工作提供了及時的參考資料，為沿海政府部門開展臺風(fēng)預(yù)防工作提供了科學(xué)依據(jù)。

3 驗證了歐洲風(fēng)場數(shù)據(jù)在中國海區(qū)域的適用性

近年來，隨著計算機技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)值模擬技術(shù)逐漸成為研究海洋現(xiàn)象的重要手段。數(shù)值模擬結(jié)果的準確性很大程度上取決于數(shù)值模式驅(qū)動場的精確度，而風(fēng)場數(shù)據(jù)是海洋數(shù)值模擬過程中最為重要的驅(qū)動場之一。為了驗證歐洲中期天氣預(yù)報中心（ECMWF）的風(fēng)場資料在中國海區(qū)域，特別是東海、黃海區(qū)域的準確性和適用性，東海站聯(lián)合黃海站利用浮標觀測的風(fēng)速資料與 ECMWF 風(fēng)速資料在相應(yīng)格點上的數(shù)據(jù)進行了對比分析，發(fā)現(xiàn) ECMWF 網(wǎng)格化風(fēng)場在東海和黃海海域內(nèi)總體上與實測風(fēng)速吻合，與 8 個浮標上所測風(fēng)速的相關(guān)系數(shù)均在 0.7 以上，但也存在一些相差較大的數(shù)據(jù)點[16]。進一步的分析表明，誤差較大的數(shù)據(jù)點都是在低風(fēng)速的情況下（均低于 6 m/s），這些數(shù)據(jù)在所使用的數(shù)據(jù)中占有大約 13% 的份額。使用劉志亮等[17]提出的校正方法校正 ECMWF 風(fēng)場后，取得了更佳的比對結(jié)果。通過該部分的研究，使我們對數(shù)值模式模擬出的黃海、東海海域的環(huán)流結(jié)果有了更全面的理解，特別是在分析夏季低風(fēng)速情況下的數(shù)值模擬結(jié)果時非常有用。

4 闡釋了東海海域環(huán)流的變化特征并應(yīng)對突發(fā)性災(zāi)害

2018 年，巴拿馬籍油船“桑吉”號在我國東海海域發(fā)生碰撞失火沉沒，研究人員利用風(fēng)場模擬無法實現(xiàn)預(yù)測其泄漏物在未來 3 個月是否會對我國海洋環(huán)境產(chǎn)生嚴重危害[18]。為解決這一問題，東海站與中科院海洋所的楊德周研究員合作，利用長期的水文觀測數(shù)據(jù)，基于 ROMS（Regional Ocean Modeling System）模式，對西北太平洋海域進行了水平分辨率高達 4 km 的水動力環(huán)境數(shù)值模擬，該分辨率可以很好地分辨我國東海陸架環(huán)流以及中尺度渦旋等過程。特別是東海站 06 號浮標距離發(fā)生沉船的位置較近，其獲取的長期實時觀測數(shù)據(jù)對 ROMS 模式進行了線性修正，模式結(jié)果很好地展示了“桑吉”號沉船附近的陸架環(huán)流特征?；谀Ｊ浇Y(jié)果，對“桑吉”號泄漏物質(zhì)可能的擴散和遷移軌跡進行了數(shù)值模擬分析。通過在“桑吉”號沉船位置的表、底 Ekman 層（中性大氣邊界層在近地面層以上的部分，又稱上部摩擦層）內(nèi)，釋放拉格朗日粒子和示蹤物來示蹤“桑吉”號泄漏物質(zhì)的可能影響范圍（圖 4）。并展示出在未來 3 個月“桑吉”號泄漏物質(zhì)對我國黃海的影響程度為較小，其主要隨著對馬暖流進入日本海和隨著黑潮進入日本九州以南的太平洋海域[19-22]。對“桑吉”號泄漏物漂移路徑的模擬預(yù)測為海洋環(huán)境保護、海洋災(zāi)害預(yù)報等提供了科學(xué)依據(jù)，提高數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)同化的效果，有利于完善防災(zāi)減災(zāi)和應(yīng)急災(zāi)害防護的反應(yīng)機制，為相關(guān)部門決策提供有力的理論保障體系。

圖4 “桑吉號”沉船事件后，對相關(guān)海域表層（a）、底層（b）的流場模擬和觀測情況

5 開展了系列適用于近海海洋觀測的新技術(shù)研究

5.1 基于 10 m 浮標載體的錨鏈式自容式剖面觀測系統(tǒng)

根據(jù)重大科學(xué)研究項目對定點海域長期水體觀測數(shù)據(jù)的需求，2014 年 10 月——2015 年 11 月，依托東海站 06 號綜合海洋觀測研究浮標開展了連續(xù) 13 個月的垂直剖面全水層觀測系統(tǒng)試驗。東海站采用錨鏈 10 m、20 m 和 30 m 水深處掛載自容式傳感器的方式，獲取到 8 個周期共 412 天的有效剖面觀測數(shù)據(jù)，剖面觀測參數(shù)有水溫、鹽度、深度、濁度、葉綠素和溶解氧[7]。

此次試驗成功獲取到連續(xù) 13 個月、共計 518 萬條的垂直剖面觀測數(shù)據(jù)，結(jié)合浮標獲取的表層水溫數(shù)據(jù)與剖面數(shù)據(jù)進行對比分析證明了錨鏈式剖面觀測方法的實用性和可推廣性。該試驗完成的同時也暴露出一定問題。例如：廢棄的拖網(wǎng)包裹或拖拽錨鏈等原因，導(dǎo)致水下傳感器安裝架和線纜易遭破壞而脫落，也增加了潛水員水下作業(yè)的難度和危險性；數(shù)據(jù)未實現(xiàn)實時傳輸?shù)?。該試驗是采用錨鏈式海洋剖面觀測手段進行水體觀測的一項有益嘗試，為下一步實現(xiàn)對剖面水體環(huán)境進行實時觀測提供了技術(shù)積累，也為中國近海海洋觀測研究網(wǎng)絡(luò)廣泛開展垂直剖面觀測系統(tǒng)的建設(shè)積累了寶貴經(jīng)驗。

5.2 國內(nèi)首套超大型三錨式浮標綜合觀測平臺的研制和使用

三錨式浮標綜合觀測平臺在觀測技術(shù)方面是一項創(chuàng)新性的應(yīng)用工程，主要由浮標主體、錨泊系統(tǒng)和傳感器等部分組成；采用三錨固定觀測系統(tǒng)方式，克服了單錨浮標系統(tǒng)隨潮、流作用，活動范圍較大，在進行剖面參數(shù)長期觀測時錨系易與剖面觀測系統(tǒng)發(fā)生糾纏等缺點。同時，該平臺預(yù)留多種觀測井、儀器艙，可根據(jù)實際應(yīng)用或科學(xué)需求，以及針對突發(fā)生態(tài)災(zāi)害等問題，進行短期的專項觀測，是實用、簡易的海上試驗綜合觀測平臺。在具體觀測內(nèi)容和方式上，具有海氣界面觀測、通量觀測、水面觀測、水體觀測、海底觀測等多項綜合觀測以及應(yīng)急生態(tài)災(zāi)害專項監(jiān)測諸多功能于一體的特點。

三錨式浮標綜合觀測平臺直徑 15 m，是國內(nèi)首套直徑最大、觀測參數(shù)最全、智能化程度最高的海上綜合觀測和試驗平臺（圖 5）。該平臺的應(yīng)用解決了我國近海獲取實時、長期和連續(xù)的剖面水體數(shù)據(jù)的觀測技術(shù)難點，為建立涵蓋海洋大氣、海洋表層、剖面水體和海底的全尺度觀測體系彌補了關(guān)鍵一環(huán)，是一種適應(yīng)目前我國近海海洋觀測需求的創(chuàng)新性海洋綜合觀測平臺。該平臺極大地提升中國近海海洋觀測研究網(wǎng)絡(luò)的觀測能力，為我國海洋科學(xué)基礎(chǔ)研究、防災(zāi)減災(zāi)等提供更加豐富、完備的數(shù)據(jù)支撐。

5.3 國內(nèi)首創(chuàng)剛性剖面觀測技術(shù)的研制和應(yīng)用

該系統(tǒng)充分利用大型海洋綜合觀測浮標在位生存能力強的優(yōu)勢，能夠在無人值守條件下，通過智能判斷實時海況信息，實現(xiàn)自主智能控制對水面下一定深度水體的多項環(huán)境參數(shù)進行長期、連續(xù)、定點、實時觀測。有效增加和拓展我國近海水體剖面觀測的深度和內(nèi)容，為我國近海海洋科學(xué)研究提供更加全面、系統(tǒng)的觀測數(shù)據(jù)支撐。

自由伸縮式智能化剖面觀測浮標系統(tǒng)采用智能控制與自由伸縮式剛性結(jié)構(gòu)體技術(shù)結(jié)合的方式進行海洋剖面觀測，可對剖面水體的水溫、鹽度、深度、濁度、葉綠素、溶解氧、pH 值等多參數(shù)要素進行長期、定點、連續(xù)、實時觀測（圖 6）。該浮標系統(tǒng)的智能控制功能采用了人工智能（AI）技術(shù)，根據(jù)浮標上配置的各類傳感器獲取的實時數(shù)據(jù)對海況進行判斷，從而對伸縮裝置的運行狀態(tài)進行自動控制，以達到安全、長期、穩(wěn)定地獲取剖面水體數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)還進行了多項技術(shù)創(chuàng)新，包括采用太陽能-波浪能多源組合供電模式、視頻實時監(jiān)控功能、多層通量風(fēng)的觀測功能等。該浮標系統(tǒng)具有安全穩(wěn)定、推廣性強、可利用現(xiàn)有的浮標觀測網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建一個觀測范圍廣闊的水體垂直剖面觀測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的優(yōu)勢，為海洋基礎(chǔ)和應(yīng)用等學(xué)科研究的深入開展，取得突破性、創(chuàng)新性研究成果起到系統(tǒng)支撐作用。

6 結(jié)束語

圖5 三錨式浮標綜合觀測平臺實際運行狀態(tài)

圖6 基于大型浮標的自由伸縮式海洋剖面觀測系統(tǒng)示意圖（a）和實際照片（b）

野外臺站是人類認識自然現(xiàn)象、探索自然規(guī)律、追求人與自然和諧共處的重要科學(xué)觀測研究基地。10 余年來，東海站作為一個集觀測與研究于一體的綜合性海洋觀測研究體系，組建了涵蓋錨泊式浮標綜合觀測系統(tǒng)和海島自動氣象站等多種觀測形式的中國科學(xué)院東海海洋觀測研究網(wǎng)絡(luò)，引入智能觀測理念并研制了三錨式浮標綜合觀測平臺和自由伸縮式剖面觀測系統(tǒng)，滿足了國家對近海剖面水體觀測要素獲取的迫切需求，闡釋了觀測海域環(huán)境長期變化規(guī)律，提高了對海洋災(zāi)害性事件的預(yù)測和評估能力；同時，通過長期觀測研究發(fā)現(xiàn)新的海洋現(xiàn)象，揭示和預(yù)測在自然與人類活動雙重作用下的東海生態(tài)環(huán)境、動力環(huán)境、水體環(huán)境的響應(yīng)和機理，增加對我國近海海洋生態(tài)系統(tǒng)和氣候變化機制的理解，促進海洋生物資源的可持續(xù)利用，改善海洋公共安全和健康，降低海洋自然災(zāi)害和環(huán)境變化對人類的不良影響，推進我國東海海洋生態(tài)文明持續(xù)健康發(fā)展。同時，東海站肩負社會責(zé)任，推進科研資源共享，為海洋區(qū)域經(jīng)濟發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，為“美麗中國”“透明海洋”等國家重大項目提供關(guān)鍵技術(shù)支撐和平臺保障。

未來，東海站將繼續(xù)完善網(wǎng)絡(luò)化綜合觀測體系，加強新型觀測技術(shù)研發(fā)，擴大觀測范圍，尤其是加強剖面水體觀測和海底觀測等結(jié)構(gòu)形式，形成東海海域內(nèi)研究重點突出、觀測要素齊全、觀測范圍廣闊、數(shù)據(jù)實時化程度高、數(shù)據(jù)價值明顯的海洋綜合立體觀測研究網(wǎng)絡(luò)；通過長期持續(xù)獲取我國東海海域生態(tài)系統(tǒng)、生物資源和海洋環(huán)境的演變參數(shù)，東海站成為我國東海海洋多維度、長時序基礎(chǔ)數(shù)據(jù)資料的觀測與展示平臺，并將為東海海洋環(huán)境可持續(xù)發(fā)展作出更大的貢獻。