环境

漂浮在海上的10米浮标

布设浮标

观测浮标桅杆平台上的气象传感器和通信设备

东海浮标站点分布
海洋观测浮标是布设在大海中的观测站,它们全天候、不间断地工作,获取有关海洋水文、水质和气象的各种信息。
撰文/刘长华 贾思洋 王彦俊(中科院海洋所)
什么是海洋观测浮标?
说到浮标,我们通常会想到那种漂浮在水面上,用于指示航道,标出浅滩、暗礁的航标。其实,除了作为航标的浮标之外,还有一类浮标,它们就像人类布设在海中的一个个观察哨,夜以继日地为我们提供有关海洋水文、水质和气象的各种信息。这就是海洋观测浮标。
我们生活的这颗星球上,海洋占据了约71%的面积。随着社会和经济的发展,人类与海洋的关系越来越密切。首先,海洋对全球气候变化的影响巨大,可以说海洋是气候变化最主要的决定因素之一。海水的温度、洋流的变化、大海与大气之间的气体交换(如水、二氧化碳、甲烷、含硫化合物等),都会对气候产生非常大的影响。其次,海水的物理、化学性质,以及洋流的变化等,决定了海洋生物的分布,以及海产养殖的收成。还有,海洋的水文和气象对海上交通运输的重要性也是不言而喻的。当然,当大海发怒时,还会给人类带来可怕的灾难,如风暴潮、狂风巨浪、海啸等。所以,对变幻莫测的海洋进行系统、严密的观测,了解其变化规律,是非常重要的。只有在这个基础上,我们才有可能研究洋流的变化、海洋对气候变化的影响,才有可能保护好海洋生态环境,以及对海洋灾害做出及时、准确的预报。
大海浩瀚无垠,要对海洋进行全面观测,仅仅依靠设置在海边或岛礁上的观测站是远远不够的,而很多数据又无法通过卫星和航空遥感的办法得到。这正是海洋浮标大展身手的时候。海洋浮标有很多种,有的固定在某个地点,称为锚系浮标,有的则随着洋流在全球漂流,称为漂流浮标;有的漂浮在水面上,有的则潜在水下,又称为"潜标"。著名的Argo计划,就是一个全球海洋观测试验项目,通过三十多个国家的合作,在全球大洋中布放了数千个可以下潜上浮、随着洋流漂流的浮标,形成了一个全球海洋观测网。
今天我们来看一看,另一种浮标,也就是中国科学院海洋研究所布设在近海的观测浮标是如何工作的。它是用锚固定在一个具体的位置并漂浮在水面上的,也就是锚系浮标。如果在一片海域中布设多个浮标,就可以形成一个观测网。
全天候、长期连续地定点观测,这是锚系浮标观测的主要特点。很多重要的科学发现,例如大洋环流的发现、中尺度涡流现象、厄尔尼诺现象、海洋生物资源的周期性变化、海洋环境的演变等,都是在长期的海洋现场观测基础上取得的。
海上"不倒翁"
浮标的主体其实就是一个能漂浮在水上的搭载各种观测仪器的平台。传统上,浮标大多是钢制的。现在的浮标越来越多地使用新型的高分子材料,这些材料与传统的金属材料相比具有很多优点:强度高、耐碰撞,不会被海水腐蚀,而且没有磁性,不会影响仪器设备的正常工作。
海洋气候变化多端,与潜标不同,浮标必须练就能够顶住狂风巨浪而不倒的本领。海洋所的观测浮标采用"单点系泊"方式,靠一套锚和锚链牢牢固定在海中,即使风浪很大也不会移位。但这还不够,观测浮标上安装着很多仪器设备,要保证它们的正常工作,浮标还要能像不倒翁一样,在波浪翻滚的海面上保持直立,不能倾覆。要保证浮标的稳定性,浮标的形状就非常重要。浮标有圆盘形、船形、球形等各种形状,而海洋观测浮标通常是圆盘形的。圆盘形的浮标重心很低、稳定性非常好,而且由于它的吃水面很大,能紧贴水面,具有很好的"随波性",有利于准确观测波浪的起伏高低情况。左页图中是中科院海洋所的10米浮标,看起来貌不惊人,但它的锚系和圆盘形结构使它能经受住75米/秒(时速270公里,相当于17级以上的最强台风)的极高风速和20米高的极其罕见的巨浪的考验。
浮标的"感知器官"
那么,海洋观测浮标能监测哪些海洋信息?浮标虽然无人值守,但本领强大。根据需要,浮标上可以安装不同类型的传感器,对风速风向、气温、相对湿度、气压、能见度、雨量、波浪、海水的流速流向、水温、盐度、溶解氧、叶绿素、浊度、方位及浮标位置等要素进行观测。更重要的是,浮标能对这些海洋气象、水文和水质参数进行长期、连续的自动监测。
这么多种复杂的参数,是如何全部做到自动监测,而无需人工干预的?科学家采取了很多巧妙的办法。总的来说,就是设法将各种各样的非电信号的变化都转化为电信号(电流、电压、电容等)的变化,从而制成各种自动传感器。
浮标不但能通过各类传感器全天候地收集海洋环境资料,自动采集数据,还能将获得的数据自动发送到陆地上的接收站。
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