一、背景介紹

南大洋西風(fēng)帶是全球海、氣、冰相互作用的重點(diǎn)海域，是全球水循環(huán)、熱循環(huán)、碳循環(huán)的重要組成部分，對(duì)氣候變化研究和海洋氣象預(yù)報(bào)具有重要意義。但由于其氣象、海洋環(huán)境惡劣，目前國際上現(xiàn)場資料較少，尤其是長期實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏。

西風(fēng)帶環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)的重要應(yīng)用場景

西風(fēng)帶環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)是一種適用于極端環(huán)境的水文氣象自動(dòng)觀測平臺(tái)?？筛鶕?jù)實(shí)際需求搭載測量不同海洋環(huán)境要素的傳感器，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)觀測與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。具有固定海域觀測時(shí)間長期連續(xù)、復(fù)雜海洋環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度高、無人值守全自動(dòng)化、水面水下觀測兼顧等優(yōu)點(diǎn)。西風(fēng)帶環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)能夠在不同時(shí)間尺度上、多種惡劣天氣情況下、復(fù)雜海洋水體環(huán)境中連續(xù)獲取海上資料，特別是在臺(tái)風(fēng)、風(fēng)暴潮等惡劣環(huán)境條件下直接獲取具有代表性和實(shí)時(shí)性的海洋環(huán)境過程資料，具有不可替代的重要作用。因此，西風(fēng)帶環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)不僅可應(yīng)用于西風(fēng)帶海域水文氣象觀測，也可廣泛應(yīng)用于海洋環(huán)境監(jiān)測、預(yù)警預(yù)報(bào)、防災(zāi)減災(zāi)、資源開發(fā)、海上交通、漁業(yè)生產(chǎn)、軍事活動(dòng)保障等方面。

二、技術(shù)發(fā)展歷程

國家海洋技術(shù)中心是我國最早從事浮標(biāo)技術(shù)研發(fā)的科研單位之一。在“九五863”計(jì)劃支持下研制了國內(nèi)首套水質(zhì)浮標(biāo)，獲得國家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)；在“十五863”計(jì)劃支持下，研制了首套小型多參數(shù)海洋環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)，國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)感應(yīng)耦合傳輸技術(shù)、彈性系留在浮標(biāo)上的應(yīng)用。“十三五”期間，作為項(xiàng)目牽頭單位承擔(dān)了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“海氣界面觀測浮標(biāo)國產(chǎn)化技術(shù)研究”，實(shí)現(xiàn)了海氣界面觀測浮標(biāo)的全系統(tǒng)國產(chǎn)化和水下1000 m溫鹽深流剖面觀測，性能指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。2018年，針對(duì)我國極端環(huán)境深海觀測浮標(biāo)薄弱環(huán)節(jié)，原國家海洋局委托國家海洋技術(shù)中心開展西風(fēng)帶環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)研制，并于2019年和2020年在我國第35、36次南極科考中成功布放于南大洋海域，在國際上首次實(shí)現(xiàn)“魔鬼”西風(fēng)帶核心區(qū)域的跨年度綜合觀測。

經(jīng)過多年的科研攻關(guān)和不懈努力，現(xiàn)已研制多種尺寸規(guī)格的浮標(biāo)，包括直徑10 m、6 m、3 m、2.4 m和2 m等多種型號(hào)。在功能上有通用型的水文氣象觀測浮標(biāo)，專用型的海洋生態(tài)水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)和應(yīng)急核輻射監(jiān)測浮標(biāo)等。已在國內(nèi)海洋環(huán)境觀測和海洋科學(xué)研究中發(fā)揮了巨大作用。

浮標(biāo)發(fā)展歷程

三、突破核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自主創(chuàng)新

“咆哮西風(fēng)帶”是南半球西風(fēng)帶的形象稱呼，已有觀測資料記錄的最大風(fēng)速達(dá)35 m/s，浪高34 m。西風(fēng)帶的高海況不僅會(huì)導(dǎo)致浮標(biāo)結(jié)構(gòu)、供電設(shè)備和觀測設(shè)備的沖擊斷裂失效，而且由于浮標(biāo)系統(tǒng)長期處于復(fù)雜交變載荷狀態(tài)下，還會(huì)導(dǎo)致浮標(biāo)結(jié)構(gòu)的疲勞斷裂失效。浮標(biāo)的數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)長期工作在高強(qiáng)度多頻振動(dòng)環(huán)境下，其工作的可靠穩(wěn)定性將直線下降。盡管困難復(fù)雜多樣，且國內(nèi)外的浮標(biāo)工程理論資料和成功案例少，項(xiàng)目組成員還是在現(xiàn)有工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，深入學(xué)習(xí)中外浮標(biāo)工程理論，按照先整體后個(gè)體、分階段分層次的思路解決困難，采取理論分析與試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方法，突破浮標(biāo)體的環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)和數(shù)據(jù)采集的穩(wěn)定性技術(shù)，最終完成了環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、穩(wěn)定性高的西風(fēng)帶環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)的研制。

該浮標(biāo)于2019年和2020年在我國第35、36次南極科考中成功布放于南大洋海域，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。浮標(biāo)在海上連續(xù)運(yùn)行約20個(gè)月，觀測數(shù)據(jù)符合海氣相互作用規(guī)律。2021年5月成功完成了第二套浮標(biāo)的回收，通過檢測發(fā)現(xiàn)回收后的浮標(biāo)主體外觀良好，系統(tǒng)運(yùn)行正常。

西風(fēng)帶環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)水槽測試

西風(fēng)帶環(huán)境監(jiān)測浮標(biāo)成功布放

目前只有美國的伍茲霍爾海洋研究所在西風(fēng)帶海域成功布放過錨系浮標(biāo)，而且也處于不斷探索優(yōu)化過程中。國內(nèi)首套西風(fēng)帶環(huán)境觀測浮標(biāo)的成功研制，標(biāo)志著我國在極端環(huán)境浮標(biāo)技術(shù)方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平，有力提升了我國在極地極端環(huán)境下的信息感知能力。

浮標(biāo)在位運(yùn)行期間觀測數(shù)據(jù)