深圳市海域浮标监测网的站位设计和数据应用

深圳市基于不同海洋功能区环境监测的需要,充分考虑各海域环境要素,构建了由13个浮标组成的较为合理的海洋浮标监测网。文章重点介绍分布在大亚湾、大鹏湾、深圳湾和珠江口海域的13个浮标站位的具体设计情况,主要包括所在(邻近)海洋功能区、基础(选配)观测参数、数据应用方向以及监测参数和监测频率等。此外,提出海洋浮标监测系统可为海洋功能区环境评价和重要赛事提供环境数据支撑、实现重点功能区的长期在线监测以及对海洋环境灾害信息进行全过程记录,数据应用前景广阔,亟须在今后的工作中加强应用研究。     

水质监测浮标

水质监测浮标是化学分析仪器和各种水质传感器的集成。主要用于河口地带、排污口附近海域或海洋增养殖区自动测量海洋水质参数 ,为海洋污染监测和海洋水产养殖提供实时资料 ,同时为海洋综合管理和海洋科学研究提供基础数据。其主要功能为 :实时监测海水的 p H、DO、氨氮、温度、盐度、磷酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐等 8个要素 ;定时采集、处理、存储、发送各要素的数据 ;自动检测电源和各单机的工作状态 ,跟踪浮标的位置 ,有故障可及时通知岸站。可应用在近海生态污染监测或海洋水产养殖。水质监测浮标是一种监测海洋环境和海洋水产养殖区水质…     

一种精细化的海洋浮标数据质量控制方法

针对海洋浮标数据获取特点及常见数据错情,本文提出了一种精细化的海洋浮标温盐数据质量控制方法。通过范围检验、尖峰检验、莱因达准则等六个步骤实现浮标数据质量控制,其创新性在于有效集成了多种质量检验法,并且研究了一种融合传统尖峰检验与莱因达准则的质量检验新方法;并以中国近海观测研究网络黄、东海站浮标温盐观测数据为例,验证了本方法的有效性和适用性。该方法可广泛用于海洋浮标温盐观测数据的质量控制,识别出长时间序列数据的异常值。经过本方法质控后的浮标观测数据对于海洋科学研究、海洋气象预报、海洋灾害预警以及渔业发展等具有重要意义。     

CODMn入海通量长时序演变：瓯江遥感影像光谱信息反演

瓯江作为浙江省第二大入海河流，每年约有200亿m³水体输入东海。为探究瓯江高锰酸盐指数(COD_Mn)的入海通量及其长时序变化特征，该文基于实测数据与Landsat-8遥感影像光谱信息之间的相关性，构建了瓯江COD_Mn遥感反演模型(平均相对误差为28%),获得了1986—2020年瓯江中下游河段COD_Mn反演结果。此外，进一步结合降水数据估算了瓯江入海径流量和COD_Mn入海通量，实现了瓯江COD_Mn入海通量长时序变化遥感监测。结果表明，瓯江入海段COD_Mn干、湿季差异并不明显，但总体而言，COD_Mn在湿季略高于干季；1986—2020年，瓯江COD_Mn入海通量整体波动较大，略呈下降趋势。     

浙江海洋浮标监测数据质量控制体系设计

准确有效的数据是开展各项海洋科学研究的基础和前提。与传统采样监测流程不同,海洋浮标在线监测从样品采集到数据结果完全实现自动化,数据质量控制的重点也不再聚焦于样品采集和分析测试阶段。文章选用浙江近年的浮标监测数据,结合浮标监测特点,从浮体稳定性、仪器设备校准、系统运行维护、数据传输接收、比对监测和异常值判定等关键环节,对浙江近岸海洋浮标监测数据质量控制体系进行设计,重点聚焦异常值判定和比对监测;建立质量控制方法库,提出浮标数据质量控制的有效、可信和相对准确3个层级的异常值判定规则,具有首创性,其中第一层为去除明显的故障值、异常值和离群值等无效数据后得到的有效数据集,第二层是经方法库选取合适的质控方法处理后得到的可信数据集,第三层是根据现场比对监测结果验证后的相对准确数据集。以浙江海洋浮标监测数据为基础提出的浮标监测数据质量控制体系的设计思路和方法,将有助于整体提升浙江近岸海域浮标在线监测数据质量,可为全国海洋浮标监测数据质量控制以及相关数据质量控制提供参考。     

表征赤潮水体太阳激发的叶绿素荧光高度的波段优化 --归一化荧光高度法

采用现场实测和室内培养两种方式测定了甲藻、赤潮异弯藻、叉角藻、海洋蓝绿藻等赤潮和新月菱形藻、叉鞭金藻、塔胞藻、扁藻和小球藻等非赤潮藻类光谱曲线.采用度量太阳激发的叶绿素荧光峰高度的归一化荧光高度法,建立了不同藻类归一化荧光高度与叶绿素浓度的关系.荧光高度计算方法是将红光波段的反射率最大值(R_maxred)和R₆₈₅分别归一化到560 nm处的R₅₆₀和560 nm附近整个光谱曲线的最大值R_{560 max}上或675 nm处的R₆₇₅和675 nm附近的最小值R_675mini上.结果表明,不同藻类的R_maxred/R₅₆₀max和R_maxred/R_675mini与叶绿素a的相关系数分别比R₆₈₅/R₅₆₀和R₆₈₅/R₆₇₅与叶绿素的相关系数高,但在海洋现场测量中由于近岸二类水体其他水色组分以及大气校正误差的影响,R_maxred/R_675mini和R₆₈₅/R₆₇₅更适合于实测的叶绿素浓度估算.采用三种统计回归方程建立了不同藻类归一化荧光高度与叶绿素浓度关系,除个别藻种外,大部分的相关系数在0.9以上,其中FLH=a+(Chla)b回归方程得到的相关系数优于其他两种方法,相关系数大于0.93,这表明藻类水体的荧光特性和叶绿素浓度之间的普遍关系是非线性的.     

基于人工神经网络的海洋锚系浮标表层水温序列异常检测研究

锚系浮标是业务化海洋观测系统的代表性设备,通常在海洋恶劣环境下运行,数据序列易受到影响而发生异常。以人工神经网络模型预测区间为判定阈,对山东褚岛锚系浮标表层水温序列进行了异常检测案例研究。结果表明,该方法检测自然环境因素带来的表层水温数据序列有效,未出现假阴性(漏报)或假阳性(误报)。对电源、通信等间接设备故障带来的异常有一定延迟,但能够识别出设备故障带来的所有极大异常和少部分非极值异常,异常检测率约为97.7%。对锚系浮标观测序列开展异常检测研究并分析设备故障特征,对保障海洋锚系浮标的长期稳定运行具有重要实际意义。     

基于海洋生态文明及绿色发展的海洋环境实时监测

随着海洋强国战略的全面实施,海洋生态文明建设作为生态文明建设的重要组成部分已经上升为国家战略,绿色发展强调转变传统海洋经济发展方式,注重海洋资源保护和生态环境修复治理,是实现经济、社会、资源、环境协调发展的新型发展模式。海洋环境监测是认知海洋环境现状、保障海洋生态文明建设和海洋经济绿色发展的重要技术手段。文章论述了海洋生态文明和绿色发展的内涵,给出了海洋生态文明示范区(试验区)和海洋生态红线区两大海洋生态文明建设载体,重点论述了当前以海洋水质浮标、海洋水文气象浮标、波浪浮标、潮位站(验潮井)、高频地波雷达、Argo浮标等为主的海洋环境在线监测和海洋遥感监测技术手段。从构建"岸-海-岛""天空-海面-海底""点-线-面-层"立体化、全方位、实时监测系统,推进在线监测关键技术攻关及配套服务建设等方面进行了展望。     

基于浮标观测的东海赤潮高发区秋、冬季漫射衰减系数的反演

浮标测量的光学数据时间序列长、分辨率高, 能可靠地测量快速变化的漫射衰减系数(K_d)。东海赤潮高发区水体中的浮游植物生物量及悬浮泥沙含量存在较大的变化, 光学性质复杂。文章利用2013年9月至2014年1月的海洋光学浮标数据, 获得了该海域水体的表观光学特性, 基于K_d(490)与遥感反射比[R_rs(λ)]的相关关系建立了K_d(490)的经验算法, 并与已有7种反演算法进行了比较。结果表明, 该海域的K_d(λ)及R_rs(λ)具有显著的Ⅱ类水体光谱特征, 其中, K_d(490)的范围为0.01~4.31m^-1, 水体的浑浊程度变化大。K_d(490)与R_rs比值的相关性较好, 据此建立了以R_rs(650)/R_rs(510)、R_rs(555)/R_rs(510)作为自变量的K_d(490)双比值经验算法。将新建算法反演获得的K_d(490)与实测K_d(490)相比, 均方根误差、平均相对误差百分比和线性回归的决定系数分别为0.27m^-1、27.08%和0.77, 优于其他7种算法。算法精度的提高源于新建算法选择的R_rs能充分反映水体信息, 并适应水体组分的变化, 可为东海赤潮高发区K_d(490)的反演提供较好的选择, 并为海洋光学浮标在水体环境监测中的应用提供示例。     

El Ni?o事件对河流入海COD的调控机制

入海污染物在线监测是实现海洋污染总量控制和测管协同的关键手段之一。本文基于布设在福建省九龙江口的多参数浮标,获取2014?2018年浮标盐度和荧光溶解有机质(FDOM)数据,结合人工采样测定化学需氧量(COD)浓度,建立了河口区COD浓度的快速反演模型。使用有效浓度法外推得到河端COD浓度,结合流量数据估算了高频率的COD入海通量,利用通量分解模型定量分析了COD入海通量的调控因素。结果表明:(1) COD河端有效浓度的拟合值与实测值的偏差为(10.4±8.8)%,模型能够较好地反演九龙江口河端的COD浓度;(2)在季节尺度上,受2015?2016年超强El Ni?o事件影响,2016年旱季的异常降雨降低了河流COD浓度,但是径流量的增加仍然显著提高了该季节COD的入海通量;(3)在年际尺度上,2015?2016年El Ni?o事件所引起的异常降雨事件导致2016年九龙江COD入海通量为(4.4 ± 0.9)×104 t/a,显著高于2014年、2015年及2017年的3.0×104～3.2×104 t/a。上述研究结果表明,FDOM水质浮标在线监测系统,有助于实现对陆源COD入海通量及其调控因素的长期连续高频监测,可为海洋生态环境保护和管理提供重要技术支撑。     

一种新型激光雷达测风浮标设计及海试应用

精确获取剖面风数据对海上风电场规划选址、风能资源评估等至关重要。针对测风塔建设成本高、拆卸移动困难,而传统浮标电源供给较小、摇晃角度大等缺点,设计一种新型激光雷达浮标,实现了对目标海域的风资源剖面数据的观测、解算与自存储。在南海海域进行海试应用,并对观测的剖面风数据和传统大型海洋资料浮标风数据进行同步比测分析。结果表明,激光雷达测风浮标的测量结果与大型浮标测风数据吻合较好,风速R~2相关系数达到0.975,风向R~2相关系数达到0.932。该研究成果可为激光雷达测风浮标在海上风电开发和开展风场变化的科学研究等提供参考。     

基于GNSS浮标的波浪反演技术研究

波浪观测在海洋环境预报、海洋工程建设、海洋资源调查、航海安全等领域具有重要作用。基于全球导航卫星系统（Global Navigation Satellite System,GNSS）浮标进行波浪观测的方法具有全天候、实时、准确度高、价格低等诸多优点,同时还可以在浮标上集成其他海洋环境测量仪器,因此越来越受到世界各国研究者的重视。本文提出一种基于GNSS浮标的波浪参数反演方法,并成功应用于浙江温州海域,在海试过程中,同公认的波浪骑士浮标对比,平均波高相关系数达到0.95,标准差为4.06 cm,平均波周期相关系数为0.92,标准差为0.24 s,完全符合国家标准。本文所用浮标系统还可以搭载多种海洋环境要素观测传感器,可将数据实时传输至接收终端,具有较高的应用价值。     

海洋垂直剖面水温实时监测浮标系统研制与应用

为了实时、连续地监测獐子岛海洋牧场养殖区域不同深度的温度状况,为海洋牧场构建和运行提供数据支持,项目组自行研制了海洋垂直剖面水温实时监测浮标系统,可以在水深≤50 m、风速≤60m/s、波高≤15 m的环境下应用。该浮标系统主要包括水面浮标载体子系统和剖面链观测子系统两部分,浮标载体子系统提供了安全可靠的工作平台;而剖面链子系统上的不同位置挂有多个水下传感器,用于测量相应位置的海水温度。耐压试验、温度标定、室内拷机、现场比测、海上拷机的检定数据表明该系统无渗漏、误差小、数据接收率100%。海上运行18个月的结果同样表明,浮标系统运行稳定,数据采集和接收率高,浮标电压稳定。实践表明该浮标系统具有测温精度高、结构简单、使用方便的优点,具有广泛的应用前景。     

多参数海洋浮标实时采集系统的设计

提出了一种深海浮标实时数据采集的设计方案。该方案基于数据库和卫星通信技术,通过多通道数据采集,能够实现深海环境要素的实时获取,完成在无人值守状态下浮标周围海域的环境监测,有助于推动特定海域海洋环境的研究。     

浙江省海洋水质监测浮标设计与实现

作为一种高技术监测手段,海洋浮标可实现现场自动监测而不受恶劣海况的影响,近年来得到了广泛的重视和快速发展。文中介绍了浙江近岸海域海洋水质监测浮标的结构设计和自动监测实现。浮标设计为生态浮标、海滨浮标和专项浮标3种类型,由浮体、标架、供电设备、防护设备、锚系、传感器、数据采集传输、电子/电池舱、岸站接收系统等9个部分组成。浮体设计为圆饼形,浮体下方正中安装稳定锤以保证具备足够的稳定性。供电设备由太阳能电池板、大容量蓄电池组成,可保障海上30 d连续阴雨天气、恶劣海况下的不间断供电。浮标经喷防污漆、牺牲阳极保护、裹铜皮、加过滤网和人工清除等5种方法防腐、防污处理后投放入海,采用常规维护、应急维护和年度维护等3种方式保障浮标系统运行稳定。投放后可实现对标浮所在海域水质、气象、生态等参数的连续、实时、自动监测。最后对浮体直径设计和浮标投放点选址提出了建议和要求。该设计可为其它类似区域的水质监控提供良好的参考。     

大型全钛海洋资料浮标结构强度有限元分析

为了分析校核全钛海洋资料浮标的整体结构及拖曳强度,本文依据相关标准规范计算了全钛海洋资料浮标作业工况和极限工况下所受的风、浪、砰击载荷,利用有限元方法对全钛海洋资料浮标进行了整体及拖曳强度计算分析。依次分别计算浮标结构为8 mm板厚和6 mm板厚两种方案的应力,并对照《海上浮式装置入级规范（2014）》进行了应力衡准。研究结果表明：无论采用8 mm的板厚还是6 mm的板厚,浮标结构强度及稳定性满足规范要求。在满足强度要求的前提下,使用6 mm板厚方案更具有经济性,也有利于提高浮标的设备承载能力。     

基于人工神经网络的高频雷达风速反演

风速是重要的海洋状态参数之一，对海面风速的准确提取是实现海洋环境监测和沿海工程应用的重要保证。目前，作为新兴海洋环境监测设备，高频雷达在风速提取方面仍然存在挑战。本文提出了一种基于人工神经网络的风速提取方法，利用历史浮标测量海态数据训练风速提取网络，实现风速与有效波高、波周期、风向及时间因素之间的非线性映射。测试结果表明了这一网络在时间和空间上的稳定性；进而将已训练的网络应用到便携式高频地波雷达OSMAR-S的风速反演中，得到的风速与浮标测量风速间的相关系数达到0.849，均方根误差为2.11 m/s。这一结果明显优于常规由浪高反演风速的SMB方法，验证了该方法在高频雷达风速反演中的可行性。     

基于串行通信的传感器自动识别与通用型浮标数据采集系统设计

海洋资料浮标以其多种功能和连续探测能力成为现代海洋观测的重要工具。海洋浮标传感器种类多、通信协议差异性大,为浮标数据采集系统提出了集成应用需求多样、平均开发周期长的问题。本实验设计并实现了基于串行通信波特率特征判别传感器的通用型海洋浮标数据采集系统。系统基于串行通信接口,通过对波特率的自动识别,对多种不同海洋参数传感器的通信特点进行比对分析,从而将传感器进行分类识别,实现外载传感器的自动识别功能;通过IAP设计,实现系统的拓展。最后,通过实验室的原型试验进行技术路线可行性验证。结果表明,系统能够在数秒内快速无误识别信息库中传感器,可以通过分包方式满足远程更新需求。     

我国海洋监测浮标技术及监测网现状及发展

海洋资料浮标可以在各种复杂的海洋环境中提供长期、连续、实时、可靠的海洋观测数据,是海洋监测技术中最可靠、最有效、最重要的手段之一。本文概述了海洋资料浮标的分类、主要理论及技术体系;总结了近年来国内海洋资料浮标发展的典型技术突破;介绍了我国目前海洋监测网的构成、应用情况,并对比了我国海洋资料浮标与国际先进国家的技术水平差距,在此基础上,结合我国当前面临的形势及需求,展望了海洋资料浮标及监测网技术的发展趋势。