海洋潜标技术的应用与发展

1 海洋潜标系统 海洋潜标系统又称水下浮标系统,是海洋环境观测的重要设备之一。 海洋潜标系统一般由水下部分和水上机组成。水下部分一般由主浮体(标体)、探测仪器、浮子、锚系系统、释放器等组成。通常,主浮体布放在海面下100m左右或更大深度的水层中,因而避免海表面的扰动;锚系系统将整个系     

一种适用于石油平台的有缆潜标系统的设计与布放方法

针对石油平台上的海洋环境动力检测,设计一套有缆潜标系统,并进行现场布放.该设计采用从海底到石油平台垂直布放一根受力钢缆,测量设备和通讯电缆依附于受力钢缆上.布放时采用船舶布放有缆潜标水下部分,平台布放有缆潜标水面以上部分,两部分在水面附近进行连接,调整受力.该设计可以大大降低布放成本,避免有缆潜标系统缠绕平台桩腿等问题,有一定的工程施工参考价值,可以应用于石油平台的有缆潜标布放设计.     

基于“雪龙”船平台的极地锚锭浮标布放——以中国第六次北极科学考察白令海锚锭浮标布放为例

极地海气通量异常通过大气环流将极区和中低纬度气候变化联系起来,海气通量观测是从根本上认识极区对中低纬度气候影响实质的关键手段之一。目前,国内外高纬度定点海气通量观测非常稀少,可借鉴的极地锚锭浮标布放技术也处在摸索阶段。中国第六次北极考察队在北太平洋高纬海域白令海成功投放一套锚锭海气浮标,进行定点气温、湿度、风速、短波辐射、长波辐射,海表面温度等海气界面数据连续观测,这是我国在北太平洋高纬海域成功布放的首套锚锭浮标。通过该套锚锭浮标的成功布放,获得了我国以"雪龙"船为平台的极地锚锭浮标布放技术的宝贵经验。本文从极地锚锭浮标布放的意义、锚锭浮标介绍、布放原则和方案、布放过程及布放关键技术等方面进行阐述,为我国未来极地锚锭浮标布放提供基础和借鉴。     

深海潜标姿态的动力学仿真分析与验证及沉降原因探究

论文结合中国科学院海洋研究所2017年至2018年在西太平洋布放的一套6000m深自容式锚泊潜标系统,利用其温、深、盐及海流数据,参考卫星观测的海面资料,依据潜标结构组成,创新性地选用多体动力学软件ADAMS建立柔性缆体有限元模型,进行复原式姿态模拟,对此潜标异常沉降情况进行原因探究,提出减小因潜标大深度沉降导致影响的方法。本文所提出的柔性体模型,可依据海流参数变化改变有限元长度,自定义流阻状态,已被证明在较小海流和海流异常大两种分布模型的拟下,计算机有限元模型分析所得绝对沉降误差达缆绳总长0.18%和0.41%。通过计算机模型依据实际情况的模拟结果,最终印证异常沉降值的形成原因：（1）在系泊结构既定且安全布放的前提下,其沉降异常值的出现只能与其当日所处环境的海流分布状态相关。模型锚泊最大受力8621N,合理选择布放地点、潜标材料可降低系泊损坏风险;（2）若大洋中尺度涡形成和临近导致流速激增,其对整个系统的作用将决定锚系系统布放期间异常沉降深度,由于中尺度涡的形成与迁移具有可预报性,结合系泊深度和位置的及时调整可减小超深度沉降所导致的影响。     

楚科奇海夏季潮流和余流观测研究

根据2008年8月5日至9月7日在楚科奇海布放的一套锚碇潜标观测系统(71°40.024′N,167°58.910′W)获得的海流剖面资料研究了该海区的海流分布特征,重点探讨了潮流的垂向结构、余流剖面特征及海流的斜压性.结果表明:(1)该海域主要分潮为半日潮M1,S2和N2,近日分潮O1,天文分潮MM和MSF,其中以M...     

极区卫星跟踪浮标在北极科学考察中的应用

介绍了两套极区卫星跟踪水文气象自动观测浮标的研制目的、结构组成与功能，以及在中国第二次北极科学考察中的现场布放和应用。同时也介绍了由美国进口的ZENO冰浮标的结构、功能和布放情况，并将极区卫星跟踪浮标和美国ZENO冰浮标做了相应的比较和分析。     

基于动态布放的潜标锚系浮力配置优化研究

通过使用MATLAB仿真计算方法,研究了潜标锚系浮力配置方案对于动态布放过程力学性能的影响。文中列举了4种锚系浮力配置方案,运用集中质量法建立了4种锚系的弹簧-质量节点模型,通过编写MATLAB仿真程序,模拟了4种锚系的布放运动过程。通过对布放运动过程中的锚系姿态轨迹、垂向运动、水平运动、海床基着底过程和缆段张力变化等指标进行对比,得出4种锚系各自布放力学性能指标上的优劣。仿真结果表明:将多个浮球集成为单个大浮力节点的方案缩短了锚系整体长度,有利于锚系在水中维持垂直度,但降低了锚系抗漂移能力;将浮力节点分散布置在各非浮力结构节点上方,可以降低连接缆段上的张力极值,但会使张力变化幅值增大。基于仿真结果,建议潜标锚系浮力配置优化的设计思路为:集中小浮球为紧凑浮力节点,适当加长上部浮力节点与下部非浮力节点之间的距离,浮力节点分散布置和适量减少上部的浮力节点数量。     

一种潜标的水下姿态变化规律分析

采集了布放和工作过程中锚系结构潜标的姿态变化信息,分析了潜标布放和工作过程姿态变化的规律。水下潜标存在一个周期40 s左右的沿竖直轴线的旋转振荡,同时还存在倾斜和俯仰变化。经分析,造成潜标旋转振荡的原因是柔性缆的扭力与潜标转动时尾翼的阻力相互作用,使潜标沿回转轴振荡。造成潜标倾斜的原因是标志浮标受风浪影响对潜标产生拉力。提出了在缆绳上加装自由转环以消除缆绳扭力、改变标志浮标系留位置等改进措施。重点列出了不同阶段的姿态变化曲线,通过曲线显示的信息可以回溯当时的工作环境和过程。     

潜标系统静态力学分析计算及其应用程序开发

通过对单点系留式的潜标系统静力学分析和姿态计算,研究开发了一个不同水深、海流等环境下的计算分析潜标系统姿态的程序,然后对潜标系统进行求解,获得更加合理的锚系结构,达到锚系在工作水深的最佳姿态,确保了潜标系统工作安全,从而获得更加准确的数据情况。     

一种浅水型海流定点观测系统布放方法

介绍了采用座底式轻型仪器架进行30 m以内浅水深海流观测的两种系统布放方法:先锚后仪器架法和先仪器架后锚法。其中,详细介绍了先锚后仪器架法的布放过程,对先仪器架后锚法作了简要介绍。     

Characteristics of sea ice kinematics from the marginal ice zone to the packed ice zone observed by buoys deployed during the 9th Chinese Arctic Expedition

Sea ice growth and consolidation play a significant role in heat and momentum exchange between the atmosphere and the ocean. However, few in situ observations of sea ice kinematics have been reported owing to difficulties of deployment of buoys in the marginal ice zone (MIZ). To investigate the characteristics of sea ice kinematics from MIZ to packed ice zone (PIZ), eight drifting buoys designed by Taiyuan University of Technology were deployed in the open water at the ice edge of the Canadian Basin. Sea ice near the buoy constantly increased as the buoy drifted, and the kinematics of the buoy changed as the buoy was frozen into the ice. This process can be determined using sea ice concentration, sea skin temperature, and drift speed of buoy together. Sea ice concentration data showed that buoys entered the PIZ in mid-October as the ice grew and consolidated around the buoys, with high amplitude, high frequency buoy motions almost ceasing. Our results confirmed that good correlation coefficient in monthly scale between buoy drift and the wind only happened in the ice zone. The correlation coefficient between buoys and wind was below 0.3 while the buoys were in open water. As buoys entered the ice zone, the buoy speed was normally distributed at wind speeds above 6 m/s. The buoy drifted mainly to the right of the wind within 45° at wind speeds above 8 m/s. During further consolidation of the ice in MIZ, the direct forcing on the ice through winds will be lessened. The correlation coefficient value increased to 0.9 in November, and gradually decreased to 0.7 in April.     

一种新型多功能海洋浮标

介绍一种多功能海洋考察与观测用浮标的结构、性能。浮标带有短波无线电遥控和数据传输功能、可外挂多种传感器;该浮标采用小水线结构,在较高海况下,具有较好的安定性。浮标配置了差分型全球定位（DGPS）接收机和短波电台,可对浮标的位置和工作状况实施实时监测,对浮标的工作程式实时遥控并进行必要的数据传输。浮标电子舱内具有大容量多通道数据采集记录系统,DGPS的lpps（1 pulse per second）信号被用于多浮标数据采集的精确同步。浮标可用于海洋监测、考察;也可用于水下目标高精度大地坐标测量等海洋工程。     

基于10 米浮标载体的锚链式剖面观测系统实践之一——自容式采集方式

为了对我国近海海域进行剖面观测,获取到多层位水体的多要素观测数据,尝试依托中国近海海洋观测研究网络东海站10 m浮标系统的锚系,采用在锚系上挂载自容式组合传感器方式,获取到8个观测周期共412 d的有效剖面观测数据,观测层位分布于10,20,30 m 3个水层;通过结合浮标获取的表层温度数据与3个水层的对比分析表明,锚链式剖面观测方案在实用性和可推广性方面具有显著优势,是基于海面浮标载体进行剖面观测的有益尝试,可在我国构建的海洋浮标观测网络上进行广泛应用,将为我国近海海洋科学研究提供弥足珍贵的水面-水体全序列系统观测数据资料,从而为近海海洋科学研究取得突破性进展提供重要的数据支撑。     

"采用SCADA通信系统通过国内卫星传输资料浮标数据研究"及其应用

海洋资料浮标测量数据传输的安全、可靠、经济和方便,是多年来浮标工程研究的课题。文中介绍我国海洋资料浮标数据传输方式的变革,国内卫星(中卫-1号)的性能及覆盖海域,"全线通"双向数据卫星通信系统原理特点以及"采用SCADA通信系统通过国内卫星传输资料浮标数据研究"成果在我国东海、南海的应用情况。     

适用于中国近海观测研究浮标的北斗/GPS双模信标系统的研制与应用

为了提高海洋观测研究浮标在位运行的安全性,自主设计了一种北斗/GPS双模定位信标。该信标采用传统的GPS技术进行定位结合“北斗”卫星特有的报文通信和定位功能,通过解决传统GPS信号盲区问题,为中国近海海洋观测研究浮标安全运行提供了更加有力的保障,同时提高了数据保密能力。该系统采用外部供电和内部自主供电相结合的模式,即使外部供电中断,也可保证正常运行不低于1 a,而且基本上不需要对信标进行专门维护,大大降低了运行和维护成本。与该信标配套的岸站管理系统具备发送和短信和邮件报警的功能,可实现浮标运行状态实时监控。     

基于中国北极考察布放浮标观测和数值模拟的海冰和积雪厚度变化分析

Sea ice and the snow pack on top of it were investigated using Chinese National Arctic Research Expedition(CHINARE) buoy data.Two polar hydrometeorological drifters,known as Zeno? ice stations,were deployed during CHINARE 2003.A new type of high-resolution Snow and Ice Mass Balance Arrays,known as SIMBA buoys,were deployed during CHINARE 2014.Data from those buoys were applied to investigate the thickness of sea ice and snow in the CHINARE domain.A simple approach was applied to estimate the average snow thickness on the basis of Zeno~ temperature data.Snow and ice thicknesses were also derived from vertical temperature profile data based on the SIMBA buoys.A one-dimensional snow and ice thermodynamic model(HIGHTSI) was applied to calculate the snow and ice thickness along the buoy drift trajectories.The model forcing was based on forecasts and analyses of the European Centre for Medium-Range Weather Forecasts(ECMWF).The Zeno~ buoys drifted in a confined area during 2003–2004.The snow thickness modelled applying HIGHTSI was consistent with results based on Zeno~ buoy data.The SIMBA buoys drifted from 81.1°N,157.4°W to 73.5°N,134.9°W in 15 months during2014–2015.The total ice thickness increased from an initial August 2014 value of 1.97 m to a maximum value of2.45 m before the onset of snow melt in May 2015;the last observation was approximately 1 m in late November2015.The ice thickness based on HIGHTSI agreed with SIMBA measurements,in particular when the seasonal variation of oceanic heat flux was taken into account,but the modelled snow thickness differed from the observed one.Sea ice thickness derived from SIMBA data was reasonably good in cold conditions,but challenges remain in both snow and ice thickness in summer.     

海洋观测浮标体水中平衡性分析

海洋观测浮标系统应用广泛,浮标体的平衡性能是影响海洋观测浮标使用的重要因素之一(着重观测波浪等水文参数除外)。以一种主体直径为2.3 m的浮标体为例,运用动力学平衡理论,通过数学分析法进行推演计算,分析后得到了此浮标体的重心和浮心的位置。其中,重心位于主浮体的中轴线偏下位置;按照浮标体倾斜一定角度的情况下,推算出浮标体浮心位置,并由此得出其稳心的位置。依据计算,得出浮标体倾斜20°的情况下,此浮标体依然处于稳态平衡,理论结果表明此浮标体设计具有一定的可行性。通过海上实际测试,验证了理论计算分析的正确性。文中对浮标体平衡性的研究采用了理论分析与实验印证相结合的方法,其分析计算方法具有普适性,适用于其他型号的海洋观测浮标体,乃至所有水面浮体的平衡性分析,可为水面浮体设计提供借鉴。     

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。     

国产深海准实时传输潜标系统设计

基于海洋环境安全保障、海洋环境预报和海洋科学研究的需要，开展国产深海准实时传输潜标系统的设计，重点进行锚泊系统水动力分析、观测设备工作同步性、准实时通讯系统安全可靠和系统低功耗等整体技术设计；开展轻型感应耦合传输缆制作、大深度感应耦合传输和智能收放通讯等数据实时通讯技术的研究；进行适用于准实时传输潜标系统的多种类国产设备的稳定性和可靠性优化、规模化集成和系统化的应用示范，形成半潜升降式准实时通讯潜标与浮子式准实时通讯潜标各1套。所设计的准实时传输潜标系统集成了1台抗污染CTD、19台感应耦合CTD、8台感应耦合T、4台感应耦合传输的ADCP、2台单点海流计和6台感应耦合数据传输仪，并配有2套声学释放器；潜标系统本体设计含有3个水下流线型浮体、1套通讯浮子、1套准实时卫星通讯装置（半潜式水下绞车或海面浮子）和1套锚泊缆系，可实现深达2 000 mm的剖面温盐深和海流等海洋要素的高频率、多要素、多层次的长期连续观测和数据准实时传输，以便对科学问题解决和海洋环境安全保障等提供及时的数据支撑。