浮标测量仪(极地海冰浮标观测技术)

Posted 2023-05-31

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浮标测量仪(极地海冰浮标观测技术)

作者：陈超、李丙瑞、席颖、窦银科、蓝木盛、罗光富

极区多尺度气—冰—海相互作用是全球气候系统变化的热点和难点之一，利用海冰浮标，连续自动获取冰面气象、海冰以及冰下上层海洋的环境数据，是开展气—冰—海相互作用研究的最关键手段。

北极是影响我国天气气候的关键区域之一，冬季极地冷空气南下是造成欧亚大陆阶段性强降温和强降雪的主要原因之一。认识北极变化对欧亚冬季极端天气气候事件的影响，首先就需要了解北极海—冰—气系统本身的影响，而目前开展极地海—冰—气的研究的主要手段为在极地设立观测站，通过飞机或船舶在冰区内部署营地，布放无人冰站等，相比于其他手段，无人冰站是一种能够长期原位观测的手段，同时因其相对经济性，使得大范围的布放成为了可能。依托于布放在接岸固定冰面或漂流浮冰上的海冰浮标，既可以实现对冰上气象环境数据和冰下温盐流等数据的长期自动获取，又可以监测海冰自身的热力和动力过程。得益于此，近年来极地海冰浮标的观测结果已经被相关的研究学者广泛采用。

极地海冰浮标研究现状

国际极地海冰浮标研究现状

美国国家科学院于1974年提出在整个北冰洋区域建立监测网络的提议，通过浮标进行监测海平面的温度、气压以及海冰的漂移轨迹 [1]，因此根据该建议，1978年北极海洋浮标计划在华盛顿大学应用物理实验室极地科学中心成立，并用于支持全球天气实验，该计划持续到1990年。1991年国际北极浮标计划（IABP）继承了北极海洋浮标计划，基本目标仍然是建立北极浮标监测网络，用于为极地研究人员提供实时的观测数据。在过去的几十年中，伴随着海平面的上升和全球气候的变化，科研人员越来越关注于海冰的研究，通过IABP的监测数据对海冰进行研究与分析，如通过基础数据的研究表明了气压的下降和气温的上升等。IABP的实时监测数据除用于科研人员的研究外，能够为全球气候模式的强迫、同化与验证 [2,3]提供重要的参考价值。通过对北冰洋的海平面温度和海冰运动轨迹，可以准确的分析北极海冰当前的状况，IABP的数据能够为该分析提供可靠和实时的观测数据。

2015年，德国亥姆霍兹极地与海洋研究中心的科学家领衔发起了“北极气候研究多学科漂流计划” （MOSAiC），主要依托平台为“极星”号破冰船。通过无人冰站等装备获取北极冰区长期连续观测数据，数据将应用于北极环境和气候变化机理以及数值模拟研究，以提升对北极环境和气候变化的监测能力，提高对北极海冰快速变化的预测精度。按照该计划，德国“极星”号破冰船于2019年秋季被冻结在东西伯利亚/拉普捷夫海北部，随穿极流漂移至2020年10月，完成为期一年的有人值守冰站观测，旨在加深了解北极中央海域大气—海冰—海洋—生态系统间的耦合过程以及地球化学循环过程，提高北极天气和海冰预报及气候预测能力。

国际南极浮标计划（IPAB）是由南极科学委员会和世界气候研究计划共同参与组织，成立于1994年6月，它旨在共同建立和维护南大洋海冰漂流浮标监测网络。该计划的研究区域位于南纬55°以南，包括最大季节性海冰范围内的南大洋和南极边缘海域，能够根据不同任务要求和研究目标实时采集、传输海洋学和气象参数数据，支持该地区与全球气候过程相关的研究，为天气预报中心提供实时监测气象数据，并为持续监测南极海冰区的大气和海洋气候奠定基础。

国内极地海冰浮标研究现状

我国对北极的研究起步较晚，1999年首次组织北极科学考察。在随后的十几年中，先后进行了九次以“雪龙号”为平台的北极科考，针对北极海域的海冰和全球气候变化的关系，获取了大量有价值的气象学数据和上层海洋学数据。在第6次北极科学考察中，中国考察队首次选取在加拿大海盆安放3套深水冰拖曳浮标，该浮标能够实现连续性的监测，进而获取从冰下800米深的物理海洋学剖面数据。并首次完成四套海冰浮标（海冰漂移浮标、海冰温度链浮标）阵列的布放，能够获取宝贵的海冰漂移数据，是研究海冰形变过程和规律的主要手段之一。为了探索北极海冰的变化规律，中国第7次北极科学考察队共安放了40个冰基浮标，其中包括布放在加拿大海盆冰面的浮标阵列，是我国历次北极科考布放的最为规则的浮标阵列，该浮标阵列包括13个海冰浮标。浮标会伴随着海冰一起漂移，对海冰实现连续性监测，用以获取海冰的运动轨迹和范围、海冰表面积雪累积和融化等热力学过程的监测数据。中国第8次北极科学考察队在北冰洋公海区中央海道沿线开展了7套短期冰站作业，共布放9套不同类型的海冰浮标，为其适航性环境评估和开发利用积累了宝贵的数据和经验。在第9次北极科学考察中，科考人员成功安放我国自主研发的“北极海—冰—气无人冰站观测系统”，该系统能够适应极地恶劣的环境，实现无人值守和连续性监测的功能，补缺了我国在北极冬季监测的空白。在随后的第11次北极科学考察中，再度成功布放两套该系统。

常见极地海冰浮标的技术特征

极地海冰浮标的整体设计和研发与不同方向的科研问题紧密相关，即有具体的测量物理海洋学参数和持续观测时间要求。同时，海冰浮标的设计需要适应极地环境下恶劣的气候，其气候特征包括低温、极昼、极夜和强风等特点。在这种环境下，需要面对电池的放电容量减少、传感器的工作特性下降和出现故障无法实时维修等问题。极地海冰浮标的主要功能是实现实时和连续性自动化监测，因其设计功能不同，浮标搭载的传感器和相对特性组件会有所不同。极地海冰浮标通常包含电池模块、通讯模块、传感器模块和控制模块，电池模块根据其载荷设备的耗电量选用不同容量的铅蓄电池和锂电池；通讯模块通过卫星传输所采集的数据；传感器模块根据具体测量的要求选用各类传感器型号；控制模块可以实现数据的采集、存储和处理等功能。近些年，科研人员对部分浮标装置配有摄像头设备，用于监测现场的实时环境和浮标运行的工作状态。极地海冰浮标为拉格朗日型浮标，将通过下列海冰浮标的介绍详细阐述拉格朗日型浮标的技术特征。

海冰物质平衡浮标

海冰物质平衡浮标（IMB）由加拿大研发生产的一款用于长期和实时监测海冰的拉格朗日型浮标，能够测量海冰厚度、海冰温度、空气温度与气压等气象学参数和冰上层海洋学参数。IMB浮标能够将采集的数据存储在数据记录仪中，并且浮标构件配备以下设备：温度链、Argos发射器、GPS接收器、气压传感器、气温传感器和声学探测器。浮标通过冰上和冰下声学探测器测量海冰上下界面的位置，误差范围仅为5毫米。温度链是通过布放在杆外表面YSI热敏电阻构成，每个YSI热敏电阻间隔为10厘米，共45个YSI热敏电阻，其精度优于0.1℃。浮标将采集的传感器数据除存储在数据记录仪中，连同GPS信号，通过Argos通信卫星实时传回给远程监控中心 [4]。

极地浮标

极地浮标（J-CAD）是加拿大和日本海洋科学技术中心专门为极地科研人员研究设计的一款提供环境气象数据信息的海冰浮标，通过卫星实时传输气象和海洋数据，同时将数据存储在内部存储器里作为数据备份 [5]。J-CAD浮标主要由四部分组成：气象传感器单元、水下传感器单元、系统控制单元和配有内部数据记录单元的数据遥测系统。系统控制单元向每个传感器发布指令，进行数据采集和数据处理功能；水下传感器单元和系统主控制器之间的通信方式运用感应耦合遥测技术，将多传感器水质仪采集的数据传输到冰基浮标的控制器中；GPS接收器高精度定位冰基浮标的位置。由于J-CAD浮标经济成本低、稳定性高，极地科研人员能够在极地区域布放大量J-CAD浮标 [6]，用于采集所需要的气象学数据。

极地浮标

海冰信号浮标

海冰信号浮标（ICE BEACON）是由加拿大设计研发的一款搭载多种大型传感器的模块化监测平台 [6]。该浮标能够用于监测海冰的漂移轨迹、大气数据、海冰和空气的温度数据，并且能够通过处于海水中的多传感器水质仪采集海水温度、盐度和深度数据，数据通过Argos卫星或铱星传输至远程监控中心，为极地科研人员提供实时监测的数据。电源模块根据实际搭载传感器的功耗选用不同容量的锂电池，用于为各个模块提供持久的工作电量。

海冰信号浮标的标体是由铝合金制作而成的，具有重量轻的特点，方便科考人员的布放和安装；在标体外部安置一块离共聚泡沫轴圈，为该浮标提供浮力。该管状型的标体能够较容易地透过海冰层与海水接触，具有较好的稳定性，其设计结构的独特性能够方便和快速地投放在北极冰冻圈内的海冰上。

UpTempO 浮标

UpTempO浮标是由加拿大设计的一款通过铱星传输的数据采集和数据处理系统，专为海洋学和极地应用而设计，旨在测量北冰洋深60米的温度。该浮标的装配平台采用经过验证的平台，可在最恶劣的气候和条件下进行12至18个月的连续无人值守操作。

UpTempO浮标能够搭载并处理多种冰下传感器，其中包括：溶解氧传感器、叶绿素传感器、温盐测试仪和温盐深测试仪等传感器，获取温度、深度、水电导率等观测数据。球形仓内包括：电子设备与电池、大气温湿度传感器、大气压传感器和铱星天线。标体下放悬挂着12个热敏电阻，分别位于2.5、5、7.5、10、15、20、25、30、40、50、60米处，其中在20米和60米处均额外有压力传感器。UpTempO浮标的设计可用于测量极地区域海洋的透光（光强度）表层的海水温度。该浮标设计成本低廉，便于在开阔水域或海冰覆盖的条件下部署。随着海冰每年夏天变薄和消融，海洋表面温度变暖的程度正在加速，可通过浮标的观测数据衡量这种变暖过程。

UpTempO浮标标准配置和实物照

冰基漂流自动气象站

冰基漂流自动气象站是一款无人值守的监测系统，搭载的传感器包括：温湿度传感器、气压传感器、风向风速仪、光辐射传感器和GPS等，能够测量2米和4米高度的气温、湿度、风速和风向，2米高度的向上和向下总辐射，以及冰面气压和经纬度等参数。每天按照世界时0:00开始，隔1小时进行观测数据的采集，并且通过搭载的Argos卫星通信模块进行数据定时传输。在北极高纬度区域，气象观测数据资料缺乏，冰基漂流自动气象站的安放，能够在一定程度上改善北极区域气象实测数据匮乏的状况。该气象站观测到的气象数据不仅能够有助于研究北极的环境气候变化、北极大气和海冰数值预报模式参数化方案的优化，也有助于验证北极大气数值预报结果。为认识北极、利用北极提供坚实的数据支撑，为合理利用北极航道和拓展“冰上丝绸之路”提供准确的辅助决策信息 [7]。

海冰温度链浮标

海冰温度链浮标（SIMBA）是一款用于海冰测量的产品，其搭载的主要传感器为热敏温度链，能够测量出4.8米长的温度曲线，每2厘米为一个测温点，共240个温度检测点。浮标搭载的其他传感器包括铱星模块、磁力计和大气温湿度传感器等，内置的GPS模块可跟踪海冰的运动；大气温湿度传感器能够提供当地环境空气温度和湿度数据；铱星模块用于传输各个传感器采集的数据。浮标为极地海冰厚度（生长和衰变）的连续监测、跨年度周期的时间演变提供了可靠的手段；其低成本能允许在阵列中进行多个单元部署，以改善空间可变性数据；浮标采集的数据非常适用于过程模型评估（例如，确定冰海能量交换），用于极地地区的天气预报以及用于监测海冰厚度和状态。浮标也有许多其他地面的应用，如可用于监测融雪和山区结构积雪变化，在偏远的北极和南极区域，可用于实时监控冰路状况。

太原理工大学也对温度链浮标进行了设计开发，该浮标主要搭载4.5米长的柔性温度链。最初的海冰浮标监测系统由供电单元、数据采集单元和数据传输单元三部分构成。数据采集单元由各个传感器组成，包括温度链、电容冰厚传感器、水下声呐、水上声呐和GPS；数据传输单元包括浮标的控制器和铱星通信模块。温度链选用DS28EA00作为测温芯片 [8]，芯片间隔为精确的3厘米，总量程为4.5米，即一共150个测温点。该系统搭载的温度链不便携带、安装复杂、防水性能不好，因此随后设计和研发4.5米的柔性温度链。柔性温度链基于单总线多点测温方案，并设计了多点连接的柔性PCB板。每个温度传感器间隔是精确的3厘米，总量程4.5米，即一共150个温度检测点，每个温度检测点能够记录该海冰内部层位的温度值。伴随着对温度检测精度的提升，随后又设计研发了高精度铂电阻温度链，测温精度可以达到±0.01℃。海冰温度剖面观测模块每天按照世界时0:00开始，每隔1小时进行温度的采集，并将温度数据传输到标体的控制器中，通过铱星通信模块发送回国内的数据服务器内。

海冰温度链浮标根据需求可以搭载其他类型的传感器，如温湿度多功能检测计、水下声呐、冰上声呐、叶绿素传感器、溶解氧监测仪等传感器，获取不同气象参数和冰下海洋学参数等数据。供电系统采用锂电池组，设计寿命为24个月。

SIMBA海冰温度链浮标

冰基海洋剖面浮标

冰基锚系剖面浮标（ITP）是由美国伍兹霍尔海洋研究所设计研发，能安放在北极冰冻圈内进行全天候自动化监测，布放的平台多为冰冻圈内的多年冰，设计寿命长达三年。浮标能够获取海水温度和盐度的数据，可观测范围为表层5~800米的深度，并且浮标能够搭载流速仪，获取冰下海洋学数据。

浮标由三个主要模块构成：基于海冰上的标体系统、一条长度达800米并悬挂于标体底部的缆绳和水下剖面仪。水下剖面仪能够通过电机驱动沿着缆绳进行上下爬升，获取所需的冰下浅表层水文剖面数据；当观测完每一个冰下剖面时，水下剖面仪能通过感应耦合向表层标体的浮标控制模块传输所观测的数据，然后浮标控制模块通过铱星通讯模块将数据文件传送至陆地的远程监测中心 [10]。

IAOOS浮标是一款综合型的海冰监测系统，用于监测冰下浅表层和冰上气象等相关物理参数。搭载的传感器包括海冰温度链、海洋剖面仪、气象传感器、GPS和铱星通信模块。海冰温度链通过测量大气、雪、冰、海水的温度，能够推断出海冰的厚度；海洋剖面仪是在Argo浮标基础上开发的，通过浮标的垂直上下移动，实现了温度和盐度垂直剖面的自动观测，可以测量0~800米深的温度、盐度、溶解氧的数据；气象传感器包括大气温湿度传感器、大气压力传感器、激光雷达和光照度传感器，能够获取冰上及低层大气的各类气象参数；各个传感器采集的数据由铱星通信模块传送回远程监控平台。相较于卫星观测，该浮标能够精确测量海冰厚度，系统化监测北冰洋上空大气层环境和获取冰下浅表层水文剖面特征。

极地海洋剖面系统（POPS）是由加拿大与日本联合研发的一款布放海冰上的模块化观测平台，可在恶劣气候中进行部署。海洋剖面系统由六个模块构成，包括标体中的主控制器、紧凑型数据记录仪、海冰载荷平台、气象传感器、铱星通讯与GPS模块、冰下温盐垂向剖面系统。

该观测系统通过铱星通讯模块传输气象和冰下海洋数据，系统控制器负责所搭载传感器数据的采集、处理和定时发送。平台的通信端口采用防水处理，易于配置和验证，其供电系统由两块锂电池构成，可长期为载荷设备供电，保证数据的实时采集和传输。冰下剖面仪安装在一根直径约为0.4厘米的电缆上，并使用钩环将电缆连接到装配平台的底部，感应调制器通过通信端口将信号传送到主控制器，其位置处于装配平台的顶板上。

D-TOP浮标是由中国海洋大学自主设计和研发的极地海冰浮标，能够用于监测冰下的上层海洋环境，设计成本低廉，适合大量布放。整个系统包括控制单元、通信单元和传感器单元。浮标对冰下1.5~120米的海洋剖面温度和盐度物理参数进行实时采样，设计寿命为12个月。该浮标冰上搭载的传感器包括大气温湿度传感器和大气压力传感器，能够对冰上1.5米处的空气温度、湿度和压力等气象参数数据进行实时采集和定时传输。截至2018年8月，我国已在北极的冰冻圈内布放了10套D-TOP，通过对浮标采集数据的研究，可分析海洋的浅层水文剖面的特征。

“无人冰站”系统

“北极海—冰—气无人冰站观测系统”简称“无人冰站”系统，是由我国自主研发的无人值守观测系统。该系统由四部分组成，分为大气边界层观测子系统（气象塔）、冰上主浮标（海冰观测子系统）、副浮标（上层海洋固定层位观测子系统）以及拖曳式海洋剖面观测仪。系统采用一具主浮标加一具副浮标的方案代替原来的单一浮标方案，具有其独创性，并能获取更多的环境参数变量。该系统通过获取大气—海冰—海洋界面通量，用于观测大气过程对海冰的生长与消融和上层海洋的影响。

冰上主浮标是整个系统的核心部分，其搭载了全部海冰观测子系统和部分大气边界观测系统的观测模块，同时负责整个系统的控制与卫星通信工作。副浮标主要搭载冰下海洋固定层位观测模块，与主浮标通过通讯缆线连接，在正常工作情况下，副浮标采集到的上层海洋观测数据由通讯缆线传输到主浮标的控制器，并通过主浮标的铱星通讯模块进行定时发送。

“无人冰站”系统的设计特征能够有效降低单个浮标的体积和重量，适应在北极恶劣环境下的现场实施能力，防止了因大重量、过度发热等问题造成的承载海冰结构破坏，提高了整个浮标系统的可靠性。同时副浮标搭载了备用系统控制模块和备用卫星通讯模块，当主浮标发生故障或结构损坏时，可依托副浮标上的备用通讯模块来进行控制和通信，从而使整套系统的各个传感器模块继续工作。该系统集成了多个传感器，能够获取不同类型的观测变量，其中包括4.5米柔性温度链、溶解氧传感器、叶绿素传感器、气压传感器、大气温湿度传感器等，进而监测海冰的生长和消融，获得海冰的漂移轨迹路线，研究对全球气候变化的影响。

“无人冰站”示意图

极地海冰浮标的未来发展

随着科技发展，海冰浮标越来越多地应用于南北极的观测中，成为组建南北极观测网的重要组成部分，为了适应不同的科学领域研究和科技发展需求，极地海冰浮标后续需在以下四个方面中取得技术上的跨越。

一是浮标集成技术的深度开发。根据不同的研究目标和要求，研制和开发综合性的监测系统 [11]，实现大气—海冰—海洋一体化的观测；通过集成不同类型的传感器，获取上层海洋学参数、气象参数和积雪量等物理数据，解决实测数据缺乏的不足，应用在冰冻圈内的科学研究中。因此综合性监测浮标的研究具有很大的优势。

二是极地环境适应性的加强。针对通讯模块和电源模块进行改良，提升浮标观测的续航能力，实现全天候的监测，获取较长时间的观测数据，对于海冰的研究具有重要的意义。为了适应海冰未来变化的趋势，对海冰浮标小型化和轻型化开展研究，如近些年北极海冰的面积范围逐渐地减少，减轻浮标的重量和体积，使其在海冰上具有较好的承重能力。

三是提高科学研究需求的针对性。研制和开发新型浮标，实现对北极冰冻圈内不同研究领域实测数据的补充，建立新的监测平台。通过对浮标集成的传感器技术的改良，进而提高浮标观测数据的精度、准确度。

四是研发冰—海适用型极地海冰浮标。研究极地海冰浮标的水密性，当海冰融化后，浮标能够继续漂浮在海洋表面，并且各个载荷设备仍持续工作，继续获取海洋浅表层参数等数据，增加极地海冰浮标的工作寿命时长，对研究海冰的生长和消融有重要意义。

随着极地科考事业的发展，极地海冰浮标技术的研制和开发将会面临更高层次的挑战和发展机遇。未来，优化极地海冰浮标整体结构性，趋于小型化、轻型化，并且加强机械强度，适应海冰的变化和极地恶劣的环境；并要使极地海冰浮标的设计向着集约化的方向发展，设计成本低廉，操作更简易化，监测功能更综合化，可大量布放在极地区域，为南北极观测网的构建提供可靠的技术支撑。

[本文相关研究得到国家重点研发计划课题（2018YFC1405902）资助。]

陈超，硕士研究生；李丙瑞，研究员；席颖，研究员；蓝木盛，硕士研究生；罗光富，硕士研究生：中国极地研究中心，上海 200136。窦银科：教授，太原理工大学，太原 030024。

Chen Chao, Master Degree Candidate; Li Bingrui, Professor; Xi Ying, Professor; Lan Mushen, Master Degree Candidate; Luo Guangfu, Master Degree Candidate: Polar Research Institute of China, Shanghai 200136. Dou Yinke: Professor, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024.

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关键词：浮标海冰极地观测技术 ■

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本文刊载于2021年第73卷第3期《科学》杂志（P23）