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知识窗▏海洋调查的分类、方法及内容

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seawardtech 发表于 2021-3-5 17:39:35 | 显示全部楼层 |阅读模式
海洋调查是对某一特定海区的水文、气象、物理、化学、生物、底质分布情况和变化规律进行的调查。调查观测方式有大面积调查、断面调查,分连续观测和辅助观测;采用方法有航空观测、卫星观测、船舶观测、水下观测、定置浮标自动观测、漂浮站自动观测等;普查项目有水温、水色、透明度、水深、海流、波浪、海冰、盐度、溶解氧、pH值、磷酸盐、硅酸盐、硝酸盐等,以及该海区的水文气象要素,如气温、气压、湿度、能见度、风、云、各种天气现象等,还测定水中悬浮物、游泳动物、浮游生物、底栖生物、海水发光、海水导电率、声速传播、稀有元素、海底底质等。


海洋调查方法是利用测试手段获取海洋要素资料及信息的方法,海洋调查的内容丰富,可以进行多学科的综合性调查,也可以进行单学科的专业调查。随着现代科学技术的高度发展,从20世纪60年代起,海洋调查的观测技术有了很大提高,使调查的观测方式发生了根本性的变革。从过去使用调查船在水面上进行海洋观测,发展至用飞机和卫星在高空和太空中进行海洋观测;用浮标进行长期的海洋观测;利用潜水器和海底居住室在海洋内部、海底和深海沟中进行种种观测和实验;由人造卫星、飞机、浮标系统、调查船和潜水器组成了理想的海洋调查观测体系。若将海洋调查工作视为一个完整的体系,则包含对象、传感器、平台、施测方法和数据信息处理等五个主要方面。

一、调查对象分类
海洋调查中的被测对象是指各种海洋学过程以及决定于它们的各种特征量的场,所有的被测对象可以分为以下五类:
⑴基本稳定变化:
这类对象随着时间推移变化极为缓慢,以至可以看成是基本不变的,例如各种岸线、海底地形和底质分布。它们在几年或十几年的时间里通常不发生显著的变化,当然在部分河口地区(如长江口),海底地形的变化要快一些。
⑵缓慢变化:
这类对象一般对应海洋中的大尺度过程,它们在空间上可以跨越几千千米,在时间上可以有季节性的变化。典型的有著名的“湾流”、“黑潮”以及其他一些大洋水团等。
⑶变化:
这类对象对应海洋中的中尺度过程,其空间跨度可以长达几百千米,周期约几个月。典型的如大洋的中尺度涡,浅、近海的区域性水团(如我国的黄海冷水团)以及大尺度过程的中尺度振动(如湾流、黑潮的蛇曲等)
⑷迅速变化:
对应于海洋中的小尺度过程。其空间尺度在十几到几十千米之间,而周期则在几天到十几天之间。典型的如海洋中的羽状扩散现象,水团边界()的运动等。
⑸瞬间变化:
对应于海洋中的微细过程,其空间尺度在米级以下,时间尺度在几天到几小时,甚至分、秒的范围内,常规的海洋调查手段很难反映。典型的如海洋中的湍流运动和对流过程等。


中尺度涡
对被测对象进行分类,有助于人们合理地计划海洋调查工作和有目的地发展海洋调查技术。历史证明,人类对海洋过程的认识,从时空尺度上来说,主要是由慢而快、由大到小的。目前,研究已由气候模型转向天气模型,逐步加强了中尺度海洋现象的研究,许多现场试验已经或正在进行,如POLYGON(1970)MODE(1973)POLYMODE等,以期尽早从理论上和实用上解决与中尺度过程密切相关的海洋学问题(如各种海洋预报)。可以认为,解决中尺度的变动的海洋过程的监测问题,是当前海洋学的重要问题。

二、海洋传感器
海洋传感器是指能获取各海洋数据信息的仪器设备和装置。大体可分为以下三种:
⑴点式:
点式传感器感应空间某一点被测量的对象,如温度、盐度(电导率)、压力、流速、浮游生物量、化学要素的浓度等。通过点式传感器可获取离散的观测数据,典型的如南森采水器,一条铜缆上按一定间隔悬挂着的采水瓶和颠倒温度表,可以采得不同深度点上的水样和测得各点的水温。
⑵线式:
线式传感器可以连续地感应被测量的对象。当传感器沿某一方向运动时,可以获得某种海洋特征变量沿这一方向的分布。例如,常用的投弃式温盐深仪和投弃掷式深温计(XBT)以及温盐深自动记录仪(CTD)。这些仪器可以提供温度随深度变化的分布曲线,其他各种走航拖曳式仪器则可给出温度、盐度等海洋特征变量沿航行方向上的分布。如果传感器固定在某一测点,还可提供该点海洋特征量随时间变化的曲线,即一条过程曲线,如自计水位和测波仪就是典型的例子。

科考队员在布放温盐深自动记录仪(CTD)
⑶面式:
面式传感器可以提供二维空间上海洋特征变量的分布信息,也就是可以直接提供某海洋特征变量的二维场。如20世纪60年代发展的测温链(拖曳式热电阻链)可以给出垂直剖面(XZ)(YZ)上的水温等值线分布,而近代航空和航天遥感器则能提供某些海洋特征量在一定范围内海面(XY)分布,典型的如经过处理的红外照相可以显示等温线的平面分布。

三、调查平台
平台是观测仪器的载体和支撑,也是海洋调查工作的基础,在海洋调查系统中平台是一个重要的环节。平台一般分为两类:
⑴固定式:
固定式平台是指空间位置固定的观测工作台。在这种平台上,传感器可以连续工作以获取固定测站(或测点)上不同时刻的海洋过程有关的数据和信息。常用的固定平台有沿海海洋观测站、海上定点水文气象观测浮标、海上固定平台等。

布放海—气界面二氧化碳通量观测浮标
⑵活动式:
活动平台是指空间位置可以不断改变的观测工作台或载体活动平台,还可细分为主动式和被动式两种。主动式可以根据人的意志主观地改变位置,例如水面的海洋调查船、水下滑翔机、水下的潜水装置、水下载人潜水器等;被动式如自由漂浮观测浮标、按固定轨道运行的观测卫星等。

“海燕”水下滑翔机的作业过程

四、施测方法
对于一定的被测对象,以所掌握的传感器和平台来选定合理的施测方式,是海洋调查工作关键的一步,施测方法一般有四种:
⑴随机方法:
随机调查是早期的一种调查方式,组成随机调查的测站(站点)是不固定的。这种调查大多是一次完成的,如著名的“挑战者”号18721876年的探险考察;或者各航次之间并无确定的联系,如现在由商船进行的大量随机辅助观测。虽然一次随机调查很难提供关于海洋中各种尺度过程的正确认识,但是大量的随机观测数据可以统计地给出大尺度(甚至中尺度过程)的有用信息。
⑵定点方法:
测站固定的定点观测是至今仍大量采用的海洋调查方式。除了岸站的定点连续观测之外,早在20世纪30年代便有固定的断面调查(如日本人在日本近海和黄海、东海进行的长达数十年的断面观测)。定点调查通常采取测站阵列或固定断面的形式,或者每月一次或者根据特殊需要的时间施测,或进行一日一次的、多日的甚至长年的连续观测。定点海洋调查使得观测数据在时空上分布比较合理,从而有利于提供各种尺度过程的认识,特别是多点同步观测和观测浮标阵列可以提供同一种时刻的海况分布,但由于海况险恶,采用定点调查的成本是相当昂贵的。
⑶走航方法:
随着传感器和数据信息处理技术的现代化,走航施测成为广泛采用的方式。根据预先合理计划的航线,使用单船或多船携带走航式传感器(XBT、走航式温盐自记仪、ADCP)采集海洋学数据,然后用现代数据信息处理方法加工,可以获得被测海区的海洋信息。走航施测方式耗资少、时间短、数据量大,是一种值得发展的低成本的调查方法,但技术水平要求较高。

侧扫声呐探测疑似珊瑚分布区
⑷轨道扫描方法:
航天和遥感技术的发展,现在已为海洋调查提供了一种崭新的施测方式——轨道扫描,利用海洋业务卫星或资源卫星上的海洋遥感设备(面式传感器)对全球海洋进行轨道扫描,大面积监测海洋中各种尺度过程的分布变化。该方法几乎可以全天候地提供局部海区的良好的天气式数据信息,但是遥感技术在监测项目、观测准确度和空间分布等方面还有待进一步拓展和提高。

----潜立体监测

五、数据信息处理
随着海洋技术的发展,海洋数据和信息的数量、种类的猛增,如何科学地处理这些数据和信息已成为一个重要课题。数据信息处理技术的发展,反过来也促进了传感器和施测方式的改进。例如,良好的数据信息处理技术可以补偿观测手段的不足或者向新的观测手段提出各种要求。数据信息处理技术大致可分为四种:
⑴初级数据处理:
海洋调查的初级信息处理是将最初始的观测读数订正为正确数值,例如颠倒温度炭和海流的读数订正,等等。另外,某些传感器提供的某些海洋特征连续模拟量,也应将它们按需要转化为数字资料。初级数据处理是对第一手资料的处理,因此也是最基础的工作。

科研人员在查看和清理样本
⑵进一步的数据处理:
是指对初级处理完毕的数据作进一步加工处理,如空缺数据的填补、各种统计参数的计算、延伸的资料的求取(例如,从水温、盐度计算密度、比容、声速,从特征量的垂直分布来求取跃层的各项特征值等)。最后,要求将各种海洋调查数据整理到能直接提供用户使用的程度,进一步还将要求使之文件化,以便存放在海洋数据信息中心的数据库中,供用户随时查询索取。
⑶初级信息的处理:
初级信息的处理是从观测值或进行计算出来的延伸资料中提取初步的海洋学信息。初级信息的处理一般是将有关的海洋学特征变量样本以恰当的方式构成该特征变量直观的时空分布,即给出对海洋特征场的描述,如根据水温、盐度等的离散使用空间插值方法绘制水温和盐度的大面、断面分布团或过程曲线等。在海洋遥感系统中,将传感器发送回来的代码还原成图像而不作进一步处理,也属于初级信息处理的范畴。对海洋声、光、电、磁等资料进行判读与解译并成图。
⑷进一步的信息处理:
其目的是从处理后的数据中或经初级信息处理的信息中,提取进一步的海洋信息,如根据水温、盐度的实况分布可以用恰当的方式估计出水团界面的分布()。对海流数据和上述实况的恰当分析处理还可得出被测区的环流模型。在遥感系统中的电子光学解译技术(如假彩色密度分割等)、计算机解译技术(如图像增加,自动分类识别等),也都属于进一步的信息处理。需要特别提出的是,海洋数据信息的传播技术是现代海洋研究中一个重要的过程。过去海洋上的现场测值是先储存起来,待航次结束后一并处理。这种传递方式可称为延时方式。较为现代的延时方式是将观测数据储存在便于电子计算机处理的磁带、磁盘或其他存储介质上。
图片
随着海洋调查技术的发展,特别是应用上的需要,目前普遍趋向于“实时方式”,即将观测数据以最快捷的方式(如卫星中转)传到数据信息中心,及时加以处理,以形成现场实况交付用户使用。实时方式提高了海洋观测的使用价值,在实况通报和海况预报上可发挥更大的作用。航天遥感的数据信息除载人飞行器的某些资料(如彩色照片等)需返回时取用外,几乎全部以实时方式传递和处理。

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