「海上哨兵」的創新之路

極地海氣耦合觀測浮標（2012年布放於格陵蘭海）

中型海洋氣象水文監測浮標（2011年布放於南海海域）

大型海洋資料浮標（1990年布放於東海海域）

▲奧帆賽小型海洋氣象監測浮標（2008年布放於黃海海域）

◀深海輕型觀測浮標（2018年布放於印度洋海域） 圖片由山東省科學院海洋儀器儀表研究所提供

　　山東省科學院海洋儀器儀表研究所秉承「拼搏、務實、開放、創新」的科研攻關精神，研製的海洋資料浮標系統有效支撐並加快促進海洋環境監測行業的健康發展。

　　王 晶

　　從純粹的海洋動力環境向包括水質、生態等綜合海洋環境監測，從近海向大洋和極區等極端環境監測，從一兩個浮標的單點觀測向上百個浮標集群組網觀測的跨越……五十餘載春華秋實，風雨兼程。山東省科學院海洋儀器儀表研究所（以下簡稱海儀所）秉承「拼搏、務實、開放、創新」的科研攻關精神，研製的海洋資料浮標系統有效支撐並加快促進海洋環境監測行業的健康發展。在助力「海洋強國」建設的道路上，踏實走好每一步。

　　海洋監測浮標是一種錨定於海上的長期、連續、全天候、自動化海洋觀測裝備，主要用於海洋業務化環境觀測與預報，以及颱風、海嘯、風暴潮、赤潮等自然災害的實時監測，是構成海洋環境立體監測網的重要裝備。

　　五十餘年來，海儀所在海洋監測浮標行業內打造出了「國家隊」的聲譽。《中國海洋災害公報》的數據顯示，海洋災害對我國沿海造成的直接經濟損失在十年間降低了數百億元，這其中浮標組成的監測網絡發揮了重要作用。海儀所研製的浮標每天向自然資源部和中國氣象局提供數萬組海洋水文氣象數據，為海洋災害預警預報提供了不可取代的寶貴資料。

　　從「地方隊」到「國家隊」

　　上世紀八九十年代，我國僅有幾套試驗浮標，觀測參數少、測量精度低、運行可靠性差。當時海洋浮標已成為我國立體監測網建設「卡脖子」的核心裝備。在國家「863」計劃、國家重點研發計劃、國家自然科學基金和省部級科技計劃等項目的持續支持下，海儀所瞄準我國海洋環境監測迫切需求，針對浮標科技發展的瓶頸問題，歷經幾十年的發展，突破了浮標用海洋動力環境和海洋生態環境多參數現場高精度測量、系列浮標研製等關鍵技術，實現了浮標的標準化和系列化，構建了我國海洋監測浮標技術體系，全面支撐了國家浮標網建設及海洋監測的發展。

　　突破了浮標用傳感器研製的關鍵技術。針對海洋環境監測精細化的新需求，發明臭氧消解光度法、數字加速度計式波向測量等新技術，研製了高溼、高鹽、高濁度等複雜環境動力與生態參數穩定、精準測量的浮標用系列新型傳感器，極大提升浮標的綜合觀測能力，使浮標用傳感器國產化率從10%提高到70%，扭轉了浮標用傳感器依靠進口的局面。

　　創新開發了浮標研製的系列關鍵技術。針對浮標的可靠性和環境適應性等難題，提出了複雜系統理論的浮標設計理念，開發了新型雙機並行控制、深水系留水動力建模與計算仿真、浮標分體模塊力學連接等新方法，突破大風大浪海況下抗惡劣海洋環境、高可靠性、深海系留、拼裝式浮標等技術瓶頸，浮標平均故障率顯著降低，在位可靠運行時間提高了3倍。

　　構建了我國海洋監測浮標技術體系，研製了12種規格系列浮標產品，形成了我國浮標的系列標準，全面支撐國家浮標網建設。瞄準國家從近海向大洋和極區等極端環境監測的重大需求，研發15米、10米、6米、3米、2.4米、1.5米、0.9米等不同規格系列浮標，功能由常規業務化浮標拓展到專用浮標，從動力環境拓展到生態等綜合環境，觀測參數由原來不到10種擴展到現在超過20種，並制定系列浮標的行業標準，引領我國海洋浮標技術的發展。

　　截至目前，海儀所共研製系列浮標200餘套，佔我國海洋業務浮標網的90%以上，支撐著我國「海洋資料浮標網」和「海洋氣象網」的業務運行，在國家海洋與氣象環境預報、防災減災、海洋維權、科學考察、資源開發等保障中發揮不可替代的重要作用。同時，相關成果已在國際合作中得到應用並產生重大影響，團隊帶頭人王軍成研究員被授予國際人類自然生態與安全科學院院士、「金色弗爾圖娜」榮譽證書。憑藉海洋監測浮標成果，海儀所項目團隊及個人獲得國家科技進步獎2項、全國創新爭先獎狀1項、光華工程科技獎1項、山東省科學技術最高獎1項、省部級一等獎3項及國家自主創新產品證書，獲得相關發明專利30項，制定行業標準3項，發表論文57篇，出版著作2部，培養了國務院特殊津貼專家3人、全國優秀科技工作者榮譽獲得者1人、山東省有突出貢獻專家5人。

　　當今，浮標成為海上極端天氣過程最重要現場實時觀測手段之一。2014年7月18日，布放南海的浮標抵禦了歷史上有記錄以來南海最強颱風「威瑪遜」的正面衝擊，實時記錄了颱風經過浮標的天氣過程，觀測到了74.1 米/秒的最大風速。這是我國有史以來利用儀器在海上現場觀測到的最大風速，超過17級以上超強颱風評級極限。附近島嶼的陸基測風塔在風速71米/秒時被吹倒，但海上浮標仍在正常工作。

　　經業內專家鑑定，海儀所研製的浮標推動了海洋環境監測裝備的進步及業務化應用，引領了我國海洋浮標技術的發展，總體技術水平國內領先、國際先進，其中大型浮標在極端海況下（風速超過70米/秒）的穩定性和可靠性處於國際領先水平。

　　從「零」到世界水平

　　我國海洋浮標的研製工作始於20世紀60年代，「當時我們沒有經驗，大家都沒有做過海洋儀器裝備，資料也很缺乏。」海儀所原所長王軍成回憶起老一代海儀所人創業的艱難。

　　1964年，國務院責成當時的第一工業部、中國科學院、國家海洋局在青島聯合組織進行「海洋儀器戰役」，兩年後，初步取得一批成果。到20世紀70年代末，海洋儀器研製得到進一步的重視。剛剛參加工作的王軍成和單位的一些老同事，開始摸索著研究海洋浮標。在海風、海浪晝夜不斷地拍打、侵襲中，浮標獨自隨波沉浮，頑強挺立，為人類「站崗放哨」。巨浪、狂風、鹽霧、腐蝕、生物汙損，這就是海洋監測裝備的工作環境。

　　面對著很多技術專業的陌生和浮標工作環境的惡劣，海儀所浮標團隊沒有退縮。經過無數次探索試驗後，最終，他們於1989年研製出了我國第一臺正式投入業務化運行的大型海洋浮標，並在黃海成功布放。

　　至今，這臺浮標仍在運行。隨著技術進步，「內核換了」，浮標性能更進一步提高完善了。2009年，科技部評選「國家自主創新產品」，海儀所研製的海洋資料浮標成為海洋技術領域入選的兩項產品之一。

　　「FZF4-1」孤獨地堅守在一望無際的南中國海上。這個形似UFO的「大傢伙」，是海儀所研製出的第四代海洋環境監測浮標。

　　2008年北京奧帆賽浮標項目，被代表著該領域世界水平的國外公司中標，但該浮標僅運行半年就壞了兩次。無奈之下，奧帆委隨即決定改用我國自主研發的浮標。

　　「2007年夏天我們把浮標布好，直到2008年奧帆賽結束，設備一直正常運行。」臨時「替補」，卻完成了「世界水平」勝任不了的任務，這讓海儀所研究員李民很自豪。

　　滿足國家重大需要

　　經過多年攻關，海儀所成功掌握了海洋浮標的關鍵技術，打破了國外技術壟斷。我國在沿海布設的業務化運行的逾百套10米大型浮標，幾乎全部為該所研製。

　　隨著國家加快建設海洋強國，對海洋監測提出了更高的要求。浮標的需求數量越來越多，種類越來越廣。浮標團隊除了精益求精，提高常規業務化浮標的性能之外，還拓展研發了雷射雷達剖面觀測浮標、極地通量觀測浮標、海洋酸化二氧化碳觀測浮標等一系列新型功能型浮標。

　　2012年8月，海儀所研發的首個極地大型海洋觀測浮標，隨「雪龍」船由中國第五次北極考察隊成功實現在北緯70度、東經3度的挪威海布放和長期連續運行。這也是中國首次將自主研發的浮標和觀測技術應用於北極海域，並利用大型浮標對海氣相互作用進行連續觀測，標誌著我國自主研發的浮標觀測與布放技術達到世界先進水平，對於我國極地科考具有重要意義。

　　目前，國內外大浮標多數運行在淺海，布放深海大型浮標鮮有先例可循，尤其是在北極圈內布放大型浮標，要面臨長達4個月的極夜、無法利用太陽能、極區低溫導致傳感器凍結以及惡劣海況等特殊問題。

　　海儀所在全面掌握大型浮標結構體設計、錨系設計、數據採集處理、通信傳輸等大批關鍵技術的基礎上，劉世萱研究員帶領浮標團隊針對北極特殊應用環境，開展觀測系統極寒防凍技術、太陽能風能多源供電與管理技術、傳感器和採集通信系統雙機雙備可靠運行技術等關鍵技術和特殊設計，以保障大浮標能夠在低溫、極夜等極地條件下正常工作。浮標持續獲取該海域的海氣耦合長期觀測數據，為研究北極氣候變化作出貢獻。

　　研究表明，被稱為「北極濤動核心區」的格陵蘭海不僅是影響全球海洋循環和氣候變化的重要海域，也是影響中國氣候變化的關鍵海域，而缺乏該海域水文氣象數據一直是中國科學家開展氣候變化研究的薄弱點。

　　通過此次在關鍵海域布放大型海洋觀測浮標，中國科學家可以實時獲取海洋大氣相互作用觀測數據，全面了解北歐海在全球海洋循環和氣候系統中的關鍵作用，並應用到氣候預報模式中，對於大幅提高中國海洋監測能力、海洋與氣候預測水平具有重要意義。此外，通過大浮標獲取的數據還將與挪威相關科研機構共享，促進相關領域重大科學問題的解決。

　　服務「一帶一路」觀測

　　「21世紀海上絲綢之路」建設需要海洋環境安全保障技術的有力支撐。海儀所抓住機遇，積極開展國際合作，大力推廣系列海洋監測浮標產品，致力於與「一帶一路」沿線國家共同開展海洋教育、研究和保護。目前，其浮標產品已走出國門，實現了在印度洋及太平洋海域長期業務化運行。為絲路沿線國家提供優質的海上公共服務產品。

　　2017年起，海儀所與第一海洋研究所合作，在印度洋安達曼海開展海洋環境觀測項目研究，為「一帶一路」有關國家進行海洋觀測提供了我國自主研發的海洋監測浮標裝備。2017年10月，海儀所研製的編號為OFS-01浮標成功布放在安達曼海南部海域，布放後浮標正常業務化運行，不斷將監測到的氣象和水文數據參數實時地發回接收岸站。2019年，海儀所又在安達曼海馬來西亞半島海域成功布放了編號為OFS-02的深海浮標系統。這兩套浮標的布放，首次實現了安達曼海水文、氣象要素的浮標觀測，填補了安達曼海長期原位定點觀測資料空白，為該海域的海洋預報和季風監測提供觀測數據，這對於通過國際科技合作與有關國家認識海洋變化、保護海洋生態環境、提高海洋防災減災能力具有重要意義。

　　隨著我國海洋事業的發展，深遠海綜合海洋環境監測將會面臨新的需求。海儀所將在已掌握海洋浮標關鍵核心技術的基礎上，綜合利用新原理、新技術、新方法、新材料、新能源，在智能化及信息化技術推動下，著力開展智能化綜合監測浮標的研發，擴展深海剖面環境參數測量、生物光學測量、海水錶皮層光學特性測量、海水化學成分測量、海表面大氣成分測量、全球海平面測量、水聲通信及水下定位中繼等的應用，解決當前海洋浮標觀測中存在的觀測要素少、剖面觀測能力差、智能感知水平低等問題，形成我國具有自主智慧財產權的海洋監測浮標新技術和新產品。

　　同時，在智能化感知和信息挖掘、傳感器標準化、浮標新型材料、低成本深海浮標、極地海冰浮標、錨泊剖面觀測浮標、浮標數據質量控制、浮標數據共享等方面進一步開展研究，使浮標更好地滿足海洋氣象預警預報、海洋防災減災、海洋生態保護、海洋衛星遙感數據檢驗、海洋科學研究等的需要。