海洋气象探测基地—浮标

黄飞龙，吕雪芹，陈 刚

（广东省大气探测技术中心，广东 广州 510080）

海洋气象探测基地—浮标

黄飞龙，吕雪芹，陈 刚

（广东省大气探测技术中心，广东 广州 510080）

浮标是海洋气象探测的前沿阵地和堡垒。文中分别对海洋浮标探测系统、通讯系统以及供电系统做了详细介绍。其中探测系统对常规气象探测传感器的原理和常规水文探测传感器的原理进行介绍；通讯系统介绍了浮标常用的几种通讯方式和各自的优缺点；供电方面介绍了仪器用电限制以及太阳能供电系统结构。从特殊观测环境的角度分析了海洋环境对浮标系统各个部分的特殊要求。最后结合汕尾浮标运行情况，从系统使用和维护的角度，对浮标进一步完善提出建议。

海洋气象；浮标；海洋探测

1 海洋气象探测的现状

海洋天气预报所需要参考的数据主要来自气象卫星云图。近十几年来，沿海天气雷达的建设密集布点，探测范围可以覆盖近海数百公里的区域，提供了区域性的高空气象资料。近几年来，为了更好地向社会提供沿海气象预报与气候变化服务，海洋气象事业发展得到了高度的重视，沿海建设了大量的海岛自动气象探测站，广东省沿海就建设了约20个。海岛自动站为监测台风与寒流等气象灾害提供了宝贵的海面气象观测资料。但是海岛的分布是固定的，某些关键的海域不一定有海岛用于安装探测设备，其次海岛本身对于海流，波浪等海上水文要素具有巨大的影响，并不适合安装水文监测仪器。

海洋气象资料浮标观测系统是随着科学技术的发展和海洋气象监测、预报的需要而迅速发展起来的新型海洋气象监测设备。海洋气象资料浮标观测系统实现了海洋气象立体监测、海洋气象全天候监测、海洋气象无人值守自动监测。还以气象资料浮标的功能、系统结构以及要完成的使命与同步卫星相似，被气象学家誉为“海洋上的地球同步气象卫星”。因此浮标作为方便布点的气象探测堡垒具有不可替代的作用[1]。

我国从1966年开始起步研制浮标，1976年制成具有使用价值的第一个大型浮标[2]，而气象行业使用浮标进行海洋气象探测才刚开始。目前，气象行业在沿海已经陆续投放了一些浮标，其中广东有茂名，汕尾，汕头3个；山东有青岛，烟台，威海，日照，潍坊等，河北有曹妃甸；浙江有舟山浮标；福建则在台湾海峡建了3个海洋气象浮标站。

2 浮标的探测系统

海洋气象资料浮标一般分为水上和水下两部分[3]，水上部分装有多种气象要素传感器，分别测量风速、风向、气温、气压和温度等气象要素；水下部分有多种水文要素传感器，分别测量波浪、海流、潮位、海温和盐度等海洋水文要素。

水上部分的探测系统如图1，根据不同的科研需要还可以增加更多种类的探测设备。

温度的测量一般是通过一种特殊的电阻--铂电阻，铂电阻的电阻值会随着温度的变化而变化。因此，使恒定的电流通过铂电阻，根据电压、电阻与电流的关系，测量铂热电阻两端的电压就可以计算出电阻值变化的大小，从而推算出温度的变化值。

目前空气中相对湿度一般是通过湿敏电容来测量[4]。该电容两极之间的介质采用对相对湿度非常敏感的高分子材料，电容值会随着相对湿度的变化而变化。通过测量电容两极间电容值的变化，可以计算出相对湿度。

图1 浮标水上气象探测要素

雨量数据一般采用翻斗来实现测量。雨量桶里面设计有两个精巧的翻斗，一个翻斗的容量是0.1 mm雨量。每次装满一斗就翻过来换另外一个斗接雨水，翻转的动作触动计数开关，采集器就得到信号，记录0.1 mm。通过不断的机械翻转触发计数器，采集器就可以累记降雨的总量。

紫外线是利用光敏电阻来测量的[5]。首先太阳光通过滤光片，留下特定频率段的光，它的波长是200～400 nm，这就是紫外线。选用特殊的光敏电阻，它的电阻值会随紫外线的强度产生线性变化。通过测量电阻的变化计算紫外线强度。

能见度可以通过测量大气消光系数推算。红外线发生器发射一定强度的红外线，在它前方的25°～45°散射角内接收到的散射光的强度与大气的消光系数有某种函数关系。因此测量此散射光就可以得到消光系数，从而计算出能见度。

气象监测系统采用风杯式风速传感器[6]，风杯的轴转一周，传感器上的霍尔元件就感应并且输出18个脉冲信号，风速越大，脉冲信号输出频率就越高。采集器通过脉冲信号的频率计算出风速大小。风向的测量则是采用了格雷码盘和光电电路结合的方式。风向轴每转过一定的角度，带动格雷码盘转动，通过光电电路输出对应的格雷码，采集器读出格雷码就可以知道对应的风向角度了。

气压是采用硅电容压力传感器测量的[7]。空气压力的变化直接导致敏感电容的容量变化，通过与参考电容的对比得到变化的大小，然后再经过复杂的补偿修正，就可以输出气压的大小了。

水下部分的探测系统如图2，还可以根据需要增加水质传感器，溶解氧传感器等等。

图2 浮标水下探测要素

波浪传感器可以测量波浪的高度以及变化的周期，它主要是利用了加速度传感器[8]。加速度传感器随着波浪的起伏输出加速度变化的信号，再经过数学积分运算，得到与波浪起伏高度相关的信号和方向，然后再推算出波浪的高度和变化周期。我国在测量波浪方面的技术发展已经有专家进行了详细的论述[9]。

电磁海流计利用了法拉第的电磁感应定律[10]。它首先产生一个人工磁场，将流动的海水当成运动的导体，当海水切割磁力线时，测量海水的感生电动势，然后根据运动导体的速度与感生电动势的关系计算出海水的流动速度。

海流剖面仪是利用了声学多普勒的原理测量不同深度的海水的流速[11]。它向海水发射声波，声波遇到水泡、悬浮的颗粒、浮游生物等反射回来，经过分析这些响应信号的多普勒效应就可以得到不同层次的海水的流动速度以及流动方向[12]。

温盐传感器可以测量海水的温度，并且通过测量海水的电导率，利用电导率和温度的关系计算出盐度。

3 浮标的通讯系统

由于浮标所处的特殊观测环境，浮标资料如何可靠地传输到服务器是一个非常重要的环节。一般浮标的通讯必须考虑多种可靠途径或者备用方案[13]。

图3 浮标的几种通讯方式

如图3所示，远海浮标可以将资料发送到通讯卫星上，再由卫星接收站通过互联网将数据发送回数据库服务器。这种方法可靠，但是成本相对高昂一些。离岸边不远的浮标能选择的方法较多，比如使用公众通讯大型网络，通过GPRS或者CDMA通讯方式。只要浮标上的无线通讯模块能够登录到附近的通讯基站，这是成本比较低的一种选择。缺点是基站信号可能不稳定。靠海岸的浮标还可以选择使用超短波无线电台通信，在岸边建立固定的无线电收发点直接与浮标设备进行数据交换。当然，还可以使用大容量存储器将数据保存起来，到下一次做维护的时候再取回来。

4 浮标的供电系统

老式的浮标由于供电不方便，节能是提高工作效率的一种方法，要求浮标设备电压低，功率小。另外一个方法是采用间断采集资料的方法，在固定的时间启动仪器做数据采集，等到数据处理完之后就关闭设备，等待下一次采集时间的到来。现在多数都是使用太阳能电池板，再配以足够多的蓄能电池。这样大大提高了数据采集的频率，基本上小功率仪器都可以做到不间断采集。如图4所示，太阳能电池板阵列将太阳能转换为直流电，经过电源管理模块给仪器设备供电，同时给电池组充电。当晚上或者阴雨天气没有太阳的时候，电池组的电能通过电源管理模块给设备供电。由于采集系统和传感器一般使用标准电压输入，因此电源模块可以直接对其供电，如果浮标上还有其他交流设备，则需要通过变频器先转换成交流电再接入设备。浮标上尽量少用交流设备，因为变频器的转换过程会产生能量损耗。

图4 浮标的太阳能供电系统

5 浮标系统的特点以及汕尾浮标运行状况

海面潮湿的空气和盐分含量，对浮标防腐蚀能力提出很高的要求。因此要求所选的仪器在设计时候就要考虑这些因素，而且设备接线口的密封性要非常好。对于安装在标体舱内的设备，保持干燥和密封有利于保持电路的稳定性和可靠性。海上的风浪非常多，由于强风和巨浪的破坏性是巨大的，因此不但要求仪器具备很强的抗风和抗打击能力，而且仪器设备的双备份是必要的，这样可以使恶劣天气状况下的重要数据不会因为仪器损坏而丢失。维护成本的高昂对浮标采集系统的智能控制和远程控制提出了更高的要求。下面是采集系统的功能分布。

图5 浮标采集控制功能分布

如图5所示，浮标采集控制系统常规的功能有数据采集、现场控制、保存资料和通过无线定点发送资料。维护浮标的时候很可能会遇到恶劣的海况，时间不足或者浮标平台大幅度摇摆等情况都不允许维护人员从容检查、作出判断，智能系统增加传感器故障判断和电源故障判断，以便登陆浮标之前在远程作出判断，登陆之后的维护更加有针对性。此外还需要强大的远程控制命令。岸站通讯中断恢复之后可以使用调用数据功能，重新传输历史数据，保持接收数据的连续性；系统或者通讯模块复位、自检状态等功能有利于判断系统和子系统的工作状态，或者逐步排查故障；校对时间、设置发送频率和实时测量实时发送可以满足特殊时段的观测要求，例如在重要天气过程增加数据采集和发送频率；传感器供电控制可以节省能耗，也可以防止由于传感器损坏而发生短路影响系统运行。

汕尾浮标使用的是我国新一代FZF3-1型海洋资料浮标系统[14]，于2009年6月投放在离岸5 km的红海湾海域，到2010年11月亚运会帆船比赛结束，期间提供了很多宝贵的海洋监测资料。期间维护多次：超短波天线损坏2次，其他风速风向传感器等也损坏更换过，海洋水文仪器多次需要清理附着的贝类生物和渔网等障碍物。损坏最严重的一次是受台风“鲇鱼”的影响，15 m传感器平台被风浪打断，导致采集控制系统短路停止运行；10 m平台风速风向传感器损坏需要更换；CDMA天线被破坏；海流传感器被障碍物缠绕导致流速测量值偏低；太阳能电池板损坏2块。从汕尾浮标的运行情况来看，系统具有仪器双备份和多种资料传输方式，每10 min发送资料一次，但没有提供远程调用资料功能，传送资料丢失之后没有提供重新获取的方法。标体抗风浪的能力比较强，防腐蚀和电路稳定性也比较好，但维护间隔远小于1 a，防生物附着能力不足半年，不满足海洋气象对浮标的要求[5]，智能控制和远程控制功能不完善，不方便远程排查故障。为了使浮标能够在更远的海域长期稳定观测资料，减少维护次数，降低维护成本，此类型号的浮标还需要做更多的改进。

[1]张志.浅谈海洋资料浮标观测的地位和发展[J].海洋技术,1998,17(2)：44-46.

[2]王军成.国内外海洋资料浮标技术现状与发展[J].海洋技术,1998,17(1)：9-15.

[3]中国气象局监测网络司,中国气象局大气探测技术中心.海洋气象浮标观测站功能需求书[S].北京：气象出版社,2008.

[4]孙文良,沈秋宇,于文博，等.HMP45D温湿度传感器的检定校准[J].气象水文海洋仪器,2009,3：124-126.

[5]胡浩,陈炳若,张庆兵，等.便携式日光紫外线指数检测仪设计[J].测控技术,2007,26(2)：9-11.

[6]徐明,朱庆春.风向风速测量仪设计[J].气象水文海洋仪器,2008,4：5-10.

[7]孙嫣,边文超,王锡芳，等.PTB220气压传感器调整方法的补充[J].气象水文海洋仪器,2007,3：67-70.

[8]惠力,杨英,付明阳，等.TMS320VC5402在加速度式波浪传感器中的应用[J].电子设计工程,2009,17(9)：20-22.

[9]毛祖松.我国近海波浪浮标的历史、现状与发展[J].海洋技术,2007,26(2)：23-27.

[10]王海涛.数字滤波技术在电磁海流计中的应用[J].海洋技术,2006,25(4)：36-38.

[11]黄雄飞,周徐昌,何建军.声学多普勒海流剖面仪误差源分析[J].声学与电子工程,2006,84(4)：1-3.

[12]朱光文.海洋剖面探测浮标技术的发展[J].气象水文海洋仪器,2004,2：1-6.

[13]李民.Ⅱ型海洋资料浮标接收岸站设计[J].海洋技术,1998,17(2)：34-37.

[14]卜照蓬,刘岩.FZF3-1型海洋资料浮标系统[J].海洋技术,2003,22(2)：59-61.

Detection Base for Maritime Meteorology-Buoy

HUANG Fei-long,LV Xue-qin,CHEN Gang
(Guangdong Atmosphere Detection Technology Center,Guangzhou Guangdong 510080,China)

Buoy is an important base in maritime meteorology data collection.The detection system,communication system and power supply system are introduced in detail.Principle of routine meteorological instruments and hydrologic instruments are introduced in detection system,respectively.Frequently-used communication ways on buoy are shown including their advantages and disadvantages.Power supply for devices and solar cell system are introduced then.The special requirements for different parts of buoy are analyzed in special oceanic observation environment.After the application of Buoy in Shanwei area,some proposal is given to improve buoy system from the point of view of operation and maintenance.

maritime meteorology;buoy;hydrospace detection

P715.2

B

1003-2029（2011）04-0046-04

2011-03-12

黄飞龙（1980-），男，工程师，硕士，从事探测传感器以及自动控制仪器研发工作。Email:chasellong@126.com