海温观测方法发展综述

2022-01-01贺亚楠朱洪海

气象水文海洋仪器 2021年1期

贺亚楠，朱洪海

(1.齐鲁工业大学(山东省科学院)，山东省科学院海洋仪器仪表研究所，青岛 266061；2.山东省海洋环境监测技术重点实验室，国家海洋监测设备工程技术研究中心，青岛 266061)

0 引言

海洋水文观测是海洋调查中重要的作业内容。其中，海水温度是反映海水冷热程度的物理量，是海水观测和监测的重要因素，对其他海水因素起着重要的影响作用。

海温数据可以通过船舶、浮标、卫星等多种平台进行观测，是海洋环境各要素中较容易获得的空间范围最广、时间最长(至今已有200多年)的观测记录。目前已能观测到全球范围(包括海冰)的海温，海温资料是全球气候变化分析中应用最广泛的重要海洋参数[1]。随着科学技术的不断发展，海水温度观测技术从最基础的木桶水银温度表，逐渐发展为使用基于卫星的大范围观测技术[2]。

近年来材料、电子、信息和人工智能等相关技术发展迅速，海洋环境监测技术也随之取得了长足的进步和快速发展。“21世纪海上丝绸之路”的建设和海洋科学研究的加强，海洋建设等领域对海温资料的时效性和准确度的要求越来越高[3]。然而海水表层温度的观测还没有实现自动化。因此文章结合国内外在海水温度相关领域的研究，通过对海温观测技术发展的梳理，预测其发展趋势，为国家海洋温度观测技术的发展提供参考和依据。

1 海温观测方法

海温观测按照观测方式可以分为直接观测和间接观测。其中，直接观测包括海基观测和岸基观测；间接观测包括天基观测。

按照观测平台划分，海基观测可以分为船舶观测和浮标观测。天基观测包括卫星观测和航空海洋观测。卫星观测仪器采用微波和红外辐射间接观测海洋表层温度。

1.1 海基观测

1.1.1 船舶观测

船舶观测是海温资料最多、最可靠的数据来源。船舶观测资料分布与船的航线有关，航线密集地区资料密度较大。船舶观测包括水桶观测、机舱引水观测和船体感应观测3种。

1)水桶测温

19世纪中期船舶观测以水桶观测为主，观测时将水桶放入海里，再将装满水的水桶拉到甲板上进行人工测量，海水温度用“最小T”温度计测得。水桶观测到的是表层水温，这对于物理海洋学的研究具有很重要的意义。最初的水桶是由木头、帆布、锡、皮革、黄铜、橡胶和塑料等材质制成的，其结构因其使用的材料而异，其中木桶的隔热性能比较好，而且往往体积较大，导致温度变化较小。20世纪40年代以前水桶材质以木桶为主。后来改为隔热效果更好的橡胶水桶和双层结构的水桶，可以观测到更加真实的海温。

观测用的温度计选用水银温度计，由于读取汞柱刻度时产生误差较大，因此会影响所测温度精度。水桶观测海温通常比真实值偏低，这与观测方法、读数和记录过程中引起的误差有关[4，5]。随着船舶变得越来越大，船速越来越快，吊桶的部署难度和危险系数都会增加，当处于高风速条件时，水桶在海面上颠簸，难以下沉，此时使用水桶收集水样进行海温测量不仅变得很困难，而且很危险。因此，海温观测由桶式测量逐渐倾向于抽取近水面的样本进行测量。

2)ERI测温

蒸汽船最早建造于19世纪30年代，至1914年，英国蒸汽船占世界总吨位的一半以上。在装有发动机的船舶上，测量用于冷却发动机的泵送海水的温度非常方便[6]。机舱引水观测(Engine Room Intake，ERI)是利用温度计测量引入轮机舱用于冷却涡轮机的海水温度。测量是在靠近引擎的位置进行，而不是靠近入口。但为了避免温度计受到涡轮机温度的影响，通常将温度计置于入口处测量[7，8]。机舱测温测量的是给涡轮机降温的海水，观测到的海温值通常较水桶观测值偏大。当选用精确温度计，且温度计远离涡轮机时，该误差会减小。ERI测量的便利性及风险性的降低使其成为20世纪下半叶测量海面温度(SST)的首选方法。

温度测量技术的进步，使热电阻商业化，ERI测量从水银温度计或温度间隔数度的刻度盘演化为电子式温度计。电子式温度计测温精确度高，无论是定点还是走航式测量都可以使用，误差也较小。但进水口与温度计之间水温变化的不可控因素仍然是ERI测温的主要问题，而且会随着测量深度的变化而变得更加复杂。

3)船体传感器感应测温

随着传感器技术的发展，采用热敏电阻制成的温度传感器，可以实时监测海洋水温，并将所测数据传输到采集板块储存。使用温度传感器测温时，在现场设置好传感器系统布线后，就可以实现温度的自动测量，只需要定期进行维护和校验，但需要与计算机通讯技术相结合，对于工作人员的日常使用、维护和维修技术要求较高，且早期工程量大，测温结点位置不易灵活移动。

船体感应海温测量是利用船体上安装的温度计直接测量海温。为了使温度计始终在船的吃水线以下，经常在船体一侧垂直排列放置3～5个温度计。船体感应温度具有较高的可信度和连贯性。该方法被推荐使用，但是由于其安装费用较高，因此未能得到广泛地应用[9]。

1.1.2 浮标观测

为了研究大尺度地转海洋环流，需要在更广阔的海洋区域对次表层海洋温度和盐分进行观测，而研究船只的数量并不足以提供对所需区域的覆盖。MBT以其快速、廉价，且无需研究船只的特点，被广泛应用于温度剖面的测量。随着越来越多的学者加入全球调查，对新的剖面浮标技术越来越熟悉。自20世纪70年代开始使用浮标观测海温[10]。中国ARGO计划自2002年初组织实施以来，已经在太平洋和印度洋等海域投放了155个ARGO剖面浮标，目前有78个浮标仍在海上正常工作。

浮标分为漂流浮标和系泊浮标。这些浮标可以进行自动测量，并通过卫星进行中继。所有SST观测值中约有90%来自浮标。在平静条件下，根据其体积大小不同，漂流浮标的标称深度多分布在10～20 cm，但在某些波浪运动的影响下，浮标会被淹没一段时间。漂流浮标技术是20世纪90年代初的重大成果，它的出现催生了国际“阿尔戈”(ARGO)计划，解决了全球次表层温盐同步观测的难题。漂流浮标观测范围较固定浮标大，但是观测要素较少，且观测到的同一个点的时间序列不够长，不利于做长期分析，且较不容易订正。

系泊浮标是固定的平台，类似于地面上的气象站，有各种形状和尺寸。经常使用的最大浮标规格为12 m，一般用于北方海洋。系泊浮标分为2类：全球热带系泊浮标阵列(GTMBA)和分布在美国各地的更多类型的沿海系泊浮标。大多数系泊浮标在1 m深处测量SST，也有的系泊浮标在一定深度范围内测量。系泊浮标海温数据在同一个位置提供了一系列连续的观测结果，并且由于年度维护和(重新)校准计划，其数据质量可能高于现场观测系统的其他组成部分。1971年，系泊浮标首次在ICOADS上观测到海温。除热带列阵外，大部分系泊处都在沿海，大部分在美国海岸附近。固定浮标可以进行长时间、多要素的定点观测[11，12]。

1.2 天基观测

1.2.1 航空海洋观测

航空海洋探测采用固定翼飞机和无人机为传感器载体，具有机动灵活、探测项目多、接近海面、分辨力高、不受轨道限制、易于海空配合而且时效性高、成本低的特点，是海洋环境监测的重要遥感平台，通过搭载的微波和光学遥测设备，能够实时获取大气海洋环境资料和进行其他海洋环境要素的探测，是海洋环境监测不可或缺的平台。

随着无人机技术的发展和进步，世界各国越来越重视无人机在海洋监测领域的应用。美国、俄罗斯、英国、德国等国都大力支持无人机的发展，以将其应用在海洋探测中。中国也十分注重无人机在海洋监测领域的应用，在技术上紧跟发达国家先进水平，如中测新图公司自主研制的无人机续航时间达到了30 h、拍摄分辨力达到了0.05～0.20 dm。未来会向搭载各类传感器以及持续能力更强的平台方向发展[13-15]。

1.2.2 卫星观测

随着技术的不断进步，测温仪器感温时间大大缩短，准确度也不断提高。但船舶的航线具有局限性，浮标的布放数量也很有限。这种方式观测的SST 的覆盖率非常低，即使将几十年的资料进行统计，在全球海洋仍然有许多地方是空白的，无法得到同步大面积数据，而且在分析温度大面积分布特征时，会产生不可避免的误差，甚至得出与实际情况完全相反的结论。与传统的船舶和浮标相比，海洋卫星遥感观测具有全天候、近实时、覆盖范围广和可以长期重复进行海洋观测的优势，能更好地适应海洋现象的特点，填补现场实测数据的空白[16，17]。

20世纪50—60年代的太空时代，标志着海洋观测从实地船载观测向卫星遥感观测转变。卫星海洋学始于20世纪70年代，当时在威廉斯敦召开了一次开创性的会议(Kaula 1969)，会议概述了卫星遥感的许多关键概念，包括海洋学和大地测量学。第1次从太空测量海面温度(SST)是在20世纪60年代末由TIROS气象卫星完成的。卫星遥感在20世纪80年代开始应用于海温观测，卫星观测空间覆盖率高，能够观测船舶或浮标不能观测的区域。海洋卫星遥感观测海表温度主要依靠红外传感器和微波传感器。

红外传感器测量的应用极为广泛，具有高时空分辨力的优势，但是容易受到云和气溶胶的影响，造成反演出的海表温度偏低，且其探测的海面水温只是0～50 μm的温度，与通常所说的“表层”(0～1 m)水温有很大的不同，因此也称为皮层(表皮)温度。

微波传感器测量具有全天时、全天候和穿透性强的优势，但其空间分辨力相对较低。与其他观测方法相比，卫星在大规模海洋现象观测方面有很大的潜力，但不同反演方法所得到的SST资料与现场观测的偏差受云的遮挡而造成大面积资料缺测等原因，在很大程度上影响了卫星遥感海表温度产品的实际使用，因此卫星观测具有较大的系统偏差，需要对其观测的海温资料进行偏差订正，通常采用漂流浮标对其进行订正。

1.3 岸基观测

岸基海洋站观测是获取沿岸海洋环境要素数据的传统方式，也是中国最重要和最基本的海洋观测方式之一，其所获取的海洋环境要素数据具有标准化程度高、质量可靠等优点。岸基海洋站观测是指在沿岸或依托石油平台建设观测站，作为固定式的海洋观测平台，对沿岸海域的水文气象环境进行观测，或对环境质量进行监测，包括海洋站台观测和石油井架观测。海上石油平台抗风能力强，但由于石油立柱会改变局部水流流向和流速从而干扰了观测仪器的准确性。

自20世纪50年代开始，中国陆续在全国沿海建立并投入运行岸基海洋观测站，对包括表层温度在内的海洋水文参数进行监测。在实际应用中，常见的岸边定点水温测量多半使用传感器测温，其稳定、实时、连续的特性得到了很好的发挥，加上实时通讯技术，可以在计算机看到连续直观的海水温度变化。在观测某站点特定时间和特定层次时，则使用较为简单的水银温度表进行观测。

2 海温观测技术发展趋势

海洋监测技术水平是一个国家海洋装备制造水平的综合体现。随着国家的海洋战略发展规划与需求以及全球对海洋关注的日益增强，海洋监测对观测技术和装备的需求将进一步增强[18-20]。

海温发展趋势可以概括为以下两个方面：

1)向高精度、多参数综合观测发展。随着高新技术的迅速发展和广泛应用，以及水文监测需求的日益增加，一些水文要素如海浪、海表温和盐度的观测还没有实现自动化。应加强对水文观测的研究，扩充观测要素，将观测要素扩展为水文要素和气象要素同时进行。

2)由单点向网络化、综合化发展。一方面海上资料的获取难度大，费用高、周期长。另一方面，海温观测资料的稀疏成为中国近海海温长期趋势变化研究最主要的制约因素。因此应该将卫星观测、浮标观测、船舶观测和岸基观测紧密结合，建立立体、实时监测网，有效、连续地获取大面积海温数据，生成高分辨力、高精度的海表温度数据，使海洋观测进入多层、立体、多角度、全方位和全天候的新时代。