广东省岸基雷达网辅助海上执法智能平台

第1章 海洋观测 本章主要在阐述海洋观测作用的基础上，对岸基、离岸和移动三类海洋观测平台，以及国内外的海洋观测网和海底观测网的发展现状进行了介绍，分析我国现有的岸基雷达网建设情况，指出小目标岸基雷达观测网构建在海洋观测体系中的重要作用。 1.1 概述 海洋面积非常辽阔，约占地球总面积的71%，是地球上*为稳定的生态系统，也是资源的宝库、环境的重要调节器。海洋以其丰富的资源、浩瀚的空间、多变的环境影响着人类社会的生存与发展，开发海洋资源、利用海洋空间、保护海洋环境，是实现人口、资源、环境相互协调和可持续发展的有效途径。21世纪以来，各沿海国家以资源为核心，推进海洋经济发展，海洋权益斗争日益激烈，获取常态化、立体化、精细化、大范围的海洋信息，对于沿海国家具有十分重要的军用和民用意义。海洋观测是认识和了解海洋的有效手段。我国是海洋大国，海洋国土面积达到470多万 km2，同时我国有大陆海岸线约18000 km，海域分布有大小岛屿7600多个，岛屿海岸线14000多 km，拥有丰富的海洋资源。党的十八大报告提出建设海洋强国，这标志着在今后相当长的时间内，海洋经济将成为我国经济发展的重中之重。党的十九大报告明确提出：坚持陆海统筹，加快建设海洋强国。合理开发海洋资源，对于实现海洋强国的目标，具有巨大的科学、社会和经济意义。 离开对海洋的观测和数据获取，就不可能认识和了解海洋。海洋观测是人类探索海洋、认识海洋及开发利用海洋的基础，是掌握海洋环境及其要素的重要手段之一，也是支撑海洋经济发展的必要条件，其发展越来越受到人们的广泛关注。海洋观测为海洋环境及其要素的观测提供了理论支持和技术支撑，对海洋环境及其要素进行系统现场观测，可以更好地了解海洋，同时也能更加充分合理地开发和利用海洋资源。面对近年来海上风暴潮、台风、海啸等极端气候灾害和赤潮、海上溢油等日益频繁的生态环境破坏，需要获取更多、更密集的观测要素数据，建立快速有效的海洋环境观测机制和预警辅助平台。因此，对海洋进行实时有效的观测具有十分重要的现实意义和迫切性。［1］ 在国际海洋观测技术快速发展的背景下，我国实施了“透明海洋”战略，开展了海洋多层次、多维度、多平台的智能协同观测与探测，旨在提升全球海洋信息获取与分析能力、提高海洋预报和海洋信息服务能力。“透明海洋”战略是指集成应用现代海洋观测（探测、监测）技术、信息技术和预测预报技术，在全球和区域等不同尺度下实时或准实时地获取和评估不同空间尺度的海洋环境信息，研究其多尺度变化及其气候资源效应机理的科技创新战略。［2］ 海洋观测是关注海洋、认识海洋和经略海洋的基本途径。当前，全球海洋观测体系正处在技术变革的关键时期。新一代信息技术、能源技术、材料技术与海洋观测技术装备的结合，推动了海洋观测技术向综合化、立体化、网络化方向发展；构建海洋观测网成为一种发展趋势［3］。 1.2 海洋观测平台 海洋观测平台是指搭载进行海洋观测所需仪器、设备的海上及空间载体，可分为三类：岸基海洋观测平台、离岸海洋观测平台和移动海洋观测平台。 1.2.1 岸基海洋观测平台 岸基海洋观测平台指在沿岸或石油平台设置固定式的海洋观测站，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，是发展*早、*为成熟的海洋观测平台，主要包括岸基海洋观测站（点）、河口水文站、海洋气象站、验潮站、岸基雷达站等。随着海洋防灾减灾工作的需求日益增长，增加了海啸预警观测台。岸基海洋观测站（点）主要开展海洋水温和海洋气象要素的观测工作；河口水文站主要开展河口区域的水文观测工作；海洋气象站主要开展海洋气象要素观测工作，以及海气相互作用等的观测工作；验潮站主要开展港口码头的潮位观测工作；岸基雷达站主要开展海流、波浪、海冰和海洋气象要素等的观测工作，并对海上目标的态势进行监控。本节主要介绍岸基海洋观测站（点）和岸基雷达站。 1.岸基海洋观测站（点） 岸基海洋观测站（点）是指进行长期、定点、连续海洋观测和监测的岸基、海岛和平台测站（测点）。在美国、日本和欧洲等海洋观测、监测发达的国家和地区，岸基海洋观测站（点）主要用于开展潮汐、海洋气象要素、波浪、水温和海流的观测工作。所建设的岸基台站分布于沿岸、岛礁、灯塔和码头。我国岸基海洋观测站（点）技术也较成熟，所建设的岸基台站分布在我国沿海岛礁、港口码头，实现了对水文、海洋气象、波浪、海流等要素的监测。［4］截至2018年9月，我国共有岸基海洋观测站（点）376个（不包括台湾省、香港特别行政区和澳门特别行政区的站点），另外，我国在北极和南极建立了4个岸基海洋观测站，分别是北极黄河站、南极长城站、南极中山站和南极昆仑站［5］。岸基海洋观测站（点）主要依靠海洋观测仪器设备来实现对海洋环境基本参数的观测，不同的岸基海洋观测站（点）根据各自的具体情况，安装不同的环境监测设备。 除了建设岸基海洋观测站（点）来布放海洋环境要素观测仪器外，还有另外一种方式是建设平台。目前我国用于海洋环境要素观测的平台主要有两种，一种是专门建造的海上固定平台，另一种是用于海上油气开采的海洋石油平台。［6］为改变我国海上固定式长期海洋综合观测平台少，且不能满足海洋科学研究长期、连续、实时、多学科同步的综合性观测要求的现状，我国于2008年建设了我国**个深海台站—西沙海洋观测研究站，观测站拥有观测气象参数的自动气象站，并配备波浪、潮位测量仪，实现对海洋风速、风向、气温、相对湿度、气压、波浪、潮位、水温等参数的实时测量。［7］ 除了建设岸基海洋观测站（点）、平台等进行常规海洋环境要素观测外，建设海洋综合试验场为仪器设备研发提供测试的场地也是一种新发展趋势。我国在山东省威海市褚岛的北部海域建设了一座国家浅海海洋综合试验场，该试验场包括海上和陆地两部分，海上部分主要用于建设海洋装备试验平台、观测与监测系统、波浪能与潮流能试验泊位，陆地部分主要用于建设试验场控制与试验中心、岸基测试与观测站、配电站等基础设施。国家浅海海洋综合试验场是公益性科技支撑平台，集科学观测、技术装备试验、方法研究和模式检验等功能于一身，是我国海洋观测、监测和调查的仪器设备研发，海洋科学研究，促进高新技术成果转化及海洋可再生能源开发的重要试验平台。 2.岸基雷达站 岸基雷达站是设立在岸上，以全天候超视距对海洋环境（风、浪、流）进行连续观测的站点，其主要是利用电磁波进行工作。用于海洋观测的雷达按电磁波频段主要分为高频和微波两大类。前者有高频地波雷达、高频天波雷达和天-地波一体化雷达，后者包括 X、C、S等波段的探海微波雷达，雷达波长为厘米至分米量级。这两种雷达的共同特征都是以非接触方式获取海面海洋动力学参数分布信息。另外与台站定点或走航观测相比，海洋雷达覆盖面积广、信息量大；与卫星观测的方式相比，它具有时间分辨力和空间分辨力高的优势，可连续获得所观测海域较完整的动力学参数的时空变化信息。［4］ 高频地波雷达能够获取近岸100～200 km内10 km2量级空间分辨力、10 min时间分辨力的海流、波浪和海风等海洋动力学要素分布，是对卫星遥感数百到数千平方公里空间分辨力、数小时到数天时间分辨力的重要补充。［8］微波雷达具有较高的空间分辨力，可以获取数公里范围内较为精细的波浪方向谱和海流等信息，以 X、S波段雷达为代表的微波遥感设备已经应用到波浪、海表层流场、海面风场、近岸地形、溢油、海洋内波等参数或现象的观测中。［9-14］ 目前全球有500多个高频地波雷达在沿海地区运行，亚洲地区有超过100多个高频地波雷达投入应用，有大体相同数量的微波雷达也在线运行中，它们在海洋环境动力研究、海洋环境观测与保护、海洋预报、军事海洋等方面开始发挥重要作用。美国已形成覆盖其近岸和沿海的岸基雷达观测网，实现了海流、波浪和海风的实时连续、全自动监测。［15］ 我国高度重视海洋雷达技术的研究与应用，在《国家海洋事业发展规划纲要》中明确提出要完善海洋观测监测基础平台，建立海洋雷达监测网；《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》也明确指出，岸基远程雷达技术是海洋环境立体监测技术中需要研究的一项重要前沿技术。在高频地波雷达方面，我国已系统掌握了近程/中程/远程、阵列式/便携式、多站/多频地波雷达研制技术。在微波雷达方面，国内多家单位研发了 X、S等波段雷达样机，产业化工作也已经开展起来［8］。截至2018年9月我国已建成59座分别基于地波或者 X/S波段的岸基雷达站（表1.1）。 表1.1 中国岸基雷达站一览表 1.2.2 离岸海洋观测平台 离岸海洋观测平台主要包括浮标和潜标、船基海洋观测系统、海洋卫星观测系统和海床基观测系统。 1.浮标和潜标 浮标和潜标都是获取海洋气象、水文、水质、生态、动力等参数的漂浮式自动化观测平台，优点是可实现长期、定点、连续、多层次、同步观测。两者不同之处在于浮标位于水面之上，潜标位于水面之下。 1）浮标 浮标是随着科技发展和海洋环境观测、预报的需要而迅速发展起来的新型海洋环境观测平台，与岸基站、海岛站、平台站、潜标、遥感等实时观测系统一起，形成覆盖近岸到远海不同层面的海洋立体观测网，为业务化海洋观测预报、防灾减灾等提供实时的综合海洋环境观测资料。［9-10］截至2019年，浮标上搭载的设备能对多达26类要素进行观测，除海洋观测站所要求的内容外，还包括水位、二氧化碳、溶解氧、浊度等。［11］ 目前浮标主要包括两种类型，一种是锚系浮标，另外一种是漂流浮标。锚系浮标是进行海洋动力环境、气象及海洋生态化学要素长期连续观测的主要平台，具有采集持续、能够长期稳定的数据等特点。常用的锚系浮标主要有三种：用于几百至几千米水深海域的直径为10 m和12 m的圆盘形大型浮标，6 m盘形、船形中型浮标，以及用于近海观测的3 m圆盘形小型浮标。［12］漂流浮标是随海流漂流，自动连续采集海洋水文、海洋气象、海流等要素数据的小型浮标，具有体积小、重量轻、不受人为限制等特点［4］。漂流浮标分为两类，一类称为表面漂流浮标，浮体位于表面，测量的是浮体下面悬挂的水帆所处深度的海流；另一种称为次表面漂流浮标，浮体位于1000～2000 m之间的某一深度，测量的是该深度的海流。 2）潜标 潜标是离岸海洋观测的重要设备，是岸基站、舰艇和飞机在空间和时间上的延伸扩展，具有其他调查方法无法代替的作用。［16］潜标也称为水下浮标，作为一种探测水下环境的重要平台，具有隐蔽性好、不易被破坏的优点。它能够在恶劣的海洋环境条件下，实现无人值守，长期、连续、自动地对海底情况进行全面综合监测。与浮标相比，虽然潜标只能调查海洋动力要素（温、盐、深、流），但由于潜标主体隐匿在水下一定深度，既可以避开海面风浪和人为破坏，又可以在恶劣海况条件下长期、隐蔽的进行海洋动力要素观测，因而潜标在应用海域范围和观测的数据质量上具有很强的优势。 目前已开发出的潜标按驱动形式分为水下绞车式、电机驱动沿锚系缆爬行式和净浮力式3种，可实现对海洋剖面的实时观测。潜标技术的不断发展，不仅体现在使用新的测量仪器和测量方法，还体现在解决了水下测量数据的下载和实时传输问题。 2.船基海洋观测系统 船基海洋观测是以船舶作为平台进行海洋调查和观测。船舶具备长时间续航能力、大容量承载力及灵活机动性等特点，以船舶为平台进行海洋调查和观测是海洋观测技术发展的重要方面，是建设海洋环境立体监测网的重要内容［17］。目前作为海洋观测平台的船舶主要有海洋调查船、科学考察船、地质勘察船、海洋监视船等。 欧洲的 FerryBox项目是一个典型的利用商业船平台的船基海洋观测系统，这些船只普遍都安装了 FerryBox水环境自动化监测系统，该系统的特点是可以自动提供船只所经过的水体表层的环境状态