◎郭少瓊 劉愉強(qiáng)

1.廣東工業(yè)大學(xué)；2.國家海洋局南海調(diào)查技術(shù)中心

1.前言

人類賴以生存的地球，海洋占了表面的70%以上，約為三億六千一百萬平方千米。在人類數(shù)千年的文明歷史進(jìn)程中，海洋作為人類生活的環(huán)境，一直受到人們極大的關(guān)注。它調(diào)節(jié)著地球的氣候，蘊(yùn)藏著取之不盡、用之不竭的動力資源、礦產(chǎn)資源、生物資源和化學(xué)資源，它是天然的交通大道和國防前哨，又是認(rèn)識宇宙、發(fā)展自然科學(xué)理論的理想試驗(yàn)場。進(jìn)入20世紀(jì)60年代后，海洋進(jìn)一步成為國際上的重點(diǎn)研究對象之一。從20世紀(jì)70年代以來，人們探索海洋已不再局限于傳統(tǒng)的了解海洋的一般狀況，而是通過各種手段和途徑以期全力提高海洋綜合開發(fā)利用能力為主體的科學(xué)研究活動。

1872—1876年，英國皇家學(xué)會組織并主持“挑戰(zhàn)者”號在大西洋、太平洋和印度洋進(jìn)行了歷時(shí)三年半的環(huán)球調(diào)查，全部航程達(dá)126000千米[1]，至此，開始了系統(tǒng)的和有目的的科學(xué)海洋考察。20世紀(jì)50年代以后，由于海洋在戰(zhàn)略和經(jīng)濟(jì)上的意義日趨重要，世界上相繼建立了不少與海洋有關(guān)的國際機(jī)構(gòu)，并多次組織了規(guī)模宏大的國際海洋聯(lián)合考察，如1955年由美國加利福尼亞大學(xué)克里普斯海洋研究所發(fā)起的“國際北太平洋合作調(diào)查”計(jì)劃，美、日、蘇、加等國的21艘船只參加，調(diào)查涉及水文、氣象、生物、化學(xué)各學(xué)科。此外，1960年在哥本哈根召開了國際海洋學(xué)研究政府間會議，組成了隸屬于聯(lián)合國教科文組織的政府間海洋學(xué)委員會，該機(jī)構(gòu)已成為全世界海洋事業(yè)的中心。1991年，海洋觀測系統(tǒng)（GOOS）成立，有利于協(xié)調(diào)各國觀測資源，積極應(yīng)用新技術(shù)和新手段，使得全球海洋觀測能力持續(xù)提升。目前已形成了由剖面漂流浮標(biāo)、多種形式的錨系浮標(biāo)和平臺、海洋站、海洋高頻雷達(dá)站、調(diào)查船、志愿船、水下滑翔器和動物遙測等多種觀測手段組成的全球觀測網(wǎng)絡(luò)，并通過世界氣象組織—政府間海洋學(xué)委員會海洋與海洋氣象原位觀測聯(lián)合支持中心進(jìn)行觀測平臺和數(shù)據(jù)的整合與監(jiān)控[2]。

作為海洋環(huán)境監(jiān)測自動化重要設(shè)備之一的海洋資料浮標(biāo)，在海洋觀測網(wǎng)中的地位越來越受到重視，它與衛(wèi)星、飛機(jī)、調(diào)查船、海床基及海濱測量構(gòu)成現(xiàn)代化海洋大氣環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)。與船只、飛機(jī)、海島等方式相比較，海洋資料浮標(biāo)既經(jīng)濟(jì)靈活，又以全天候定點(diǎn)連續(xù)觀測的優(yōu)勢被越來越多的國家廣泛應(yīng)用在海洋天氣預(yù)報(bào)、海洋資料開發(fā)、國防建設(shè)和科學(xué)研究上。

2.國外海洋資料浮標(biāo)標(biāo)體的發(fā)展歷程

2.1 二十世紀(jì)發(fā)展情況

海洋資料浮標(biāo)是根據(jù)海洋天氣預(yù)報(bào)、海洋資料開發(fā)和科學(xué)研究的需要而發(fā)展起來的一種新型海洋水文氣象觀測平臺。其研究工作從60年代初始于美國，到60年代中期以后，一些科學(xué)技術(shù)發(fā)達(dá)的國家（如英國、日本、法國、西德、挪威、加拿大、蘇聯(lián)、意大利等）也相繼開展了浮標(biāo)的研制工作[3]。

美國在60年代末、70年代初用12米直徑圓盤型浮標(biāo)，但由于造價(jià)問題而使其發(fā)展受到限制。1973年通過對浮標(biāo)造價(jià)、壽命及性能的綜合考慮，將12米浮標(biāo)的尺寸按比例縮為10米。1974年，美國國家資料浮標(biāo)中心在其浮標(biāo)網(wǎng)中所使用的浮標(biāo)已有三種類型：排水量為90噸和52噸，直徑為12米和10米的鋼制圓盤型殼體浮標(biāo)以及排水量為8.7噸，長為6米的NOMAD船型殼體浮標(biāo)。NOMAD船型浮標(biāo)是從Roberts浮標(biāo)發(fā)展而來的，第二代NOMAD船型浮標(biāo)取名VENOMAD浮標(biāo)，由Aldi公司承擔(dān)制造。VENOMAD浮標(biāo)采用5086鋁合金建造，甲板和側(cè)板厚度12.7毫米，底板厚15.9毫米，底部約有2948公斤（6500磅）袋裝鉛粒壓載，使其達(dá)到設(shè)計(jì)的排水量，并避免大角度傾斜時(shí)壓載物的移動。浮體有3個(gè)電池艙和1個(gè)電子儀器艙，呈船形殼體，長6米，寬約3米，深2.1米，初穩(wěn)心高0.52米，重心高1.29米，排水量8732公斤（19250磅），儲備浮力8845公斤（19500磅），橫搖周期3.5秒，縱搖周期2.4秒，縱/橫搖2.6弧度/秒2。

圖1 VE-NOMAD浮標(biāo)

圖2 美國海洋資料浮標(biāo)類型示意圖

圖3 DS14型海洋資料浮標(biāo)總裝圖

從1985年開始，美國國家資料浮標(biāo)中心決定用造價(jià)僅為12米浮標(biāo)1/25的3米直徑圓盤型浮標(biāo)逐步代替在海況不大惡劣海區(qū)的6米船型NOMAD浮標(biāo)站位，用NOMAD浮標(biāo)取代12米圓盤型浮標(biāo)站位，12米浮標(biāo)只用于海況條件特別惡劣的海區(qū)（如白令海）。由于布放不多，美國國家資料浮標(biāo)中心決定不再生產(chǎn)12米浮標(biāo)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止至1990年，在其領(lǐng)海海域布放的各類浮標(biāo)（直徑12米、10米、3米的圓形浮標(biāo)和6米船形浮標(biāo)）總數(shù)中，3米小浮標(biāo)約占總數(shù)的50%以上。

英國第一代資料浮標(biāo)的典型代表是DB1型，其殼體直徑為8米，重量為40噸左右。第二代浮標(biāo)是DB2和DB3型，是為英國新的四年海洋水文氣象資料收集計(jì)劃而設(shè)計(jì)的，它們是DB1型的改進(jìn)型，其殼體直徑為6米，重22噸；1985年英國又研制了3米直徑、重3噸的Seawatch型圓盤型浮標(biāo)，取代DB2型的站位，DB2型將被移至別的海區(qū)。另外，英國的Marex技術(shù)有限公司從1975年起到1985年1月間制造了37個(gè)3米直徑圓盤型浮標(biāo)，這些浮標(biāo)除英國布放用外，還遠(yuǎn)銷世界許多國家。

其中DS14型海洋資料浮標(biāo)是英國Marex技術(shù)有限公司生產(chǎn)的代表型產(chǎn)品。DS14型海洋資料浮標(biāo)主要參數(shù)：圓環(huán)狀殼體外徑2.8米，內(nèi)徑1.65米，高0.9米；三腳架高度1.2米，桅桿長度4米，傳感器圈直徑1.25米；龍骨長度6.8米，配重重量268公斤～293公斤；龍骨和殼體的重心在殼體底板下方1.1米處，浮心在殼體底板上方0.26米處；浮標(biāo)總重量2600公斤，儲備浮力2100公斤。DS14型海洋資料浮標(biāo)在結(jié)構(gòu)方面有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，采用圓環(huán)狀殼體。整個(gè)圓環(huán)隔成6隔密封的浮力艙，允許其中任意2個(gè)進(jìn)水后殼體保持不沉。圓環(huán)中部分成7個(gè)儀器井，供安放儀器艙之用。儀器艙用聚乙烯材料制作，密封，呈圓筒狀，直接浸泡在井內(nèi)海水中。第二，鑒于浮標(biāo)桅桿高度與殼體直徑之比遠(yuǎn)大于1，在殼體下面專門設(shè)置了龍骨和配重。當(dāng)浮標(biāo)在風(fēng)浪作用下傾斜時(shí)，龍骨和配重產(chǎn)生反向力矩，使浮標(biāo)迅速恢復(fù)平衡，從而保證浮體具有良好的隨波性能，有利于波高的精確測量。截止到1990年底，此種小浮標(biāo)在世界各海域共布放40多個(gè)，使用面很廣。

2.2 二十一世紀(jì)發(fā)展情況

進(jìn)入21 世紀(jì)，國外的海洋資料浮標(biāo)產(chǎn)品主要是以小型浮標(biāo)為主，如美國InterOcean systems公司海洋監(jiān)測浮標(biāo)（OFFSHOREMONITORING BUOY），法國IXsurvey公司iXBuoy II浮標(biāo)，挪威輝固公司W(wǎng)avescan浮標(biāo)。

圖4 海洋監(jiān)測浮標(biāo)

圖5 iXBuoy II浮標(biāo)

圖6 Wavescan浮標(biāo)

美國InterOcean systems公司海洋監(jiān)測浮標(biāo)是美國新型的小型海洋資料浮標(biāo)的代表，其浮體采用聚脲彈性體，呈扁狀圓盤形，桅桿采用鋁合金材料，龍骨采用鋼材，使得浮體穩(wěn)性和隨波性兩者之間達(dá)到了比較合理的平衡。其主要技術(shù)性能參數(shù)見表1。

表1 海洋監(jiān)測浮標(biāo)體主要性能參數(shù)

法國IXsurvey 公司生產(chǎn)的iXBuoy II海洋資料浮標(biāo)整體采用了5083鋁合金材料。其浮體分成3個(gè)浮力艙，浮力艙填充高密度聚氨酯泡沫。浮體周圍用橡膠帶作護(hù)舷，有利于浮體在惡劣海況下可以快速維護(hù)浮標(biāo)上的傳感器，從而減少維護(hù)時(shí)間。其主要技術(shù)性能參數(shù)見表2。

表2 iXBuoy II浮標(biāo)體主要性能參數(shù)

挪威輝固公司的Wavescan浮標(biāo)呈圓盤狀，為了方便運(yùn)輸，浮標(biāo)可以拆分為兩半。在浮標(biāo)體龍骨底部安裝一個(gè)配重，可防止浮標(biāo)傾覆。浮體材料為聚乙烯，桅桿為鋁合金材料，龍骨為不銹鋼材料。其主要技術(shù)性能參數(shù)見表3。

表3 Wavescan浮標(biāo)體主要性能參數(shù)

3.結(jié)束語

建設(shè)海洋觀測網(wǎng)是提高我國海洋綜合實(shí)力的基礎(chǔ)性工作，是建設(shè)海洋強(qiáng)國的重要抓手。海洋資料浮標(biāo)基于其自身無人值守、實(shí)時(shí)原位觀測海洋環(huán)境、不受氣候限制等優(yōu)點(diǎn)被廣泛使用，己經(jīng)成為各國海洋觀測體系中不可缺少的手段。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，在全球海洋觀測網(wǎng)中，海洋資料浮標(biāo)標(biāo)體已系列化、標(biāo)準(zhǔn)化。如美國形成了直徑12米、10米、3米的圓形浮標(biāo)和6米船形浮標(biāo)等各類浮標(biāo)體。同時(shí)，海洋資料浮標(biāo)標(biāo)體又趨于一致化。目前國內(nèi)外的海洋資料浮標(biāo)標(biāo)體都是以圓盤形為主，船形、異形等已退出歷史舞臺；歐美等國家海洋觀測網(wǎng)中海洋資料浮標(biāo)標(biāo)體則以小型、圓盤形浮標(biāo)體為主。