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依托联合国“海洋十年”大科学计划,我所成功研制出新一代海洋漂流浮标

时间:2023.02.06 来源:国际处 字号

在联合国“海洋十年”海洋与气候无缝预测(OSF)大科学计划支撑下,自然资源部第一海洋研究所(简称海洋一所)科研团队成功研制出低成本、高精度、智能型的新一代全球导航卫星系统(GNSS)海洋表层漂流浮标,为大幅提升海洋观测和监测能力提供了新的重大契机。2023年2月2日,这一海洋技术重大突破被刊登在联合国“海洋十年”官方网站。

新一代海洋漂流浮标

OSF项目首席科学家、海洋一所乔方利研究员带领团队自主研制的新一代GNSS表层漂流浮标,利用GNSS卫星信号,可以精准获取浮标的空间位置、时间、波高、周期、波向、表层流速、表层流向、表层海洋温度、表层海洋盐度、大气水汽含量等10个参数。

这一成果得益于联合国“海洋十年”咨询委员会成员乔方利研究员团队多年的原创性研究。其研究表明,小尺度海浪通过调制上层海洋混合和海气通量,在大尺度海洋环流以及全球气候变化中扮演重要角色。因此,海浪观测不仅本身具有重要意义,其对大尺度海洋环流和全球气候变化精准预测也至关重要。

历史上,全球海洋观测发生过3次大的变革:一是1978年海洋水色卫星发射,首次实现了海洋大范围同步观测;二是20世纪八十年代开始建立热带海洋浮标阵,建成了全球热带大范围定点连续观测网,极大推进了厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)的监测和预测能力;三是本世纪初发展起来的全球地转海洋学实时观测阵(Argo计划),目前全球约有4000个Argo浮标在海洋中运行观测,每10天观测一个剖面,以实现三维海洋的实时监测。Argo 计划也是由联合国教科文组织政府间海洋学委员会共同领导的全球海洋观测系统 (GOOS) 的重要组成部分。尽管全球无数科技工编辑为海洋观测付出了巨大努力,也取得了一系列技术突破,然而,观测成本高昂仍然是海洋观测面临的瓶颈问题。

自2016年开始,通过海洋多学科深度合作,利用北斗、GPS、GLONASS、Galileo等GNSS卫星,该团队攻克了浮标硬件设计和数据处理系列关键技术,包括低成本GNSS单站实时在线高精度测速定位、波浪要素和水汽含量等多要素实时在线反演、波浪谱宽谱拓展捕获、融合北斗短报文通信的多要素编码回传与控制、低功耗高性能算法优化、浮标小型化随波性优化等,这些自主技术突破极大提高了海浪与大气水汽含量的反演精度,不但避免了精密差分定位的服务成本,而且大幅度降低了卫星通讯负担。

截止目前,该团队已开展了十余次现场观测实验,并与目前通用的海洋经典观测设备进行了多次比对。结果显示,该浮标的观测精度与精密测浪设备如“波浪骑士”的差别仅厘米量级,但观测成本却大幅降低,新一代GNSS浮标的成本只有国际通用观测设备的10%。

这一降低成本方面的技术创新尤为重要,因为成本阻碍了全球海洋观测系统的发展。尽管在过去半个世纪,人类已经取得了显著进展,但海洋观测仍然面临成本高昂和覆盖稀疏的挑战,直接影响了对海洋过程的科学认知,也限制了对海洋和气候的精准预测预报能力。

该团队研发了多个型号的GNSS浮标。基础型浮标为基本配置,可以同时获得以上10个参数;通过增加观测海面大气的风温湿压等参数,可以实现全球大范围海气通量的实时监测,并且在计算海气通量中能够考虑波浪的贡献,从而获得更准确的海气通量数据;通过增配温盐链,可测量上层海洋的温度和盐度结构,再结合人工智能技术则能精准捕获海洋内波;还可以增加测量水声,用于海洋哺乳动物的监测与海洋生态系统的保护等等。

研发的新型GNSS浮标具有智能性,可以根据客观需求(比如大浪区、内波、海洋灾害等)随时自主加密观测。未来通过进一步技术攻关,还可能探测涡旋以及精密测量全球的潮位等,从而加强对全球沿海地区的保护。

 

论文链接:Liu et al, 2022, Real-time precise measurements of ocean surface waves using GNSS variometric approach. International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation, 115, 103125, https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103125。



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