海洋觀測史.doc

海洋遙感觀測海洋遙感是利用傳感器對海洋進行遠距離非接觸觀測，以獲取海洋景觀和海洋要素的圖像或數據資料，其發(fā)展歷程大致可分為起步期（1939-1969）、試驗期（1970-1977）、研究期（1978-1991）、應用期（1992-至今）。起步期（1939-1969）：海洋遙感開始于第二次世界大戰(zhàn)期間(1939年9月-1945年9月)，首次利用航空遙感方式完成了河口海岸制圖與近海水深測量的工作。1950年美國航空遙感與海洋調查船完成了大規(guī)模灣流考察，這是人類首次在物理海洋學研究中利用遙感技術。衛(wèi)星遙感始于1957年蘇聯發(fā)射第一顆人造衛(wèi)星。1960年4月美國宇航局(NASA)發(fā)射第一顆電視與紅外觀測衛(wèi)星TIROS-I，衛(wèi)星在獲取氣象資料的同時還獲取了無云海區(qū)的海表面溫度場資料，從而拉開了利用衛(wèi)星遙感資料進行海洋研究的帷幕。試驗期（1970-1977）：1969年NASA在Williams大學召開研討會，推動了1973年天空實驗室(Skylab)航天器和1975年地球實驗海洋衛(wèi)星(GEOS-3)高度計的發(fā)展。其中Skylab航天器證實了可見光與近紅外遙感對地球進行連續(xù)觀測的潛力，而GEOS-3則是首次利用衛(wèi)星遙感測量海表面高度的衛(wèi)星。隨后，NASA在此基礎上研制了一系列高分辯率多光譜掃描儀，這些掃描儀裝載在Landsat系列衛(wèi)星上沿用至今。美國海洋大氣局(NOAA)在1970年1月發(fā)射改進型TIROS衛(wèi)星，又在1972-1976年發(fā)射NOAA系列衛(wèi)星(NOAA-1至5)，這些衛(wèi)星裝載的紅外掃描輻射計與微波輻射計，可以用來估計海表面溫度、大氣溫度以及濕度剖面等海氣參數。研究期（1978-1991）：1978年NASA連續(xù)發(fā)射了三顆衛(wèi)星，噴氣動力實驗室(JPL)的Seasat-A衛(wèi)星，Goddard空間飛行中心(GSFC)的TIROS-N與Nimbus-7衛(wèi)星。這三顆衛(wèi)星構成了海洋衛(wèi)星的三部曲，它標志著衛(wèi)星海洋遙感新紀元的開始，并反映了可見光、紅外、微波海洋遙感的概貌，充分展現了衛(wèi)星對海洋的監(jiān)測能力。Seasat-A衛(wèi)星上裝載了微波輻射計(SMMR)、微波高度計(RA)、微波散射計(SASS)、合成孔徑雷達(SAR)、可見紅外輻射計(VIRR)等5種傳感器。提供的海洋信息包括海表面溫度、海面高度、海面風場、海浪、海冰、海底地形、風暴潮、水汽和降雨等。雖因電源故障，Seasat-A壽命僅為108天，卻獲得極其寶貴的海洋資料，因此Seasat-A被稱為衛(wèi)星海洋遙感的里程碑。TIROS-N衛(wèi)星上裝載高級甚高分辨率輻射計(AVHRR)和TIROS業(yè)務化垂直探測器(TOVS)。NOAA于1981年推出衛(wèi)星海表面溫度業(yè)務化反演算法(MCSST)，因此TIROS-N奠定了衛(wèi)星海表面溫度進入氣象、海洋業(yè)務化預報的基礎。Nimbus-7衛(wèi)星上裝載了7種傳感器，其中多通道掃描微波輻射計(SMMR)和沿岸帶海色掃描儀(CZCS)與海洋觀測有關。CZCS屬于海色傳感器，它奠定了海色衛(wèi)星遙感的基礎。1978-1986年間CZCS提供了8年的全球海色圖象以及海洋次表層葉綠素濃度參數，為海色研究提供了寶貴的數據資料。應用期（1992-至今）：1992年美國與法國聯合發(fā)射的TOPEX/Poseidon衛(wèi)星，開啟了海洋綜合探測衛(wèi)星的新時代。衛(wèi)星上載有一臺美國NASA的TOPEX雙頻高度計和一臺法國CNES的Poseidon高度計，用于探測大洋環(huán)流、海況、極地海冰等參數。在此之后，海洋觀測衛(wèi)星開始大量發(fā)射。截止到2012年10月，在軌海洋衛(wèi)星數量為115顆，涉及超過30個空間機構。預測到2030年將陸續(xù)發(fā)射156顆衛(wèi)星，屆時總數將達到271顆。中國海洋遙感觀測始于1988年“風云一號”的發(fā)射，這是中國自行研制與發(fā)射的首顆極地軌道氣象衛(wèi)星，除氣象數據外還可獲取海洋水色圖像、海表面溫度等參數信息。2002年5月，中國首顆海洋衛(wèi)星“海洋一號A”的成功發(fā)射，標志著中國海洋衛(wèi)星遙感與應用邁入一個嶄新的階段，結束了中國沒有海洋衛(wèi)星的歷史。2007年，“海洋一號B”發(fā)射成功，2011年“海洋二號”發(fā)射成功，彌補了中國海洋動力環(huán)境要素觀測的空白。未來中國將發(fā)射“海洋三號”雷達衛(wèi)星，眾多海洋衛(wèi)星將組成中國海洋環(huán)境的立體監(jiān)測網。海洋調查船海洋調查船是專門從事海洋科學調查研究的船只，是搭載海洋儀器設備直接觀測海洋、采集樣品和研究海洋的工具。海洋調查船按其調查任務可分為綜合調查船、專業(yè)調查船以及特種調查船。海洋調查船的發(fā)展已有100多年的歷史。第一艘海洋調查船是英國的“挑戰(zhàn)者”號(H.M.S.Challenger)，它由軍艦改裝而成。在1872-1876 年，“挑戰(zhàn)者”號進行了為期三年零五個月的大洋調查，將人類研究海洋的進程推進到新的時代。此次考察活動首次利用顛倒溫度計測量了海洋深層水溫，同時測量了海底地形、環(huán)流、海水透明度、海水鹽度等，采集了大量海洋動植物標本和海水、海底底質樣品。此次海洋調查被西方的科學家譽為近代海洋科學的“奠基性調查“奠基性調查”。限于當時的技術條件，后續(xù)的海洋調查船都是以生物調查為主的綜合性海洋調查船，直到1925年德國海洋調查船“流星”號(Meteor)問世之后，綜合性海洋調查船才由以生物調查為主的時代進入了以海水理化性質和地質地貌調查為主的時代?！傲餍恰碧柺状窝b載電子回聲測深儀，獲得了7萬個以上的海洋深度數據；首次清晰地揭示了大洋底部起伏不平的輪廓；揭示了海洋環(huán)流和大洋熱量、水量平衡的基本概況?！傲餍小碧栭_啟了繼“挑戰(zhàn)者”號之后的海洋調查船的新時代，調查方法更科學，觀測精度更高。隨著海洋科學的發(fā)展，50年代以后，綜合性海洋調查船已不能滿足海洋學各分支學科深入調查的需要，從而陸續(xù)出現了各種專業(yè)調查船和特種調查船。60年代是新建海洋調查船的大發(fā)展時期，1962年美國建造的“阿特蘭蒂斯II”號(AtlantisII)首次裝載電子計算機，標志著現代化高效率海洋調查船的誕生。20世紀70年代以來，隨著科學考察的深入，南北極的奧秘和環(huán)境資源價值不斷被發(fā)現，極地領域的競爭愈發(fā)激烈，權益爭端不斷加劇，美蘇兩國競相建造極地考察船。其中最著名的是1973年美國建成的“極星”號，其次是蘇聯1975年建造的“M.薩莫夫”號大型極地考察船。目前，全球超過40個國家擁有海洋科學考察船，總數量超過500艘，歐美等發(fā)達國家無論在數量還是技術水平上都處于領先地位。1956年，中國第一艘海洋調查船“金星”號由遠洋救生拖輪改裝而成，適用于淺海綜合性調查。1965年，中國第一艘自行設計和建造的海洋科學調查船“東方紅”號下水。1986年，中國第一艘極地科學考察船“極地”號前往南極進行科考活動。目前，全球超過 40 個國家擁有海洋科學考察船，總數量超過 500 艘，歐美等發(fā)達國家無論在數量還是技術水平上都處于領先地位?？v觀近年來全球科學考察船的發(fā)展，具有以下明顯趨勢： 1）數量增多，向著現代化、大型化、綜合化發(fā)展；2）以全球級、大洋級科學考察船為主，近岸級協同發(fā)展； 3）裝備性能明顯提高；4）低噪聲、綠色節(jié)能指標越來越高。海洋浮標海洋浮標是一類用于承載各類探測海洋和大氣傳感器的海上平臺，是海洋立體監(jiān)測系統(tǒng)中的重要組成部分。海洋浮標作為一種新興的現代化海洋監(jiān)測技術，在研究海洋和大氣的相互作用及全球氣候變化、預報全球性和地區(qū)性海洋災害、監(jiān)測海洋污染、校驗衛(wèi)星遙感數據的真實性、以及作為平臺用于水聲通信和水下定位等方面發(fā)揮了重要作用。相比其他監(jiān)測手段，海洋浮標在工作壽命時間內可在惡劣的海洋環(huán)境條件下對海洋環(huán)境進行自動、連續(xù)、長期的同步監(jiān)測，是海洋觀測岸站、調查船和調查飛機在空間上和時間上的延伸擴展，且費用相比調查船低廉。根據浮標在海上所處位置不同，可分為錨定浮標、潛標、漂流浮標等。海洋錨定浮標最早出現于第二次世界大戰(zhàn)期間(1939年9月-1945年9月)最早出現于第二次世界大戰(zhàn)(1939-1945年)期間，德國在大西洋、英吉利海峽和北海等海區(qū)投放若干氣象浮標，搜集有關溫度、濕度、氣壓、風力和風速等氣象信息。20世紀60年代初，美國開始研制多要素觀測的海洋資料浮標，對海洋進行更有效的觀測。其他海洋發(fā)展國家如德國、英國、法國、加拿大、挪威、日本、意大利、前蘇聯等也相繼展開了浮標的研制工作。1970年美國率先成立了專門管理海洋資料浮標的國家資料浮標中心(National Data Buoy CenterDBC)。NDBC 的成立，使美國錨泊浮標趨于定型、完善，并進入實用階段。70年代后期，隨著計算機技術和衛(wèi)星通信技術在浮標應用中的出現，使得浮標技術發(fā)展進入了飛躍期。海洋潛標系統(tǒng)是對海洋水下環(huán)境進行長期、定點、多參數剖面觀測系統(tǒng)，是海洋環(huán)境立體觀測系統(tǒng)的重要組成部分。50年代初， , 美國首先發(fā)展了潛標系統(tǒng)，用于次表層或深海的海洋環(huán)境監(jiān)測。從60年代初到80年代初，美國平均每年布設50-70套潛標系統(tǒng)。在墨西哥灣和西北太平洋的一些觀測站、經常保持20套左右的潛標系統(tǒng)。日本于70年代初開始研制和使用潛標系統(tǒng)，主要用于黑潮研究。80年代中期，潛標與錨泊浮標相結合形成繃緊式錨泊浮標系統(tǒng)，在“熱帶海洋大氣陣列(TTropical Atmosphere/Ocean arrayAO)”中得到應用。 自20世紀70年代以來，潛標系統(tǒng)得到廣泛的應用。漂流浮標是根據各種科學試驗和海洋環(huán)境監(jiān)測計劃的需要而發(fā)展起來的一種移動 觀測平臺。從70年代初發(fā)展了單參數漂流浮標以來, 經過幾十年的努力, 已形成了適合不同目的的漂流浮標，為海洋工程、海洋運輸、海洋資源開發(fā)、海洋氣象預報、海洋災害預警、以及各類海洋研究等提供服務。著名的Argo計劃所采用的浮標就是漂流浮標。在全球海洋觀測計劃(GOOS)中應用了漂流浮標；1984年美國人用飛機將漂流浮標空投到JOSCPHINE咫風中, 監(jiān)測咫風的發(fā)展、強度和軌跡；在1985年政府間海洋學委員會(IOC)和世界氣象組織(WMO)發(fā)起了熱帶大洋及其與全球大氣的相互作用(TOGA)計劃，隨后在其中中用了大量漂流浮標, 為厄爾尼諾和南方濤動現象研究提供了非常寶貴的海流風、氣壓及溫度資料。1989年IOC和WMO又發(fā)起了全球海洋觀測計劃(GOOS)，并在其中也應用了漂流浮標。目前，美國、日本等海洋發(fā)達國家逐步建立了關鍵海域的浮標監(jiān)測網，國際上，Argo計劃、熱帶大氣海洋觀測網錨碇系列(TAO)計劃的實施。這些都為海洋工程、海洋運輸、海洋資源開發(fā)、海洋氣象預報、海洋災害預警、以及各類海洋研究等提供服務，海洋浮標在海洋監(jiān)測中進入了商品化和實用化階段。海洋浮標在中國的開發(fā)研制始于20世紀60年代中期。1965年8月至1966年10月，中國海洋儀器會戰(zhàn)期間，研制成功了第一臺海洋浮標(H23)。經過起步階段(1965-1975)、研究試驗階段(1975-1985)和實用化階段(1985-1990)的不斷發(fā)展，90 年代開始正式投入使用，到目前為止中國已經進入了海洋浮標監(jiān)測的大國俱樂部。潛水器潛水器又稱為深潛淺器，它是一種自帶推動力的海洋考察設備，既能在水面行駛，又能在水下獨立開展工作。主要用來執(zhí)行水下考察、海底勘探、海底開發(fā)和打撈、救生等任務，并可以作為潛水員活動的水下作業(yè)基地。潛水器主要分為載人深潛器(Human Occupied VehicleHOV)和無人深潛器(Unmanned Underwater VehicleUUV)。1554年意大利人塔爾奇利亞發(fā)明的木質球形潛水器，對后來潛水器的研制產生了巨大影響。1717年英國哈雷設計了第一個有實用價值的潛水器，此后直到六十年代20世紀60年代，人類對潛水器的研制主要致力于下潛深度。1960年第一艘載人深海潛水器 “曲斯特1”號在太平洋馬里亞納海溝下潛到10916m(海溝最深點為11034m)，創(chuàng)造了目前為止人類下潛最深海溝的歷史。1964年美國建造的“阿爾文(Alvin)”號開創(chuàng)了人類探測海洋資源的歷史。1974年經過改裝后“阿爾文”號的工作深度達到4500m，可搭載三名人員進行為期6-8小時的水下工作時間，完成了眾多具有影響價值的作業(yè)。如1966年初，“阿爾文”號和另一臺遙控潛水器一起打撈起掉落在地中海的一顆氫彈；1977年，在將近2500m深處的加拉帕戈斯(Galapagos)斷裂帶首次發(fā)現海底熱液和其中的生物群落；1979年，在東太平洋洋中脊發(fā)現第一個高溫黑煙囪；20世紀80年代，成功地參與了對泰坦尼克號沉船的搜尋和考察。至今“阿爾文”號已累計完成5000次以上的下潛作業(yè)，為深海研究作出了巨大貢獻。1964年美國建造的“阿爾文(Alvin)”號開創(chuàng)了人類探測海洋資源的歷史。1974年經過改裝后“阿爾文”號的工作深度達到4500m，可搭載三名人員進行為期6-8小時的水下工作時間，完成了眾多具有影響價值的作業(yè)。如1966年初，“阿爾文”號和另一臺遙控潛水器一起打撈起掉落在地中海的一顆氫彈；1977年，“阿爾文”號在將近2500m深處的加拉帕戈斯(Galapagos)斷裂帶首次發(fā)現海底熱液和其中的生物群落。1979年，“阿爾文”號在東太平洋洋中脊發(fā)現第一個高溫黑煙囪。20世紀80年代，“阿爾文”號又成功地參與了對泰坦尼克號沉船的搜尋和考察。至今“阿爾文”號已累計完成5 000次以上的下潛作業(yè)，為深海研究作出了巨大貢獻。除各種有人深潛器之外，60 年代以后無人深潛器的發(fā)展也引人矚目。無人深潛器是一種能模仿人進行某些活動的自動機械，能夠在人難以適應的深水環(huán)境中代替人進行工作。目前，無人深潛器有無人遙控潛水器系纜式(Remote Operated Vehicle ROV)和自主式水下機器人無系纜式(Autonomous Underwater VehicleAUV)兩種，前者需要水面母船傳輸動力并進行遙控，后者可以自行機動，具有一定的自主功能。下表是國內外ROV和AUV的簡要介紹。表 1 國內外ROV介紹ROV名稱時間/年國家最大下潛深度/m備注Poodle1953美國-世界第一臺ROV海鲀3K1987日本3300-海溝1995日本11000世界下潛最深ROVVictor1999法國6000-HR-011983中國200中國研制的第一艘ROV海馬2014中國4500首臺自主研制4500m級ROV表 2 國內外AUV介紹AUV名稱時間/年國家最大下潛深度/m備注SPURV1957美國-世界第一臺AUV逆戟鯨1980法國6000世界首臺深水AUV(6000m)探索者1994中國1000中國第一艘AUV潛龍一號2013中國6000首臺自主研制的AUV目前全世界有各種載人深潛器 200 多艘，有的最大作業(yè)深度達 6000 米，主要用于海洋油氣開發(fā)。6000 米以上的深度，顯現了國際深潛器向大深度發(fā)展的技術能力。無人遙控潛水器全世界約有1000多艘，其中6000m級10多艘，現已發(fā)展到第三代智能深潛器。隨著新技術以及新材料的不斷涌現，極大地促進了深潛器技術的提高。如：耐壓材料新型化；浮力材料輕便化；觀察設備高清化；作業(yè)工具模塊化；水聲通信可靠化；能源供給經濟化?！膀札垺碧柺侵袊孕性O計、自主集成研制的深海載人潛水器。2009年至2012年，“蛟龍”號接連取得1000米級、3000米級、5000米級和7000米級海試成功。2012年7月，“蛟龍”號在馬里亞納海溝試驗海區(qū)創(chuàng)造了下潛7062米的中國載人深潛紀錄，同時也創(chuàng)造了世界同類作業(yè)型潛水器的最大下潛深度紀錄。這意味著中國具備了載人到達全球99.8%以上海洋深處進行作業(yè)的能力。Argo觀測網Argo計劃(ARRAY for REAL-TIME GEOSTROPHIC OCEANOGRAPHY)，也稱“Argo全球海洋觀測網”。是由美國等國家大氣、海洋科學家于1998年推出的一個全球海洋觀測試驗項目，在全球大洋中每隔300公里布放一個衛(wèi)星跟蹤浮標，總計為3000個，組成一個龐大的Argo全球海洋觀測網。旨在快速、準確、大范圍地收集全球海洋上層的海水溫、鹽度剖面資料，以提高氣候預報的精度，有效防御全球日益嚴重的氣候災害給人類造成的威脅，被譽為“海洋觀測手段的一場革命”。2001年3月召開的第三次國際Argo科學組會議上，澳大利亞和美國宣稱已率先在東印度洋和東太平洋施放了21個Argo浮標，從而正式拉開了Argo全球海洋觀測網建設的序幕。中國于2001年10月正式加入國際Argo計劃，成為繼美國、日本、加拿大、英國、法國、德國、澳大利亞和韓國后第九個加入Argo計劃的國家。2007年11月1日，國際Argo 計劃已經實現了其最初提出的在全球海洋上建成由3000個Argo剖面浮標組成的實時海洋觀測網的目標。2012年11月4日由印度布放的編號為“2901287”的Argo浮標，收集到具有里程碑意義的第100萬條觀測剖面數據，標志著包括中國在內的由世界多個沿海國家共同參與的大型海洋國際合作觀測計劃步入了一個新的發(fā)展階段。Argo觀測網的建立，使得海洋資料從表層向深層拓展，推動了海洋科學研究從二維向三維延伸。如，在海洋垂直結構方面，Dong等利用Argo剖面證實南大洋上層海洋會出現逆溫層，且逆溫層不僅發(fā)生在冬季，在其他季節(jié)也會出現。Adrian等基于Argo浮標，揭示了季內震蕩(Madden-Julian Oscillation)的熱帶深海區(qū)域成分。Oka等利用Argo數據發(fā)現冬季黑潮延伸體