海洋调查与监测

2020/2/201海洋调查与监测SUQiangGraduateUniversityofChineseAcademyofSciencesCollegeofEarthScienceMarineInvestigationandObservationTel:[phone];E-mail:[e-mail]2020/2/202第一章绪论海洋调查简史全球海洋观测系统简述海洋调查的分类及内容海洋调查的必要性2020/2/203海洋调查简史海洋调查是用各种仪器设备直接或间接对海洋的物理学、化学、生物学、地质学、地貌学、气象学及其他海洋状况进行调查研究的手段。海洋调查一般是在选定的海区、测线和测点上布设和使用适当的仪器设备，获取海洋环境要素资料，揭示并阐明其时、空分布和变化规律，为海洋科学研究、海洋资源开发、海洋工程建设、航海安全保证、海洋环境保护、海洋灾害预防提供基础资料和科学依据。海洋调查一般分为综合调查和专业调查两大类。2020/2/204单船调查时期20世纪初，海洋学的发展主要是以生物学为主；在第二次世界大战期间，因为战争需要，突出发展了水声技术、海浪观测和预报，从而推动了海洋科学在理论方面的发展。以单船走航方式来获得海洋水文资料，就好像用“流动气象站”来获取气象资料一样。气象学家们对“流动气象站”获取的大气资料当然是不屑一顾的，但海洋学家们，却以能取得单船走航方式获取的观测资料为满足。这是一个带讽刺性的，但又是干真万确的事实。2020/2/205截止到20世纪50年代，全世界进行了300多次的海洋调查，范围都不大，调查的项目也不多，调查持续时间也不长，观测手段都十分落后，而且相当部分只集中在几个海区，如毗邻欧洲的北海、波罗的海和地中海，北美洲东岸墨酉哥湾流区域、西岸的加利福尼亚流区域，以及亚洲的黑潮区域和日本近海等。2020/2/206根据海洋调查资料，海洋学家们发现了海水主要成分相对含量的恒定性；在海洋生物方面，对较大生物进行了分类，并对生物与环境之间的关系进行了研究；在地质学方面，人们对海底地貌、沉积物分布有了初步了解；在物理海洋学方面，对潮汐、海浪、海流的研究多有建树，绘制出了世界大洋的海流图轮廓，并提出了与之相应的世界大洋环流的基本理论—“风生漂流理论”。2020/2/2072020/2/208多船联合调查时期1958年，海洋学家斯瓦罗用声学追踪的中性浮子的方法测量了湾流区域的底层流。实测结果表明：海流速度比他预期的大到10倍以上，而且在几十公里的距离之间，流向可以完全相反。这样一来，以多船合作调查代替单船进行的海洋调查方式应时面起。从50年代中期到60年代中后期的10余年间，多船合作调查盛行一时。2020/2/209通过这些大规模的多船联合调查，学者们发现了大洋海流中两种极其重要的现象：一是在太平洋和大西洋赤道海流之下，发现到处都存在的赤道潜流；二是在湾流中不但经常出现尺度相当大(几百公里)、寿命相当长(几个月)的弯曲(Meander)，而且当它与主流分离后还形成流环(Loop)，而在湾流区域的某些位置上，有时竞同时出现好几个涡旋(Eddy)，使人对湾流本身难以辨认。2020/2/20101986-1990年，中美西太平洋热带海气相互作用联合调查，中国“向阳红5”号和“向阳红14”号实施海上调查，完成了综合考察站350个站次和36条观测断面的科学考察任务；1986-1992年，中日黑潮合作调查，实施海洋调查的有中国的“向阳红9”号、“实践”号以及日本的“昭洋丸”、“拓洋丸”、“海洋丸”等14艘海洋调查船；2020/2/20111992年11月1日-1993年2月28日，在热带西太平佯“暖池区”进行连续4个月的强化观测。此次调查中，由3个卫星系统、7架飞机、14条调查船、31个地面探空站、34个锚系浮标和几十个飘流浮标构成一个立体观测体系进行观测。作为双边合作和对国际计划的贡献，中国参加调查的单位有国家海洋局、中国科学院、原国家教育委员会、中国气象局等，并派国家海洋局“向阳红5”号、中国科学院“科学1号”、“实验3号”等三艘海洋调查船参加了全过程的观测，调查取得了满意的成果。2020/2/20122020/2/2013大洋考察项目有物理海洋学，海洋化学(包括放射化学)，海洋生物(浮游动物、浮游植物、底栖生物、微生物)，海洋地质，海洋渔业资源等；在北冰洋冰边缘进行的项目有大气、海洋、海冰等项目的综合观测；在联合冰站进行大气边界层(辐射，冰温梯度，风速、温度和湿度脉动)观测，系留气艇系统观测，常规和臭氧探空，物理海洋，冰物理(冰雷达、RADARSAT-1卫星SAR)，冰雪化学，冰下生态等多学科综合调查。2020/2/20142020/2/20152020/2/2016此次科学考察还包括走航的气象，SST和海表红外温度，ADCP测流，XBT，XCTD，紫外辐射，大气和海表CO2观测；航路采样观测有海表盐度、叶绿素、生物生产力、大气气体组分和大气粉尘中孢粉、沉积矿物和气溶胶、低分子挥发性脂肪酸、石油烃等有机污染物。通过走航的气象观测、海洋SST和海表红外温度观测，发现了北极的冷源区域；通过走航的大气和海表CO2观测，发现海洋是CO2的源区海域。2020/2/20172020/2/20182020/2/20192020/2/20202020/2/2021使用无人浮标站取得全天候的连续资科2020/2/2022固定浮标是用锚将观测浮标固定在一定的海域内，用水上、水下仪器监视天气和水体的变化，包括温度、盐度、海流及水面波浪的变化。自由漂移浮标(包括水上漂流浮标)，能随波逐流地自由运动，可以测旦不同位置的天气、温度和海浪，它漂移的轨迹可以描述海流空间的变化。自动升沉浮标，可以在水内自动升降测量不同深度的海流、温度、盐度等，减少仪器的数量。竖丰浮标，又叫竖立船，“环球挑战者”号就是其典型代表。2020/2/2023通过对浮标和调查船上的数据资料进行分析，海洋学家们从根本上改变了过去对大洋环流结构的概念，认识到大洋里并不只存在着一个风生流涡，而且存在着大量的中尺度涡旋，海洋中很多自然现象均和它间接有关。可以说，发现中尺度涡旋在整个海洋科学上是一件大事。它使海洋学家们有可能对海洋里的水文现象进行“天气分析”，也标志着海洋水文物理学已经由过去研究平均水文情况的“气候学时代”，向研究水文情况逐日变化规律的“天气学时代”转变，并迈进了一大步。2020/2/2024深潜器的调查，包括从陆架水域的调查潜艇，到大深度作业交通器，无人装置的遥控水下操纵器，使人们可以在水下直接观测被测对象，都已经成为了当代海洋调查的有利工具。2020/2/2025海洋遥感技术时期2020/2/2026航空遥感和航天遥感有许多共同点，也各有所长和不足，它们是相辅相成的。飞机可以空投XBT测量海温垂直剖面，进行海水取样；用专门的浮标装置直接测量海流利海浪；投弃式声学浮标探测海水声学持性和进行水下声学监测；机载气象传感器可直接测量大气参数等。飞机上的海洋遥感器受大气和其他环境因素影响小，测量结果比航天遥感器准确可靠，是卫星遥感器试验、发展和地面校准所必不可少的。2020/2/20272020/2/20282020/2/2029全球海洋观测系统简述2020/2/2030热带海洋与全球大气计划(TOGA)以地球系统时间变量为函数，获得对热带海洋相全球大气的描述，以确定地球系统按月至年的时间尺度可预测性的程度，认识这种可预测性所包含的机理和过程；为了预测月至年时间尺度的海洋和大气变化，研究模拟海洋与大气锅台系统的可行性；如果这种能力得到海洋相大气锅台模式的证实，就为现今的观测系统和数据系统，以及预报的设计提供了科学依据。2020/2/2031世界大洋环流实验(WOCE)发展对气候变化有用的模式，搜集检验模式所必需的数据；确定WOCE特殊数据及表示海洋长期特性的代表；寻找测定大洋环流长期变化的方法。2020/2/2032极地计划北极浮标测量，如美国海军研究署利用漂流浮标、冰上浮标和卫星跟踪浮标所进行的测量；利用锚定的倒置声纳进行波弗特和格陵兰北部海域海洋测量；利用美国宇航局(NASA)计划发射的星载专用传感器微波成像仪(SSM/I)进行冰盖和海冰分布测量；冰运动测量；南极海冰测量。2020/2/2033全球海洋通量联合研究(JGOFS)全球海洋通量联合研究计划的目的就是要“测定并认识全球尺度的控制海洋二氧化碳及有关生物物质随时间变化通量的过程，评价与大气、海底及大陆边界有关的交换”。JGOFS需要组建时序测站网，每两周或每月进行重要特性和过程的定期测量；如果能获得自动化传感器，可进行连续观测。2020/2/2034全球能量和水循环实验(GEWEX)根据可观测到的大气性质和地面性质的全球测量，测定水文循环和能量通量；模拟全球水文循环及其对大气和海洋的影响；发展全球及地区水文过程和水资源的变化及其对环境变化的响应预测能力；促进适合长期天气预报，水文及气候预测业务应用的观测技术，数据管理系统和数据同化系统的发展。2020/2/2035世界气候资料计划(WCDP)标准的天气式和气候式的预测，包括每250km的2-10个测报站密度的海面温度测量和次表层测量；海面温度网格点数据集，半度经纬度网格混合数据；从尽可能实际的多个场地按标准频次进行高空大气测量。2020/2/2036待测变量和过程的概况对大洋总环流状况，特别是对主要海流及上层状况(如混合层、温跃层和盐跃层)的描述。这需要了解海洋上层的热量和盐量，以及热量和盐量的水平平流，海-气之间动量、热量和水汽的传输，因而必须测定海-气之间的物质和气体传输，监测海底热量和盐分通量，河流排水量(包括流量及物质，如泥沙、营养盐类和污染物通量)等。2020/2/2037世界天气监视网()是世界气象组织(WWO)世界范围的一个协调系统，其主要目的是在协商一致的系统之内，收集业务应用及科研所需要的气象资料和其他的环境资料。从陆地、海面、空中以及外层空间数干个点进行广泛的气象要素和有关地球物理要素的频繁和定期观测，开展观测数据迅速收集相交换，制作各种形式的资料产品，描述现状及预报状况，并分发这些资料。2020/2/2038国际全球海洋服务系统(IGOSS)IGOSS是海洋数据、产品和服务的搜集和交换业务网，目的在于为成员国的海洋服务提供所需的数据和情报，以保证业务和科研应用之需。IGOSS是促进、协调并发展资料及时搜集相交换，提供服务，并按观测分析和预报形式分发产品所必需的国际体制。其数据是根据海洋天气预报、渔业研究、捕渔业、航海、污染控制及有关气候研究需要，更好地预测海洋状况而制定的。2020/2/2039全球海洋平面观测系统(GLOSS)GLOSS是IOC协调的一个国际系统，以海平面站全球网为基础提供高质量标准化海平面数据。海平面站全球网将监测由于全球变暖而引起的海平面变化，阐明大洋环流图、气候变迁以及为国际和地区研究计划，为各国的实际应用作贡献。2020/2/2040漂流浮标协调组(DBCP)DBCP为漂流浮标各方面业务的协作机构，由IOC和WWO联合组成，其目的是：促进世界范围漂流浮标的最佳利用，增加现有漂流浮标数据量，满足WWO和IOC的主要计划需要，鼓励并支持成立特定计划或地区应用的行动组，以影响漂流浮标业务的合作。2020/2/2041国际海洋资料信息交换(IODE)IODE系统目的在于促进成员国海洋资料信息的交换，以提高海洋科研、海洋勘探和海洋开发的水平。由于建立全球观测系统(GOOS)的复杂性，现在区域性的海洋观测系统正在兴建和发展中，如东北亚的(NEAR-GOOS)、欧洲的(Eu-GOOS)等；一些专门性的观测系统也愈来愈受到沿海国家的重视，如沿岸海洋观测系统C-GOOS。2020/2/20422020/2/2043摘要运用粒度、矿物学、年代学和沉积动力学手段，对研究区表层沉积物进行了沉积物类型、矿物组成、运移趋势、沉积物物质来源等多种分析。结合矿物学、沉积学的方法和210Pb测年