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海洋观测网是服务海洋防灾减灾、海洋资源开发、海洋科学研究等的重要基础设施。经过多年的发展，我国已初步建立了由岸基海洋站、雷达站、浮标、潜标、海床基、卫星等多手段组成的“岸－海－空－天“海洋立体观测网，但仍不能充分满足我国重大需求，较主要海洋发达国家还有一定差距。借鉴学习国外先进经验，对建设和发展我国海洋观测网具有重要的指导意义。美国作为发达的海洋国家，所建设的综合海洋观测系统为其开展海洋科学研究、海洋资源开发、海洋灾害预警等提供强有力的支撑。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)会定期编制发布科学研究报告，用以展示其在海洋和大气方面取得的研究成果和发挥的重要作用，其中海洋观测是报告的主要组成部分。

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本文通过梳理《2019年美国NOAA科学报告》中海洋观测领域的主要成果，了解NOAA开展海洋科学研究和业务工作的发展方向，同时通过分析我国海洋观测网发展中存在的不足，提出促进我国海洋观测网高质量发展的几点建议。

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一、NOAA报告的基本情况

2020年2月，《2019年美国NOAA科学报告》（以下简称《NOAA报告》）发布，该报告强调了NOAA在海洋、天气、五大湖和大气方面的重要研究成果，以及保护人民生命和财产、支持国家经济和加强国家安全方面的成就，强调了其发现深海珊瑚栖息地、将机器学习应用于恶劣天气预警和鱼类调查、升级美国全球天气预报模型等一系列最新科研成果。《NOAA报告》指出，NOAA不仅对包括NOAA实验室和科学中心在内的内部研究和发展进行投资，还对大学、产业和其他研究机构的合作伙伴的外部研究进行资助。

《NOAA报告》涵盖了NOAA的全部研究任务，包括64个NOAA研究和发展的代表性成就案例，主要包括3方面。

⑴减少有害天气和其他环境现象的社会影响方面：改进太空天气预报，为宇航员探测做好准备；通过提高龙卷风登陆时间和移动路径预测水平，拯救更多的生命和财产；利用NOAA新卫星数据开展大湖区的暴风雪预测；整合先进的高性能计算机，改善随风和其他高影响事件的预测；改善北美热浪预报。

⑵海洋和沿海资源的可持续利用和管理方面：开发监测有害藻华的新工具；开发用于水产养殖选址的新工具；发布旅游业产生的社区海洋垃圾对经济的影响信息；利用无人机绘制海岸线和近岸水域地图。

⑶强大而有效的研究和事业发展方面：美国Argo项目为了解和预测气候变化提供全球海洋观测信息；综合卫星信息提高了隄风预报能力；地球预报创新中心支持社区建模，改进州天气和气候模型；改进溢油模型和响应；利用大数据研究海洋渔业。

二、NOAA报告海洋观测领域主要成果

⒈“风帆”式无人船助力监控渔业和海洋环境

NOAA使用一系列水面无人船收集环境数据，当前该项新技术正在扩大研究和应用范围，以增进对天气、气候现象和环境过程的理解。NOAA渔业公司使用四艘“风帆”式无人船（图l)进行了全海岸渔业声学调查，并将结果与NOAA传统调查船在相同断面收集的结果进行了比较，用于评估新装备获得数据的质量。通过使用无人船，NOAA能够补充现有船只调查，并增进NOAA对生态系统的管理和对鱼类种群的了解。

注：无人船帆上的黑色区域为车载仪器供电的太阳能电池板

图1“风帆”式无人船

2019年8月，“风帆”式无人船完成了南极洲的首次自主航行，其携带了二氧化碳传感器，用千收集海洋和大气中的二氧化碳测量值。“风帆”式无人船完成了21872km的航程，收集的数据将使科学家更好地了解南大洋的二氧化碳循环过程。

⒉机器人滑翔机收集数据以改善建风预报

美国正在领导一项多边计划，以提高加勒比海和热带北大西洋区域退风预报的能力。NOAA与波多黎各、多米尼加共和国、美属维尔京群岛和巴哈马的美国大学以及学术和地区政府机构合作，建立了持久性业务化的水下滑翔机观测网。2019年，NOA A共部署了7部水下滑翔机，分别在加勒比海2部、热带北大西洋2部（图2)、多米尼加共和国外1部、美属维尔京群岛以南l部、巴哈马以东1部。这些水下滑翔机主要配备温盐传感器，在水下移动测量达800m深度的温盐剖面。由于较温暖的水域会导致更强的随风，而盐度含量会影响海面温度，因此科学家希望这些水下滑翔机获得的数据能够提高隄风预报模型的准确性。

注：波多黎各大学和加勒比沿海海洋观测协会(CARICOOS)在加勒比海合作部署

图2 一架大西洋海洋和气象实验室滑翔机

⒊监测有害藻华的新工具

有害藻华(HABs)对西佛罗里达州居民健康以及生态和经济构成越来越大的威胁。2018年，该地区发生了大规模的HABs,造成鱼类和野生动植物大量死亡。HABs产生的毒素给居民健康带来了危害。

NOAA一直在开发基于卫星的海上监视功能，用来监测、跟踪和预测HABs。利用卫星将及时更新的健康警告和沿海状况信息提供给地方政府和社区。据卫星产品显示，2018年7月HABs高密度区域及爆发增长区域，覆盖了佛罗里达州海岸超过160km。此外，NOAA利用水下滑翔机搭载传感器获取多维广泛的观测数据，辅助计算机建模，如在克利尔沃特海滩近海底处附近发现了藻类斑块，模型结果表明藻类斑块已经向陆地扩散，HABs风险加大。研究也证明，上述方法对于检测短小克雷伯氏菌HABs也是可行的，将有效提升NOAA的HABs监测和预报能力。

⒋先进的视频和分析技术调查鱼类种群、保护栖息地

NOAA正在开发水下视频新技术和新方法，以更好地在一些无法实施拖网调查的栖息地，开展海洋生态种群长期调查。由于传统水下相机视野受限，只能对一小部分环境成像，从而导致数据偏差。当前，NOAA已开发出具有360°视野的球面相机系统(SphereCam)，该系统通过对更大面积的影像进行成像，记录栖息地数据，并利用视频数据来解决统计偏差，从而提高对大型鱼类等的了解。

同时也正在改进相机传感器，并使其具有计算功能，用以处理大量视频流。如NOAA与学术界和企业合作开发了一种模块化软件工具箱，该工具箱使用机器学习和计算机视觉来优化图像数据，解决摄像机图像和视频的大数据流问题。此外，海洋环境视频和图像分析(VIAME)系统是一种开源软件系统，可客观地处理水下和航测图像。NOAA目前正使用VIAME来识别和测量角膜臼斑鳍鱼、处理扇贝调查数据、开展墨西哥湾珊瑚礁鱼视频调查、协助夏威夷海底鱼视频调查等。

⒌美国Argo计划用于了解和预测气候变化的全球海洋观测

美国目前为Argo计划贡献了约1800个浮标，约占全球阵列的一半。截至2019年底，Argo计划在全球拥有3883个Argo浮标，并达到了测量两百万个剖面的重要里程碑。NOAA正在投入更多资源，利用Argo进行生物地球化学观测任务（其传感器除了测量温度和盐度之外，还测量pH、硝酸盐、反向散射、荧光和溶解氧等），这将提高NOAA和美国利用新技术的能力，从而更好地观测并最终预测海洋和海洋生态系统的健康状况。Argo计划将有助于实现新型海洋预报、海洋基础研究、全球气候评估，乃至“蓝色经济”和海洋健康评价。

⒍新型便携式浮标用于近岸观测

NOAA开发了便携式浮标（图3)，开展近岸定点实时观测，可用于海上突发事件响应（如，预测海上漂流污染物的轨迹），还可用于评估潮流变化。该系统于2019年7月首次部署业务运行，测量结果将改善现有的NOAA下属美国国家海洋局(NationalOceanService,NOS)的潮流预测和相关导航支持产品。2020年部署地点包括佛罗里达州迈阿密港、佛罗里达州墨西哥湾沿岸和弗吉尼亚州南切萨皮克湾等。

美国德拉瓦河，2019年7月

图3首次现场应用的新型实时观测浮标

⒎在研发成果部署前利用试验平台或试验场进行测试

NOAA的研发成果在部署前需进行详细测试，逐步推进研发成果从研究、发展阶段向示范、部署阶段转变（图4)，促进向预测、警告、产品、服务和决策支持的过渡。这些测试主要在NOAA的12个试验平台和试验场进行，包括：装备开发测试平台、北极试验平台、航空天气试验平台（图5)、气候试验平台、沿海和海洋模拟试验平台、运营试验场、静止环境观测卫星试验场、危险天气试验平台、水文气象试验平台、卫星数据同化联合中心、联合网风试验平台、太空天气预报试验平台等。

图4 研究流程和成熟度等级（研究、发展、示范、部署）

图5 在航空天气中心的航空天气试验平台开展试验

三、与NOAA报告对比分析我国海洋观测网需关注的几个问题

我国海洋观测能力大幅提升，综合服务水平不断增强，但仍存在不少有待提升之处，需关注的几个问题主要包括：

⒈海洋观测新装备进入业务体系的机制有待健全

随着5G通信、大数据、物联网、人工智能等技术变革，海洋观测技术向自动化、机动化、智能化、小型化、免维护等方向发展，“海燕”“海翼”水下滑翔机、“蓝鲸”“海哨兵“波浪滑翔器、C-Argo、水下航行器(AUV)等移动自主观测装备大量涌现，这些科技成果应尽快实现转化应用，纳入观测业务体系，发挥新装备观测效能。如气象部门制定了《科技成果业务准入办法》，推动科技成果转化应用，规范气象科技成果业务准入管理。但是海洋观测领域尚未建立科技创新成果进入观测业务体系应用的机制，海洋观测网中自动化、机动化、智能化的新技术装备应用水平不高，未形成成熟的业务应用模式及相关配套管理制度。

⒉海洋生态在线监测预警体系尚未建立

我国已经设置了600余个海洋生态环境监测点，基本上每年开展一次调查，主要以现场采样加实验室化验分析为主，总体上监测手段存在不足，卫星遥感、水下探测、视频、原位在线等技术手段应用水平偏低，难以整体呈现自然生态的系统性和完整性，同时缺乏生态系统功能评价、生态风险评估预警技术指标和方法体系，生态预警监测体系尚未建立。

⒊海洋观测部分关键和核心技术仍然受制于人

近年来我国海洋观测和生态监测技术不断进步，大部分观测设备均可实现自主集成，但部分核心和关键技术仍然尚未突破，其可靠性和稳定性尚未得到市场的广泛认可。观测方面，海洋站（点）中的大气温度湿度传感器、气压传感器大多为进口设备、国产占有率较低，浮标的风速风向、温湿、海流计、温盐、气压、能见度、海水压力等传感器国产占有率也较低，急需加强能适应海洋恶劣环境的国产传感器研发和生产，提高传感器的国产化率。生态监测方面，多参数、营养盐、总磷总氮等大多传感器主要依赖进口，国产设备占有率较低。

四、建议

⒈利用新技术装备不断创新海洋观测业务

按照新技术装备业务应用要求，对新技术装备进行测试评估，保证新技术装备稳定可靠；开展新技术装备业务试点运行，逐步建立新技术装备业务应用模式与业务规程，建立新技术装备业务化观测的管理运行机制，完善新技术装备维护、校准等的技术保障流程和体系。当前观测技术向自动化、机动化、自主化方向发展，应持续加大海洋无人智能技术装备应用力度，积极利用水下滑翔机、波浪滑翔机、水下潜航器、无人机和无人船等开展海洋观测，加大智能海洋观测装备在观测网中的示范与业务应用力度，推动海洋观测网向自动化、智能化、网络化方向发展，比如利用水下滑翔机开展海洋断面调查、利用船载在线监测系统开展生态监测业务、利用无人艇和无人机开展生态灾害应急监测或浅水滩涂区域生态环境监测、利用水下视频监视系统开展珊瑚礁和鱼类等实时监测。以下从海洋观测和生态监测方面各列举一个应用实例。

⑴基于水下滑翔机的海洋断面调查业务：利用水下滑翔机开展断面调查，作为常规船载断面调查的补充，实现高密度、大范围、精细化区域调查。此项工作的开展可有效降低断面调查成本、提高作业效率，随着水下滑翔机技术的进一步发展，能够实现全天候、实时、自主机动调查。美国已经率先在加利福尼亚沿岸海域设置了多个断面，开展水下滑翔机观测业务化试运行[6]' 制定了相关操作规程和质量控制手册，积累了长达十年的观测数据，在厄尔尼诺事件中发挥了重要作用。

⑵基于船载在线监测系统的生态监剧业务：船载在线监测系统是适用于船舶，具有自动水样采集、在线测量、数据存储和传输等功能，实现对水温、盐度、pH、溶解氧、浊度、叶绿素、营养盐等海洋生态在线监测的系统，机动性强、监测范围广。利用船载在线监测系统，定期开展海洋生态基础监测或生态灾害应急监测，能够提高生态监测自动化水平和应急响应能力，增强海洋生态监测、环境监管业务的调查能力。2002年欧盟发起实施了FerryBox计划，截至2019年11月，已有近40个组织或船舶参与了这一计划，包括货船、客船、调查船、巡逻船等多种船舶，航线遍布英国东岸北海、北大西洋、挪威海、波罗的海和地中海等海域。

⒉将海洋生态系统作为海洋观测网服务的重要对象

2018年，新一轮国务院机构改革后，生态保护与修复工作重视程度提升到新高度。随着党中央建设海洋生态文明、构建海洋命运共同体的战略实施，珊瑚礁、红树林、海草床、湿地盐沼等典型生态系统，鱼类、底栖生物、微生物、基因等生物资源，作为海洋生态重要组成部分，都迫切需要海洋观测网为其开发或保护提供直接支撑，急需从生态系统的角度出发建立健全海洋生态预警监测体系。此外，海洋生物多样性不仅是海洋生态系统的重要维持者，也为人类的生存与发展提供了更为广阔的空间。将海洋生态系统作为海洋观测网服务的重要对象，加强生态预警监测能力建设，建立生态预警监测体系，服务国家战略实施、服务构建海洋命运共同体。

⒊编制发布年度国家全球海洋立体观测网服务报告

为有效宣传我国海洋观测网服务成果、扩大海洋观测网影响、提高公众认知，建议编制年度国家全球海洋立体观测网服务报告，体系化梳理我国海洋观测网在海洋防灾减灾、海洋生态保护、海洋资源开发保障、海洋重大工程建设、海洋科学研究等方面取得的重要成果，进一步提高国家对海洋观测业务的重视程度，同时通过与公众的公开互动，促进我国海洋观测业务体系改革创新，提质增效。

⒋业务应用前开展海洋观测技术装备测试评估

随着海洋观测网需求装备种类、数量规模增大，对观测装备质量及运维要求更高。为此，开展海洋观测网仪器装备业务化应用测试与评估，急需补强海洋观测装备应用管理的薄弱环节，主要是开展海洋观测、监测及监视仪器设备室内和海上性能测试、实海况试运行等，依据《海洋观测预报管理条例》第十五条“海洋观测使用的仪器设备应当符合国家有关产品标准、规范和海洋观测技术要求”的有关规定，验证其标准符合性、接口规范性、数据一致性和有效性，以及稳定性、环境适应性、可靠性等性能，评价其能否达到业务化应用技术要求。同时，为推动海洋观测新技术、新装备的业务应用，加快推进国家海洋综合试验场等观测网技术保障能力建设，加强新型海洋观测装备研发以及业务应用过程中的技术验证、测试和评估，支撑海洋观测网稳定运行。

⒌加大自主设备应用力度，逐步提高国产设备占有率

鼓励使用单位采购国产设备或备件（尤其是单价高、消耗量大且成本降低空间较大的，制定国产化替代采购方案），并出台相关优惠政策，不断提高国产设备或备件业务应用比例；同时做好国产设备或备件的使用情况跟踪和综合评估，并及时将信息反馈设备厂商，逐步提高国产设备水平，提升国产设备占有率，有效保障观测网自主可控，同时为有效应对“卡脖子”情况做好准备。另外，以业务引领带动科技创新，在重大工程和项目中应适当安排新技术新手段试应用与试运行的工作任务，引进消化吸收国际先进技术与自主创新双线并行，逐步建立符合我国海洋观监测业务发展的装备体系。

END

【作者简介】文/吴亚楠王炜 姜民王静，来自国家海洋技术中心。第一作者吴亚楠，1987出生，男，硕士，工程师，主要从事海洋观测装备业务研究；通讯作者王炜，1985年出生，男，博士，高级工程师，主要从事海洋观测网系统设计及观测装备故障预测技术研究。本文为基金项目，自然资源部经常性业务项目（Y1200YJ04）。本文来自《海洋技术学报》（2021年第3期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有，转载也请备注由“溪流之海洋人生”微信公众号编辑与整理。