基于新一代Argos卫星系统的表面漂流浮标设计

介绍了改进的表面漂流浮标的功能、组成和设计过程。该浮标加装了Argos卫星收发器和GPS模块,相比目前的表面漂流浮标,该浮标具有数据传输有效性高,功耗低,采集数据量大,可双向通信等特点。浮标在布放后可通过网络申请对浮标参数进行设置,再由卫星将设置参数发送给浮标;浮标利用GPS模块对其直接定位,且定位精度显著提高。浮标测量的数据可服务于水产养殖、环境保护和生态治理、气象和海洋监测预报、军事监测等多个领域。

Argos表面漂流浮标在黑潮区的若干观测结果

利用近几年国家海洋局第二海洋研究所及国家海洋技术中心在南海和西北太平洋海域布放的部分卫星跟踪表面漂流浮标所取得的观测资料,分析了浮标流经海域的表层海流特征及浮标漂移路径上水温的变化。结果表明:2003年1月,黑潮表层水有入侵南海的趋势,夏季南海表层水经吕宋海峡流出,汇入黑潮主干;夏末冬初,黑潮主干经过东海时明显呈弯曲流动;2003年春季,日本以南海域黑潮弯曲不明显;台湾东北部海域存在一个强反气旋涡;表层海水的温度日变化和季节变化明显,在浮标漂移路径呈反气旋或气旋式转动的区域,对应出现了表层水温的高、低温区。

基于全球导航卫星系统和铱星通讯的表面漂流浮标设计及其试验性应用

本文基于可以同时接收包括北斗、GPS和GLONASS在内的全球导航卫星系统的定位模块和铱星远程通讯模块,介绍了长航时、适用于全球水域和极地冰区的表面漂流浮标设计和组成,并对其测流性能进行了理论分析。通过中国第10次北极科学考察队在北极楚科奇海和白令海的试验性应用表明,相比目前常用的Argos表面漂流浮标,该浮标具有数据传输频率和有效性高、定位精度和流速反演高、功耗低和寿命周期长、适用于高海况和海冰密集度高的恶劣海域,并可进行后期功能拓展等特点。这一浮标技术的研究对于支撑我国极地观测网和全球海洋视测网建设可以起到重要作用。

海洋表面漂流浮标的载荷分析与设计

基于表面漂流浮标测量海洋环流是跟踪海流变化的一种重要手段。本文通过研究海表面流速、风速、浮标质量、几何形状等因素对浮标随流性的影响,建立了浮标流体动力平衡方程。根据浮标的载荷分析情况,设计了基于 GPS 和北斗通讯系统的漂流浮标样机,采集了该样机在实海况的漂流数据,讨论了该浮标的随流性,为海洋表面漂流浮标的设计提供了实验依据。

利用漂流浮标资料对黑潮及其邻近海域表层流场及其季节分布特征的分析研究

利用1987年以来WOCE项目及我国自行投放或进入黑潮及其邻近海域（15°-36°N,114°-135°E）的共计323个卫星跟踪海表面漂流浮标资料,得到全年平均及季节平均的浮标轨迹及（1/4）°×（1/4）°格点平均的表层流矢量结果。分析认为：对于全年平均的表层流场,黑潮表层流路主要表现了对大洋西边界地形的适应,并呈现出6个较大的弯曲,其中在反气旋型弯曲处都发生分支或入侵现象、气旋型弯曲处这种现象却不明显。对于季节平均的表层流场,黑潮表层不同流段分别表现出各自显著的季节差异：吕宋海峡附近海域,表层水向南海的入侵只发生在秋、冬两季,而春、夏两季却不发生;在台湾以东海域,黑潮表层流路与黑潮右侧反气旋涡的存在与否密切相关,春季没有涡旋存在时,黑潮表层流路常出现气旋式大弯曲,其他三个季节反气旋涡存在时,黑潮表层流路相对平直;在台湾东北海域,黑潮表层水向东海南部陆架区的入侵以秋、冬季最强,春季次之,而夏季几乎不发生;在赤尾屿以北的东海黑潮中段,黑潮流动比较稳定,其表层平均流径走向由偏北到偏东依次约为冬（北偏东30°）、春（北偏东33°）、秋（北偏东38°）、夏（北偏东45°）;流路宽度由宽至窄依次约为秋（90 km）、春（80 km）、冬（70 km）、夏（60 km）,而流速由大至小依次为夏、春、秋、冬,且各季节都表现出北段流速大于南段的现象;在九州西南海域,春、秋两季黑潮表层水发生明显的向北入侵,入侵的黑潮水与东海外陆架水共同成为对马暖流的一部分来源,而夏季这种现象不明显,九州西南海域黑潮表层流路北界的位置以秋季最为偏北（但最北不超过31°N）、流路也最宽;在琉球群岛外缘海域,南半部基本没有北上的表层流存在,只有在冲绳群岛-奄美群岛以东海区,秋、夏、春三季表层反气旋涡旋都比较活跃,在涡旋的西侧有顺着冲绳群岛-奄美群岛的东北向流,其中秋季最为明显。这些结果可以为黑潮及其邻近海域的深入研究提供较为客观、直接的参考。

北斗一号卫星导航定位系统在抛弃式海洋移动观测平台的应用

作为抛弃式海洋移动观测平台,自持式剖面探测漂流浮标和海表面漂流浮标已经为国际上大量使用,该两类平台一般采用Argos卫星系统定位和传输数据。随着我国具有全部自主知识产权的北斗系统的逐步完善和发展及通信单元的小型化和低功耗化,北斗系统取代Argos系统,成为两类平台的数据传输和定位手段成为可能。文章简要介绍了自持式剖面探测漂流浮标和海表面漂流浮标的技术发展及我国北斗系统的发展情况,重点介绍了具有全部自主知识产权的采用北斗系统的C-Argo浮标和海表面漂流浮标的研制和应用情况。

南极绕极流的表层环流结构和能量分布特征

利用历史的表面漂流浮标资料研究了南极绕极流的平均结构、变化规律和能量特征。强劲的南极绕极流沿着纬向从西向东流动,并伴随着复杂多变的海洋锋面,主导着整个南大洋的海洋环流系统。首先,标准方差椭圆表明,阿加勒斯回流和东澳大利亚暖流是南极绕极流重要的流量补充。在南半球的冬季,南极绕极流的流速随着西风的增强而增强。在南极绕极流经向摆动的影响下,流核上的经向流速比纬向流速具有更加不稳定的特征。另外,南极绕极流从非洲南部开始自西向东逐渐减弱。其次,从能量的角度讨论了南极绕极流的细节特征。平均动能、扰动动能及其均方根在流核区域都很强,扰动动能和平均动能比值的趋势恰恰相反,强(弱)能量分布区域的涡旋耗散反而比较弱(强)。除了扰动动能和平均动能的比值之外,所有的能量形式都呈现了从西向东减弱的趋势。涡动耗散对南大洋北部的平均动能影响更大。

基于北斗通信的海洋多要素观测系统设计

以低功耗、多参数、安全可靠为设计目标,提出一种基于北斗卫星通信的海洋多要素观测系统设计.设计以嵌入式微控制器STM32F 103RET6为核心,实现以漂流浮标为载体的海洋环境噪声测量,同时实现对海洋气温、气压、风速、风向及表层海温的多要素观测;以可充电锂电池组和太阳能电池板组合方式供电,同时进行必要的电源管理,有效提高漂流浮标的工作寿命;采用我国自主知识产权的北斗系统进行定位及双向通信,安全性高.实验表明,基于北斗通信的海洋多要素观测系统设计具有可行性,满足低功耗、多参数、安全可靠的设计要求,为以表面漂流浮标为载体的海洋多要素数据采集控制提供新的硬件设计方法.

马航MH370残骸漂移轨迹分析和预测

2014年3月8日，马航MH370航班在从吉隆坡飞往北京的途中失联．2015年7月29日，位于南印度洋西侧的法属留尼汪岛发现疑似属于该航班的残骸，后经法国检方证实该残骸来自失联的MH370航班．首先从观测数据入手，对印度洋表面漂流浮标数据进行分析，发现有11个经过南印度洋疑似坠机海域的表面漂流浮标最终经过留尼汪岛海域，其中有2个向西北方向漂移的浮标耗时500d左右，与残骸实际漂移时间相近，从观测事实的角度证实了飞机残骸漂移至留尼汪岛的可能性．基TLeeway海上漂移理论和蒙特卡洛方法，建立了南印度洋海上目标漂移轨迹预测模式．分析处理了南印度洋的再分析风场、流场数据作为动力强迫场，在疑似坠机海域设置大量的漂移目标，设置相隔5d不同初始时刻的3组实验，每组实验包括风漂系数为1．2％，1．5％和1．8％三种情况，对目标进行500d的漂移轨迹预测，预测结果与表面漂流浮标轨迹分析结果基本一致，说明漂移轨迹预测模式性能是可靠的．结果显示，不同初始时刻3组实验的目标大部分最终位于印度洋10°～35°s之间，且都有一定数量的目标能够漂移到留尼汪岛海域，平均概率为16‰．这些漂移到留尼汪岛海域的浮标轨迹类型可分成三类：第一类是先向东北漂移，到达澳大利亚西部海域时再向西北漂移，在15°s附近受南赤道流的影响再向西漂移；第二类为先向北再向西漂移：第三类为向西北漂移．这也从侧面验证了之前相关部门推算的MH370航班在南印度洋的坠落区域及搜寻区域大致正确．

日本福岛核污染对中国和美国近海影响的集合统计预测

利用1978～2011年的表面漂流浮标和由再分析流场模拟的拉格朗日示踪物,对日本福岛核污染影响中国和美国近海的可能时间和影响强度进行了集合统计预测研究.初步研究结果表明,在假定核污染物仅在海洋表层输运的前提下,示踪物会通过两个输运路径到达中国近海,即分别是黑潮回流和副热带环流,所需时间分别为1.5和3.5年;而示踪物到达美国近海的时间是4年.根据核污染物相对数浓度(单位面积示踪物的个数同初始时刻放射源处单位面积示踪物个数之比)及其半衰期,本研究给出了核污染物在上述相应时间尺度上对中国和美国近海的影响强度分布.例如,相对于日本福岛源地核污染物的影响强度初始水平,1.5年以后中国南海137Cs的影响强度为1%,4年后上升为3%;而由于强大的黑潮延伸体流系是核污染物的主要输运路径,受此影响,4年后美国近海137Cs的影响强度为4%.