构建自立自强的海洋科学观测探测技术体系的思考

海洋是国家战略必争领域,建设海洋强国必须要提高海洋资源开发能力,发展海洋经济,保护海洋生态环境,坚决维护国家海洋权益。推动海洋科技实现高水平科技自立自强,是加快建设海洋强国的必然要求。海洋观测探测技术是认识海洋的基本手段,是海洋资源开发、环境保护和权益维护的重要基础。文章回顾了全球和我国海洋观测探测计划和观测网络取得的重要进展,重点介绍了中国科学院海洋科学观测探测技术体系构建的实践,并对下一步发展提出了思考和展望。构建自立自强的海洋科学观测探测技术体系,要进一步加强顶层设计,推动国家战略需求和科技前沿问题“双引擎”;强化科技攻关,瞄准最紧急、最紧迫的关键问题持续发力;创新体制机制,充分发挥海洋领域国家战略科技力量作用,为我国海洋强国建设提供强有力的科技支撑。

深海水下技术装备发展研究

深海水下技术装备是认知深海、开发深海资源以及保护海洋生态的关键,拓展深海新空间面临复杂多变的环境挑战,亟需高水平的深海水下技术装备作支撑。本文立足我国海洋强国建设的发展实际,分析了深海水下技术装备的体系构成和发展需求,从深海观测/探测与感知系统、水下施工作业装备、深海水下油气生产系统、深海矿产资源开发装备4个方面出发,梳理了国外深海水下技术装备的发展现状和趋势。在此基础上,总结了我国深海水下技术装备研制的发展现状,分析了发展面临的工程挑战,剖析了相关关键技术装备体系和关键物理–力学机制,概括了深海水下技术装备的典型装备代表和装备图谱,凝练了我国深海水下技术装备的共性关键技术,涵盖智能化与自动化技术、精密元器件加工制造技术、高精度定位导航、高速率通信技术、大系统力学计算与分析和跨尺度工程设计方法与技术等方面。为实现我国深海水下技术装备的高质量发展,研究建议:加强深海水下工程技术发展的顶层设计,推动构建共性关键技术协作体系;增强我国深海水下技术规范和标准的行业影响力,大力开拓国际市场;高质量推进兼容通用的平台建设;注重培养深海水下工程科技创新人才,为加速实现海洋科技产业高水平发展提供支撑。

“地球系统探测新原理与新技术”优先领域与地球系统科学

地球系统科学是研究组成地球系统的子系统之间相互联系、相互作用的机制,研究地球整体结构、特征、功能和行为,研究地球系统变化的规律和控制这些变化机理的科学。对地观测、探测与分析技术的发展是地球科学创新思维来源的技术保障,同时对地球科学基础理论研究水平的提高起着重要的作用。21世纪地球科学的发展将更加重视发展地球系统科学的理论、方法与技术体系。“地球系统观测、探测新原理与新技术”被列入国家自然科学基金委员会地球科学部“十五”优先资助领域。回顾“十五”期间的资助情况,探讨该领域和地球系统科学的关系,将有利于“十一五”对该领域资助工作的调整与完善。

全面提升海洋综合探测与研究能力——中国科学院海洋先导专项进展

中国科学院海洋先导专项的主要任务是针对国家对海洋的战略需求,瞄准海洋领域国际前沿问题,建立海洋综合探测与研究体系,从海洋系统的角度研究海洋的各种现象、过程和规律、提出应对措施。海洋科学的发展在很大程度上依赖于技术的进步和装备水平的发展,能力建设是实现海洋先导专项科学目标的前提和基础。本文重点介绍海洋专项实施以来在能力建设方面的主要进展,包括近海与深远海观测网建设、深海综合探测与研究平台体系建设、海洋装备研发,以及随着能力建设水平的提高所带来的科学认知上的突破。通过科学目标与技术研发的有机结合、国家海洋战略目标与基础科学发展的有机结合、海洋科学与经济社会发展有机结合的实践,海洋先导专项全面提升了我国海洋综合探测与研究的能力,为深入认知、预测、预警预报、综合管控、开发和保护海洋奠定了基础,推动我国海洋科技向纵深发展,从陆架边缘海走向广袤的深海大洋,从中国近海所面临的资源环境与可持续发展问题到探索全球海洋运作机制与未来海洋发展战略。

海底AUV关键技术综述

海底海洋的观测探测,亟需大范围、长时间的观测平台。海底AUV有三大要点:适应海底机动性的结构、适应海底复杂环境的机敏运动性能、适应海底的水声通信定位技术。本文分析了海底AUV的发展与演变历程,凝练出海底AUV的关键技术难题,并相应地给出海底AUV水动力外形优化技术、海底AUV机敏运动控制技术、海底水声通信与定位导航技术、海底接驳与充电技术的解决思路。最后以碟形结构的水下直升机为例,给出了海底AUV的实践探索一例。本文将为海底AUV及其观测探测技术的发展提供指导意义。

LHAASO水切伦科夫探测器阵列时钟原型系统

介绍了LHAASO WCDA读出电子学时钟原型系统的设计,分析了该时钟系统的设计原理,介绍了测试方法和测试结果。该原型系统基于精简的White Rabbit Project原理设计,主要包括时钟源插件、时钟发送插件和时钟接收模块3部分。对该原型系统的测试结果表明,时钟接收模块上两时钟通道之间的时钟偏差可以调整到<80 ps,时钟抖动<40 ps,可满足LHAASO WCDA读出电子学设计需求。

面向典型海洋现象观测的水下滑翔机应用综述

水下滑翔机是一种浮力驱动的无人水下自治观探测平台,具有持续性、鲁棒性、自主性等特点,是构建海洋观测技术体系重要的水下航行器之一。文章从水下滑翔机发展历程、运行方式和专用传感器展开,基于国内外海洋学文献综述研究,重点对水下滑翔机在典型海洋现象观测应用方面进行总结。水下滑翔机的运行稳定性、长时续,观测高分辨率、低成本的特点,满足了对海洋中尺度涡、内波、湍流、环流/边界流和锋面的长时间、精细化立体观测要求;鲁棒性、自主性的特点使其能够适应台风过境、地震、原油泄漏前后等紧急恶劣海洋状况的监测;运行平稳、低噪声的特点使其成为声学监测与探测的良好平台。对比分析国内外的水下滑翔机(组网)应用状况可以发现,国内水下滑翔机在传感器、数据处理和组网技术方面都需要进一步完善。最后总结并展望了国内外水下滑翔机面向海洋现象观测的应用。

水声隐蔽通信在水下测控中的重要性及发展方向

从我国海洋强国战略下海洋观测、探测设备的可靠远程测控的强烈需求入手,分析水下测控中隐蔽水声通信的重要性和可行性。通过分析各种隐蔽水声通信技术的特点,对仿生水声通信的现状和发展问题进行探讨,提出仿生水声通信服务于水下测控领域仍需努力的方向。

海洋水色成像:从CZCS至SeaWiFS

自雨云7号上的海岸带水色扫描器(CZCS)1986年中断发送数据七年多之后,宽视场海洋观测探测仪(SeaWiFS)将是第一颗海洋水色卫星。CZCS只是一个原理性实验,而SeaWiFS每两天提供常规的全球覆盖,并有足够的合成色素浓度精度,用以定量研究海洋初级生产力和生物化学。在描述SeaWiFS仪器时与CZCS作了对比,其中阐明了许多用以提高辐射测量精度和减小仪器影响增益的措施。前者包括用太阳光和月亮光作定标信号,并用一个内部电信号来跟踪长期的变化,而后者包括探测器的非线性、偏压电平、亮目标的恢复、寄生响应、由温度和湿度引起的滤光片光谱漂移、波段外的辐射、偏振灵敏度、杂散光、镜面膜层退化、相干噪声和电磁干扰效应(EMI)。

地基多站低轨卫星可见光特性建模与影响因素

根据复杂目标光散射、阳光与大气光辐射与传输以及结合卫星几何建模、卫星表面粗糙面光散射以及卫星运行轨道和姿态确定,研究在阳光、地球-大气系统下地面观测低轨卫星空间可见光散射特性.并在此基础上讨论了目标可观测条件及影响因素.此关键技术应用于目标探测跟踪、识别和对抗.

利用KAZR云雷达对SACOL站云宏观特性的研究

云是气候系统中最为重要的因子之一,对地气系统的辐射收支有显著影响.然而由于云在气候模式中的表征和反馈作用不能很好地被描述,因而也是造成气候预测存在较大不确定性的重要因子.兰州大学半干旱气候与环境监测站(SACOL)于2013年7月引进了Ka-Band Zenith Radar(KAZR),在西北干旱区进行云的长期连续观测.本文利用云雷达观测数据,首先实现了目前ARM用于云检测的业务算法.在此基础上对2014年SACOL站上空云宏观特性进行统计,初步分析了云底、云顶和云厚的分布变化,结果表明:云底在1.5和5.5 km处出现频率最高,云顶发生频率在2.5和8.5 km处达到峰值;67%的云层厚度分布在2 km以内;月平均总云量的发生频率为44%~76%,低云、中云和高云的发生频率分别为13%,30%和34%;单层云、双层云和三层云占到云总数的98%,其中夏秋季节多层云发生频率较高;各个季节不同类型的云都具有一定的日变化特征;通过KAZR与Cloud Sat和CALIPSO卫星的观测比对,结果表明Cloud Sat对厚云的穿透性好,但无法探测到反射率因子低于?30 d BZ的弱云,CALIPSO对弱云最敏感,但信号受云滴粒子衰减较快,对于厚度较大的云探测的云底高度偏高.

2018年中国长江三角洲地区气溶胶的垂直分布特征

利用主动式遥感卫星云-气溶胶激光雷达和红外探测者卫星观测(CALIPSO)提供的激光雷达资料,重点分析了2017-12~2018-11中国长江三角洲地区对流层大气中532 nm气溶胶消光系数,气溶胶退偏比,气溶胶色比以及各类型气溶胶的时空变化特征.对气溶胶的光学参数随高度变化的研究表明,与对流层高空相比,一般在对流层低空中气溶胶消光能力更强,气溶胶粒子更规则,气溶胶粒径更小.对气溶胶的光学参数随季节变化的研究表明,与冬春季相比,一般夏秋季在对流层高空中气溶胶消光能力更强,在2 km以下气溶胶粒子更规则,在对流层高空中气溶胶粒径的范围更大.长江三角洲地区全年中污染沙尘气溶胶出现的频率最高,为37.481 6%,夏秋季烟尘、污染大陆与洁净海洋气溶胶出现的频率比冬春季高,而夏秋季沙漠沙尘气溶胶出现的频率相对较低.