国外海洋环境观测系统和技术发展趋势.docx

国外海洋环境观测系统和技术进展趋势于宇;黄孝鹏;崔威威;鲍鹏飞【摘 要】This paper describes the connotation and an important role of the marine environment observing system and summarizes the current status of the marine environment observing systems and technologies at the international cooperation level and in the United States, Britain, Russia and Japan. The development trends of systematization, networkandstandardiz-ation in the aspects of system architecture, monitoring means and information processing technologies of the foreign marine environment observing systems and technologies are proposed. Moreover, suggestions of developing the military-civilianin-tegration technologies, using sophisticated high technologies and extending the application of auxiliary decision-making are also put forward in this research.%阐述海洋环境观测系统的内涵和重要作用,总结梳理了国际合作层面以及美国、英国、俄罗斯和日本等国海洋环境观测系统与技术现状,争论提出了国外海洋环境观测系统与技术在体系架构、观测手段和信息处理技术等层面的体系化、网络化、标准化等进展趋势,并给出了我国海洋环境观测的深度军民融合、利用成熟高技术、扩展关心决策应用等进展建议.【期刊名称】舰船科学技术【年(卷),期】2023(039)012【总页数】5 页(P179-183)【关键词】海洋环境;海洋环境观测系统;海洋环境观测技术;军民融合【作 者】于宇;黄孝鹏;崔威威;鲍鹏飞【作者单位】中国船舶重工集团公司,北京 100097;中国船舶重工集团公司第七二四争论所,江苏南京 211153;中国船舶重工集团公司第七二四争论所,江苏南京211153;中国船舶重工集团公司第七二四争论所,江苏南京 211153【正文语种】中 文【中图分类】X70821 世纪以来，随着社会经济快速进展，世界各国普遍面临着人口膨胀、陆地资源消耗不断增长和生态环境日益恶化等各种严峻挑战，各沿海国以资源为核心，推动海洋经济进展，海洋权益斗争日益剧烈。在以夺取海洋资源、掌握海洋空间、抢占海洋科技进展的战略“制高点”等为主要特征的现代海洋权益斗争中1,2，猎取常态化、立体化、精细化、大范围的海洋环境观测信息，对于沿海国家均具有格外重要的军用、民用意义。海洋环境是海上空中环境、海气边界层环境、水下环境和目标环境等环境状况的总称。海洋环境信息具有来源广、层次多、形式简单、时效性强、数据海量、时空尺度不均等特点，并具有随机动态性、状态多维性，以及猎取、处理手段多样性和高技术特性等特征。型海洋环境观测系统以“网络中心、信息主导、体系支撑”为主要特征，通过岸、海、空、天等多基传感器猎取空间地理、气象水文、电磁、目标等信息，承受多模 通信、网络技术、云计算、大数据、关心决策应用、平行系统、可视化等关键技术 实现信息分发、处理和应用等功能，供给海洋环境信息的实测、预报、评估、统计 分析等效劳，以满足军、民领域不同层面的关心决策需求。海洋环境观测系统是一个基于多传感器网络化系统集成和信息融合、多基地信息共享的浩大系统，是一个能够供给全方位、多种类立体海洋环境信息，可为海洋作业生产、海洋维权执法以及防灾减灾等活动供给支撑的网络信息体系。20 世纪 80 年月开头，海洋环境观测技术得到极大进展，探测范围扩展到包括上空、水面、水下、海底和沿岸，数据传输包括卫星通信、公共 交换网、国家数据通信网、甚小口径卫星终端、以太网络与光缆数据通讯等手段，构建多平台、立体化、区域性、常态化、自动化的观测网络体系，供给实时根底信息和层次化信息产品，很多正进入业务化运行阶段。1） 全球海洋观测系统GOOS全球海洋观测系统Global Ocean Observing System，GOOS3作为当前全球最大、综合性最强的海洋观测系统，在 20 世纪末由联合国政府间海洋学委员会IOC、世界气象组织、联合国环境规划署等联合发起建立，致力于海洋与气候、海洋生物资源、海洋安康状况、海岸带观测、海洋气象与业务化海洋学等方面的技术与科学争论1。该系统集成观测卫星、浮标等多种传感器并实现全球业务化运营，供给牢靠有效的海洋环境资料，为海洋数值模式争论、海洋灾难预警、海洋资源开发、海洋环境保护、海洋政策制定等供给数据与技术支撑。基于 GOOS，各海洋国家乐观进展和建设海洋观测系统，并对海洋数据集成与应用效劳开展了大量争论工作。如欧洲已成立了欧洲海洋观测系统 EUROGOOS， 美国和加拿大联合建立了美加 GOOS；在争论方面，Torill 等基于多元异构数据融合开发的海洋信息原型系统，美国蒙特瑞湾生物争论协会MBARI基于 A rcInfo 的开发蒙特瑞湾海洋地理信息系统等。GOOS 相关研讨会也在有序开展与推动，逐步成为 GOOS 的延长局部，加强海洋观测领域技术沟通。此外在一些地区还召开了 G O O S 研讨会，GOOS 已成为 IOC 今后一个时期乃至下一个世纪的重点打算4。2） 全球海洋实时观测网打算ARGO 打算全球海洋实时观测网打算ARGO是一个通过剖面浮标阵构成的全球海洋观测试验工程，可快速、准确、大范围地收集上层海洋02 000 m的温度、盐度剖面和浮标漂移轨迹资料。全球海洋实时观测网是目前唯一能立体观测全球上层海洋的实时观测系统，可大大提高海洋实时观测与高精度海洋预报力量、从而有效面对海洋灾难5。到目前为止，全球海洋范围内的活动浮标数已经到达 18 000 多个，其中美国的数量最多，日本其次。中国于 2023 年参加国际 ARGO 组织，并于 2023 年 3 月在印度洋海疆投放第 1 个浮标。3海王星海底观测网络打算NEPTUNE美国和加拿大联合在东北太平洋实施海王星海底观测网络打算NEPTUNE6 8，用约 3 000 km 的光纤电缆，通过 30 个节点将上千个海底观测设备进展联网， 每个节点维系一批海底和钻孔中的仪器，用来长期观测水层、海底和地壳的各种物 理、化学、生物、地质过程，建立区域性的、长期的、实时的交互式海洋观测平台， 在几秒到几十年的不同时间尺度上进展多学科的测量和争论。其他的典型系统有欧洲海洋观测网ESONET、欧洲 ROSESReal-Time Ocean Services for Environment and Security的综合海洋环境资源信息平台和海洋观测站网打算OOI等，通过国际间合作，大大提升系统掩盖范围，可供给丰富的数据产品与效劳，提升海洋综合感知力量。世界各国均把海洋资料的猎取作为海洋进展的战略重点，尤其是美国的观测技术全球领先。系统建设最为快速、掩盖范围最广、各种观测系统不仅掩盖了沿海，普及世界各大洋的主要海疆和重要航道。经过多年建设与投入，已经建立起建立掩盖全球的高效率、立体化、网络化大气海洋观测系统。美国格外重视海洋环境信息技术，美国国家海洋局NOAA乐观推动海洋环境信息数据的共享和治理等信息化工作。近年来，随着技术的不断进展和军事变革的不断深化，美国副总统戈尔提出了“数字地球”设想1998 年，与此同时在海洋技术领域方面形成了“数字海洋”的概念910。数字海洋承受“3S”技术RS，GPS 和 GIS 技术，以海洋地理、海洋物理场、海洋水文、气象等自然环境数字化信息为主导，以数字海洋网络为中心，以数字海洋体系架构为支撑，使海量海洋环境数据转化成数字化、网络化、智能化和可视化的信息效劳。目前，美国海洋信息化技术及规模全球领先，海洋环境数据库功能齐全、应用效劳广泛、相关政策机制也日臻完善。1区域性海洋环境观测系统美国有代表性的区域性海洋环境观测系统主要有：美国缅因湾海洋观测系统GOMOOS、切撒皮克观测系统CBOS、墨西哥湾沿岸海洋观测系统GCOOS等，这些区域性观测系统后期被整合到综合海洋观测系统IOOS。2综合海洋观测系统美国国家海洋和大气局共同制定的综合海洋观测系统IOOS1113，在原区域观测网络根底上进展整合形成大范围的国家级观测系统。该系统包括观测子系统、数据通讯子系统和应用效劳子系统，可灵敏访问多学科海洋数据，为航运、打捞、 海岸侵蚀、渔业等供给所需数据、信息和相关效劳，并建立联邦部门、州部门和私 营部门之间横向穿插的伙伴关系和信息共享机制，提高了海洋数据采集、传输和业 务使用的力量911，其体系架构如图 1 所示。在 2023 年，美国综合海洋感知系统办公室发表美国综合海洋观测系统：全面力量蓝图，明确了天气与气候、海上行动、自然灾难、国家安全、公共卫生、生态安康、资源持续等 7 项根本目标优先考虑的风向风速、流量、海平面、外表波、表层流、冰分布、盐度、温度、水深等 26 个变量。2023 年，IOOS 对全球海洋感知系统的全球奉献率为 62%。目前，IOOS 观测体系共有 18 个联邦机构参与，由 11 个子系统组成，包括 535 个岸基台站、132 个高频地波雷达站、258 个浮标或海上平台。此外，还有滑翔器和动物遥测系统，以及在全球范围的 240 艘左右的志愿观测船。3沿海海洋自动观测网美国的沿海海洋自动观测网C-MAN从 20 世纪 80 年月初开头建立，利用卫星、网络等通信手段，综合集成 58 个自动站、71 个浮标和 30 个地面观测站，可快速集合各海疆观测数据。C-GOOS 系统是 90 年月进展的高度集成的、面对海洋生态环境观测的近岸海洋观测系统。该系统通过遥感、海洋仪器等手段猎取海洋环境数据，供给多源数据的统一治理、预报模型优选、信息产品生成等众多功能。 4在无人艇自主感知技术层面自 20 世纪 90 年月以来，美国在研发无人艇方面各自具有肯定的技术优势，任务领域渐渐拓展，留意将已有成熟的无人机雷达技术用于无人艇的探测。据近期进展动向，一代无人艇将是一种高度集成化平台，携载有各种传感器设备，功能多样化。如目前美军 DARPA 开展的 UNV 型号 515X 争论，其雷达用来探测和跟踪潜望镜和通气管，以及进展日常海面和空中监视，考虑在 AN/APY-10 和 AN/APS- 147 中选型。AN/APY-10 的感知距离为 370 km3 级海况下，RCS=10 000m2，全方位掩盖，处理目标数 256 个潜望镜探测、SAR 及海面搜寻模式。5北极观测推测工程美国国家科学基金委资助的北极观测推测工程，拟在开发一个大尺度、长期的陆基、海洋和天基传感器观测网根底上，准时猎取北极环境变化的观测和推测信息，并对 北极环境变化的将来影响推测和评估。目前正在开发观测仪器，对北极冰掩盖下的 海冰进展全年不连续地观测。6美军航母编队与海洋环境气象保障为满足美军航母编队作战的海疆海洋环境特征参数猎取、以及海洋环境变化对航母编队作战行动的影响分析、推测和评估等需求，美军以“岸基保障机构为主，舰基保障机构为辅”为原则，通过卫星/雷达遥感、遥测浮标系统和航母编队自身的水文气象保障装备等手段完成环海洋境观测与保障，其保障体系包括战略、战役和战术等 3 个层次，具备保障理论成熟、保障组织完善、网络传输技术先进、传感器体系完备等特征，其力量能够准确掩盖航母作战海区、武器系统和作战样式14。美国海洋环境观测系统的进展特征是“理念超前、技术先进”，其海洋环境信息技术在国际上处于领先地位，经查阅大量文献与总结分析，其特点如下： 1海洋环境保障体制完善高效；2） 将海洋环境争论纳入“海上力气体系”；3） 海洋环境保障体系产品强化战术性；4） 出台 2023 联合作战气象海洋保障设想作为指引，将气象和海洋保障融合网络中心战模式。俄罗斯认为作为根底支撑的海洋环境信息技术进展应留意军事效益，走军民融合进展的思路。海洋环境保障在部队训练和战斗力生成中发挥着重要作用，保障效益得到重点关注，保障信息产品的质量以及指挥员对保障信息产品的正确理解和应用决策力量是影响保障效益的重要因素。俄罗斯始终坚持“国防优先”的原则开展海洋环境信息技术争论，要求全部涉及海洋环境信息治理的部门，都要无条件地将所猎取的信息和预报产品输入到国防数据库中，为战场环境建设和遂行军事海洋环境保障供给效劳。20 世纪 70 年月末，苏联国防部为海军研制了海洋大气电磁曲折射效应环境评估系统。目前，俄罗斯海军拥有近 50 艘综合海洋调查船。为适应国家海洋战略进展， 俄罗斯海军于 1998 年组建了海洋环境信息交换、处理与分发中心，即海军“373中心”，旨在为将来海战场实现数字化与海军大洋活动供给支持和有效保障。在俄罗斯海军的战斗使用条令中也要求舰艇指挥员把握各类武器使用的环境临界条件和海洋环境变化动态，以把握有利战机。俄罗斯海洋环境观测系统的进展特征是“留意实效、坚持国防优先”，其特点如下： 1军民一体建设战场海洋环境；2舰艇作战海洋环境信息要求高，重视作战指挥应用。日本是一个海岛国家，深受海洋灾难的困扰，格外重视海洋环境观测。日本在海洋领域的争论走在世界前列，早在 20 世纪 30 年月就乐观开展海洋环境观测争论；70 年月后，大力进展大洋浮标观测网如 TAO/TRITON和近海观测网15，形成掩盖面较广的海洋观测系统，极大促进海洋经济进展16。日本海洋环境保障体系具备强大的战时民用转军用体制。日本陆海空防卫队的综合气象保障系统始终与日本气象厅数据库联网，接收气象厅公布全国各地的数据信息和海上船舶观测数据信息，并与美军交换信息，信息来源广，精度高。目前，日本获得世界气象组织IWO授权，公布西太平洋水文气象预报产品，海洋气象工作在亚洲处于领先地位。日本东京大学 2023 年启动了深海地震观测网ARENA工程，用于观测地震、生物等信息。2023 年日本又启动了 DONET 取 ARENA，在海底以 1520 km 的间距部署 22 套现代化海底测量仪器阵列，长约 300 km。DONET2 与 2023 年开头建设，建设规模更大，包含 450 km 的主干缆线系统，其中 2 个地面观测站、7 个观测台站和 29 个观测点。2023 年开头运行。为了打破战时气象封锁，日本高度重视海洋环境观测体系的建设。葵花-1 号气象卫星放射后，每隔 45 年就放射一颗葵花系列卫星。同时日本已建成了由岸海空天多维观测组成的海洋环境立体观测体系，能够实时观测关注海疆的海洋环境状况。另外，日本气象部门大量利用商船和渔船开展海洋环境观测，对西北太平洋海洋环 境变化的了解把握比较透彻，特别是在黑潮区观测方面处于国际领先水平，能够制 作试验性的黑潮预报产品。日本海洋环境观测系统的进展特征是“寓军与民、国家利益至上”，其特点如下：1） 海洋环境预报技术世界领先；2） 拥有先进的海洋环境观测体系；3） 效劳于军事目的的海洋调查测量从未连续。此外，为争夺海洋资源和扩大势力范围，其他国家和地区纷纷规划和建设了军民兼用的海洋观测体系，进展海洋环境和目标的长期实时观测，用于海洋科学争论、环境调查、资源勘探、气象预报、灾难预警及对水下目标实时观测。如挪威Seawatch Europe 海洋综合观测系统可供给海洋观测数据并和相关预报产品，系统效劳趋向综合化。其系统也推广到在欧洲北海和东南亚众多国家，取得较好效果。美、俄、日等主要海洋强国都高度重视海洋环境观测系统与技术进展18，特点是 军事需求牵引海洋环境信息技术进展。其主要进展趋势如下： 1从国家战略的高度，军民结合、寓军于民，长远规划，持续滚动进展；2乐观进展天基、空基、陆基、海基、潜基等常态化海洋感知体系，增加卫星、 无人平台、数字化高频地波雷达等型探测手段，扩建海洋观测站点，建设两极， 观测装备体系集成力量增加，并向分布式网络化协同感知方向进展，信息感知“透亮化”； 3利用已有成熟技术，并重视海洋环境信息技术，快速进展以云计算、大数据、数字化、智能化等高技术为根底的海洋信息综合处理与应用力量，环境观测系统将具有全掩盖、精细化、立体化、自动化等特点； 4重视综合自然环境、海洋生态环境等海洋环境特性建模，以及大气海洋空间环 境精细化探测等根底技术和前沿技术争论； 5推广标准化技术，便于海洋观测体系的产业化进展。结合国外海洋环境观测系统与技术的进呈现状和趋势争论，针对我国海洋环境观测 系统进呈现状与应用需求，提出我国海洋环境观测系统与技术的进展建议 1719：1综合集成、统筹规划和协同创，推动海洋环境观测军民融合深度进展，以网络信息体系理论为指导，构建“才智海洋”工程体系，深入争论面对实际需求的军民融合海洋环境观测体系架构、技术体制、标准标准、集成验证、运维管控和安全防护等体系性技术，为“宏观有序、整体最优”的海洋环境立体观测体系构建供给先进的顶层技术支撑； 2重点进展岸、海、空、天多基多传感器协同管控、信息快速处理、高速信息传输、数据仓库、虚拟现实、安全防护、业务敏捷解聚重组等系统性技术，夯实多传感器信息融合、海洋环境理论争论和数值模拟与预报、精细化探测、认知探测与目标综合识别等根底性技术，同时研制先进技术体制传感器，大幅提升海洋环境立体观测力量；3充分利用云计算、大数据、互联网+、人工智能、可信计算、虚拟现实、简单网络、拟态安全等多学科穿插的成熟高信息技术成果，为海洋环境立体观测体系构建供给技术支撑，并面对用户供给灵敏、高效效劳； 4加快和扩展海洋环境信息的军民融合决策支持应用争论，如海战场环境保障效能评估与关心决策、海洋灾难应急联动响应系统、海上搜救、海洋渔业、极地环境观测、执法监察等，全面提升海洋环境立体观测信息的释用性。【相关文献】1 金翔龙.中国海洋工程与科技进展战略争论M.北京:海洋出版社,2023.JIN Xiang-long.Research on development strategy of marine engineering science and technology in ChinaM.Beijin:Ocean Press,2023.2 程骏超,何中文.我国海洋信息化进呈现状分析及展望J.海洋开发与治理,2023,34(02):46 51.CHENG Jun-chao,HE Zhong-wen.Analysis and expectation of Chin as maritime informatization statusJ.Ocean Development and Management,2023,34(02):46 51. 3GOOSHome, :/ ioc-goos.org.4 王芳.中国海洋强国的理论与实践J.中国工程科学,2023,18(2):5560.WANG Fang.Theory andpractice of maritime pow erJ.Strategic 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