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黨建專題

“海洋科技成果巡禮”專欄——漂流式海氣界面浮標

發表時間：2023-05-26 15:57:08

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一、漂流式海氣界面浮標簡介

“藍海星”系列化漂流式海氣界面浮標是國家海洋技術中心研究團隊基于“低成本、網格化、全球化”的海氣界面觀測新理念，國際首創成功研發的“小型化、輕質化、智能化”漂流觀測系統。可用于以漂流方式開展海表3米高度氣象和水文剖面數據的低成本組網觀測，成本約為深海錨系浮標的三十分之一。革新了海氣界面測量方式，具備全球海洋業務觀測潛力，擁有完全自主知識產權，在該領域處于國際領先地位。

漂流式海氣界面浮標已被我國相關海洋專項以及倡議的國際海氣界面計劃吸納為主要觀測設備，用于開展全球海氣界面網格化觀測，并已在自然資源部開展業務化應用。此舉將大大提升我國深海和極地業務化觀測、科學研究、海洋環境保障能力，解決潛在全球海氣界面數據“卡脖子”風險，推動我國海氣界面觀測向全球海域拓展，提升我國全球海洋觀測和治理能力。

圖1 漂流式海氣界面浮標結構示意圖（左）與現場觀測圖（右）

二、突破核心關鍵技術，實現國際領先

在科技部重點研發計劃、工信部科技攻關專項、軍委裝發十三五預研、海軍十三五預研、嶗山實驗室“鰲山科技創新計劃”、歷年自然資源部業務化項目等20余個項目支持下，中心科研團隊先后突破了多項關鍵技術。

（1）突破了小型類單柱體結構在復雜惡劣海況下的長期可靠性和姿態穩定性技術。

開展風、浪、流耦合復雜海洋條件下小型細長類單柱體平臺的結構可靠性和姿態穩定性研究，建立平臺結構特征與環境之間運動響應模型和應力特征模型，突破小型細長類單柱體平臺在瞬態沖擊和長期抗惡劣海況抗疲勞狀態下的結構可靠性和姿態穩定性問題，實現大洋15個月、極地12個月觀測，以及17級超級臺風下的準確、穩定測量，提升漂流式海氣界面浮標在全球海域跨年周期觀測能力。

（2）突破了系列化微小型氣象水文傳感器研發與高可靠性高融合性集成應用技術。

針對多傳感器布局與小型輕量化平臺的相互影響，重點開展了微小型大氣風、溫、濕、壓測量儀、高靈敏度探針式水溫傳感器、小型化波浪測量儀的結構設計、測量和在線質控算法、主控系統等關鍵技術研究，以及與漂流式海氣界面浮標平臺高度融合性設計研究；突破了3米高度的氣象測量傳感器輕量化和低阻性設計，減小長力臂條件下傳感器對浮標平臺搖擺姿態和結構特性的影響；突破了氣象和水文傳感器與浮標平臺的高度融合性設計，保障浮標在搖擺狀態下的測量安全性和準確性，提升漂流式海氣界面浮標在復雜海況下的觀測有效性。實現了33.6公斤小型輕量化平臺上風速、風向、氣溫、氣壓、相對濕度、海表面溫度、流速、流向、波高、波向、波周期等參數的準確獲取，以及海氣感熱、潛熱、動量通量的精確計算。

（3）小型“光-浪-化”多能互補和多元高密度穩定能源存儲與供給技術。

為在復雜海況下保證太陽能、波浪能多元復合環境能源收集的持續性與高功率，重點解決面向小型漂流式平臺的復合型能源收集裝置小型化、輕量化、高密度設計問題。突破薄膜太陽能芯片與浮標體高度融合技術、波浪能搖動—垂蕩雙模式俘能以及壓電—電磁耦合升頻的雙模式換能波浪能收集技術；在有限空間內實現復雜隨機波浪運動的高效率俘能和高密度換能，開展雙模式俘能機制的動力學模型研究與結構設計、陣列化壓電換能機制MEMS工藝開發以及垂蕩俘能機制的升頻耦合機理分析和結構優化；解決多能互補過程中的高效電源管理、存儲與持續穩定供電問題，實現俘能與供電效能最大化。

三、突破業務化觀測能力，開展全球觀測布局

截至目前，漂流式海氣界面浮標觀測已應用100余套，數據與裝備應用單位超過20家。先后3次完成與國際標準錨系浮標的現場比測，觀測數據質量達到國際先進水平；創新應用方式，先后完成了中國第35、36、37次南極科考、西太平洋、黑潮延伸體、超級臺風、中尺度渦等漂流組網應用，觀測范圍覆蓋我國近海海域，赤道太平洋、西太暖池、黑潮延伸體、日本海、印度洋、南極西風帶等全球高中低緯度大洋海域，以及呂宋海峽、釣魚島周邊、黃巖島周邊、對馬海峽、臺灣海峽等各類海峽要域要道的精細化觀測。

漂流式海氣界面浮標觀測方式得到了國內外海氣界面觀測專家認可，觀測數據經過了國內外多個科研院所評估應用。觀測數據準確可靠、達到國際先進水平，儀器裝備運行穩定，具備了全球海域業務化觀測潛力。中心專家在世界觀測大會（OceanObs’19）發表觀測白皮書，倡導應用漂流式海氣界面浮標這種新型海氣界面觀測手段，引領海氣界面漂流觀測計劃。

目前，漂流式海氣界面浮標已被自然資源部屬單位用于開展大洋與極地業務化觀測；被中國海洋大學、河海大學、中船、國防科大等科研院所用于開展科學觀測；被海軍研究院、海參海軍指揮保障大隊、北部與南部戰區海軍等多個軍方部門用于開展海上重大任務海洋環境保障。相關應用得到央視新聞、人民日報、新華社等權威國家媒體廣泛報道，社會影響良好。

圖2 西北太平洋布放應用

圖3 南極西風帶布放應用

圖4 漂流式海氣界面浮標全球布放應用軌跡圖

圖5 部分權威媒體報道

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