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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(biāo)

發(fā)表時(shí)間：2023-05-26 15:57:08

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一、漂流式海氣界面浮標(biāo)簡(jiǎn)介

“藍(lán)海星”系列化漂流式海氣界面浮標(biāo)是國(guó)家海洋技術(shù)中心研究團(tuán)隊(duì)基于“低成本、網(wǎng)格化、全球化”的海氣界面觀測(cè)新理念，國(guó)際首創(chuàng)成功研發(fā)的“小型化、輕質(zhì)化、智能化”漂流觀測(cè)系統(tǒng)。可用于以漂流方式開(kāi)展海表3米高度氣象和水文剖面數(shù)據(jù)的低成本組網(wǎng)觀測(cè)，成本約為深海錨系浮標(biāo)的三十分之一。革新了海氣界面測(cè)量方式，具備全球海洋業(yè)務(wù)觀測(cè)潛力，擁有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在該領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

漂流式海氣界面浮標(biāo)已被我國(guó)相關(guān)海洋專項(xiàng)以及倡議的國(guó)際海氣界面計(jì)劃吸納為主要觀測(cè)設(shè)備，用于開(kāi)展全球海氣界面網(wǎng)格化觀測(cè)，并已在自然資源部開(kāi)展業(yè)務(wù)化應(yīng)用。此舉將大大提升我國(guó)深海和極地業(yè)務(wù)化觀測(cè)、科學(xué)研究、海洋環(huán)境保障能力，解決潛在全球海氣界面數(shù)據(jù)“卡脖子”風(fēng)險(xiǎn)，推動(dòng)我國(guó)海氣界面觀測(cè)向全球海域拓展，提升我國(guó)全球海洋觀測(cè)和治理能力。

圖1 漂流式海氣界面浮標(biāo)結(jié)構(gòu)示意圖（左）與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)圖（右）

二、突破核心關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)國(guó)際領(lǐng)先

在科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、工信部科技攻關(guān)專項(xiàng)、軍委裝發(fā)十三五預(yù)研、海軍十三五預(yù)研、嶗山實(shí)驗(yàn)室“鰲山科技創(chuàng)新計(jì)劃”、歷年自然資源部業(yè)務(wù)化項(xiàng)目等20余個(gè)項(xiàng)目支持下，中心科研團(tuán)隊(duì)先后突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

（1）突破了小型類單柱體結(jié)構(gòu)在復(fù)雜惡劣海況下的長(zhǎng)期可靠性和姿態(tài)穩(wěn)定性技術(shù)。

開(kāi)展風(fēng)、浪、流耦合復(fù)雜海洋條件下小型細(xì)長(zhǎng)類單柱體平臺(tái)的結(jié)構(gòu)可靠性和姿態(tài)穩(wěn)定性研究，建立平臺(tái)結(jié)構(gòu)特征與環(huán)境之間運(yùn)動(dòng)響應(yīng)模型和應(yīng)力特征模型，突破小型細(xì)長(zhǎng)類單柱體平臺(tái)在瞬態(tài)沖擊和長(zhǎng)期抗惡劣海況抗疲勞狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)可靠性和姿態(tài)穩(wěn)定性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)大洋15個(gè)月、極地12個(gè)月觀測(cè)，以及17級(jí)超級(jí)臺(tái)風(fēng)下的準(zhǔn)確、穩(wěn)定測(cè)量，提升漂流式海氣界面浮標(biāo)在全球海域跨年周期觀測(cè)能力。

（2）突破了系列化微小型氣象水文傳感器研發(fā)與高可靠性高融合性集成應(yīng)用技術(shù)。

針對(duì)多傳感器布局與小型輕量化平臺(tái)的相互影響，重點(diǎn)開(kāi)展了微小型大氣風(fēng)、溫、濕、壓測(cè)量?jī)x、高靈敏度探針式水溫傳感器、小型化波浪測(cè)量?jī)x的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、測(cè)量和在線質(zhì)控算法、主控系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)研究，以及與漂流式海氣界面浮標(biāo)平臺(tái)高度融合性設(shè)計(jì)研究；突破了3米高度的氣象測(cè)量傳感器輕量化和低阻性設(shè)計(jì)，減小長(zhǎng)力臂條件下傳感器對(duì)浮標(biāo)平臺(tái)搖擺姿態(tài)和結(jié)構(gòu)特性的影響；突破了氣象和水文傳感器與浮標(biāo)平臺(tái)的高度融合性設(shè)計(jì)，保障浮標(biāo)在搖擺狀態(tài)下的測(cè)量安全性和準(zhǔn)確性，提升漂流式海氣界面浮標(biāo)在復(fù)雜海況下的觀測(cè)有效性。實(shí)現(xiàn)了33.6公斤小型輕量化平臺(tái)上風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、相對(duì)濕度、海表面溫度、流速、流向、波高、波向、波周期等參數(shù)的準(zhǔn)確獲取，以及海氣感熱、潛熱、動(dòng)量通量的精確計(jì)算。

（3）小型“光-浪-化”多能互補(bǔ)和多元高密度穩(wěn)定能源存儲(chǔ)與供給技術(shù)。

為在復(fù)雜海況下保證太陽(yáng)能、波浪能多元復(fù)合環(huán)境能源收集的持續(xù)性與高功率，重點(diǎn)解決面向小型漂流式平臺(tái)的復(fù)合型能源收集裝置小型化、輕量化、高密度設(shè)計(jì)問(wèn)題。突破薄膜太陽(yáng)能芯片與浮標(biāo)體高度融合技術(shù)、波浪能搖動(dòng)—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(shù)；在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜隨機(jī)波浪運(yùn)動(dòng)的高效率俘能和高密度換能，開(kāi)展雙模式俘能機(jī)制的動(dòng)力學(xué)模型研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、陣列化壓電換能機(jī)制MEMS工藝開(kāi)發(fā)以及垂蕩俘能機(jī)制的升頻耦合機(jī)理分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化；解決多能互補(bǔ)過(guò)程中的高效電源管理、存儲(chǔ)與持續(xù)穩(wěn)定供電問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)俘能與供電效能最大化。

三、突破業(yè)務(wù)化觀測(cè)能力，開(kāi)展全球觀測(cè)布局

截至目前，漂流式海氣界面浮標(biāo)觀測(cè)已應(yīng)用100余套，數(shù)據(jù)與裝備應(yīng)用單位超過(guò)20家。先后3次完成與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)錨系浮標(biāo)的現(xiàn)場(chǎng)比測(cè)，觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；創(chuàng)新應(yīng)用方式，先后完成了中國(guó)第35、36、37次南極科考、西太平洋、黑潮延伸體、超級(jí)臺(tái)風(fēng)、中尺度渦等漂流組網(wǎng)應(yīng)用，觀測(cè)范圍覆蓋我國(guó)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(fēng)帶等全球高中低緯度大洋海域，以及呂宋海峽、釣魚(yú)島周邊、黃巖島周邊、對(duì)馬海峽、臺(tái)灣海峽等各類海峽要域要道的精細(xì)化觀測(cè)。

漂流式海氣界面浮標(biāo)觀測(cè)方式得到了國(guó)內(nèi)外海氣界面觀測(cè)專家認(rèn)可，觀測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)了國(guó)內(nèi)外多個(gè)科研院所評(píng)估應(yīng)用。觀測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，儀器裝備運(yùn)行穩(wěn)定，具備了全球海域業(yè)務(wù)化觀測(cè)潛力。中心專家在世界觀測(cè)大會(huì)（OceanObs’19）發(fā)表觀測(cè)白皮書(shū)，倡導(dǎo)應(yīng)用漂流式海氣界面浮標(biāo)這種新型海氣界面觀測(cè)手段，引領(lǐng)海氣界面漂流觀測(cè)計(jì)劃。

目前，漂流式海氣界面浮標(biāo)已被自然資源部屬單位用于開(kāi)展大洋與極地業(yè)務(wù)化觀測(cè)；被中國(guó)海洋大學(xué)、河海大學(xué)、中船、國(guó)防科大等科研院所用于開(kāi)展科學(xué)觀測(cè)；被海軍研究院、海參海軍指揮保障大隊(duì)、北部與南部戰(zhàn)區(qū)海軍等多個(gè)軍方部門(mén)用于開(kāi)展海上重大任務(wù)海洋環(huán)境保障。相關(guān)應(yīng)用得到央視新聞、人民日?qǐng)?bào)、新華社等權(quán)威國(guó)家媒體廣泛報(bào)道，社會(huì)影響良好。

圖2 西北太平洋布放應(yīng)用

圖3 南極西風(fēng)帶布放應(yīng)用

圖4 漂流式海氣界面浮標(biāo)全球布放應(yīng)用軌跡圖

圖5 部分權(quán)威媒體報(bào)道

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