從顛倒溫度計、漂流瓶到“感應耦合傳輸CTD”“定點式溫鹽深測量系統(tǒng)”——新中國海洋水文調(diào)查設備的演變

海洋水文調(diào)查作為海洋調(diào)查的基本內(nèi)容之一，也經(jīng)歷了從無到有，能力從弱到強的轉(zhuǎn)變，調(diào)查設備不斷更新?lián)Q代，許多設備從調(diào)查初期的仿制到如今自主研發(fā)，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展。
我國在海洋水文調(diào)查中使用的調(diào)查設備隨著科學技術(shù)的發(fā)展而不斷更新?lián)Q代，大致可分為3個階段。
第一階段為20世紀80年代以前，調(diào)查設備主要是機械式的，體積普遍較大，操作較為復雜，精度和穩(wěn)定度較差，如表面溫度表、顛倒溫度表、雙聯(lián)浮筒測流裝置、印刷海流計、直讀式海流計、手搖絞車等；
第二階段為20世紀80年代至21世紀初期，隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸開始使用以電子計算機和自動化為主的裝備，測量精度、靈敏度、穩(wěn)定度等大大提高，如溫鹽深剖面測量系統(tǒng)（CTD）、聲學多普勒流速剖面儀（ADCP）等；
第三階段為21世紀至今，隨著傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和遙感技術(shù)的發(fā)展和廣泛應用，除了CTD、ADCP等設備不斷升級外，結(jié)合實時、自主式、長時間序列觀測的需要，出現(xiàn)了船載測波雷達、自沉降式剖面測量系統(tǒng) （Argo浮標）、拋棄式溫鹽深剖面測量系統(tǒng)（XBT、XCTD）以及潛標、浮標觀測系統(tǒng)等，發(fā)展趨勢呈現(xiàn)網(wǎng)絡化、智能化。
顛倒采水器（中國海洋檔案館館藏）

實驗室鹽度計（中國海洋檔案館館藏）
海流計（中國海洋檔案館館藏）
國產(chǎn)6000米級“深海玄武”浮標 （圖源：杭州全球海洋Argo系統(tǒng)野外科學觀測研究站）

我國首批國產(chǎn)深海Argo浮標漂移軌跡（至2024年1月7日，圖源：杭州全球海洋Argo系統(tǒng)野外科學觀測研究站）新中國成立初期

新中國成立以后，我國開始重視海洋調(diào)查。20世紀50年代中期，我國開始將漁船、拖船、舊軍用輔助船等改造成海洋調(diào)查船，摸索積累近海調(diào)查的經(jīng)驗。1958年９月至1960年12月開展的“全國海洋綜合調(diào)查”開啟了我國大規(guī)模海洋水文調(diào)查的序幕，此次調(diào)查歷時2年多，為我國海洋科學發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

20世紀80年代前，溫鹽觀測設備主要依賴進口設備和仿制的國外某些常規(guī)產(chǎn)品，設備基本都是純機械式的，如顛倒溫度表、表面水銀溫度表、機械式深度溫度計、氯度滴定計等。海流觀測設備主要是純機械式海流計，如厄克曼海流計、印刷海流計。海浪觀測手段主要依靠人工測波，利用望遠鏡、秒表等輔助設備，用純?nèi)斯さ姆椒ㄓ^測波浪要素。我國的海洋浮標研制起步于1965年，首套浮標為船型結(jié)構(gòu)。20世紀70年代，山東省科學院海洋儀器儀表研究所自主研制了HFB-1型海洋水文氣象浮標，曾在我國的海洋環(huán)境觀測中發(fā)揮過重要作用。

1958年，我國第一次開展“全國近海海洋綜合調(diào)查”。圖為調(diào)查人員現(xiàn)場取樣。（中國海洋檔案館資料照片）

**“漂流瓶”，起初是一種用于測量海洋表層流的工具。**上世紀60年代，新中國海洋事業(yè)剛剛起步，海上航行安全和海洋科學研究都迫切需要海洋數(shù)據(jù)，一個用漂流瓶觀測中國沿海漂流狀況的項目悄然而生。由國家海洋局牽頭組織實施，首先以黃渤海區(qū)域為試點，具體工作由海洋一所負責。由于多方面的原因，該計劃沒有繼續(xù)在東海和南海實施。據(jù)檔案記載，試點工作為七十年代中期繼續(xù)在黃海區(qū)域施放漂流瓶計劃的實施奠定了很好基礎(chǔ)。該計劃成功地獲取了一批漂流數(shù)據(jù)，研究人員利用這些數(shù)據(jù)對黃渤海區(qū)的表面流若干特征進行了分析和討論。

顛倒溫度計

（顛倒溫度計是一種特殊的液體溫度計，與普通的水銀溫度計的測溫原理是相同的，即水銀的熱漲冷縮。不同之處在于它的結(jié)構(gòu)和制作方法上。顛倒溫度計的毛細管是真空的。由于重力的作用，顛倒時球部的一部分水銀由毛細管流向接受泡；另一部分水銀由貯蓄泡經(jīng)過狹窄處的盲枝時，由于表面張力的作用，水銀就在此中斷。此時不管溫度計的水銀是膨脹還是收縮，球部水銀都不會越過盲枝進入毛細管中。因此，當顛倒溫度表從海水中取上來后，溫度表示數(shù)即為顛倒處的溫度和深度。）

表層溫度計和顛倒溫度計

印刷式海流計 天津海洋氣象儀器廠（仿蘇聯(lián)阿力克賽海流計）

印刷式海流計是船用或浮標用的定點自記測流儀器，依據(jù)旋漿葉片受水流推動的轉(zhuǎn)數(shù)來確定流速，并用磁盤確定流向，其中代表性產(chǎn)品是天津氣象海洋儀器廠仿制的HLJ1型印刷海流計，它曾在我國早期海流觀測中發(fā)揮過重要作用并一直沿用至80年代中期，其流速為3～148cｍ/s，流向為0°～360°（精度±5°），印刷時間間隔為5、10、15、20、30、60分鐘6種，最長連續(xù)工作時間為57天，最大使用深度為250m（HLJ1-1型）和1200m（HLJ1-2型）。但受制于國內(nèi)的工業(yè)和電氣化水平，并沒有形成產(chǎn)品生產(chǎn)能力。

80-90年代 走向國際

20世紀80年代，溫鹽觀測設備方面，我國成功研制了最大工作深度分別為60m 、1000m、3000m 、6000m的實時傳輸和自容式的溫鹽深剖面儀。如國家海洋局海洋技術(shù)研究所研制的SZC11型6000m溫鹽深自記儀，在1985年的西北太平洋錳結(jié)核調(diào)查和1987年中日聯(lián)合黑潮調(diào)查中發(fā)揮了重要作用。1984年，國家海洋局第三海洋研究所研制了SZC7-2型拋棄式溫深儀。
當時，“厄爾尼諾”現(xiàn)象和“拉尼娜”現(xiàn)象在太平洋東西跨度數(shù)萬公里和南北跨度數(shù)千公里持續(xù)出現(xiàn)，導致了全球氣候異常。為此，中國和美國聯(lián)合開展了海氣合作調(diào)查，通過中美海氣調(diào)查，我們獲得了有關(guān)西太平洋大量系統(tǒng)而全面的海洋和大氣資料，根據(jù)這些資料，首次成功地預報了1986-1987年發(fā)生的厄爾尼諾現(xiàn)象。此時使用的儀器設備就有美方提供的CTD和絞車等。
CTD(Conductivity,Temperature,Depth，溫鹽深儀）主要由水中探頭和記錄顯示器及連接電纜組成，可以用于測量水體的電導率，溫度及深度三個基本的水體物理參數(shù)。由熱敏元件和壓敏元件等構(gòu)成的探頭與顛倒采水器一并安裝在支架上，可投放到不同深度；記錄顯示器，除接收、處理、記錄和顯示通過鎧裝電纜從海水中探頭傳來的各種信息數(shù)據(jù)外，還充當著整套設備的操縱器。

布放CTD

而比CTD使用更為便利的是投棄式溫深剖面儀（XBT）。XBT是一種一次性使用、可在搭載平臺（船、飛機、潛艇等）航行狀態(tài)下進行海洋環(huán)境參數(shù)剖面測量的儀器設備，具有實時、快速、大面積和低成本的特點。

XBT

“九五”以來，溫鹽傳感器在國家“863”計劃的支持下快速發(fā)展，攻克一些關(guān)鍵技術(shù)，取得了一批高新技術(shù)成果，但距離世界先進水平還有一定的差距，特別在深遠海調(diào)查設備方面差距更大。我國深遠海調(diào)查中，溫鹽測量主要有船載觀測、走航觀測、錨系觀測和拋棄式觀測等４種方式。
大范圍的海洋調(diào)查中常輔以拋棄式溫鹽深儀（XCTD）和拋棄式溫深計（XBT）等，常用的有日本TSK公司的XCTD和XBT。此外，根據(jù)海洋調(diào)查的不同需求，CTD上一般還會搭載各類傳感器，如溶解氧、pH、濁度和葉綠素等傳感器。

深海輕型觀測浮標

在國家“863”計劃等項目的支持下，我國研制成功了直徑3～10m的一系列浮標產(chǎn)品，海洋資料浮標能夠長期、連續(xù)、全天候自動觀測，可以獲取海洋水文、氣象、水質(zhì)、生態(tài)、動力等海洋環(huán)境參數(shù)。
80年代中后期我國開始使用岸基光學測波儀，也屬于人工觀測。90年代，隨著浮標技術(shù)的不斷進步，波浪浮標成為海浪觀測的主力設備，波浪浮標一般都采用球體設計，以便具備良好的隨波性。

20世紀80年代，海流觀測主要使用直讀式海流計、數(shù)字式轉(zhuǎn)子海流計和聲學海流計。此外，國外的海流觀測設備逐步進入中國市場，如挪威安德拉RCM系列海流計、日本ALEC公司的AEM213-D型直讀式電磁海流計等。20世紀90年代后，隨著聲學多普勒流速剖面（ADCP）技術(shù)的發(fā)展，ADCP成為主要的海流觀測設備。根據(jù)安裝方式的不同，ADCP可以分為走航式、坐底式、錨系式、拖曳式等幾種。

Workhorse ADCP(聲學多普勒流速剖面儀)

目前國產(chǎn)ADCP產(chǎn)品中，中國船舶715研究所生產(chǎn)有SLS系列自容式ADCP和SLC系列走航式ADCP，中國科學院聲學所研制的RIV300、RIV600、RIV1200系列自容式ADCP等，部分產(chǎn)品性能已能達到國際先進水平。21世紀 從跟跑到領(lǐng)跑

OST15M海試現(xiàn)場

國家海洋技術(shù)中心已成功研制了”OST”全系列溫鹽深測量儀，可適用于多種應用平臺和海區(qū)，包括南北極海域、萬米級深海海域。
其中，2020年，“感應耦合傳輸CTD”搭載漂流浮標平臺實現(xiàn)了南極西風帶海域無故障運行200天，搭載潛標平臺在西太平洋海域無故障運行370天。“定點式溫鹽深測量系統(tǒng)”應用海試突破5915米，創(chuàng)造了國產(chǎn)高精度溫鹽深測量儀最大試驗水深記錄?？蒲腥藛T還對20世紀研發(fā)的SYA2系列實驗室鹽度計進行了升級，研制出了測量準確度更高、可靠性更強、自動化程度更高的新一代 “SYA3-1實驗室鹽度計”，經(jīng)第三方檢驗機構(gòu)檢定，性能已達國際先進水平。
2012年，由國家海洋局第一海洋研究所自主集成研發(fā)的我國首套深海浮標“白龍浮標”布放安達曼海，2019年，中國第35次南極考察隊在西風帶布放了我國首個西風帶環(huán)境監(jiān)測浮標。此外，我國也研制了海洋剖面觀測浮標（Argo浮標）、通量觀測浮標、核輻射監(jiān)測浮標、海冰浮標、光學浮標、聲學浮標、赤潮浮標、波浪浮標、子母浮標、通信中繼浮標等專用浮標。

布放我國首個西風帶環(huán)境監(jiān)測浮標

潛標系統(tǒng)作為海洋調(diào)查的重要設備之一，一般由水下部分和水上甲板單元組成。水下部分主要包括主浮體、探測傳感器、纜繩、玻璃浮球、聲學釋放器、重力錨等組成。我國潛標系統(tǒng)的研制工作始于20世紀80年代，經(jīng)過30余年的發(fā)展，我國的潛標技術(shù)在設計建模、布放深度、系統(tǒng)回收率和可靠性等方面已經(jīng)達到世界先進水平。中國海洋大學首次在我國南海建設了國際上最大規(guī)模的區(qū)域潛標觀測網(wǎng)。
回收萬米錨系潛標系統(tǒng)

2017年，中國科學院深?？茖W與工程研究所在馬里亞納海溝“挑戰(zhàn)者”深淵中布放回收了萬米錨系潛標系統(tǒng)，獲得了深淵中多層深度近一年的溫鹽和海流連續(xù)觀測數(shù)據(jù)。
2010年由中科院海洋所成功發(fā)起的NPOCE國際合作計劃，在西太平洋設計規(guī)劃了包括潛標、衛(wèi)星SST、SSH、傳統(tǒng)斷面等綜合觀測項目。以此為契機，中國科學院在戰(zhàn)略性先導科技專項的資助下，建成了由16套深海潛標組成的我國西太平洋科學觀測網(wǎng)并實現(xiàn)穩(wěn)定運行，獲取西太平洋代表性海域連續(xù)多年的溫度、鹽度和洋流等數(shù)據(jù)。
“科學”號完成西太平洋科學觀測網(wǎng)升級

目前海浪觀測方面，除波浪浮標外，海浪測量設備主要還有海洋衛(wèi)星和測波雷達， 如“海洋二號”系列衛(wèi)星，包括2011年發(fā)射的HY-2A衛(wèi)星、2018年發(fā)射的HY-2B衛(wèi)星以及2018年發(fā)射的中法海洋衛(wèi)星（CFOSAT）等，可對海面風場、海流、海浪、海面溫度等海洋動力環(huán)境參數(shù)進行全天時、全天候監(jiān)測。測波雷達方面，國家海洋技術(shù)中心、哈爾濱工程大學、中國海洋大學等均研制了相關(guān)的Ｘ波段測波雷達樣機，也引進了如德國ＯceanWaves公司生產(chǎn)的WaMos Ⅱ測波雷達等相關(guān)設備。
海洋二號D星是國家空間基礎(chǔ)設施海洋動力衛(wèi)星系列的第三顆業(yè)務衛(wèi)星，將與海洋二號B星、海洋二號C星等構(gòu)成我國海洋動力環(huán)境衛(wèi)星星座

信息來源： 1.海洋科普（1394）| 我國海洋水文調(diào)查設備的發(fā)展歷程.中山大學海洋科學，2021-03-312.海洋科普（1783）| 中國海洋調(diào)查的前世今生.中山大學海洋科學，2022-07-153.海洋科普丨中國海洋調(diào)查的前世今生.威海海洋監(jiān)測減災，2022-07-204.中國海洋檔案館館藏
“海洋檔案”整理