海洋是人類生存發展的新疆域，也是各國競相角逐的制高點。海洋觀測作為認識海洋、經略海洋的基礎，其技術發展對于提升海洋環境監測能力、強化災害預警預報水平、增強海洋資源開發能力、促進海洋經濟發展至關重要，是我國順利實施海洋強國戰略的重要保障。當前，我國海洋觀測技術領域的主攻方向包括：把握國際海洋科技前沿，建設全球海洋立體觀測網和國家近海業務化精準觀測系統，自主研制海洋環境監測探測技術與核心裝備。

2025年6月，我國研發的海氣交互關鍵層大剖面綜合同步觀測浮標系統，成功在南海3500米水深完成布放，將開展面向復雜海洋動力環境及高海況背景下的南海海氣通量和海洋—氣象水文生態要素長期觀測和綜合同步數據獲取。該項目是由我們所（中國科學院海洋研究所）牽頭，聯合了多家單位，歷時近三年研發完成。

布放現場

（圖片來源：中國科學院海洋研究所海洋觀測網絡管理中心）

該浮標系統的成功布放開創了國內外在超3500米水深布放大剖面觀測浮標系統的先例。目前，系統整體運行穩定，數據接收正常，將為深化對南海海氣交互關鍵層的系統科學認知提供關鍵的技術和數據支撐，為我國防災減災、海洋環境安全保障保駕護航。

攻克技術瓶頸，實現海洋觀測技術跨越式發展

深海（尤其3500米以上）長期同步觀測技術曾是全球難題。深海錨泊浮標是實時獲取深海大洋長期連續觀測資料的主要手段之一，我國相關科研單位（主要以中國科學院海洋研究所和自然資源部第一海洋研究所為代表）經過多年努力，已在西太平洋和印度洋獲得了大洋上層和海氣界面長時間序列的實時連續觀測資料，其技術已經達到國際同類浮標（美國ATLAS浮標、日本TRITON浮標）的先進水平。

然而，實現海洋大氣剖面與水體剖面的大剖面綜合同步觀測，曾是國際海洋學界面臨的重大技術挑戰。海洋大氣剖面觀測包括二氧化碳、溫度、濕度、風場等多種海洋參數的大范圍快速精確測量；水體剖面觀測包括1000米以淺的水體（水深不超過1000米的海水層）水文要素（水溫、鹽度、流向、流速）、生態要素（溶解氧、葉綠素）剖面的連續觀測。其難點在于小型化低功耗技術、大數據量傳輸技術及其穩定性。若能實現海洋大氣-海氣界面-水體大剖面多要素同步觀測，將對我國海事活動保障、海洋能源開發、海洋防災減災預報等起到至關重要的作用。

此次首套超3500米水深浮標系統布放成功，填補了國內外在大水深、大剖面、大浮標觀測技術領域的空白。我們團隊創新設計了適用于深海高海況的高穩性浮標結構和錨系結構，開發了海洋量子激光雷達和海洋微波輻射計等多套先進的觀測設備，實現了水上10千米、水下1千米的“大氣-界面-水下”綜合同步觀測，有效推動了海洋觀測技術跨越式發展。

技術突破解析

浮標體：“穩如泰山”的設計

我們團隊設計研發了高穩性的浮標體，重點解決了浮標觀測系統在高海況下的穩定性、可靠性和長期在位觀測的能力，可適應風速超過60米/秒，最大波高20米的極端工作環境。

為此，我們建立了浮標-錨系耦合水動力分析模型，開展了初穩性、大傾角穩性、極限海況下的穩性衡準數以及諧搖幅值等參數的計算分析，并據此優化完善了大浮標體結構形式和設備布置方案。在深水錨系設計方面，通過搜集擬布放站位歷年的風、浪、流等環境參數，建立有限元計算模型，并施加環境載荷，計算分析了深水系留纜的形態和受力情況，對關鍵部位和節點加密計算，最終研發出可靠的“耦合纜-系泊纜-錨鏈”錨系鏈接方案。此外，我們設計了倒S型松弛式錨系結構，使浮標可以安全可靠地布放于超3500米水深站位。

總之，浮標體作為觀測系統的載體平臺，其“穩如泰山”的結構設計為各觀測模塊發揮高精度觀測性能提供了保障，是整套觀測系統安全運行的“鎧甲”。

標體結構示意圖

（圖片來源：自然資源部第一海洋研究所海洋與氣候研究中心）

深海耦合錨系設計

（圖片來源：自然資源部第一海洋研究所海洋與氣候研究中心）

觀測設備：?？找惑w同步

該浮標系統搭載了我們自主研發的兩款海上大氣剖面多參數遙感設備，包括用于探測大氣剖面二氧化碳和風三維結構特征的海洋量子激光雷達，以及用于探測溫度和濕度垂直剖面的多波段微波輻射計。其同類探測設備的陸用版本通常具有大型化、高耗能的特點，要將其搭載于海洋浮標上，需要解決其小型化、低功耗、模塊化、易維護等技術難點。為此，我們團隊進行了多年技術攻關，開展了多次海洋浮標模擬實驗，包括安裝測試、功耗測試、通信測試等，終于研發出了適用于海洋環境的海洋量子激光雷達和海洋微波輻射計。

海洋量子激光雷達同時綜合應用差分吸收、銦鎵砷量子探測、偏振探測和多普勒探測等多種先進探測技術，以及脈沖編碼技術、多發多收技術和主動式光纖耦合修正方法等先進軟件算法，提升了探測性能，實現了更遠距離、更高精度的大氣探測；對大氣剖面二氧化碳的觀測范圍可達到0-1千米，濃度誤差小于10ppm（百萬分率），對風場探測的距離超過了3千米，風場距離分辨率小于30米，風速誤差小于0.5米/秒，風向誤差小于10度。

海洋微波輻射計以自主研制的地基微波輻射計為基礎，通過特定材料選用、工藝設計、環控系統設計、軟件算法開發等方法，解決了海上高溫、高濕、高鹽等惡劣環境下的設備持續穩定工作難題，并實現了復雜海況條件下的精確探測。該設備可以連續、可靠、穩定地探測海洋大氣溫濕垂直廓線，其探測范圍可達10千米，探測層數為73層；對大氣溫度剖面探測誤差為0.98K（開爾文）；相對濕度剖面探測誤差為9.54%。

浮標系統同時對水下1000米以淺的水體水文要素（水溫、鹽度、流向、流速）、生態要素（溶解氧、葉綠素）剖面連續觀測。突破了水下大深度剖面數據的可靠傳輸技術，采用感應耦合傳輸式高精度溫度、溫鹽深、溶解氧儀、葉綠素儀等測量儀，并集成中控系統和聲學多普勒海流剖面儀（ADCP）作為浮標水下觀測系統的觀測設備。此外，開發了超高分子聚乙烯纜繩結合包塑纜形成新型耦合纜，實現了水體剖面各要素的連續觀測和實時傳輸的目標。

浮標系統通過智能數據采集與控制系統將大氣剖面與水體剖面同步觀測數據進行整合壓縮，并統一回傳至岸基，真正實現了“?？找惑w”的大剖面同步觀測。

布放現場

（圖片來源：中國科學院海洋研究所海洋觀測網絡管理中心）

能源供給：“超長待機”能力

眾所周知，海洋觀測浮標在海上的工作周期受限于能源供給。充足、合理的能源供給方案可以保證觀測系統長周期穩定運行。我們團隊聚焦大剖面浮標在海上運行時的能源供給問題，尤其在高海況下實施大氣、海氣通量以及水體觀測的高能需求，開展了太陽能、風能、溫差能和波浪能等多種能源供給方案設計，旨在研發適用于高海況下浮標平臺的多種類型能源補給與控制系統，實現浮標大功率、長周期能源供給。

依托中國科學院海洋研究所黃、東海站現有浮標觀測網收集浮標布放點的歷史風、輻射度、波浪、溫度數據，我們通過模擬仿真確立了供電系統各組件的最佳容量配置。同時針對蓄電池的特點，仿真演繹設計四段式充電策略（涓流充電、恒流充電、恒壓充電、浮充電）提高電池的使用壽命。進一步，通過設計開關頻率高、反饋環路帶寬的穩壓電路實現負載的快速動態響應。最后，我們在海上浮標進行了四種能源供給方式與蓄電池集成試驗，確保各路理論設計的準確性。

基于以上研究與設計，我們最終開發出了多種能源采集和優化的充放電控制功能，太陽能、風能、溫差能和波浪能之間可智能切換，實現能源的優化配給，保證了浮標系統的超長待機。

布放現場

（圖片來源：中國科學院海洋研究所海洋觀測網絡管理中心）

科學價值與應用

科研：開展深海南海海氣交互研究，助力全球氣候變化模型優化。

海洋觀測浮標具有船基監測、岸基監測和衛星遙感等其他觀測手段不可替代的重要作用，能夠在不同時間尺度上、各種天氣情況下、復雜海洋水體環境中連續獲取海上資料，特別是能在臺風、風暴潮、巨浪、強海流、大風等惡劣環境條件下，直接獲取具有代表性和實時性的海洋環境過程資料。

值得一提的是，我們此次研發的浮標系統實現了多項技術突破，其突出特點包括：能夠在特定海域長期連續觀測、較強的復雜海洋環境適應性、觀測數據準確度高、實現全自動化無人值守運行、兼顧大氣-界面-水體觀測等。

在這些優勢的加持下，我們能對我國南海海域的氣象、水溫、水質等參數及特殊的海洋現象進行長期觀測和實時精細化監測。有助于進一步闡明該海域海洋動力環境多時間尺度變化特征和機理，研究該海域海氣相互作用、海洋動力過程、生物地球化學過程、生態動力過程之間的耦合作用，揭示海洋物質通量、初級生產力及生物資源變動之間的關系，發展各類海洋要素的預測模式等，進而填補我國對南海“看得清、查得明、報得準”的國家需求。

民生：提升臺風預警、海洋污染監測精度。

南海是臺風發生頻率最高的海域之一，精準“把脈”臺風動向是關乎民生的重要技術。該浮標系統獲取的實時數據可同步到相關氣象部門的預報模式中，為臺風路徑的準確預報和預警提供重要的校準、驗證作用，有效提高對臺風路徑預報的準確性。該浮標系統所獲取的水文參數數據將同步修正該海域水動力環境數值模式，對可能發生的海洋污染物的擴散和遷移軌跡進行更精準的數值模擬分析，預報污染物的可能影響范圍，為相關海事部門相關決策提供有利的科學理論保障體系。

國際地位：標志我國深海觀測技術邁入世界領先梯隊。

該浮標系統融合了高穩性浮標體、傳感器、能源系統、大數據量傳輸等多項關鍵技術，重點解決了高海況下的穩定性、可靠性和長期在位觀測技術；建立了浮標-錨系耦合水動力分析模型，優化完善了大型浮標深海系留設計；研發了適用于高海況下的太陽能、風能、溫差能、波浪能等復合型能源供給與綜合管控系統，實現了浮標的大功率、長續航能源供給；開展了大型浮標智能數據采集與控制、數據質量實時在線控制、大數據量傳輸、主被動結合的浮標安防等系列關鍵技術研究，提升了海洋浮標的數據質量與安全防護能力；突破了海氣通量、水體剖面觀測、空氣二氧化碳觀測等系列關鍵技術。該浮標系統的成功布放，標志著我國深海觀測技術邁入世界領先梯隊。

浮標運行情況

（圖片來源：中國科學院海洋研究所海洋觀測網絡管理中心）

未來展望

該浮標觀測技術現階段實現了垂直剖面觀測的技術突破，適用于全球范圍的深海研究。在此背景下，以海氣交互關鍵層大剖面綜合同步觀測浮標系統為代表的新型海洋觀測技術，不僅可為我國深遠海觀測領域提供技術助力，更能成為實現“透明海洋”立體觀測網的重要技術突破口，為構建高精度海洋環境監測體系提供重要支撐。

目前，國外發達國家在全球海洋關鍵海域建立了大規模的浮標監測網。隨著我國海洋事業的發展，也必然面臨深遠海綜合海洋環境網絡化觀測的新需求，其中水平方向的組網觀測將成為下一階段技術攻關重點。

出品：科普中國

作者：王旭 劉長華 王敏 賈思洋 王春曉（中國科學院海洋研究所）

監制：中國科普博覽