在联合国“海洋十年”海洋与气候无缝预测（OSF）大科学计划支持下，中国自然资源部第一海洋研究所团队已经成功研制出低成本、高精度、智能型的新一代全球导航卫星系统（GNSS）海洋表层漂流浮标，为大幅提升海洋观测和监测能力提供了新的重大契机。
OSF项目首席科学家、中国自然资源部第一海洋研究所乔方利副所长带领团队自主研制的新一代GNSS表层漂流浮标，利用GNSS卫星信号，可以精准获取浮标的空间位置、时间、波高、周期、波向、表层流速、表层流向、表层海洋温度、表层海洋盐度、大气水汽含量等10个参数。
这项成果源于乔教授多年来的开创性研究，他也是海洋十年咨询委员会的成员，他证明了小规模的海洋波浪如何通过调节上层海洋混合和海气通量，在大尺度海洋环流和气候系统中发挥着关键作用。因此，海洋表面波的观测本身就具有重要意义，在大尺度海洋环流和全球气候变化中也是如此。
纵观历史，全球海洋观测有三次重大革命。1978年，第一颗海洋彩色卫星使大规模同步海洋观测首次成为可能。20世纪80年代，开始发展热带浮标阵列，建立了全球热带大尺度定点连续观测网，大大提高了对厄尔尼诺-南方涛动的监测和预报能力。21世纪初，一项全球海洋观测计划--实时地转海洋学阵列（Argo）启动。今天，大约有4000个Argo浮标在全球海洋中运行，大约每10天观测一次垂直剖面，使实时监测海洋的三维空间成为现实。Argo计划也是联合国教科文组织政府间海洋学委员会共同领导的全球海洋观测系统（GOOS）的一部分。尽管已经做出了巨大的努力并取得了一系列的技术成果，但高成本仍然是海洋观测的瓶颈和巨大挑战。
自2016年开始，通过海洋多学科深度合作，利用北斗、GPS、GLONASS、Galileo等GNSS卫星，该团队攻克了浮标硬件设计和数据处理系列关键技术，包括低成本GNSS单站实时在线高精度测速定位、波浪要素和水汽含量等多要素实时在线反演、波浪谱宽谱拓展捕获、融合北斗短报文通信的多要素编码回传与控制、低功耗高性能算法优化、浮标小型化随波性优化等等，这些自主技术突破极大提高了海浪与大气水汽含量的反演精度，不仅避免了精密差分定位的服务成本，而且大幅度降低了卫星通讯负担。
截止目前，该团队已开展了十余次现场观测实验，并与目前通用的海洋常用观测设备进行了多次比对。结果显示，该浮标的观测精度与精密观测海浪设备如“波浪骑士”的差别仅厘米量级，但观测成本却大幅降低，新一代GNSS浮标的成本只有国际通用观测设备的10%左右。
这一降低成本方面的技术创新尤为重要，因为成本阻碍了全球海洋观测系统的发展。尽管在过去半个世纪，人类已经取得了显著进展，但海洋观测仍然面临成本高昂和覆盖稀疏的挑战，直接影响了对海洋过程的科学认知，也限制了对海洋和气候的精准预测预报能力。
该团队研发了4个型号的GNSS浮标。A型浮标为基本配置，可以同时获得以上10个参数；B型浮标通过增加观测海面大气的风温湿压等参数，可以实现全球大范围海气通量的实时监测，并且在计算海气通量中能够考虑波浪的贡献，从而获得更准确的海气通量数据；C型浮标通过增配温盐链，可测量上层海洋的温度和盐度结构，再结合人工智能技术则能精准捕获海洋内波；D型可增加测量水声，用于海洋哺乳动物的监测与海洋生态系统的保护等等。
研发的新型GNSS浮标具有智能性，可以根据客观需求（比如大浪区、内波、海洋灾害等）随时自主加密观测。未来通过进一步技术攻关，还可能探测涡旋以及精密测量全球的潮位等，进一步保护脆弱的全球沿海地区。
***
论文链接：
Liu等人，2022年。利用全球导航卫星系统的变分法对海洋表面波进行实时精确测量。International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation, 115, 103125.https://doi.org/10.1016/j.jag.2022.103125
更多资讯请联系：
李力博士 (li.li@fio.org.cn)
中国自然资源部第一海洋研究所国际合作处处长、研究员