我國海上固定平臺水文氣象觀測網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

黃必桂，唱學靜，石新剛

(1.中海油研究總院 北京 100027；2.海洋出版社 北京 100081；3.中國船舶信息中心 北京 100101)

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我國海上固定平臺水文氣象觀測網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及存在的問題

黃必桂1，唱學靜2，石新剛3

(1.中海油研究總院 北京 100027；2.海洋出版社 北京 100081；3.中國船舶信息中心 北京 100101)

海上觀測數(shù)據(jù)對海洋工程設計和科學研究都有重大作用，海上固定平臺觀測網(wǎng)因其在位時間長、安全可靠而顯得尤為重要。文章分析中國目前在海上固定平臺水文氣象觀測方面取得的成果，包括系統(tǒng)集成、設備集成和研制。其中重點介紹中國海洋石油平臺觀測系統(tǒng)，并在觀測方案、系統(tǒng)設備和數(shù)據(jù)應用等方面進行深入分析，闡述了中國海上固定平臺觀測網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀；其次，分析了目前中國海上固定平臺觀測網(wǎng)發(fā)展存在的主要問題；最后，在海上固定平臺觀測總體規(guī)劃和數(shù)據(jù)共享機制建立方面提出建議，為海上固定平臺觀測網(wǎng)發(fā)展提供參考。

固定平臺監(jiān)測；數(shù)據(jù)共享；水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)

海上固定平臺作為一種矗立于海上的結構物，因其結構穩(wěn)固、深入遠海和維護方便等特征，可支持一定人員長期在現(xiàn)場開展科研工作，有著其他海洋觀測平臺無法比擬的優(yōu)勢[1]。與浮標、潛標觀測系統(tǒng)相比，海上固定平臺觀測網(wǎng)觀測時間長、覆蓋范圍廣；與科考船相比，海上固定平臺觀測網(wǎng)測點多、縱深廣；與衛(wèi)星遙感相比，海上固定平臺觀測網(wǎng)可實現(xiàn)海洋次表層及深層要素觀測；海上固定平臺還可作為海底觀測網(wǎng)的能源供應站、通信中繼站和設施維護平臺。因此，海上固定平臺觀測網(wǎng)是進行中遠海觀測的有效手段，是海洋環(huán)境立體監(jiān)測網(wǎng)必不可少的一部分。本文對我國海上固定平臺觀測網(wǎng)發(fā)展現(xiàn)狀進行闡述，分析建設中存在的問題，并提出應對策略。

1 發(fā)展現(xiàn)狀

目前國內可用于海洋環(huán)境觀測的海上固定平臺主要有兩種：一種是專門建造的用于海洋環(huán)境觀測的海上固定平臺；另一種是用于海上油氣開采的海洋石油平臺。前者由于建造成本高，應用很少，國內批準建設數(shù)量也極少，如位于山東威海褚島的國家淺海海上綜合試驗場[2]。而廣泛分布于我國近海的海上固定平臺為海洋石油平臺，從渤海到南海分布超過260座，大都為鋼結、基礎穩(wěn)固，是我國進行海洋環(huán)境觀測可利用的重要平臺，其中很多平臺已經(jīng)在我國海洋環(huán)境監(jiān)測體系和海洋環(huán)境防災減災體系中發(fā)揮著重要作用。如渤海的錦州油氣田平臺是我國每年固定的渤海海冰觀測點，已持續(xù)觀測超過20年。

我國基于海洋石油平臺的海洋環(huán)境觀測早在20世紀70—80年代已經(jīng)開始，主要由石油公司和相關科研單位組織進行，其主要目的是為海洋油氣開發(fā)、設計、建造和運營提供基礎數(shù)據(jù)[3]。隨著海洋油氣工業(yè)的發(fā)展，海洋環(huán)境條件在海洋工程設計中對工程造價和工程質量都有巨大影響，因此對海洋環(huán)境的觀測也越來越受到重視。

隨著國家“863”計劃課題、國家自然科學基金課題以及石油公司委托的海上觀測課題等的運行，我國在海上平臺水文氣象觀測方面已取得較大成果，具體體現(xiàn)在子系統(tǒng)集成逐漸成熟和海上平臺觀測應用日趨廣泛。

1.1 子系統(tǒng)集成逐漸成熟

水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)包括多個子系統(tǒng)，如氣象監(jiān)測系統(tǒng)、波浪監(jiān)測系統(tǒng)、海流監(jiān)測系統(tǒng)、水位監(jiān)測系統(tǒng)和溫鹽監(jiān)測系統(tǒng)等。經(jīng)過多次海上試驗和改進，目前在各子系統(tǒng)研究和應用方面已取得較大成果。

1.1.1 氣象監(jiān)測系統(tǒng)

氣象監(jiān)測系統(tǒng)包括對風速、風向、氣溫、氣壓、濕度、能見度和降水等氣象要素的監(jiān)測，同時對不同層位的風速和風向進行觀測，以獲取風速隨高的變化關系，還包括氣象監(jiān)測數(shù)據(jù)的集成和處理、風速風向觀測設備的研究等。

海上固定平臺上的氣象監(jiān)測系統(tǒng)集成和應用已較為成熟，目前也已有多個海上應用實例[4-5]。

1.1.2 波浪/水位監(jiān)測系統(tǒng)

波浪監(jiān)測系統(tǒng)的觀測要素為波高、波向和周期，波浪觀測設備包括波浪騎士、波浪浮標、測波雷達和垂線測波儀等；水位觀測設備包括水下壓力式和水上雷達式觀測設備。此外，波浪/水位監(jiān)測系統(tǒng)還包括數(shù)據(jù)集成和傳輸系統(tǒng)。

我國對波浪監(jiān)測設備的研究已有較長的歷史，目前也取得較大的成果；在波浪觀測設備的研發(fā)上也取得較大突破，包括較早的垂線測波儀[5]和測波桿，以及波浪浮標和測波雷達(包括C波段雷達和X波段雷達)[4]。在數(shù)據(jù)集成和傳輸方面，使用包括衛(wèi)星通信、有纜通信和微波通信等技術。

1.1.3 海流、溫/鹽和內波監(jiān)測系統(tǒng)

海流的觀測要素包括不同層位的流速和流向，溫/鹽觀測為不同層位的水溫和鹽度，內波監(jiān)測是對溫/鹽和海流剖面的統(tǒng)合觀測。目前我國對海流的觀測設備主要包括ADCP和單點海流計，對水溫和鹽度的觀測主要采用CTD及T。對觀測系統(tǒng)的集成包括傳統(tǒng)潛標系統(tǒng)和國內自主研發(fā)的有纜潛標觀測系統(tǒng)，以及數(shù)據(jù)集成和傳輸系統(tǒng)[4]。

有纜潛標觀測系統(tǒng)有重大的優(yōu)勢，包括平臺持續(xù)供電和數(shù)據(jù)實時傳輸，對海洋內波能實現(xiàn)長期觀測和實時預警。

1.2 海上平臺觀測應用日趨廣泛

海上平臺觀測應用包括短期的科研觀測和長期的生產(chǎn)觀測兩個方面。

1.2.1 短期科研觀測

目前已有大量科研類項目依托海洋平臺進行水文氣象觀測，觀測要素涵蓋氣象、波浪、海流以及水溫/鹽度等。這些科研類觀測項目主要集中在渤海和南海北部海域，主要依托海洋石油平臺開展。

2006—2007年在渤海萊州灣海域勝利油田某平臺上開展水文氣象要素觀測[5]，觀測要素包括風速、風向、波高、周期、流速、流向、水溫和鹽度等參數(shù)，觀測設備使用機械式風速儀、超聲風速儀、垂線測波儀、ADCP和CTD等。該套水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)的供電系統(tǒng)采用平臺供電加后備電源供電，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)為水下儀器自容、水面以上儀器傳輸至平臺電腦存儲。此外，在該平臺上使用國產(chǎn)垂線測波儀觀測海浪要素，積累了垂線測儀在海上觀測的經(jīng)驗。

在南海也開展了海上平臺水文氣象觀測。在“十一五”期間的“863”計劃課題中，研制并在南海某平臺上實施水文氣象立體監(jiān)測系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)集成多個子系統(tǒng)，包括氣象監(jiān)測系統(tǒng)、波浪監(jiān)測系統(tǒng)、有纜潛標監(jiān)測系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)等。在課題研究和海上觀測應用中積累大量平臺水文氣象觀測經(jīng)驗，尤其是在設備研究、應用、供電系統(tǒng)研究和數(shù)據(jù)傳輸方面，為平臺海上觀測奠定基礎。

1.2.2 長期生產(chǎn)觀測

目前我國在近海一些海上固定平臺上已經(jīng)開始安裝水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)，并計劃進行長期觀測，而且已經(jīng)在一些平臺上投入運行[6]。

中國某海洋石油公司計劃在中國近海約17個海洋石油平臺新建水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)，并對過去分散在各個海洋石油平臺的觀測設備進行維護、更換與升級，統(tǒng)一納入水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)運行管理。同時該公司發(fā)布內部管理文件，明確水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)的規(guī)劃、設計、建造、運行和數(shù)據(jù)管理職責部門。后來還相繼發(fā)布一系列管理辦法，對系統(tǒng)的管理、運行與維護等多個方面進行規(guī)范。

該水文氣象監(jiān)測網(wǎng)規(guī)劃新建約17個海上固定平臺監(jiān)測系統(tǒng)，加上已有觀測平臺，總數(shù)超過25個，覆蓋從渤海到東海、南海的整個中國近海海域。該規(guī)劃將已建平臺上已有的監(jiān)測系統(tǒng)進行整合和改造，包括為科研觀測建立的監(jiān)測系統(tǒng)、氣象預報服務以及支持平臺直升機起降的監(jiān)測系統(tǒng)等，將這些零散的監(jiān)測系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)記錄并統(tǒng)一發(fā)送到歸口單位。

該水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)由位于各個平臺的子系統(tǒng)構成，各子系統(tǒng)獨立運行，每個子系統(tǒng)的觀測要素包括風速、風向、氣溫、氣壓、濕度、能見度、波高、波向、水位、流速、流向、水溫、鹽度和泥溫等，由氣象采集系統(tǒng)、波浪水位采集系統(tǒng)、海流采集系統(tǒng)、溫鹽采集系統(tǒng)、泥溫采集系統(tǒng)、供電系統(tǒng)和數(shù)據(jù)存儲傳輸系統(tǒng)等構成(圖1)，子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡實時傳輸至陸地數(shù)據(jù)管理中心。供電系統(tǒng)還特別考慮到在臺風等極端海況期間平臺斷電情況下的備用電源供應。

圖1 水文氣象監(jiān)測子系統(tǒng)結構

海上平臺水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)設備安裝方案如圖2所示。氣象觀測系統(tǒng)大多為自動氣象站，根據(jù)平臺結構與氣象條件安裝于平臺高處(在渤海要求風速傳感器量程不小于60 m/s，在南海要求不小于75 m/s)；波浪水位觀測系統(tǒng)為波浪水位雷達，根據(jù)平臺結構與波浪條件安裝于平臺底層甲板外側；海流觀測系統(tǒng)為有纜潛標觀測系統(tǒng)，帶有多普勒剖面海流儀和單點海流計，根據(jù)平臺結構與流場條件懸掛于平臺甲板外側；溫鹽傳感器分上、中、下3層進行安裝，泥溫傳感器安裝于防沉板下，4個傳感器通過電纜連接至采集系統(tǒng)。此外還設立平臺供電系統(tǒng)，供電系統(tǒng)安裝于配電間，數(shù)據(jù)存儲傳輸系統(tǒng)放置于中控室內。

圖2 水文氣象監(jiān)測子系統(tǒng)設備安裝方案

在該規(guī)劃中，海上平臺水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)每個子系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳輸至陸地數(shù)據(jù)管理中心進行統(tǒng)一管理，包括數(shù)據(jù)接收、質量控制、觀測數(shù)據(jù)分析計算、專題報告編制以及年度觀測研究報告編制等。這些數(shù)據(jù)可用于海洋石油平臺施工作業(yè)、生產(chǎn)作業(yè)以及新建平臺設計條件推算等工作。

2 存在問題

通過多年的海上觀測積累，我國在海上平臺水文氣象觀測方面具有較多經(jīng)驗，但也存在一些問題。

2.1 缺少統(tǒng)一規(guī)劃

中國海上水文氣象監(jiān)測的規(guī)劃有過一些設想和建議[7]，也出臺過一些規(guī)定，如《海上船舶和平臺志愿觀測管理規(guī)定》[8]，但總體上缺乏專門針對海上固定平臺水文氣象觀測的國家級規(guī)劃。

當前很多水文氣象觀測系統(tǒng)都是依托石油平臺建立的，石油平臺的主要功能是開采海上油氣，水文氣象監(jiān)測系統(tǒng)的安裝存在影響海上生產(chǎn)的問題，部分水文氣象監(jiān)測設備受平臺空間的限制也存在安裝位置不理想的問題。同時由于沒有統(tǒng)一的規(guī)劃，在某些海洋石油平臺上存在地方氣象局、研究所和高校等多家科研單位的觀測儀器，一方面造成重復觀測、資源浪費；另一方面也給海洋石油平臺日常生產(chǎn)、管理和運營帶來影響，增加運營成本。

同時，由于缺少統(tǒng)一規(guī)劃，多數(shù)觀測設備都是在平臺投產(chǎn)后進行選址安裝的，受平臺空間限制，部分設備選址存在不合理問題；由于缺少數(shù)據(jù)比測，導致某些觀測數(shù)據(jù)不可信、甚至不能用等問題。

2.2 海洋數(shù)據(jù)共享機制不完善

之所以出現(xiàn)多家科研單位的觀測儀器安裝在同一個平臺上的問題，其深層次原因就是海洋數(shù)據(jù)共享機制的不完善。國內關于海洋數(shù)據(jù)共享已經(jīng)討論很多年，也出臺一系列管理規(guī)定，然而并沒有帶來所期待的共享效果。

出現(xiàn)數(shù)據(jù)共享問題的原因有很多，主要原因包括：首先，國家級海洋數(shù)據(jù)管理制度不完善，對海洋數(shù)據(jù)共享的權利和義務規(guī)定不夠明確，使得數(shù)據(jù)共享在實際中難以執(zhí)行；其次，由于國內科研體制存在“有數(shù)據(jù)就有項目”現(xiàn)象，使得擁有數(shù)據(jù)的單位從主觀上不愿意將數(shù)據(jù)共享；最后，相關海洋數(shù)據(jù)管理單位公益性定位仍不明確。目前我國存在多個海洋數(shù)據(jù)系統(tǒng)，在一定程度上造成每個系統(tǒng)各自管理、大量數(shù)據(jù)互不相通等問題，沒有充分體現(xiàn)和發(fā)揮海上觀測數(shù)據(jù)的價值。

3 對策建議

3.1 制定海上固定平臺水文氣象觀測網(wǎng)規(guī)劃，捋順建設管理思路

建議由國家海洋局牽頭，聯(lián)合國內主要涉海科研院校和其他有關單位，制定發(fā)布“海上固定平臺水文氣象觀測網(wǎng)規(guī)劃”，并對觀測網(wǎng)的資金來源、建設規(guī)模、觀測要素、技術方案、運行管理模式和數(shù)據(jù)管理等方面進行統(tǒng)籌。

規(guī)劃關鍵要解決好兩方面問題：一是規(guī)模與資金。根據(jù)觀測需求、資金情況合理規(guī)劃觀測網(wǎng)規(guī)模，如觀測要素、觀測站位以及不同階段目標等。二是主要參與單位的職責與權利。在海上平臺觀測網(wǎng)建立過程中，明確各家單位的義務，明確監(jiān)測系統(tǒng)規(guī)劃、設計和安裝的責任，明確日常維護和管理職責等；在獲得數(shù)據(jù)的應用方面，規(guī)范各參與單位的使用權利和范圍；充分調動各參與單位的積極性；對于其他科研及生產(chǎn)應用單位，除在海上觀測網(wǎng)前期設計階段承擔一定任務外，在運營和維護方面也應根據(jù)各自特點承擔相應任務。

3.2 完善海洋數(shù)據(jù)共享機制

對于海洋數(shù)據(jù)建議按照3個層次進行管理：一是保密數(shù)據(jù)，公開后有可能危害國家安全和泄露國家、企業(yè)秘密的，按保密數(shù)據(jù)進行管理；二是免費共享數(shù)據(jù)，國家政府部門擁有和政府資助獲取的數(shù)據(jù)應完全開放共享；三是商業(yè)化數(shù)據(jù)，如企業(yè)觀測的海上數(shù)據(jù)，可以按市場服務原則，實現(xiàn)數(shù)據(jù)付費使用等。

國家海洋數(shù)據(jù)管理的單位應打破各種利益壁壘，對各個單位所獲海洋數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理。

對保密數(shù)據(jù)范圍進行明確界定，避免以保密為借口限制數(shù)據(jù)共享；對數(shù)據(jù)共享內容、形式和范圍進行明確規(guī)定，避免無實質內容的數(shù)據(jù)共享。

4 結論

我國在海上固定平臺水文氣象觀測方面已積累較豐富的經(jīng)驗，在觀測子系統(tǒng)集成和設備集成應用方面取得突出成果，但尚未建立統(tǒng)一的平臺水文氣象觀測網(wǎng)，且缺乏國家層面的統(tǒng)一規(guī)劃。通過制定中國近海水文氣象觀測網(wǎng)規(guī)劃和完善數(shù)據(jù)共享機制，最終將實現(xiàn)全面的海上水文氣象觀測網(wǎng)建設，為海洋水文氣象研究和海洋工程開發(fā)提供更有力的數(shù)據(jù)支持。

[1] 張曙偉，郭發(fā)東，王秀芬，等.石油平臺水文氣象觀測監(jiān)控報警系統(tǒng)[J].山東科學，2005，18(5)：61-63.

[2] 孫世超.首個國家淺海海上綜合試驗場落戶威海[N].威海日報，2014-11-7(001).

[3] 侯言.海洋平臺監(jiān)測裝置研究與系統(tǒng)集成[D].大連：大連理工大學，2014.

[4] 謝波濤，雷方輝，王俊勤.平臺基海洋環(huán)境立體監(jiān)測系統(tǒng)的研制及應用[J].海洋技術，2013，32(1)：16-20.

[5] 黃必桂.渤海海浪的數(shù)值模擬和涌浪對風浪影響的研究[D].青島：中國海洋大學，2009.

[6] 黃振東.海洋石油平臺水文氣象設備安裝技術[J].海洋技術，2013，32(4)：96-98.

[7] 羅續(xù)業(yè).國家級海上試驗場建設構想[J].海洋開發(fā)與管理，2010，27(11)：1-3.

[8] 國家海洋局.海上船舶和平臺志愿觀測管理規(guī)定[Z].2014.

Present Development Situation and Problems of Metocean Monitoring System on Fixed Platform in China

HUANG Bigui1， CHANG Xuejing2， SHI Xingang3

(1.CNOOC Research Institute，Beijing 100027，China；2.China Ocean Press，Beijing 100081，China; 3.China Shipbuilding Information Center，Beijing 100101，China)

Observed metocean data plays a significant role both in marine engineering design field and academic field.Because of longer time for in situ observation and more secure and reliable，the metocean monitoring system on fixed platform is more important than other monitoring system.In this paper，some achievements in the metocean monitoring system on fixed platform in China were mentioned，including system and equipment integration，equipment development and application examples.Especially，a specific monitoring system installed on the oil and gas platform was introduced.And the observation scheme，equipment and data application of this system were analyzed in depth.The existing problems of metocean monitoring system on fixed platform were discussed.Some advices for general planning of this monitoring system and establishing of data sharing mechanism were also described in the paper，which could support the future development of monitoring system on fixed platform.

Fixed platform，Data sharing，Metocean monitoring system

2016-02-03；

2016-05-16

國家高技術研究發(fā)展計劃(“863”計劃)基金資助項目(2008AA09A401).

黃必桂，工程師，碩士，研究方向為海洋工程環(huán)境條件、設計標準，電子信箱：huangbg3@cnooc.com.cn

P75；P71

A

1005-9857(2016)05-0104-05