 Advances in Geosciences 地球科学前沿, 2013, 3, 210-213 doi:10.12677/ag.2013.34029 Published Online August 2013 (http://www.hanspub.org/journal/ag.html) Application of Drifting Buoy in Ocean Current Simulation* Honglei Dai, Lin Liu, Maoyi Tian, Litao Han College of Geomatics, Shandong University of Science and Technology, Qingdao Email: Dai.Honglei2011@gmail.com Received: May 16th, 2013; revised: Jun. 2nd, 2013; accepted: Jun. 10th, 2013 Copyright © 2013 Honglei Dai et al. This is an open access article distributed under the Creative Commons Attribution License, which permits unre- stricted use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited. Abstract: This paper introduced the working principle of the small size drifting buoys that is based on the GPS system and analyzed the motion process of the ocean current along the USA east coast by tracking simulation. The purpose is to provide the prophase experiments and usage experience of the drifting buoys in the marine environmental monitoring. Keywords: Drifting Buoy; Ocean Current Simulation; GPS Navigation Position; Globalstar Satellite Communication System 海洋漂流浮标在海洋洋流模拟中的应用* 戴洪磊，柳 林，田茂义，韩李涛 山东科技大学测绘学院，青岛 Email: Dai.Honglei2011@gmail.com 收稿日期：2013 年5月16 日；修回日期：2013年6月2日；录用日期：2013 年6月10 日 摘 要：本文介绍了基于 GPS导航定位系统研制的小型漂流浮标工作原理，分析了漂流浮标跟踪模拟美国东部 沿海洋流的运动过程，为漂流浮标在海洋环境监测中的应用提供了前期实验和资料准备。 关键词：漂流浮标，海洋洋流模拟，GPS导航定位，Globalstar 卫星通信系统 1. 引言 海洋气候变幻莫测，为了更好的利用海洋，需要 测量反映海洋气候状况的包括波高、海流、海温、潮 位、风速和气压等在内的海洋水文气象要素资料，为 指导人类如何使用海洋提供技术支持。比如可以预先 发现海洋中的大风大浪风暴区域、潮位的变化规律和 异常升高情况、海流流向等，用以减少海洋事故的发 生，及时防备海洋突发事件，力图在海洋灾害发生时 将损失降至最低限度[1]。 沿海和海岛观测站主要用于近海和临岛海域的 海洋监测，海洋漂流浮标是针对远洋航行开发设计 的，它可以在恶劣的海洋环境条件下，长期、连续、 同步、自动地对海洋水文气象诸要素进行全面综合的 监测，具有海洋观测岸站、调查船和调查飞机等其他 调查方法无法代替的作用，是离岸海洋监测的重要手 段[2-4]。浮标的重要性越来越受到世界各海洋国家的重 视，各个海洋国家都在浮标制造技术上展开过一系列 的开发与改进工作，朝先进技术、低成本、可靠度高、 功能扩大、工作寿命长、方便布放和回收等方面发展 [3-5]。在海洋浮标的研制方面，我国国家海洋技术中心 已于 2009 年基于北斗一号研制了自持式剖面循环探 测漂流浮标，并在 2009 年3月进行了 400 m剖面漂 流浮标工程样机的海上测试[6]，开创了国内研制漂流 浮标基于北斗卫星导航定位系统的先例。同年，交通 *基金项目：山东省“泰山学者”建设工程专项经费资助。 Copyright © 2013 Hanspub 210  海洋漂流浮标在海洋洋流模拟中的应用 部水运科学研究院针对海上溢油事故，也研制了基于 北斗一号定位通信的小型海上溢油跟踪微型浮标，成 功地实现了溢油的实时追踪和监测工作[7]。本文将主 要讨论美国海洋局东北渔业科学中心研制的基于 GPS 导航定位系统的海洋漂流浮标(图1所示)在美国 东北沿海的海洋洋流模拟情况。 在2010 年墨西哥湾原油漏油事件发生时，渔业 科学中心在墨西哥湾漏油区域布放了 200 个简易 GPS 漂流浮标对原油泄漏进行监控，收集和处理海洋漂流 浮标的位置信息并利用这些位置信息模拟漏油区域 的扩散蔓延情况，对泄漏原油的扩散方向和扩散速度 等都进行了分析跟踪模拟，这对漏油区域内海洋生物 的研究、漏油的及时处理、海水的污染及清理、以及 海洋生物生活环境的研究分析都提供了必要和必须 的信息资料，为漂流浮标的实际应用提供了成功的范 例，同时验证了利用漂流浮标可以准确的模拟洋流的 流向、流速、风浪等情况，为漂流浮标在我国海洋环 境监测中的应用提供了前期实验和资料准备。下面介 绍此浮标的工作原理和洋流模拟过程。 2. 漂流浮标的工作原理 漂流浮标是随被测层海流自由漂移，根据设定的 各项参数，具有自动连续采集海洋水文气象数据、位 置定位信息和数据传输功能的小型浮标，最关键的功 能是可连续向用户提供浮标漂流轨迹上各点的位置 信息和气象水文资料，其中位置定位信息主要由卫星 导航系统来实现。本文所用的漂流浮标是美国海洋局 东北渔业科学中心研制的由 GPS 导航系统定位的简 易浮标，整体结构包括简易支架和 GPS 接收机(由GPS Figure 1. GPS-based ocean drifter 图1. GPS导航简易漂流浮标 定位模块、数据信息发射器和不透水外壳)构成。浮标 投放到海洋中后，支架没入水中，GPS 接收机漂浮在 水面上(如图 1所示)。因为本文主要探讨漂流浮标跟 踪模拟海洋洋流的过程，所以浮标上只安置了 GPS 接收机用以接收浮标漂流轨迹上的位置坐标点外，没 有配备其他收集海洋气象水文要素的传感器。 漂流浮标的主要工作流程为：首先漂流浮标GPS 接收机的 GPS 定位模块接收 4颗GPS 卫星对浮标所 在的空间位置进行定位，计算浮标的即时位置坐标数 据后，由GPS 接收机的数据信息发射器将计算出的浮 标即时位置坐标数据发送给Globalstar 卫星通信系统 并传输到 Globalstar 系统的地面服务接收站存储，东 北渔业科学中心从 Globalstar 系统的地面服务接收站 提取存储的浮标即时位置数据系列，调用Python处理 程序，绘制浮标漂流轨迹，进行海洋洋流模拟。 3. 漂流浮标模拟过程 漂流浮标 GPS 接收机的数据信息发射器定制为 每隔 2小时发送一次浮标位置定位信息，东北渔业科 学中心接收到的浮标定位数据格式见表 1，主要包含 浮标器编号，监测日期和时间，位置信息等。 Table 1. Buoy monitoring datasets 表1. 浮标监测数据表 漂浮器编号 日期(2012) 小时 纬度(˚) 经度(˚) 128380741 08.26 20 38.349 −74.833 128380741 08.26 22 38.352 −74.843 128380741 08.27 00 38.345 −74.844 128380741 08.27 02 38.334 −74.850 128380741 08.27 04 38.331 −74.865 128380741 08.27 06 38.338 −74.881 128380741 08.27 08 38.356 −74.889 128380741 08.27 10 38.371 −74.886 128380741 08.27 12 38.377 −74.875 128380741 08.27 14 38.379 −74.866 128380741 08.27 16 38.387 −74.863 128380741 08.27 18 38.407 −74.861 128380741 08.27 20 38.433 −74.852 128380741 08.27 22 38.453 −74.832 128380741 08.28 00 38.457 −74.809 Copyright © 2013 Hanspub 211  海洋漂流浮标在海洋洋流模拟中的应用 海洋洋流的模拟采用Python 编程语言，处理由 GPS 导航定位系统计算的浮标漂流轨迹上的一系列 即时位置坐标数据，绘制浮标漂流路径，见图 2~5。 这4幅图均从2012 年8月26 日浮标在零点的位置开 始，在北纬和西经 的区域 内，逐步绘制的漂流浮标随时间变化跟踪模拟洋流路 径轨迹。 38.2 N~39.6 N 75 W~73 W 图2是漂流浮标在 2012 年8月26 日0时开始的 24 小时的漂流路径，漂流距离为18752.58 m，漂流速 度为 781.36 m/hour，浮标主要漂流方向为西南方。 图3中显示浮标在 8月26 日零时到 9月9日0 时14 天的漂流路径，浮标在8月27 日时起掉头向西 Figure 2. One day’s drifting track between 00:00 am on 2012.8.26 and 00:00 on 2012.8.27 图2. 漂流浮标2012年8月26日0时到8月27日0时的漂流轨迹 Figure 3. 14 days’ drifting track between 00:00 am on 2012.8.26 and 00:00 on 2012.9.9 图3. 漂流浮标2012年8月26日0时到9月9日0时的14天漂流轨迹 Figure 4. 28 days’ drifting track between 00:00 am on 2012.8.26 and 00:00 on 2012.9.23 图4. 漂流浮标2012年8月26日0时到9月23日0时的28天漂流轨迹 Figure 5. 36 days’ drifting track between 00:00 am on 2012.8.26 and 00:00 on 2012.10.1 图5. 漂流浮标2012年8月26日0时10月1日0时36天的漂流轨迹 北，再向东北漂流，在 8月29 日0时到9月2日8 时向北呈现小漩涡状漂流运动，从9月2日8时开始 向西北方向呈螺旋式上升移动，然后在9月5日0时 开始向东北方向大幅度漂移。在 8月26日0时到 9 月10 日0时，总的漂流距离为 250100.59 m，平均漂 流速度为 744.35 m，漂流方向总体为东北方向。 浮标在 9月9日0时到 9月23 日0时28 天内一 直在 9月9日0时下方做反复的涡流漂移，没有明确 的方向感，到 9月23 日0时，回到 9月9日起始的 地方，重新开始向东北方向漂流。这期间，总的漂流 距离为 499426.42 m，平均漂流速度为743.19 m/hour。 Copyright © 2013 Hanspub 212  海洋漂流浮标在海洋洋流模拟中的应用 Copyright © 2013 Hanspub 213 漂流浮标在 9月23 日0时开始到 10 月1日8时 一直向东北方向漂流，期间在9月24日16 时到 9月 2516 时，和9月27日16 时到 9月29日16 时之间出 现小的涡流状运动。这期间，总的漂流距离为 648845.02 m，平均漂流速度为 750.98 m/hour。 上面 4幅图是编号为128,380,741的漂流浮标在 36 天内的海洋洋流模拟轨迹图，从浮标轨迹上，可以 看出美国东部沿海区域(北纬 和西经 区域内)的洋流在 8月26日至 10 月1日 的主要流动方向是东北方向，有1处较大的漩涡区。 为了提高洋流模拟的准确性，一般是在同一地方分阶 段同时投放5个漂流浮标，然后跟踪这5个投放浮标 的漂流轨迹来模拟洋流的流动规律。 38.2 N~39.6 N 75 W~73 W 4. 分析与结论 漂流浮标电池寿命一般为1年到1年半，浮标一 经投放，便开始随洋流自然漂流，通过投放多个漂流 浮标，并长期监控浮标漂流轨迹，用以模拟沿海洋流 流动规律，发现涡流区，风浪区等危险区域，为渔船 出海，海上工程，海产品养殖，海洋应急等提供指导 信息和应急服务。 GPS 简易漂流浮标在墨西哥湾原油泄漏中的实 际应用和各种沿海试验都证明了其随流性强、数据传 输和接收准确率高、以及洋流模拟精度较高的特性， 因此可以用它进行海洋洋流模拟，寻求比较精确的海 洋环流规律。 参考文献 (References) [1] 海洋–人类未来可持续发展的重要基地[URL], 2004. http://www.southcn.com/news/community/shzt/env/zyx/200406 030706.htm [2] 朱光文, 杨庆宝. 国际 ARGO 计划对我们的启示[J]. 海洋技 术, 2001, 20(4): 5-10. 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