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坚持不懈 探索海洋立体监测技术
2010-07-09 | 编辑:王桂芬 | 【  】【打印】【关闭

曹文熙,1963年生,博士,研究员,博士生导师。主要从事海洋光学、海洋监测技术和海洋生物光学研究。2002年开始任中科院南海所海洋光学学科组责任研究员,近几年来,带领学科组先后主持承担国家863计划、国家攻关计划、国家自然科学基金、海军、中科院等科研装备项目9项,累计获资助经费1000多万元。主持研制了我国第一台海洋光学剖面测量仪和第一台海洋光学浮标样机,发表论文60余篇(SCI/EI收录22篇),获专利6项,有关成果分别获广东省自然科学二等奖、广东省科学技术三等奖、第十三届全国发明专利铜奖。2001年获国务院政府特殊津贴。现兼任中国海洋学会海洋物理分会副主任委员、中国兵工学会光学专业委员会委员、广东省光学学会常务理事。在曹文熙研究员的带领下,海洋光学学科组的研究队伍不断壮大,目前课题组固定工作人员10人,其中责任副研究员2名,副研究员1名,中高级工程师3名,助理研究员3名,另有在读研究生6名,形成了良好的科研梯队;近些年来在我国海洋光学立体监测技术开发、南海海洋生物光学特性的研究,海洋生态环境的光学遥感机理探索等方面开展了大量的工作。

1.   国内第一台海洋光学浮标的诞生

海洋光学浮标技术是2O世纪80年代中期以后发展起来的一门新技术,可用于连续观测海面、海水表层、真光层乃至海底的光学特性,在水色遥感现场辐射定标和数据真实性检验、海洋科学观测、近海海洋环境监测和海洋军事科学方面有着重要的应用价值。课题组在国家“863”项目的支持下开始研制我国第一台海洋光学浮标,经过多年的努力,先后发展了海洋光学浮标体的设计及集成技术、水下光学仪器窗口防污染技术、浮标数据采集和实时通信技术、光学浮标数据在卫星遥感器定标与检验中的应用技术等12项技术, 解决光学浮标长期业务化布放与定期回收、自阴影遮挡与修正、光学探头防污染等核心问题;研制了浮标用小型、模块化、可现场安装的海洋高光谱辐射计。

2005年7月课题组研制的我国第一台海洋光学浮标在实验室内研制成功,同年8月在青岛近海海域试验成功,这一具有里程碑意义的事件被《中国海洋报》等各大报刊进行了相关报道。海洋高光谱实时观测技术系统的研制、以及成功的投放和回收,为海洋光学浮标在近海海域的应用提供了宝贵的经验和坚实的基础,也标志着我国海洋光学观测技术逐渐跻身国际前沿水平。有关技术和仪器设备在海洋生态和动力过程监测、多学科海洋过程联合观测、海洋水色遥感器的现场辐射定标和遥感数据真实性检验等领域有重要的应用前景,在近海及湖泊赤潮监测中有重要的应用价值。

近几年来,课题组在不断完善海洋光学浮标性能指标的同时,积极地将海洋光学浮标这一良好的监测平台推广应用到近海海洋环境监测中来。分别于2006年8月、2007年5月、2007年8月,在深圳大亚湾海域、珠江口担杆群岛附近海域进行了长达一个月的海洋光学浮标监测,并同时采集了匹配的生物光学数据。在现场试验数据分析的基础上,课题组深入研究了近海海洋生态环境和关键生态过程的时间序列变化,对浮游植物种群动态要素、光合作用速率等重要的藻类生理参数进行一体化整合监测分析,逐步构建出基于海洋光学浮标平台长时间监测海洋生态环境变化的立体监测思路。

2.   多学科技术集成,实现对海洋生源要素的光学检测

作为国家需求的重要标志,国家中长期科学和技术发展规划纲要把海洋环境立体监测技术等海洋技术列入重点发展规划。课题组以提高我国在海洋生态环境监测领域的自主创新能力为科学目标,依据海洋光学浮标这一重要的海洋监测平台基础上,不断致力于研究和开发海洋生态环境和关键生态过程的时间序列光学监测技术。

在曹文熙研究员的带领下,课题组成员充分发挥各自的多学科优势,利用先进的光电技术、海洋技术和计算机技术,发展了能够对营养盐和痕量元素等重要的环境参数、浮游植物种群动态要素、浮游植物光合作用速率等重要的藻类生理参数进行一体化整合监测的新技术和新方法。鉴于目前国内海水营养盐及痕量元素测量方法相对落后,基本停留在现场采样-实验室分析阶段,缺乏快速、高灵敏度的在线监测仪器这一现状,课题组提出了对海洋生源要素如营养盐及痕量元素进行测量的原位检测技术,创新性地采用了液芯波导长光程技术,并设计了基于液芯波导样品池的自动分析系统,可实现多种生源要素的原位、同机快速检测。检测仪既可以用作剖面测量,也可基于浮标、船基等观测平台进行连续监测,具有较高的检测精度。这种液芯波导测量技术的发展,为采用光度测量法拓宽了应用范围,极大地提高其测量精度。浮游植物生理参数的在线监测,主要通过海洋光学浮标这一载体实现测量和反演,高光谱海洋辐射测量精度的提高,结合目前成熟的半分析反演算法,为浮游植物生态变化的时间序列监测提供了有力的保证。

3.   不畏严寒,研发海冰冰面及冰下光辐射测量系统

海冰作为全球海-气系统的重要一员,对全球气候变化有重要影响。当前,冰雪反照率变化形成的反馈过程是研究全球气候变化与冰冻圈关系的一个重要议题,海冰-反照率变化机制是极地海区海面热收支的关键议题。为了深入了解海冰-反照率反馈机制对全球气候的影响,一个重要的环节就是研究短波辐射在海冰-海洋系统内部的分布以及它们对系统热量及物质交换的影响。研究海冰的光学特性及海冰内光辐射传输过程对研究海冰内部及底层的生物活动也具有非常重要的意义。世界很多国家,如美国、加拿大、芬兰、挪威、新西兰等已经先后对不同时空尺度的海冰的光学性质进行过调查研究。我国目前还缺乏海冰光辐射传输特性的监测技术,这在相当程度上制约了相关研究的发展。在这样的背景下,以杨跃忠博士为首课题组于2007年开始研发海冰的光学测量技术。

海洋光学测量技术是杨跃忠博士的研究强项,他作为课题的主要参加人员,曾研制了多部海洋光学仪器,如海洋高光谱光辐射实时观测系统、海面海水层光学测量系统等,逐步积累了宝贵的经验。近几年来,在国家863项目的支持下,杨跃忠博士在国内率先发展了海冰光谱反射率测量、海冰光谱透过率测量、冰内光辐射分布测量等核心技术,并在此基础上,研制出一套现场监测仪器。先后两次远赴我国辽东湾葫芦岛附近海域,对沿海海冰的光学特性进行了调查研究。2009年1月,与大连理工大学海冰研究专家李志军教授合作,在辽东湾大凌河口冰区进行了海冰物理结构、光学参数等一系列调查。他们设计的海冰高光谱辐射测量系统可实现多个通道的同时测量,避免了国外海冰仪器单通道测量的缺点;解决了低温工作的难题,实现了系统在野外极端低温的环境下稳定工作;系统各个通道的积分时间可以智能设定,实现了数据采集时积分时间设定的最优化和自动化。相关的研究成果已被国内著名光学技术期刊如《光谱学与光谱分析》、《光学学报》等发表。

4.   高光谱遥感监测我国沿海光学浅水生态系统

光学浅水生态系统是海岸带的重要生态系统,是海草、珊瑚礁等生态系统主要分布区。在近岸水体中,遥感模式具有很强的区域性,通过对南海近岸光学浅水体中海草的光学特性进行研究,精确测定和计算各种参数,建立其光学遥感算法,结合海草体内的花青素、叶黄素等色素变化和荧光特征对海草在水体中的时空分布和生理状况进行光学遥感提取;分析南海近岸光学浅水中海草的群落结构及其生存压力状况,进一步建立海草保护的预警系统,为中国海域海草保护的决策和方法实施提供精确、实时的信息,也为进一步采用光学遥感的方法对珊瑚礁生态系统进行研究打下基础。

近几年来,杨顶田博士在光学浅水遥感研究方面,主要对海南新村港和三亚的海草分布进行了研究和分析,采集的数据包括向上辐亮度,向下辐照度,海草丰度等指标,推算得到不同底质水体的反射率,并对其光谱进行水体校正和分类鉴别,高光谱遥感影像的影像判读和解译分类提供技术支撑,为大尺度遥感监测海草分布和动态变化提供科学依据。利用Landsat TM和Quickbirds数据绘制了海南新村港和黎安港以及北海等海域的海草分布的遥感图像。目前已发表了相关论文10余篇,并得到了863,国家自然科学基金和广东省自然科学基金的资助。

5.   注重基础,加强交流,积极推动海洋光学立体监测技术的应用

加强基础研究,凝练科学的发展思路,是课题组一直以来所信守的重要原则之一。自2003年以来,课题组参加了近十个航次的海洋综合调查,综合了生态学、地球化学等多个参数,为深入研究我国南海海区海洋生物光学特性奠定了重要的基础。近几年来,我们逐步建立了我国南海北部海区叶绿素a浓度、漫射衰减系数的经验反演模式和一种实用的悬浮颗粒物吸收光谱分解模型,并深入分析了陆源性注入对河口、海湾及南海北部陆架坡水体生物光学特性的影响及其对生态、物理过程的响应与反馈。在理论模拟和实测数据分析的基础上,初步研究了南海海区浮游植物种群结构的光学遥感机理;基于Mie理论和Aden-Kerker散射理论,建立了均匀球体和两层球体散射正演模型,实现了浮游植物散射特性的模拟,并分析了浮游植物种群及矿物质等对水色遥感反演算法的影响。紧跟国际海洋光学和水色遥感的发展前沿,探索了基于光学特性的浮游植物峰值粒径的反演方法和浮游植物种群信息的提取模型,为进一步采用水色遥感数据反演我国南海海洋生态环境进行了大量的基础性工作。

本着资源共享、共同进步的原则,自2003年开始海洋光学课题组每年派人参加全国范围的海洋光学和水色遥感相关会议,与国内研究同行进行广泛的交流;并多次与国家海洋卫星监测中心、中科院南京地理湖泊研究所、南京师范大学、武汉大学等科研院所开展了合作和交流,在资源共享的基础上共同推动了我国海洋光学监测技术的发展步伐。

我们一直在努力,也许在很多方面我们做的还不够,跟国外的先进技术还有很大的差距,但是我们坚信,只要坚持不懈,一定能够闯出自己的一片蓝天,为我国海洋生态环境立体监测技术的发展做出应有的贡献。




























 
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