海洋气象观测系统_海洋气象观测供电

1.海洋水文气象预报的相关业务

海洋石油环境条件就是海洋石油生存发展的自然环境条件，按需要可分为工作环境条件、工程设计环境条件及灾害环境条件。工作环境条件，指海洋石油勘探开发生产作业所需要的环境条件。工程设计环境条件，是海上平台、钻井船、输油管道、系泊装置及油气处理终端等各项工程设计环境参数（包括极端环境条件和作业环境条件）；灾害环境条件，是海洋石油生产作业区所能遭遇的严重海冰、热带气旋（台风）、风暴潮、灾害地质、地震海啸等自然灾害。这些环境条件，是一项扎实的基础工作，是工程设计的科学依据和海上安全生产的重要保障，更与海洋石油的生存、发展紧密相关。海洋石油环境条件，是应运而生的一门新的学科，随着海洋石油生产的发展，科学技术的不断进步，其实用性和社会效益尤为显著。

一、海上固定平台水文气象自动调查系统

在我国南海西部海域，由于特殊的地理条件，强热带风暴、强冷空气大风、强对流灾害性天气和土台风（即“三强一土”）一直影响着海上油气田的勘探开发正常运行。近年统计，受其影响涠洲油田每年要停产25天左右，钻井作业要停止约550h。为了保证海上油气田建筑设施和工作人员安全，保证在恶劣天气下油气田正常生产，以及检验、修订外载荷的计算公式，提高结构物设计水平，必须掌握海上气象水文要素的时空变化规律，这就需要进行长期、连续的气象水文观测。

要获得海上恶劣天气下的气象水文实测资料，是一项艰巨的任务。过去曾以投放浮标的手段获取气象水文观测；而在平台进行人工操作的观测方法，一但碰到恶劣天气（台风等），操作人员必须撤离平台，难以捕捉到台风完整资料。为了解决以上问题，从20世纪90年代中期开始，中国海油在具有代表性的海区平台上，研究建立了一套自动化程度高的气象水文综合观测系统，使用国外先进的气象水文传感器，研制数据自动集及通过卫星进行发射、接受系统，配备应急电源设备，使之在恶劣天气下观测到的气象水文资料，能通过卫星及时传递到岸站。岸站具有自动化程度较高的接收功能，经计算机处理，随时能提供给工程设计和生产作业部门。

（一）测量项目与技术指标

主要测量项目有13项，其中气象有风速、风向、气压、气温、湿度；水文测量项目有波高、波周期、波向、（多层）流速、（多层）流向、水位、水温、盐度。另外还设有非工程所需的测量项目，如平台经纬度、系统工作电压、故障报警等，待增测量项目有多层风、腐蚀、环保、浊度等。

1．传感器选择

根据需要确定各种传感器的测量范围及测量精度：①气象传感器引进自动气象站，包括风速、风向、气压、气温、湿度等传感器；②水文传感器引进浪流潮温盐测量仪，包括波高、波周期、波向、流速、流向、水位、水温、盐度等传感器；③多层海浪流测量仪引进可测量流速剖面的声学多普勒剖面海流仪。

2、传感器在生产平台上的安装

传感器在生产平台上的安装方案，是为了保证系统在无人值守情况下长期安全地工作，因此应遵守以下原则：①不影响生产平台作业；②所测到资料的质量能得到保障；③在气象水温要素达到极限时能得到完整资料；④保证仪器不丢失等。

（二）资料集与设定

1．气象资料

气象资料每整点观测一次，每1?记录一组数据，如风速等，同时记录年、月、日、时、分、1＂最大风速、3＂最大风速、1?最大风速、2?最大风速、10?最大风速、30?最大风速和60?平均风速、整点前2?最大风速、整点前2?平均风速、整点前2?最大风向、整点前2?内3?最大风速、整点前2?内1?最大风速、整点前10?最大风速、整点前10?平均风速、整点前10?内3?最大风速、整点前10?内1?最大风速、整点前10?内2?最大风速、整点前10?平均风向、整点前10?平均气温、整点前10?平均相对湿度、整点前10?平均气压。以上共16项，利用风速记录的多余通道比原定方案增加u项，更便于计算阵风因子。所谓3＂最大风速是指1小时内每3秒取为一组数，求其平均值，共1200个，取其最大者；所谓整点前2?内3?最大风速是指整点前2?内共120个数，每三个一组，取平均值，共40个，挑其最大者，其余类推。

2．浪流潮温盐资料

浪流潮温盐资料一般在平均海平面下8m处左右观测，实际深度需在有观测资料后依资料计算而得，海浪资料为每3h观测一次，每0.2s取一个离散值，每次记录2048个波浪离散值。当2?最大风速大于10.8m/s或有效波高Hs≥4.0m时，改为每小时观测一次；每10min记录一次表层流速、流向、水位、水温和盐度值。

3．多层流观测

多层流观测时仪器探头置于平均海平面下10m左右直到海底，每隔2m观测一层流速、流向。整点后每隔10min记录一次。

（三）微机数据集与控制

集好的数据处理后，每天02、05、08、11、14、17、20、23时共8次通过卫星通信发送到岸站。同时，集原始数据存入固态存储器，容量为存储半年以上的数据。

当2?最大风速大于10.8m/s或有效波高Hs>4.0m时，系统超限自动加密，将数据卫星传输改为每小时一次，超限值也可自动或人工设置。

1．卫星数据传输

海上石油平台与岸站之间用INMARSAT-C卫星通信，传输平台测量到的各种要素，通信距离可以满足我国任意海域的海洋石油平台与我国任意地点岸站间的数据传输。平台测量数据平均有效接收率不小于90%。INMARSAT-C卫星收发信系统选用美国进口设备。

2．数据接收岸站

①石油平台数据卫星接收岸站设在南海西部石油公司总部；②岸站具有自动接收海上平台发射来的信号并处理打印各种数据的功能；③岸站接收到的数据除打印外还存入硬盘中，以利定期拷贝、存档；④一套岸站设施能够完成多个石油平台发送来的数据接收处理。

3．交直流电源及应急供电系统

配备一套由交流转换成直流供电系统工作的电源以及在台风时平台无人值守情况下，也能使系统正常工作的自动切换控制系统。

4．岸站资料处理软件系统

岸站资料处理软件系统可将岸站接收到的信息打印成报表并绘成时间过程线。

现场试验表明：

a．气象资料由于传感器安装较高，很安全，极少外界干扰，只发生一次受渔网缠断S4电缆影响造成串口被烧，使气象资料记录中断的事故。但这不是气象传感器本身原因所致。

b.S4资料的中断，两次受鱼钩影响，一次受渔网影响，也不是S4仪器本身问题所致。但资料中盐度数据不稳定，资料不好，可能是传感器有故障，已整机送回厂家检修，后重上平台安装使用。

c.ADCP资料，开始受安装条件限制，有资料，但有5层左右受桩腿影响，流的资料不好。后将ADCP外移解决了上述问题，但发生丢失事故。后经改装仪器支架，使仪器外伸约70cm，资料大为好转，现基本不受桩腿影响。

d．岸站工作比较正常，只有受太阳活动等因素影响，气象资料误码2次，共7.9天，误码率为2%～3%，完好率为.7%，远远超过合同书90%以上的要求。

（四）仪器

主要有：①YOUNG-4X自动气象站一套（包括主机及显示器1件，风速、风向传感器1件，气温、湿度传感器1件，百叶箱1件）；②S4ADW浪潮仪1件；③300kHz多普勒剖面海流仪1件；④数据集仪1件；⑤应急电源1件；⑥卫星发射天线1件；⑦锚碇系统1套；⑧电缆及附件1套。

本项目经3年半的调研、选择传感器、研制数据集处理系统、研究安装、锚碇方案以及室内试验、近岸试验等各种科研工作，自1999年3月将全套仪器安装到W11-4油平台上进行现场试验，至2000年11月7日止，共测气象资料18个月；S4资料9.2个月；ADCP资料6.7个月，岸站接收气象资料11.3个月。

二、海底泥温调查

海底泥温调查是一项开创性的工作。穿过几十米乃至几百米的海水探测海床的温度，这在中国海洋调查史上从来没有先例，渤海“JZ20-2海底管线和SZ36-1油田的海底泥温、水温、气温的调查”是第一次尝试。它是为了提供真实的海底泥温设计参数（以往工程设计都将冰底水温定为海底泥温）。调查结果发现真实的最低海底泥温比冰底水温要低4～6℃，大大地降低工程成本，其经济效益和社会效益十分显著。

（一）秦皇岛（QHD)32-6油田平台场址和海底管道路由海域海底泥温、水温观测

1．调查概况

观测时间为1998年11月10～22日，在QHD32-6油田平台场址和海底管道路由海域共设置海底泥温水温观测点17个。

水温设表、中、底三层观测（表层：0～1m；中层：0.6H；底层：距海底0～1m），泥温观测分为表层0.5、1.O、2.O、3.Om共五层。

2．结果分析

通过对现场实测资料及历史资料进行统计、计算，报告中给出了泥温、水温的统计参数，同时还推算出多年一遇的泥温极值（表17-1）。

表17-1　多年一遇的泥温极值（℃）

3．观测仪器

海底泥温调查所使用的仪器，分别用挪威安德拉公司生产的水温传感器以及由泥温传感器改装的振动式泥温测试仪，精度同上。

（二）SZ36-1海底泥温季节定点观测

1．海底泥温观测

1998年2月20日至3月6日、5月28日至6月11日、8月18日至9月1日、10月28日至11月11日，在SZ36-1B用RMu测温仪各进行了半个月的泥温观测，观测层次为五层，分别为底表、海底下0.5m,1.0m,1.5m以及2.Om。每日观测三次，即8时、14时、20时。

2．海底泥温分析

根据已得到的资料，统计出泥温5个层次4个代表月份的最高值、最低值以及平均值。水温和泥温的垂直结构在4个季度中有所不同，下面我们分别加以讨论。

（1）冬季型（2月份）

水温垂直分布基本均匀，表层比底层略低1℃，平均为－0.78℃，是一年中水温的最低值。而泥温在垂直分布上却存在明显的梯度，即呈现出表层泥温低、下层泥温高的特征。

（2）春季型（5月份）

从4月份起海面开始升温，5月份比2月份表层水温平均约增高9.4℃，水温在垂直方向上出现了梯度，上下层水温平均约相差1.1℃。由于水温的增高，底表泥温也开始增温，5月份（实际上是6月初）底表层泥温比2月份增高10.3℃，泥温垂直方向上的梯度明显减少，底表泥温高于底表下2m处1.7℃。

（3）夏季型（8月份）

这时水温在垂直分布上已形成较明显梯度，表层水温比底层水温约高出6.8℃。而泥温的垂直结构却与冬季型的恰好相反，即底表层泥温高，而下层泥温低，上下层约相差5.6℃左右。

（4）秋季型（11月份）

从9月份起，海面开始降温，到11月份表层温度比8月份降低了12.4℃，水温的垂直分布又呈现出上下均匀状态。随着水温的降低，海底表层泥温也开始降低，11月份底表层泥温比8月份约降低了2.2℃，而2.0m层泥温比8月份却增加了2.6℃，呈现为11月2.0m层泥温为一年中最高值，这是由于底泥的热量传导较海水慢的缘故。

概述起来说，泥温与水温紧密相关，并且随着底层水温的变化而变化。冬、夏季泥温的垂直分布呈现明显梯度。在冬季底下较深层的泥温高、底表泥温低，两者可相差约7.7℃。在夏季，底表泥温高、底下较深层的泥温低，两者可相差约5.6℃。而春秋季节泥温垂直分布的温差约在1～2℃。详见表17-2。

3．泥温的极值分布

（1）水温与泥温的相关分析

a．首先用同期底层水温与各层泥温进行相关分析，设底层水温为x，泥温为y，得到相关公式及对应相关系数R如下：

中国海洋石油高新技术与实践

中国海洋石油高新技术与实践

由上面结果可知底表层泥温与底层水温相关系数甚高，至0.5m、1.0m、1.5m和2.0m就明显变差。

b．将2、5、8、11月泥温平均值与n(n=0,1…11）个月以前的月平均底层水温作相关分析，并取出其中关系数量大者，结果如下：

中国海洋石油高新技术与实践

这样做出来的0.5m、1.0m和2.0m层泥温与底层水温相关性甚好，而且随着深度的增加，其相关系数越高。它们分别是n=1的结果。这表明海底0.5m以下各层泥温变化滞后海水变化约1个月。

由式（17-1）、（17-7）、（17-8）、（17-9）、（17-10）得到的相关系数除0.5m层为0.952外，其余各层均大于0.985，相关系数的置信水平达0.001。

（2）泥温的极值分布

按前一节得到的相关关系式推算水温多年一遇值可推算出泥温的极值分布，结果列于表17-3和17-4中。

表17-3　不同重现期的最高泥温（℃）

表17-4　不同重现期的最低泥温（℃）

海洋水文气象预报的相关业务

海洋气象学既涉及大气又涉及海洋，因此它是大气科学和海洋科学共同研究的领域。由于地球表面的绝大部分为海洋所覆盖，而海水又具有和陆地迥然不同的物理、化学性质，这就决定了海洋在海洋气象学研究中的重要地位。海上大风预报研究内容1、海洋气象的观测和试验。包括海洋气象观测方法的研究、海洋气象观测仪器和装置的研制、局部或大范围海域的海洋气象的调查研究。2、海洋天气分析和预报。研究海上的天气和天气系统及与其密切相关的海洋现象，包括海雾、海冰、海浪、风暴潮、海上龙卷、热带风暴、温带气旋的机理分析及其预报方法（见海洋水文气象预报、天气分析、天气预报）。3、海洋和大气的相互作用。在海洋气象学中所研究的海-气相互作用,主要是海洋和大气之间各种物理量，包括热量、动量（或动能）、水分、气体和电荷等的输送和交换的过程及其时空变异,海-气边界层的观测和理论,及大尺度海-气相互作用（见海面气层湍流输送、海-气关系）。在大尺度海－气相互作用的范畴内，重点研究大气环流和海洋环流的生成及其对应关系，大洋西边界流动（湾流和黑潮）对于其邻近海区的天气，天气系统和气候的影响，热带海洋对局部乃至全球大气环球和气候的影响（例如埃尔尼诺现象），大气中二氧化碳含量的增加和海洋对此过程的作用及其对气候变迁的影响等。在上述领域内，已揭示了海洋和大气的某些现象之间的联系，取得了一批研究成果，这对于长期天气预报和气候预测有重要的价值。派生学科海洋气象学是从生产活动中逐渐发展起来的一门学科，同时它又派生出如下的一些分支学科：1、航海气象学。研究航海中的气象问题，特别是海洋气象导航──优选航线的决定和跟踪导航，为航海事业提供气象服务。2、渔业气象学。研究水产的捕捞和养殖中的气象问题，为渔业生产提供气象服务。3、盐业气象学。研究纳潮、积卤和盐田蒸发、风及降水等有关盐业生产中的气象问题。4、港湾气象学。研究港湾设计和港湾生产作业中的天气和气候问题。

我国有1.8万公里大陆海岸线和300万平方公里管辖海域。沿海地区台风、大风、暴雨和海雾等海洋气象灾害频发，造成的经济损失巨大，2014年仅“威马逊”超强台风登陆我国就导致88人死亡失踪，1189.9 万人受灾，直接经济损失446.5亿元。

海洋水文气象预报业务，一般由国家或地方的专门海洋预报服务机构或气象业务系统的海洋服务部门承担，以各种海洋环境条件的实况通报、文字和图表形式发出预报和警报，为有关部门和公众服务。为了直接服务到海上作业者，有些预报可通过无线电传真广播或口语广播进行服务。无线电传真广播的项目有各种海洋天气分析和预报图，海浪实况和预报图，表层海流、海温、海冰等的实况和预报图，海洋灾害警报等。

对海洋表层以下的海洋环境要素，已开始预报，但准确度尚低，仍有赖于海洋科学技术的发展，更重要的是建立和健全全球性的海洋立体监测体系。

为应对海洋气象灾害，我国自上世纪六十年代起开展海洋气象业务。经过几十年的建设，初步建立了由观测、预报、服务、信息网络等组成的海洋气象业务体系，台风预报预警等领域接近世界先进水平。但海洋气象整体业务能力尤其是海上气象观测、远洋服务等与世界领先水平相比，尚存在较大差距，远不能满足我国海洋强国发展战略日益增长的需求。