海洋环境分析监测展望与挑战 |《海洋环境分析监测技术》（陈令新等编著） - 海洋污染监测技术

空气能 · 发表于海洋技术发展 2024-4-15 05:41:18

海洋环境分析监测技术涉及多个领域的多个学科，其发展与海洋科学、环境科学、分析化学、生物科学、遥感科学、信息技术等的发展密切相关。随着分析探测技术的不断发展，越来越多的技术被用于海洋环境分析监测领域，海洋科学逐渐从调查、观测为主的海洋单一因子调查检测，向多因子、多参数实时监测和机理探索的多元化、深层次方向发展。

海洋环境分析监测技术的发展基本上可以概括为四个阶段。具体的发展阶段和每阶段的主要技术如下图所示。

▲ 海洋环境分析监测技术的发展历程

和主要分析技术与研究方向

海洋生物化学调查阶段

20 世纪70 年代以前，人们对海洋环境的研究主要集中在海洋水文、气象、生物和一些简单参数的调查，研究较多的是海洋生物和生态调查；实验室内的分析方法以显色法为主，一些显色法检测海洋环境参数的机理目前仍在沿用，如分光光度法分析海水中营养盐、重金属等研究，基本上都是在70 年代以前完成的，在后期发展中，配合更精密的检测设备，被逐渐改进或发展出更为简便、精准的检测方法。

海洋调查和污染分析阶段

20 世纪70 ~80 年代，逐渐开始针对海洋生物体内的重金属、有机污染物、赤潮毒素等进行检测方法的研究和实际样品的处理、检测。并且在70 年代后期，1978 年美国国家航空和宇宙航行局成功发射第一颗海洋卫星“Seasat-A”，成为海洋观测进入空间遥感时代的主要标志，是海洋环境监测进入遥感时代的里程碑。海洋传感器技术也在此期间发展，但具体应用仅限于海洋水文气象的传感，如海水电导率、水文、水压、水深、波浪、潮流等。海洋锚钉浮标和漂浮浮标开始出现，但仍未用于海洋环境监测。

海洋监测多方向发展阶段

20 世纪80 ~90 年代，发射了“GeoSat” (美国) 和“MOS-1A” (日本) 两颗海洋卫星，遥感技术在此期间快速发展，相继发展出用于海洋水文、气象监测的多种声学模型、遥感模型和遥感图像分析方法；成像技术、声学、电化学技术也在海洋环境分析监测中开始研究和应用，激光和光纤技术的突破让光学和光谱学开始快速发展，光学传感器和光学探针开始研究用于海洋监测，并且开始有专用于海洋环境分析监测的仪器仪表的研发和应用。此外，一些实验室方法，如高效液相色谱法、薄层色谱法、原子吸收/ 发射光谱法、质谱等开始广泛应用于海洋污染物和一些常规参数的分析检测中。

全球海洋立体监测和数据共享阶段

20 世纪90 年代后，海洋生物调查研究在海洋环境监测中所占比例大幅减少，海洋环境监测观测技术得到了飞速发展，进入快速发展阶段。在此期间相继发射了“ERS-1” (欧洲空间局) “Okean-O” (俄罗斯) 等近10 颗海洋卫星，卫星和航空机载大功率光谱仪器对海洋水文、气象和突发污染事件的遥感监测及反演模型等得到了很好的研究，地波雷达和船载雷达遥感技术也快速发展。海洋工程学、海洋地质学、海洋大气科学等快速发展，海洋科学开始进入机理性深入研究阶段，各种高精度的分析仪器(HPLC、ICP-MS、HPLC-MS、GC-MS 等) 和生物分析仪器开始广泛用于海洋科学的分析研究。不同类型的光学传感器开始应用于海水的在线监测，一些生物检测方法、电化学方法、电化学传感器、流动注射、固相萃取和在线分离技术也开始应用于海水分析中，相继出现了多种针对重金属、营养盐等的在线监测系统和仪器。海洋环境监测正在从单点监测向监测网络方向发展。单点监测海洋只能够获得局部的、时空不连续的海洋数据，对海洋环境的变化规律的认识不够全面，难以深入，而由海洋水文气象浮标、潜标、岸站等多种海洋监测平台组成的海洋环境监测网，能实时、连续、长期地获取所监测海区海洋环境信息，为认识海洋变化规律，提高对海洋环境和气候变化的预测能力，提供实测数据支撑；自动化控制的水下机器人和无缆遥控潜水器等开始应用于海洋资源的探测。

进入21 世纪，海洋环境分析监测和观测领域仍旧保持指数增长状态，研究重点基本与20 世纪末期保持一致，成像系统、图像鉴定系统和可视化传感器等开始应用于海洋环境的监测中，雷达、遥感信号处理和海底传感节点的研究有了进一步发展。海水在线处理技术和海洋监测仪器设备的开发与防腐、防附着技术共同发展，但相对于淡水环境的监测仍有一定差距。现在美国、欧盟等正在进行全球海洋环境监测系统的布设，通过“实时观测—模式模拟—数据同化—业务应用” 形成一个完整链条，通过互联网为科研、经济以及军事应用提供信息服务，号召世界各国建立沿海海洋观测系统，并进行全球联网，如全球海洋观测系统、国际海洋资料与情报交换系统等，我国目前也已经参与了这些全球性的海洋观测计划。

▋ 总体来说，海洋环境分析的大部分技术都是跟随淡水分析发展起来的，特别是一些海洋污染物的分析监测技术，一些新型的光分析技术、成像技术、仪器分析、纳米探针等相对于淡水分析监测具有一定的滞后性，这与海洋特殊的水文气象条件有关，另外研究地理位置也限制了很多学者对海洋的探索。但是陆地上污染物最终大部分会汇聚于海洋，随着污染物的积累，已经超出了海洋，特别是河口、海岸带的自净能力，对于海洋环境的监测已经迫在眉睫，并且需要海洋监测从环境监测向生态监测预警发展，借助完善的海洋监测系统，能够对突发性的海洋环境灾害(海洋溢油、赤潮/ 绿潮等) 及海洋复合污染进行预警。除了对海洋污染进行监测外，海洋环境的常规观测、海洋生物资源调查对全球气候的变化和海洋资源的探索也十分重要。

▲ 目前海洋环境分析监测的研究区域、

针对问题和分析监测技术

如图所示，在空间区域上，本书（《海洋环境分析监测技术》，陈令新等编著. 北京：科学出版社，2018. 5）重点关注了河口、海岸带以及近海海洋，是和国家海洋经济密切关联的区域，其核心的问题是环境监测和生态预警；海洋科学的未来发展应该更加关注深海和远海，其主要的核心问题是环境监测、资源开发和其他战略需求。

深远海分析探测需要和近海海洋环境的分析监测技术有密切的关联性。随着深海取样/保存技术、耐高压传感器技术、水声通信/探测技术、载人/无人深潜技术等的发展以及深海数据节点的布设和传输技术的建立，海洋环境监测已经逐渐由近海向深远海发展。深远海的海洋环境常规参数对于全球气候变化的研究和预报具有重要意义，同时深远海蕴藏着陆地上无法比拟的药用生物资源、油气资源、矿产资源等，并且深海空间资源的利用和深海通信的发展对于任何国家来说都有巨大的战略意义。

▋ 针对目前海洋环境分析监测技术的发展阶段和未来的发展方向，总结了如下问题，需要在未来的研究发展过程中逐一解决。

1) 海洋复合污染的监测与预警的不断加大；

2) 海洋赤潮、溢油等环境灾害的监测与预警；

3) 海洋环境长时序自动观测传感器和仪器的开发；

4) 海洋污染长时序自动监测传感器和仪器的开发；

5) 海洋高腐蚀性、高压、高生物附着对监测仪器的挑战；

6) 海洋监测传感器的微小型化；

7) 多参数、多功能传感器集成；

8) 海洋环境与污染监测的多功能浮标的研发与布设；

9) 海洋数据传输、通信技术及通信安全的研究；

10) 海洋遥感光波、电磁波仪器开发；

11) 遥感数据反演模型精确度和规范性的提高；

12) 覆盖全国海岸带的海洋环境立体监测网的建设；

13) 深海高保真取样技术的研发；

14) 水声探测技术的发展；

15) 深远海数据传输节点和数据传输网络的建设；

16) 海底资源探测和安全网络的建设；

17) 水下定位、通信与自主测量；

18) 建立海洋技术装备标准化体系；

19) 数据共享平台与网络的建设；

……

随着陆地资源的日渐减少，海洋资源的开发利用将会成为未来科技发展的主要发展方向之一，海洋环境监测技术的发展，不仅能够为保护海洋环境、预警预报海洋灾害提供重要支持，同时对海洋资源的开发利用具有重要支撑作用，其发展也势必与海洋资源开发的步调相一致，从近海向深海发展。目前针对深海海洋环境的监测仍有很多技术壁垒，这需要多学科共同协作，也需要人们将更多的人力、物力、财力投向广阔的海洋。

本文摘编自《海洋环境分析监测技术》（陈令新等编著. 北京：科学出版社，2018. 5）一书“第14章海洋环境分析监测展望与挑战”，有删减，标题为编者所加。

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ISBN 978-7-03-054684-5

责任编辑：周杰

《海洋环境分析监测技术》系统介绍了海洋环境分析监测领域的相关仪器、方法、技术及发展动态。全书主要包括七个部分：对海洋环境监测的定义、对象、类型和发展趋势进行概述；介绍海洋常规环境，包括针对水文气象、营养盐和叶绿素等的监测技术；介绍海洋典型污染物，包括针对典型重金属、有机物、赤潮毒素和油类的分析监测技术；介绍环境总毒性的生物可视化分析与新型污染物分析监测技术；介绍现代海洋环境立体监测体系的构成与平台，包括立体监测集成系统的基本组成，多元化的监测平台及数据与信息服务网络建设等，以及国内外生态环境立体监测系统；介绍海洋环境业务化的分析监测方案；针对我国未来海洋环境分析监测所面临的挑战，给出了相应的解决思路和建议。

—END—信息来源：科学出版社刘四旦转载请注明信息来源及海洋知圈编排

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