CN111561897B - 一种海冰生长观测系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于极地观测装置技术领域，公开了一种海冰生长观测系统，包括：浮标和海冰观测子系统，浮标被配置为浮在海冰面以上，浮标的外壁设有用于结冰的凹纹；海冰观测子系统包括多组沿竖直方向一一对应的海冰厚度传感器，多组所述海冰厚度传感器间隔地设置在所述浮标的外周。有益效果：通过浮标能够常年漂浮于海上，当温度下降至可结冰条件时，位于凹纹中的海水能够结冰，同时增加海冰结冰时新生海冰与浮标之间的摩擦力，提高海冰生长时的冻结强度，从而可以抵御波浪和海流对浮标冻结的影响，提高浮标在新生海冰生长时的姿态稳定性，提高对新生海冰观测的准确度。

Description

一种海冰生长观测系统

技术领域

本发明涉及极地观测装置技术领域，尤其涉及一种海冰生长观测系统。

背景技术

全球气候变暖在北极显著放大，导致北极海冰储量快速减少，海冰又会导致全球天气气候发生异常效应，这方面的科学研究是目前国际上的一个热点。

北极海冰变化和海-冰-气(冰下上层海水、海冰、冰上底层大气)相互作用是影响北极气候变暖和海冰快速减小的主要因素，其研究需要北极海-冰-气界面多参数长期基础环境数据，由于通常的破冰船为依托的有人值守观测由于破冰船船期的原因主要集中在夏季，观测的时间周期短暂，导致科学家对春季海冰融化以及秋季冻结等关键过程缺乏了解，而这些过程对于了解海冰过程极为关键。同时，国外目前的观测海冰生长的冰浮标，集中在对现有老年海冰的年基生长变化观测，缺少对海水结冻成新生海冰这一物理过程的观测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种海冰生长观测系统，以解决观测对象较为单一，无法实现北极海冰冰下上层海水、海冰、冰上底层大气三个界面的连续集中观测的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种海冰生长观测系统，包括：

浮标，所述浮标被配置为浮在海冰面以上，所述浮标的外壁设有用于结冰的凹纹；

海冰观测子系统，所述海冰观测子系统包括多组沿竖直方向一一对应的海冰厚度传感器，多组所述海冰厚度传感器间隔地设置在所述浮标的外周。

该观测系统通过浮标能够常年漂浮于海上，当温度下降至可结冰条件时，位于凹纹中的海水能够结冰，并且由于设置在凹纹中，增加海冰结冰时新生海冰与浮标之间的摩擦力，提高海冰生长时的冻结强度，从而可以抵御波浪和海流对浮标冻结的影响，提高浮标在新生海冰生长时的姿态稳定性，提高对新生海冰观测的准确度。

作为上述海冰生长观测系统的优选方案，所述凹纹由若干个条形槽形成，且所述条形槽之间交错设置，任意两个交错的所述条形槽之间在交错处连通。条形槽交错形成凹纹，并且交错的条形槽之间在交错处连通，使得凹纹不存在断点，海冰生长于条形槽内时，沿高度生长不会被阻断，从而得到更完整的生长数据。

作为上述海冰生长观测系统的优选方案，所述条形槽相互交错形成若干个菱形的所述凹纹。菱形的凹纹的各边与竖直方向形成一定夹角，能够更好适应从侧向迎来的海浪，减小波浪和海流对浮标冻结的影响、提高浮标在海冰生长时的姿态稳定性、提高海冰观测的准确度。

作为上述海冰生长观测系统的优选方案，单个所述条形槽的宽度为0.5cm-1cm，所述条形槽的深度为2mm-3mm。将条形槽的宽度和深度设置在此范围内，新生海冰生长的姿态最稳定，抵御海浪效果最好。

作为上述海冰生长观测系统的优选方案，所述浮标包括浮力块和电子仓，其中：

所述电子仓包括第一电子仓和第二电子仓，所述第一电子仓的底端同轴连接所述第二电子仓；

所述浮力块环设在所述第二电子仓的顶端外周，所述凹纹设置在所述浮力块的外壁。

作为上述海冰生长观测系统的优选方案，所述第二电子仓内设有电池模组、通讯模块和总控制模块，所述电池模组设置在所述第二电子仓位于所述浮力块的下底面所在平面以下部分,所述通讯模块和所述总控制模块设置在所述第二电子仓位于所述浮力块的下底面所在平面以上部分。

由于冰面以下的温度大于冰面以上的温度，将电池模组设置在第二电子仓位于浮力块的下底面所在平面以下部分，从而为电池模组提供较高的温度环境，避免环境温度过低而损耗电池模组供电效能和供电能力，而通讯模块和总控制模块位于浮力块的下底面所在平面以上部分，能够保证通讯模块位于水面以上，保证通讯效率。

作为上述海冰生长观测系统的优选方案，所述浮力块由玻璃微珠芯材制成，所述浮力块的表面喷涂有聚脲涂层。浮力块受到海冰碰撞时的耐撞击性能获得提高。

作为上述海冰生长观测系统的优选方案，所述浮力块的表面为黄色。将浮力块设置成黄色，使该观测系统在极地具有较好的辨识度。

作为上述海冰生长观测系统的优选方案，多组所述海冰厚度传感器等角间隔地设置在所述浮标的外周。海冰厚度传感器等角间隔设置在浮标的外周从而使整个观测系统更容易受力平衡，在海上不易歪倒。

作为上述海冰生长观测系统的优选方案，共有八组所述海冰厚度传感器。八组海冰厚度传感器等角间隔，并分别对应东、西、南、北、东北、西北、东南、西南八个方向，能够结合风向更好掌握新生海冰的生长状况。

本发明的有益效果：该观测系统通过浮标能够常年漂浮于海上，当温度下降至可结冰条件时，位于凹纹中的海水能够结冰，并且由于设置在凹纹中，增加海冰结冰时新生海冰与浮标之间的摩擦力，提高海冰生长时的冻结强度，从而可以抵御波浪和海流对浮标冻结的影响，提高浮标在新生海冰生长时的姿态稳定性，提高对新生海冰观测的准确度。

附图说明

图1是本发明的具体实施例的海冰生长观测系统的结构示意图；

图2是本发明的具体实施例的海冰生长观测系统的部分结构示意图；

图3是本发明的海冰生长观测系统的另一种凹纹的部分示意图；

图4是本发明的具体实施例的海冰生长观测系统的大气观测子系统的部分结构示意图；

图5是本发明的具体实施例的海冰生长观测系统的上层海洋观测子系统的部分结构示意图。

图中：

100-浮标；100A-凹纹；101-浮力块；102A-第一电子仓；102B-第二电子仓；103-电池模组；104-通讯模块；105-总控制模块；

200-大气观测子系统；201-铱星天线；202-GPS传感器；203-温湿度传感器；204-大气压力传感器；205-气象支架；

300-海冰观测子系统；301-海冰厚度传感器；302-温度链；

400-上层海洋观测子系统；401-上层海洋温盐传感器；402-上层海洋温盐深传感器；403-上层海洋叶绿素传感器；404-上层海洋溶解氧传感器；405-上层海洋观测缆。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

本发明提供一种海冰生长观测系统，如图1-图5所示，该观测系统包括浮标100和海冰观测子系统300。

浮标100为观测系统整体系统浮力，浮标100既可以漂浮在海上，也可以设置在冰面上，如此，当海冰融化，观测系统仍然浮在海面上。海冰观测子系统300设置在浮标100的外周，用于获得新生海冰数据。

同时，浮标100的外壁设有用于结冰的凹纹100A，当温度下降至可结冰条件时，位于凹纹100A中的海水能够结冰，并且由于设置在凹纹100A中，增加海冰结冰时新生海冰与浮标100A之间的摩擦力，提高海冰生长时的冻结强度，从而可以抵御波浪和海流对浮标100冻结的影响，提高浮标100在新生海冰生长时的姿态稳定性，提高对新生海冰观测的准确度。

凹纹100A由若干个条形槽形成，且条形槽之间交错设置，任意两个交错的所述条形槽之间在交错处连通，使得凹纹100A不存在断点，进而海冰生长于条形槽内时，沿高度方向不会被阻断，从而得到更完整的生长数据。

如图1所示，条形槽相互交错形成若干个六边形的凹纹100A。

优选地，如图3所示，条形槽相互交错形成若干个菱形的凹纹100A。菱形的凹纹100A的各边与竖直方向形成一定夹角，能够更好适应从侧向迎来的海浪，减小波浪和海流对浮标100冻结的影响、提高浮标100在海冰生长时的姿态稳定性、提高海冰观测的准确度。

单个所述条形槽的宽度为0.5cm-1cm，条形槽的深度为2mm-3mm。在此范围内，新生海冰生长的姿态最稳定，抵御海浪效果最好。

在本实施例中，海冰生长观测系统还包括大气观测子系统200和上层海洋观测子系统400，从而使该观测系统集成大气、海冰和上层海洋三种观测系统。

大气观测子系统200设置在浮标100的顶部，用于获得冰面以上的大气数据。上层海洋观测子系统400设置在浮标100的底部，且始终位于冰面以下，用于获得上层海水数据。

浮标100包括浮力块101和电子仓，电子仓包括第一电子仓102A和第二电子仓102B，第一电子仓102A的底端同轴连接第二电子仓102B，浮力块101环设在第二电子仓102B的顶端外周，凹纹100A设置在浮力块101的外壁。

在本实施例中，浮力块101由玻璃微珠芯材制成，浮力块101的表面喷涂有聚脲涂层从而提高浮力块101受到海冰碰撞时的耐撞击性能。

优选地，浮力块101的表面为黄色。将浮力块101设置成黄色，使该观测系统在极地和海洋上具有较好的辨识度。

需要说明的是，第一电子仓102A和第二电子仓102B均为圆柱体结构。

在本实施例中，第一电子仓102A的直径大于第二电子仓102B，即电子仓呈上宽下窄的结构。

使用时，浮力块101的下端面呈环形，能够直接放置在冰面上或海面上。例如，可先在冰面挖洞，使第二电子仓102B从冰面的洞伸入至海水中，此时浮力块101并不是浮在水面上而是支撑在冰面上，当冰面融化后，浮力块101能够浮在海水上。

第二电子仓102B内设有电池模组103、通讯模块104和总控制模块105，电池模组103设置在第二电子仓102B位于浮力块101的下底面所在平面以下部分,通讯模块104和总控制模块105设置在第二电子仓102B位于浮力块101的下底面所在平面以上部分。由于冰面以下的温度大于冰面以上的温度，将电池模组103设置在第二电子仓102B位于浮力块101的下底面所在平面以下部分，即冰面以下，从而为电池模组103提供较高的温度环境，避免环境温度过低而损耗电池模组103供电效能和供电能力，而通讯模块104和总控制模块105位于浮力块101的下底面所在平面以上部分，能够保证通讯模块104位于水面以上，保证通讯效率。

大气观测子系统200包括铱星天线201、GPS传感器202、温湿度传感器203、大气压力传感器204和气象支架205，气象支架205具有向不同水平方向延伸的分支结构，在本实施例中，气象支架205具有四个分支结构，铱星天线201、GPS传感器202、温湿度传感器203和大气压力传感器204设置在不同的分支结构上。

需要说明的是，四个分支结构等角间隔90°，从而更好保持大气观测子系统200平衡。

需要说明的是，为了保证通讯质量，可以多设置一个铱星天线201以作备用。

进一步，铱星天线201、GPS传感器202、温湿度传感器203和大气压力传感器204均通过在气象支架205内部走线与总控制模块105相连接，避免线路暴露在外面。

在本实施例中，气象支架205由铝合金材料制成，并且气象支架205的表面经过镀锌阴极保护处理。气象支架205采用铝合金材料从而具有较轻的质量以及较高的力学强度，另外其表面经过镀锌阴极保护处理后能够有效适应-40℃的环境。

海冰观测子系统300包括四组沿竖直方向一一对应的海冰厚度传感器301，四组海冰厚度传感器301间隔地设置在浮标100的外周。

当然，海冰观测子系统300还包括温度链302，每组海冰厚度传感器301对应连接一条温度链302，温度链传感器302用以海冰、海水的温度梯度变化，为海冰生长提供重要动态物理观测数据。并且海冰厚度传感器301和温度链302均通过水密接插件连接在第一电子仓102A。

需要说明的是，海冰观测子系统300设有海冰观测支架，在本实施例中海冰观测支架共有四个并一一对应每组海冰厚度传感器301。

海冰观测支架为空心结构，海冰厚度传感器301和温度链302均通过海冰观测支架内部的管线连接总控制模块105。

优选地，海冰观测支架由7075航空用铝合金材料制成，从而更好适应零下40℃的低温环境。

需要说明的是，四组海冰厚度传感器301等角间隔地设置在浮标100的外周。四组海冰厚度传感器301等角间隔设置在浮标100的外周从而使整个观测系统更容易受力平衡，不容易发生歪倒。

进一步，在另一优选的实施例中，共有八组海冰厚度传感器301。八组海冰厚度传感器301等角间隔，并分别对应东、西、南、北、东北、西北、东南、西南八个方向，能够结合风向更好掌握新生海冰的生长状况。

上层海洋观测子系统400包括上层海洋温盐传感器401、上层海洋温盐深传感器402、上层海洋叶绿素传感器403、上层海洋溶解氧传感器404和上层海洋观测缆405。上层海洋温盐深传感器402设置在所述上层海洋观测缆405的底端，多个上层海洋温盐传感器401、多个上层海洋叶绿素传感器403和多个上层海洋溶解氧传感器404沿上层海洋观测缆405的长度方向设置。

在本实施例中，上层海洋观测子系统400的各传感器通过线缆与第二电子仓102B的水密接插件组连接总控制模块105，以将观测数据传回总控制模块105。

本发明的使用方法如下：

在冰面上时，采用与第二电子仓102B的外径相匹配的冰钻进行钻孔，并清理冰洞内的碎屑；

将铱星天线201、GPS传感器202、温湿度传感器203、大气压力传感器204安装至气象支架205，安装完毕后，将集成后的大气观测子系统200连接在第一电子仓102A的顶部等待下放；

组装上层海洋观测子系统400，组装后，将上层海洋观测子系统400连接至第一电子仓102A的底部；

将浮标100卡在冰洞表面；

继续安装海冰厚度传感器301和温度链302，之后布置到海冰内部；

整理冰面，将其尽量恢复到原来的状态。

在海面上时，先组装大气观测子系统200和上层海洋观测子系统400，最后组装海冰观测子系统300，随后将该海冰生长观测系统置于海水中，等待海水结冰。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种海冰生长观测系统，用于新生冰厚度检测，其特征在于，包括：

浮标（100），所述浮标（100）被配置为浮在海冰面以上，所述浮标（100）的外壁设有用于结冰的凹纹（100A），所述凹纹（100A）由若干个条形槽形成，且所述条形槽之间交错设置，任意两个交错的所述条形槽之间在交错处连通，用于增加海冰结冰时新生海冰与浮标之间的摩擦力，提高海冰生长时的冻结强度；

海冰观测子系统（300），所述海冰观测子系统（300）包括多组沿竖直方向一一对应的海冰厚度传感器（301），多组所述海冰厚度传感器（301）间隔地设置在所述浮标（100）的外周。

2.根据权利要求1所述的海冰生长观测系统，其特征在于，所述条形槽相互交错形成若干个菱形的所述凹纹（100A）。

3.根据权利要求1所述的海冰生长观测系统，其特征在于，单个所述条形槽的宽度为0.5cm-1cm，所述条形槽的深度为2mm-3mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的海冰生长观测系统，其特征在于，所述浮标（100）包括浮力块（101）和电子仓，其中：

所述电子仓包括第一电子仓（102A）和第二电子仓（102B），所述第一电子仓（102A）的底端同轴连接所述第二电子仓（102B）；

所述浮力块（101）环设在所述第二电子仓（102B）的顶端外周，所述凹纹（100A）设置在所述浮力块（101）的外壁。

5.根据权利要求4所述的海冰生长观测系统，其特征在于，所述第二电子仓（102B）内设有电池模组（103）、通讯模块（104）和总控制模块（105），所述电池模组（103）设置在所述第二电子仓（102B）位于所述浮力块（101）的下底面所在平面以下部分,所述通讯模块（104）和所述总控制模块（105）设置在所述第二电子仓（102B）位于所述浮力块（101）的下底面所在平面以上部分。

6.根据权利要求4所述的海冰生长观测系统，其特征在于，所述浮力块（101）由玻璃微珠芯材制成，所述浮力块（101）的表面喷涂有聚脲涂层。

7.根据权利要求4所述的海冰生长观测系统，其特征在于，所述浮力块（101）的表面为黄色。

8.根据权利要求1所述的海冰生长观测系统，其特征在于，多组所述海冰厚度传感器（301）等角间隔地设置在所述浮标（100）的外周。

9.根据权利要求8所述的海冰生长观测系统，其特征在于，共有八组所述海冰厚度传感器（301）。

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