Review of estuarine and coastal environmental monitoring technologies
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摘要: 河口海岸为陆海耦合作用敏感地带, 是地球系统科学研究的核心对象. 受全球海平面上升、入海泥沙减少、高强度人类活动的多重影响, 河口海岸环境面临严峻的风险和挑战. 加强河口海岸环境监测技术能力建设是理解河口海岸过程与变化机理、提高对其未来变化认识与预测的首要条件. 基于此, 从河口海岸区位特殊性角度对气象、水文、地形地貌、地质、环境共5个方面综合论述河口海岸环境的监测要素与监测方法. 在对比监测手段的基础上, 提出了当前在极端天气下的监测以及长时间尺度的监测中存在不足, 亟须全面改善.Abstract: Estuaries and coasts are the most sensitive zones in land-sea interaction-these zones have now become the core of earth system science research. In recent years, estuarine and coastal environments are facing serious challenges from rises in both sea level and high-intensity human activities. Strengthening the capacity of estuarine coastal environmental monitoring technology is essential for understanding the process and change mechanisms of the estuarine and coastal environments and improving our prediction of future changes. In this paper, monitoring elements, methods, common instruments, and equipment for estuarine and coastal monitoring are discussed holistically based on five aspects: meteorology, hydrology, topography, geology, and environment. Given the uniqueness of estuarine and coastal locations, we show that current monitoring of extreme weather and long time series data is particularly inadequate and needs to be improved holistically.
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Key words:
- estuary and coast /
- monitoring technologies /
- monitoring indexes
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表 1 常规气象监测技术
Tab. 1 Conventional meteorological monitoring technologies
监测手段 监测载体 监测项目 特点 气象站 自动气象站 环境温度、湿度、露点温度、风速、风向、气压等 单点测量、测量精确、自动化程度高、连续数据 岸基站、海岛测站、
浮标站海洋气象
观测平台海面气温、降水、气压、风速、风向、表面温度、
表面辐射收支等单点测量、测量精确、自动化程度高、连续数据 卫星遥感 气象卫星 温度场、气压场、风场、降水场等 覆盖范围大、时效性强、像元分辨率较低 表 2 极端天气监测技术
Tab. 2 Monitoring technologies for extreme weather
监测对象 监测手段 手段目的 台风 气象卫星 图像、移动路径、降水 地基多普勒天气雷达 风速、气压、移动路径 地面自动气象站 风速、气压、降水 高空探测 移动路径 寒潮 地面自动气象站 温度下降过程 表 3 水文监测技术
Tab. 3 Hydrological monitoring technologies
监测方式 载体 位置 时间长度 观测项目 常用仪器 优点 缺点 水文站点 国家水文站 通常位于岸边 除部分临时站, 大部分为长期站, 持续监测水文指标 水位 水位计 提供长时间序列数据, 监测几乎不受外力影响 数据密度不高, 点位过于固化 流速、流量 转子式流速计 泥沙量 OBS 水质 降水 雨量计 蒸发 蒸发器 定期巡航观测 人工 岸边及人能活动的水深处 短期 波浪、潮汐 浪潮仪 灵活, 一般用于工程需要, 类似临时水文站 活动范围小 流速 声学点流速仪 泥沙量 采水器或OBS 水质 粒度 采泥器、粒度仪 测船 水上 短期 波浪、潮汐 浪潮仪 活动范围大, 数据密度高 受天气影响极大 流速 ADCP 泥沙量 OBS 水质 CTD 粒度 LISST 降水 雨量计 近底三脚架监测 水下近底三脚架 水下 短期 波浪、潮汐 浪潮仪 空间相关性好, 系统姿态稳定, 数据分辨率高 系统姿态难以调整, 数据实时检查难以进行 流速 ADCP 泥沙量 OBS 水质 粒度 LISST 浮标系统 浮标 漂移或锚于海中 长期 波浪 SBE26 提供长时间序列数据, 监测受外力影响小, 监测过程自动化 维护成本高, 损坏难以及时修理 流速 Valeport 泥沙量 OBS 水质 CTD 降水 雨量传感器 卫星遥感 地球卫星 太空 长期但存在时间间隔 流场 微波传感器 覆盖面积大、同步性好 只能反演海表情况, 分辨率低 盐度场 温度 水色传感器 悬沙量 表 4 陆地地形监测技术
Tab. 4 Terrestrial topography monitoring technologies
测量手段 载具平台 常用系统 精度 优点 缺点 普通测量 人工 全站仪系统 厘米级 控制网平差精度较高 耗时耗力较大 RTK系统 测量便捷、快速 精度依赖于GPS信号 航空测量 飞机、无人机 航空摄影测量系统 厘米级 覆盖范围大, 数据细化程度高 受制于天气, 费用昂贵,
数据处理难度高SAR/InSAR系统 LiDAR系统 航天测量 卫星、航天飞机 光学系统 米级 空间分辨率高, 覆盖范围大,
时效性强, 便于海岸线分析无法获取高程信息,
只能获取地面水平信息INSAR系统 几十米 覆盖范围大, 时效性强,
能获取三维信息分辨率与精度较低 表 5 水下地形监测技术
Tab. 5 Underwater topography monitoring technologies
测量方式 常用仪器 精度 适用范围 优点 缺点 人工测量 测深杆、测深锤 受测量环境影响, 精度一般 水草繁茂处, 浅滩 直观 手段原始,
人为影响太大RTK、全站仪 受测量环境影响, 精度一般 受限于RTK与全站仪工作范围,
一般在离岸较近处便捷 有效测量范围较小 声呐测量 单波束测深仪 纠正完成后, 精度较高 水草等遮蔽物较少的水体环境 图像直观, 易于处理 覆盖范围小且单一 多波束测深仪 纠正完成后, 精度较高 水草等遮蔽物较少的水体环境 覆盖范围大, 分辨率高 图像复杂, 数据量庞大,
处理难度高激光测量 蓝、绿波段激光扫描仪 精度较高 海岛测量, 5 m 以下浅滩测量 数据细化程度高 技术成熟度有待论证 机器人测量 水下机器人 精度较高 近岸地区 代替人类, 直观 价格昂贵,
系统稳定性差表 6 地质监测主要指示物及其意义
Tab. 6 Main indicators for geological monitoring and their significance
地质指示物 指示物主要意义 有孔虫 古海温, 海平面上升, 古潮流体系 孢粉 海岸地区古气候 硅藻 现代表层沉积过程, 再造古环境及古海流范围与强弱等 沉积物粒度 基本指示物, 沉积环境, 是其他指示物的对比与补充 沉积物磁性 气候周期特征, 陆源物质注入量及还原作用 贝壳沙堤 古海岸线, 古人类文明遗迹 表 7 测年技术
Tab. 7 Dating technologies
测年技术 常用标志物 放射成因惰性气体方法 K-Ar 和 U-He 铀系方法 230Th/234U、234U/238U、210Pb、226Rn、228Th/228Rn等 宇宙核素方法 3H、3He、10Be、14C、26Al、32Si 粒子径迹方法 裂变径迹、反冲径迹 辐射剂量学方法 热释光法、光释光法、电子自旋共振法 地层学方法 纹泥、树轮、米氏周期、氧同位素、冰心地层、孢粉 古地磁方法 磁性 -
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