海温如何测定

海洋温度是衡量全球气候系统与海洋动力过程的核心参数，其精确测定依赖于多维度技术体系。本文将系统阐述从传统的船舶投放到现代的卫星遥感、从接触式的温深仪到非接触式的红外辐射计等十二种主流测定方法。内容涵盖各类技术的原理、操作方式、优势局限及代表性应用项目，旨在为读者构建一个关于海温测定科学严谨且层次分明的认知框架。

       当我们谈论气候变化、预测台风路径或是研究海洋生态系统时，一个基础而关键的物理量总是被反复提及——海洋温度。它看似只是一个简单的数字，却如同海洋的脉搏，深刻影响着全球的能量平衡、天气模式乃至人类社会的经济活动。那么，科学家们究竟是如何捕捉这片浩瀚水体那细微而多变的温度信号的呢？从最初将温度计沉入海中，到如今通过数万公里外的卫星“感知”海面温度，海温测定技术的发展史，本身就是一部人类探索海洋、认知自然的壮阔史诗。本文将带您深入这片科技的海洋，逐一剖析那些测定海水温度的核心方法与技术。

       一、 传统接触式测量：海洋测温的基石

       在自动化仪器尚未普及的年代，人类依靠最直接的接触方式来获取海水温度数据。这些方法虽然看似原始，但至今仍在某些特定场景下发挥着不可替代的作用，并为现代技术提供了重要的校准基准。

       船舶现场投放测量

       这是历史最为悠久的测量方式。科考船或商船在航行途中，利用颠倒温度计或普通水银温度计，直接测量表层海水温度。操作人员通常会将温度计置于桶中，从海中取水后迅速读数，或通过特定支架将温度计沉入水下数米进行测量。这种方法简单直观，能够获取特定点位精确的瞬时温度。然而，它受人为操作影响大，空间覆盖范围极其有限，且难以获取连续的时间序列数据，更无法触及海洋深层。中国早期的海洋调查，如上世纪中叶的全国海洋综合调查，便大量依赖此种方法积累了大量宝贵的近海基础温度数据。

       抛弃式深温计

       为了快速获取海洋垂直剖面的温度信息，抛弃式深温计应运而生。它是一种小型、一次性使用的探针，通常从移动的船只或飞机上投入海中。探针在下沉过程中，其内置的热敏元件会持续测量温度随深度（通过下降速率估算）的变化，并将数据通过一根细导线实时传回接收设备，或在探针内存储。当探针沉至预定深度或海底后，导线断裂，探针被抛弃。这种方法特别适用于需要快速了解大面积海域温跃层结构的军事或应急调查，例如反潜作战或寻找渔场。它的优势在于部署快捷、成本相对较低，但每个探针只能使用一次，数据为单次剖面，且深度精度受海流影响。

       温盐深剖面仪测量

       如果要论海洋现场调查中精度最高、最权威的温度垂直剖面测量手段，非温盐深剖面仪莫属。这是一种集成了高精度温度、电导率（用于计算盐度）和压力（用于换算深度）传感器的综合性仪器。它通常由电缆悬挂，从科考船上缓慢放入海中，在下放和提升的过程中，以极高的采样频率（每秒数次）连续记录整个水柱的温盐深数据。现代温盐深剖面仪的温度传感器精度可达±0.001摄氏度，能够清晰分辨出海洋中细微的温度梯度变化。它不仅是海洋科学研究获取核心水文数据的标准工具，也是为所有其他遥感或漂流观测设备提供现场“真值”校准的黄金标准。全球各大海洋研究机构，如美国国家海洋和大气管理局、中国自然资源部下属的海洋研究所，其科考船均标配此类设备。

       二、 定点与走航式自动观测：构建海洋监测网络

       为了克服船舶观测离散、间歇的缺点，能够长期、连续、自动记录海洋温度的观测网络逐渐建立起来。这些构成了现代海洋实时监测系统的骨架。

       海洋浮标阵列

       海洋浮标是设立在固定位置的自动化观测平台。其中，锚系浮标通过缆绳和锚固定于海底，浮体部分搭载气象和海洋传感器，可测量海面温度以及通过缆绳上悬挂的传感器链测量不同深度的温度，并通过卫星将数据实时发回陆地。而表面漂流浮标则随波逐流，主要测量海面温度及其移动轨迹。全球最大的浮标观测网络是国际“热带大气海洋计划”阵列，在热带太平洋布设了数十个锚系浮标，对于厄尔尼诺与拉尼娜现象的监测和预报起到了革命性的作用。中国的海洋立体观测网也在东海、南海等关键海域布设了相当数量的业务化浮标，持续为国家海洋预报、防灾减灾提供数据支撑。

       志愿观测船计划

       这是一个巧妙利用现有商业航运资源扩大观测覆盖面的全球性项目。在成千上万的商船、渔船和渡轮上，安装经过标准化的自动气象站和表层海水温度测量设备。这些船只沿着固定的商业航线航行，如同移动的观测站，源源不断地提供航线沿途的海气界面数据。世界气象组织主导的“船舶自动气象站”计划便是其中的典范。它极大地弥补了偏远海域观测资料的匮乏，成本效益极高，数据对于气候研究和天气预报的价值巨大。

       水下无人航行器与滑翔机

       这是海洋观测领域的前沿装备。自主水下航行器和水下滑翔机能够按照预设程序，在水下自主航行数周甚至数月。它们携带温盐深等传感器，沿锯齿形或螺旋形轨迹航行，可获取广阔海域从表层到上千公尺深度的三维温度场数据。尤其适用于对特定海域（如涡旋、锋面）进行高分辨率追踪观测，或进入冰区、危险海域等有人平台难以抵达的区域。例如，在追踪海洋热浪或研究极地冰下海洋环境时，这些智能无人平台正发挥着越来越关键的作用。

       三、 卫星遥感反演：俯瞰全球的“温度之眼”

       若要实现真正意义上的全球覆盖和高时间频率监测，就必须离开海面，从太空进行观测。卫星遥感技术使人类首次能够以“上帝视角”每日审视全球海面温度的整体图景。

       红外辐射计遥感

       这是获取海面温度最主流的卫星遥感技术。其原理是基于物理学中的普朗克定律：任何物体都会向外辐射电磁波，其辐射强度与物体的温度和表面性质有关。卫星上搭载的红外辐射计，通过接收海面在热红外波段（通常为10-12微米）发射的辐射能量，再经过复杂的大气校正算法（主要是消除水汽、二氧化碳等气体的吸收影响），反演得到海面的“皮温”，即海水最表层毫米级深度的温度。美国的“国家海洋和大气管理局”系列卫星、日本的“葵花”系列气象卫星以及中国的“风云”系列气象卫星，都搭载了此类传感器，可提供分辨率从公里级到百米级、时间分辨率从小时到天不等的海面温度产品。其最大优势是覆盖范围极广、数据更新快，是监测中尺度涡旋、上升流、热带气旋下垫面海温的利器。

       微波辐射计遥感

       红外遥感有一个致命弱点：无法穿透云层。浓密的云会阻挡海面发出的红外辐射，导致数据缺失。微波辐射计则提供了解决方案。特定频率的微波（如6-10吉赫兹）对云层的穿透能力较强，能够实现全天候观测。卫星微波辐射计通过接收海面自身发射的微波辐射来反演海面温度。然而，微波信号受海面粗糙度（风浪）和盐度的影响较大，反演精度通常低于红外，空间分辨率也较粗（通常为几十公里）。因此，在实际业务中，常将红外与微波数据融合，以得到既清晰又完整的全球海面温度图像。美国的“先进微波扫描辐射计”和中国的“风云三号”卫星微波载荷都在进行此类观测。

       卫星高度计间接反演

       这是一种较为间接但非常重要的方法。卫星雷达高度计通过精确测量海平面高度，可以反演出海洋上层热含量的变化。因为海水受热会膨胀，导致海平面上升；变冷则收缩，海平面下降。通过长期、精确的海面高度异常数据，结合海洋动力学模型，可以推断出海洋上层大范围的热力状态变化。这对于研究年际尺度气候现象如厄尔尼诺、海洋热含量的长期变化趋势等宏观问题具有不可替代的价值。中法合作的“海洋卫星”以及欧洲空间局的“哨兵”系列卫星均在此领域贡献卓著。

       四、 新兴技术与综合应用

       随着技术进步，一些更新颖的测量方法和更强大的数据应用模式正在不断涌现，推动海温测定向更高精度、更深层次发展。

       声学层析成像技术

       这是一种利用声波探测大范围海洋内部温度结构的地球物理方法。其原理是，声音在海水中的传播速度主要取决于海水的温度和盐度（以温度为主）。在海洋中布设多个声源和接收器，通过精确测量声信号在不同路径上的传播时间，可以反演出声波路径所经过的整个水体的平均温度。这种方法犹如给海洋做“计算机断层扫描”，能够监测数百公里尺度海域上层海洋热含量的整体变化，对于研究大洋环流和气候尺度现象意义重大。著名的“海洋气候声学测温”实验便是该技术的成功应用。

       光纤分布式测温

       这是将先进的光纤传感技术应用于海洋环境监测。将特制的传感光缆布设在海底或系泊于海中，利用光时域反射技术，激光在光纤中传输时，其背向散射光会受光纤所处环境温度的影响。通过解析散射信号，可以实现沿着整根光纤的连续、实时温度测量，空间分辨率可达米级。这项技术特别适合于对海底边界层温度变化、海底热液活动、或水下基础设施（如电缆、管道）周边环境进行高密度、长距离的连续监测，是未来智慧海洋观测的潜在关键技术之一。

       海洋动物遥测标签

       科学家们巧妙地利用海洋动物作为移动观测平台。在鲸、海豹、海龟、金枪鱼等大型海洋动物身上安装生物遥测标签，这些标签不仅可以记录动物的位置和深度，还集成了微型温度传感器。当动物在海洋中游弋、觅食、下潜时，就无意中完成了一次次海洋温度剖面的测量。这些数据尤其宝贵，因为它们来自人类船只或仪器难以常年抵达的区域，如冰缘区、偏远海域或特定水层，为理解动物栖息地环境及其与海洋物理过程的关系提供了独特视角。

       数据同化与再分析产品

       单一来源的数据总有局限。现代海洋学的重大进展之一，便是通过数据同化技术，将上述所有来源的、不同时空分辨率和精度的海温观测数据（卫星、浮标、船舶、漂流器等），融合进一个数值海洋模型中。模型在物理规律的约束下，对这些多源观测数据进行最优整合、插补和校正，最终生成一套时空连续、物理一致、覆盖全球的网格化海温数据集，即“再分析产品”。例如，欧洲中期天气预报中心的“海洋再分析系统”和美国“全球数据同化系统”提供的产品，已经成为气候研究、海洋预报和各类应用中最权威、使用最广泛的海温背景场数据。它们代表了当前人类对全球海洋温度状态最全面、最系统的认知。

       五、 精度挑战与未来展望

       尽管技术繁多，但追求更高精度和更深理解的道路永无止境。海温测定仍面临一系列挑战。

       测量不确定性与校准

       不同方法测量的是不同意义上的“温度”。现场仪器测量的是某一点位、某一深度的水温；红外卫星测得的是海面“皮温”；而微波卫星测得的是表层约一毫米内的平均温度。这些差异本身就带来了比较和融合的复杂性。此外，任何传感器都存在漂移和误差，必须通过严格的、周期性的现场比测来校准。例如，全球性的“海面温度现场观测小组”便致力于协调各方，利用高精度的温盐深剖面仪数据对卫星海面温度产品进行持续验证和偏差校正，这是确保长期气候数据记录一致性的生命线。

       次表层与深海测温

       目前，卫星遥感只能感知海面，而海洋绝大部分的热量储存在表层以下。获取全球海洋次表层乃至深海的温度数据，仍然极度依赖昂贵的现场观测设备（如温盐深剖面仪、浮标、滑翔机）。尽管国际“深海系泊阵列”和“全球海洋漂流浮标计划”等正在努力增加深海观测的覆盖，但相对于广袤的深海，数据依然稀疏。发展低成本、长续航、智能组网的深海剖面观测技术，是未来亟待突破的方向。

       高分辨率与快速响应需求

       无论是研究尺度仅几公里至几十公里的中尺度涡旋、锋面，还是监测突发性的海洋热浪、赤潮等生态灾害，亦或是为高分辨率区域海洋和气候模式提供初始场，都对海温数据的空间分辨率和更新频率提出了更高要求。发展更高空间分辨率（亚公里级）和更高时间分辨率（小时级）的卫星传感器，以及部署更密集的现场观测网络（如“物联网海洋”概念），是应对这些精细化需求的必然趋势。

       

       从一根简单的温度计到翱翔太空的卫星，从单点的手工测量到全球网格化的数据同化产品，海温测定技术的发展，浓缩了人类海洋观测能力的巨大飞跃。今天，我们拥有的已不是单一的技术，而是一个天基、海基、岸基一体化的立体观测系统。每一种方法都有其独特的优势和适用的尺度，它们相互补充、相互校验，共同编织起一张捕捉海洋温度变化的精密感知网络。正是依靠这张不断进化的网络，我们才能更准确地诊断地球的“体温”，更可靠地预测未来的气候图景，更科学地管理与我们命运休戚相关的蓝色星球。对海温测定技术的每一次深入理解，都是我们迈向“透明海洋”目标坚实的一步。