海洋科學觀測及其技術發展淺析與思考

李慧青，李燕，劉玉，王寧，王強

(國家海洋技術中心 天津 300112)

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海洋科學觀測及其技術發展淺析與思考

李慧青，李燕，劉玉，王寧，王強

(國家海洋技術中心 天津 300112)

文章簡單介紹了歐、美國家的遠、近海海洋科學觀測項目，比較分析了這些項目的發展軌跡，解析了幾個海洋強國海洋科學觀察的投資理念，并試圖發現他們在處理海洋業務化觀察與海洋科學觀測關系方面的傾向性。借鑒海洋強國的理念，提出了提高我國海洋科學觀察效率、理順我國海洋強國建設中海洋科學研究與業務化關系等方面的建議。

海洋科學觀察；海洋業務化觀測；觀測平臺；近海生態

20世紀60年代以后，隨著科學技術的進步，人類開始著手解決長期困擾自己的海洋科學領域的新老問題和假想。除了如何獲取資源這一老問題，人類關注的新問題主要圍繞保護人類開發的這一最后空間，正如1987年美國人總結的[1]：① 在怎樣的獲取食物、能源和礦物資源力度下，不觸怒海洋；② 如何估價和管理近海、專屬經濟區和未來的海岸帶開發；③ 如何保證船只和海上作業人員的安全；④ 如何保護國家利益；⑤ 如何認識并控制某些人類活動。

為了獲得這些知識，人類開始了種種科學觀察，有些觀察得到了確定的知識，并轉換成業務化觀測以及海洋預報，成為海上作業不可缺少的參謀。我國在海洋觀測方面取得了很多成果。例如：建立在科學基礎上的海洋業務化觀測已經基本和國際接軌，向公眾和專業部門發布大量信息產品；物理海洋科學觀測上，我國在南海構建了深海潛標組成的“南海深海潛標觀測網”，為揭示南海深海環流空間結構和演變規律奠定了基礎[2]；在海洋酸化觀測上，已經做了很多嘗試[3]；在海洋地質方面，獲得了可燃冰礦區預測成果[4]。但面對龐大的有待探索的海洋問題，面對手中大量的國外海洋觀測儀器與平臺，要實現海洋強國還任重道遠。

剖析近年來國際上開展的一些近、遠海科學觀測項目，分析項目投資者的投資理念、規模與進程，歸納項目的成果和效益，對我國海洋強國的建設十分有益。

1 美國遠海科學觀測項目

1996年，美國Rutgers大學在離岸9.6 km、水深15 m處建成了第一個有兩個節點的水下遙控觀測站。2000年，美國與加拿大正式簽約，共同建立海王星深海觀測項目[5]。2003年，美國在馬薩諸塞近海又建立了離岸1.5 km、水深12 m的光電纜觀測站MVCO。2006年，加拿大的海王星近海試驗場VENUS正式啟用。2007年，沿著Montery 海灣長達52 km、水深891 m的海底電纜鋪設完成，美國的海王星項目的近海試驗場才算啟動。同年，加拿大已開始向太平洋洋底鋪設第一段800 km光電纜。

2009年，加拿大海王星深海觀測站開始使用。2011年，美國才開始往胡安德富卡板塊鋪設光電纜。從美國建第一個光電纜試驗場到美國正式向深海鋪設光電纜，歷經15年。

海王星項目是美國OOI(Ocean Observatories Initiative)計劃中的一個部分。美國的OOI監測網是國家科學基金會資助項目，不是以觀測海洋、研究海洋為目標，而是以開發觀測海洋用的儀器、平臺、網絡、通信等設施及傳感器為框架的項目，是連通多海域各種平臺的整合項目[6]。在直接接觸海洋的儀器與平臺方面，重點是對兩種平臺的投入：① 新穎的海洋觀測站，提供前所未有的能源和通信方式來運行和管理在固定點上的傳感器，持續時間將數年或數十年，亦即海王星項目。② 移動式海洋觀測系統(主要是滑翔器、剖面浮標、自動水下機器人)。盡管移動式系統能源供應受限，監管實時數據能力也常常受限，但它提供更廣泛的空間與覆蓋面的觀測。而光電纜海底觀測站注重在固定點上獲得高分辨率的時序記錄。這兩種互補的工具在時間上和空間上研究海洋過程是必需的。

21世紀以來，美國在近海試驗場開展了大量儀器與移動平臺性能、水下設施與岸基中心通信的研究，其研究成果大量應用在近海項目上。現在美國哥倫比亞河口環境恢復項目中，滑翔器于2009年開始季節性工作[7]。海洋科學家展望，在 2021 年，將由 480個可遙控的水下滑翔器組成網絡同時對海洋進行剖面監測。

加拿大投入1億加元建成的深海觀測站于2009年起開始了一系列科學研究。已經獲得的研究成果有[8]：① 北極冰融化引起的生態變化；② 海底沉積物生態變化；③ 尸體組織在海水中的變化；④ 可燃冰的動態變化影響因素；⑤ 海底黑煙的熱、化學物質、生物質狀態；⑥ 人類活動對大型海洋動物的影響；⑦ 海底沉積物動力學；⑧ 海嘯預警等。

由此可以看出，加拿大海王星項目是在：① 對大海洋生態開展研究，影響源是現在和未來大自然變化以及人類干預；② 對人類不易接觸到的海底和海洋地震開展研究。上述項目中，唯有海嘯預警與海洋信息業務化相關。

以上事實表明，在海王星項目上，美國和加拿大的收獲差別是很大的，美國在遠海項目上的成果首先成為保護美國近岸海洋的技術支撐。

2 美國近海科學觀測項目

近海科學觀測與研究一般是短期的(1～5年)，起因往往是人為原因引發了環境問題。美國紐斯河口研究起因是產業污染。哥倫比亞河口研究起因是水利工程對生態環境以及當地鮭魚和鱒魚生存環境的擔憂。

2.1 紐斯河水質管理

北卡羅來納州紐斯河從皮德蒙特高原到帕姆利科灣全長約402 km，為羅萊格地區40萬居民提供飲用水，其河口也是具有商業價值的魚類和貝類生物育嬰園。一些水上運動，如皮船和帆船以及其他形式的旅游活動都是該河口地區經濟增長的引擎。

多年來，北卡羅來納州海岸平原許多大型飼養場排出的數百萬噸糞便給整個紐斯河流域帶來嚴重的氮、磷和氨營養負荷，使魚類大面積死亡，污染物也導致有毒赤潮藻種的滋生。

沒有完善規劃和管理的開發項目產生大量泥沙徑流，造成河水水質退化，鋪路范圍的擴大使得暴雨過后大量污染物徑流加大，新的工程建設也會破壞或完全摧毀有生命力的濕地以及河邊保護性的緩沖地帶。1995年紐斯河被評為全美最危險的河流之一。

正式治理紐斯河始于2007年夏天。自此時，北卡羅來納州開始執行排污許可證NCDWQ制度，8月終止了大型飼養場。2008年又對2007年發放的排污許可證進行重新審查。

為配合排污許可證制度運行的有效性，為建立紐斯河半咸水質模型，北卡羅來納州研究機構一直維持著河水水質監測[9]。自動在線剖面監測是29個河心監測，監測參數是溶解氧、pH、溫度、鹽度，其他參數是在自動監測點取樣，以每周或每月取1次的周期，在船上或實驗室分析。除定點水質監測外，這區域還設有隨機點取樣分析監測活動。

2.2 哥倫比亞河口生態系統恢復

自20世紀30年代起，美國陸軍工程師團建設并運行哥倫比亞河及斯內克河下游的8座梯級水電站，這些水電站通過各種工程措施維持魚類洄游通道。但近20年來，環保主義者不斷要求拆除斯內克河下游的4座大壩，爭論波及全美。美國政府最終拒絕拆壩，但成立了哥倫比亞河口生態系統恢復項目[10]，項目主要包括5個方面的目標：① 理解影響生態系統的主要控制因素，比如水利工程對濕地生態系統的影響；② 保護和恢復影響生態系統結構和功能的因素，比如重建濕地區域與主航道的連通性；③ 增加生態系統結構的穩定性，比如清除入侵物種以及恢復受威脅的鹽沼濕地；④ 維護和增強系統過程，比如重建食物網；⑤ 增強鮭魚的生態系統功能。

保障完成上述目標的科學依據是美國國家衛生基金會科技研究中心資助的項目——沿海地區監測與預測(Coastal Margin Observation Prediction， COMP)[11]。

這一項目的核心監測部分除了衛星遙感，還包括：21個固定監測點，主要測量水文氣象參數；1個滑翔器艦隊，測量鹽度、溫度、溶解氧、有色溶解有機物、葉綠素和后散射系數等；1個自主潛水器艦隊，測量水流和CTD。固定自動生態監測指標有：鹽度、溫度、濁度、壓力、葉綠素、有色溶解有機物、溶解氧、熒光、硝酸鹽。近年來，部分站點加入二氧化碳分壓的測量。定期取樣監測的項目有：營養鹽、總磷、總氮、總溶解磷、總溶解氮、顆粒有機碳、顆粒有機氮等。同時，還在各魚道上實時監測魚通過魚道的情況，記錄過魚的數量，為分析過魚效果、改進過魚設施提供了重要信息。

環境監測分析得到的生態描述與鮭魚等魚類的生存狀態進行比較，發現對魚類影響較大的生態環境因素，為保護鮭魚棲息地、水資源利用管理、改善航道等提供依據。

美國近海研究的重要目的之一是建立近海生態模型，以期將來對生態狀況的預報能像水文氣象預報那樣及時準確。COMP項目中，有個SATURN(Science and Technology University Research Network)團隊，他們的工作之一是建立一個虛擬的哥倫比亞河的可視化系統[12]，一個半描述性的建模環境，可實現：① 綜合描述環流情況，一旦發生污染事件，可及時預測污染物擴散帶漂流方位；② 選擇性描述河口的生態狀況。現在已經可以看到近期鹽度預報。紐斯河網頁上可以看到近實時溶解氧、溫度、鹽度數據，目前還沒有預報信息。

3 歐洲的志愿船(FerryBox)項目

從促進科學發展的第五框架計劃開始至現在的第七框架計劃，歐盟一直投資于海洋信息的一體化整合。歐盟的歐洲海洋生態觀測站(European Marine Ecosystem Observatory，EMECO)系統是一個海洋信息聯合體[13]，幾乎所有的航空、航天、海基數據都匯總在這里，并提供業務化產品，為科學研究和研發更多的業務化產品提供服務。

歐洲的內海與外海連接著好幾個國家，若使用美國所用的滑翔器或AUV監測大片海域的生態狀況，最起碼會引起竊取他國海底信息的嫌疑。使用商業化的船只進行監測是一種各個國家都可以接受的方式。

FerryBox是一種安裝在船上的自動化監測系統。2000年前的船上觀測系統大都是水文氣象參數，有極少部分行業(主要在歐洲漁業)在船上安裝浮游植物取樣器對沿線的水體進行漁情狀況分析。2000年后，歐盟發展了商業船上的海洋生態多參數自動監測系統[14]。這一系統的優勢：① 可為較復雜耗能的傳感器提供足夠的能源(相比較浮標)，② 傳感器免受風吹雨淋鹽侵；③ 船到港口后得到維護，降低維護成本。④ 可得到斷面信息，而浮標僅得到點的信息。以上特點可以總結為一句話：低成本得到大量數據。經過多年的實踐，FerryBox已經有了很多改動，尤其在生態參數上。今后隨著技術進步還會有進一步的發展。

至今，FerryBox已經顯示了它在科學研究上的價值：① 完善了水體輸運知識，尤其是北海和英吉利海峽的相關數據；② 理順了跨國界營養化和浮游生物生產力的相互關系；③ 成功使用先進技術確定了沉積物在長短期規模上的輸運特點； ④ 有規律的FerryBox數據通過數據通話和校正完善了海洋模型；⑤ 展示了衛星遙感和船載直接監測的互補功能。

歐洲海洋生態觀測站的業務化研發目標之一是未來海洋生態狀況業務化產品，而FerryBox是開發這一產品除衛星數據以外的密度最高、覆蓋最廣的數據源。

4 啟示與思考

4.1 科學觀測與業務化觀測之間的關系

美國和歐洲很多海洋科研重要目標是海洋信息業務化的知識基礎。在實現了水文氣象觀測業務化后，下一個目標就是海洋生態觀測業務化，各種科學研究都在盡可能開發與海洋生態相關的實用產品以及升級信息產品。業務化開發除激勵了海洋過程的理性認識，也刺激了傳感器技術、通信、能源系統、數據管理與儲存、分布系統、計算機模型以及可視化系統上的重大進步。而業務化技術框架也為研究者提供了一個時間上、空間上更為寬廣的研究平臺。顯然，富有生機的業務化發展和海洋科學與技術的發展將會創造一個絢麗的未來。為了實現這一目標，科學觀測項目和業務化項目應在各個階段緊密合作，從啟動到安裝、運行。舉例來說，業務化觀測系統可以是某些新型觀測儀器和平臺的試驗場，某些試驗場將來就是業務化觀測系統的一部分。

業務化觀測系統由觀測平臺和傳感器組成。作為長期觀測工具，要求傳感器具有長期無人值守的耐用性。而很多海洋化學、生物參數的傳感器還很難達到這一要求。歐、美國家不是迎難而上，而是在生態監測的平臺上突破。美國大力發展滑翔器，歐洲大力發展FerryBox，這樣的平臺對無人值守要求不高，卻得到了大面積的生態參數數據。這些大面積數據和取樣調查數據結合起來可能將是未來海洋生態業務化的數據源。

4.2 海洋科學研究發展與觀測技術發展的同步性

在深海觀測技術中，已經顯示了重大意義的技術有：歐洲GEOSTAR海底觀測器、遠海光電纜觀測平臺、潛水器(自動的、載人的)、滑翔器等。發展到現在，潛水器技術從中脫穎而出，已廣泛應用于海洋工程、港口建設、海上石油等經濟領域；可完成水下搜索、探測打撈、深海資源調查、海底管線鋪設、水下考古、電站及水庫大壩檢測等工作；在海軍防務上更得到極大挖掘。水下機器人(ROV)已形成產業規模，國際上ROV的型號已經達250余種，從質量幾千克的小型ROV，到超過20 t的大型ROV，有超過400家廠商提供各種ROV整機、零部件以及服務。在自主水下航行器(AUV)方面，已有多個系列產品面向市場。西屋電氣公司預測，未來10年全世界將有1 144臺AUV需求，樂觀估計市場額將達到38億美元[15]。

作為使用價值較單一的海底觀測工具，無論是單點型的歐洲GEOSTAR[16]，還是區域型光電纜海底觀測站，都一直發展緩慢。日本早年計劃的ARENA至今還未動土，而美國到2011年7月才開始鋪設光電纜。

可見，面對海洋技術，海洋科學的意義再大，研究沒有資金的支撐不行。而海洋技術的商業意義一旦被發現，經濟市場自然將技術提高到新的水平。

其實很多海洋科學研究除了需要高技術，還需要大跨度時間才能有結果。如海洋酸化問題。酸化所產生的效應涉及化學、生物學、地球科學等多個學科領域以及上千物種，而已經評估的物種還不到海洋生物總數的2%。美國并沒有用最新研究手段來開展這方面的項目，而是在2012年10月，由Smithsonian博物館拿出10億美元開始全球海岸生態多樣性和生態系統的研究項目[17]。通過在全球建立 Tennenbaum海洋觀測網，建立生態變化的監測方法標準，揭示海水升溫、酸化、海平面上升等的全球變化是怎樣影響海洋生物多樣性，揭示人類行為對海洋生態的影響。所用工具是傳統的生物收集與分類分析技術，再加入DNA技術。

從大周期上看，海洋科學的進步和海洋技術的進步是同步的。但從小周期上看，二者又不是很同步。

4.3 關于我國海洋強國建設中海洋科學觀測與業務化關系的思考

海洋科學研究首先要為社會、經濟與民眾服務，首要目標是提高其海洋業務化水平。雖然我國在海洋水文氣象方面已經有一定水平了，但還應繼續提高，如發展遠航時獲得實時數據同化技術，為遠航作業保駕護航。我國在海洋生態方面的業務化還沒有起步，這與我國陸地、海上環保實施進程有很大關系。實施環保舉措后，海洋生態業務化研究工作才會變得更有意義，先對環保措施的有效性做出評估，之后逐漸研究與開發業務化系統。在東南亞地區擴展適當的生態監測活動，共享保護本海域重要生物開展的生存規律研究成果，以增加與鄰國之間的友誼。

深海作業技術的可靠性是海洋強國的重要標志。我國應在深海作業工具AUV和滑翔器的研發上進一步加大力度，并增加在生態監測上的應用。

我國海域的地質結構比較穩定，龍卷風幾乎沒有，海嘯發生的幾率也很低，所以我國沒必要追趕歐、美國家來發展遠海光電纜深海觀測平臺。可以建立幾個近海光電纜海底觀測平臺作為試驗場，保持與國際先進水平同步；同時也可以作為觀測平臺，為當地提供海洋信息。

[1] 楊作升，張琦，馮秀麗.《美國全球海洋科學規劃》簡介[J]. 地球科學進展，1989，4(5)：38-42．

[2] 吳立新，陳朝暉. 物理海洋觀測研究的進展與挑戰[J]. 地球科學進展，2013，28(5)：542-551．

[3] 陳立奇，高眾勇，詹力揚，等. 極區海洋對全球氣候變化的快速響應和反饋作用[J]. 應用海洋學學報，2013，32(1)：128-144．

[4] 劉勇健，李彰明，張麗娟，等. 未來新能源可燃冰的成因與環境巖土問題分析[J].廣東工業大學學報，2010，27(3):83-87．

[5] Mediawiki. NEPTUNE[EB/OL].(2014-04-04)[2014-05-27].http://en.wikipedia.org/wiki/NEPTUNE.

[6] Ocean Observatories Initiative. OOI frequently asked questions[EB/OL].[2014-05-27]. http://oceanobservatories.org/about/frequently-asked-questions/#1.

[7] Center for Coastal Margin Observation & Prediction. Glider[EB/OL].[2014-05-27]. http://www.stccmop.org/datamart/observation_network/glider.

[8] Ocean Networks Canada. Science themes[EB/OL].[2014-05-27]．http://www.oceannetworks.ca/science/science-plan/science-themes.

[9] N.C. Department of Environment and Natural Resources. Neuse river water quality monitoring[EB/OL].[2014-05-27]．http://portal.ncdenr.org/web/wq/rrt/wqmonitor/neusedata.

[10] JOHNSON G E，EBBERTS B D，ZELINSKY B D.美國哥倫比亞河下游及河口地區基于生態系統的濕地保護與恢復工作—哥倫比亞河口生態系統恢復工程[J]. 重慶師范大學學報：自然科學版，2012，29(3)：8-15．

[11] Center for Coastal Margin Observation & Prediction. SATURN observation network: endurance stations[EB/OL].[2014-05-27].http://www.stccmop.org/datamart/observation_network.

[12] Center for coastal margin observation & prediction.virtual Columbia river[EB/OL].[2014-05-27].http://www.stccmop.org/datamart/virtualcolumbiariver.

[13] EMECO. Overview of EMECO datatools[EB/OL].[2014-05-27].http://www.emecodata.net/content.php？page_id=61.

[14] Helmholtz-Zentrum Geesthacht Centre for Materials and Coastal Research .Why shall I use a FerryBox？[EB/OL].[2014-05-27].http://www.ferrybox.org/index.html.en.

[15] 朱心科，金翔龍，陶春輝，等. 海洋探測技術與裝備發展探討[J]. 機器人，2013，35(3)：376-384．

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[17] Smithsonian Institution. Smithsonian launches global marine biodiversity project with $10 million donation[EB/OL].(2012-10-25)[2014-05-27].http://newsdesk.si.edu/releases/smithsonian-launches-global-marine-biodiversity-project-10-million-donation.

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