國際海底觀測網絡的發展及現狀

李德威,丁忠軍,景春雷,史先鵬,楊雷,李寶鋼

(1.國家深?；毓芾碇行?青島 266237;2.哈爾濱工程大學船舶工程學院 哈爾濱 150001)

海洋覆蓋地球表面積70.8%的區域,對地球環境有著非常廣泛的影響[1-2],了解海洋及其內部的物理、生物、化學和地質系統是人類研究、探索海洋,開發和利用海底資源并最終認知地球、預測地球發展的重要基礎,同時也是全球經濟越來越依靠海洋的必然選擇[3-4]。

海底觀測系統作為探索和研究海洋的最重要手段之一,通過對海洋乃至海底的動力參數、構造參數和溫鹽深、溶解氧等物理、化學和生物量一系列觀測,為研究高緯度深海對流、海底地震、熱液口地區的熱液活動和生物量變化等多種多樣的、相互關聯的過程提供新的機會。同時,也在海底生物資源、礦產資源勘探和記錄人類活動給海洋帶來的影響等方面有著不可替代的作用。

1 海底觀測系統在科學中的應用

了解海洋和地球需要在變化發生時記錄和調查整個過程,海底觀測站的出現為某個位置長時間序列多種可變參數的采集提供了可能,而這種長期的、多學科的數據集為改變傳統方法,給研究地球物理、物理海洋和海洋生物等科學問題帶來了極大的推動力[5-7]。如:地球結構和大洋巖石圈動力學、海岸動力學和生態系統、紊流混合和生物物理的相互作用、海洋地殼的流體和生命、海洋、氣候和生物地球化學循環等。

2 海底觀測網絡的發展歷程

從1960年安裝用于核爆炸和定位的地震觀測站開始,伴隨著海洋對板塊構造起關鍵作用這一理論被現代海洋學廣泛的接受,以及1970年開始的微電子和計算機科學的發展,地震學逐漸成為地球物理學的一個重要分支。也是從那時開始,通過建立海底觀測站、觀測鏈和觀測網,世界上各個國家開始海洋地球科學的探測和研究。幾十年來,海底觀測這一方式已經被應用于除地震監測之外的熱液現象、海嘯預報、海洋環境變化、全球氣候、地球動力學等科學研究和監測。

2.1 美國

美國國家科學基金會(NSF)在過去幾十年里資助了許多利用新型接駁技術和光纖電纜通信協議的試驗性小型海底觀測站,并且通過這些觀測站發展了海底觀測網絡的相關技術。

1996年,長期環境觀測站(LEO-15)率先推出海底接駁盒的概念,主要目標是通過發展實時能力用于近海的快速環境評估和物理學/生物學預測[8]。隨后相繼建設了:蒙特利灣海底地震試驗網MOISE,通過在圣安地列斯斷層西側安裝和布放地球物理學和海洋學的儀器設備來推進全球海底觀測系統的發展[9];夏威夷海底火山觀測網HUGO,是世界上第一個海底火山觀測網絡,主要用于監測地震、火山噴發和其他海底地質活動;夏威夷-2觀測站(H2O),是世界上第一個海底地震觀測網絡系統;Ne MO,該觀測鏈位于距離美國俄勒岡州海岸402 km,海面下方1 520 m處的Axial火山,并且將成為“海王星”海底觀測網的一部分;馬薩葡萄園島海岸帶觀測網MVCO是在馬撒葡萄園島南岸建造的用于監測沿岸大氣和海洋狀況的沿岸觀測系統;蒙特利海底寬帶觀測站(MOBB)通過持續遙測連接到岸臺,使MOBB成為伯克利數字地震網絡(BDSN)的一部分,促成北加州實時地震監測系統的實現。以上觀測系統的建設為海底觀測計劃(OOI)的提出和實施奠定了重要的基礎。

2.2 日本

日本從1970年開始進行基于海底電纜的地震監測,1996年地震研究推進總部建議在5個海域安裝基于海底電纜的地震觀測系統以加強地震監測。目前為止,已經有8條科學海底電纜[10],其中2條歸日本氣象廳(JMA)、2條歸東京大學地震研究學院(ERI)、1條歸地球科學和災害預防國家研究所(NIED)、3條歸日本海洋科學技術中心(JAMSTEC)。

2003年日本提出了新型實時海底監測網絡(ARENA)方案[11],在日本周邊部署光纖電纜,并將8條科學海底電纜也包括在這個網絡之中。ARENA的主體結構將基于網狀網絡連接海底觀測站和地面電臺,全面運行時,系統將裝備320個觀測節點,總電纜長度達到16 000 km。此外,日本還分別于1997年和1999年利用2條退役的日本-美國海底電纜TPC-1、TPC-2實施了GEO-TOC和VENUS項目[12]。1996—2002年,日本教育部、科技部、體育部和文化部創新科學基金資助的海洋半球網絡計劃(OHP),通過觀測站網絡來研究和建立全新的地球內部結構和動力的概念[13]。

2.3 歐洲

歐盟從20世紀90年代初期開始進行相關的可行性研究,目的在于確認發展海底觀測的科學需要和技術可行性。1995年開始,通過歐洲研究框架計劃(FP計劃)資助了一系列不同規模的項目來發展海底觀測系統。

地球物理學和海洋學深海研究站(GEOSTAR)項目的目的是發展和測試在真正的深海環境下用于長期(1年)多學科綜合監測的單框架海底自治觀測站性能,1998年在拉文納東部40 km處42 m深的亞德里亞海部署了第一個示范性任務,通過440個小時持續運行,證實了整個系統的可靠性。2000—2001年在第勒尼安海南部2 000 m深的區域完成了第一個長期深海觀測任務。

中微子地中海觀測站-海底網絡1(NEMOSN1)是第一個基于GEOSTAR技術的地震和海洋學測量綜合學科的海底觀測網絡,該網絡是歐洲第一個實時海底網絡,也是ESONET和EMSO項目中第一個運行的海底觀測網絡。

長期海床地質災害監測傳感器陣列(ASSEM)是為了在最大1 km2的海床區域內長期監測巖土工程、大地測量和化學參數而發展的海底網絡。2004年節點分別布置在科林斯(Corinth)灣、佩特雷(Patras)灣和芬尼峽(Finneridfjord)灣,同時在Patras灣42 m深的地方布放了用于持續和長期測量海底邊界層海水中氣體濃度的氣體監測模塊。

海洋研究綜合觀測網絡-地球物理學和海洋學深海研究站-3(ORION-GEOSTAR-3)是在地球物理學和海洋學深海研究站(GEOSTAR)項目成果的基礎上繼續發展的海底網絡,在項目的支持下,GEOSTAR海底觀測站、表面浮標和水下科學移動基站都進行了升級,并且增加了能夠通過聲學設備與海底觀測站通信的新觀測點(SN3、SN4),該項目的結果是開辟了用于安全和相對節省成本管理海底觀測站的新視角,以及提高在海底邊界層進程認識綜合方法上的可能性。

歐洲站點(EuroSITES)該網絡于2008年4月正式啟動,目的是整合和增強歐洲附近9個已有的進行多學科研究及物理、生物地球化學和地質各種變量原位觀測的深海觀測站。該網絡是海洋站點(oceanSITES)深海觀測站國際網絡歐洲組成部分,并最終為全球綜合地球觀測系統(GEOSS)提供原位實時的數據。

3 海底觀測網絡的最近進展

進入21世紀以來,隨著無人遙控潛水器(ROV)、無人無纜潛水器(AUV)、通信、能源和傳感器等技術的快速發展,海底觀測系統已經成為國際海洋領域的又一個研究熱點,各海洋強國爭先制定、調整海洋發展戰略計劃和科技政策,在政策、研發和投入等方面給予強力支持,以確保在新一輪海洋競爭中占據先機[14]。

3.1 加拿大海底科學觀測網

加拿大海底科學觀測網(Ocean Networks Canada,ONC)是2007年由維多利亞大學創建的用于發展、運行和管理世界領先的“海王星”海底觀測網(NEPTUNE)與維多利亞海底實驗網(VENUS)的非營利組織,這些觀測站收集了長期的生物、化學、地質和物理海洋數據以支持復雜的海洋和地球進程的研究,并將這些研究成果應用在地震和海嘯、海洋污染、資源開發和海洋管理等方面。

目前,加拿大海底科學觀測網由2個區域性、4個社區性以及7個傳統岸基觀測站組成。超過850 km的海底主干電纜支持這些觀測站,包括750個儀器平臺,7個移動平臺,400套儀器,5 000余個傳感器,在一年當中持續地收集、存檔和分發大量的數據。

“海王星”海底觀測網是全球第一個區域性光纜連接的洋底觀測試驗系統[15],鋪設在胡安·德富卡洋脊到不列顛哥倫比亞海岸帶的板塊區域?！昂Ｍ跣恰焙５子^測網于2009年完成設備安裝,并于同年12月底開始正式運轉。它主要包括6個節點,每個節點各有特征,研究范圍包括:陸海相互作用、物理和近岸物理海洋學、海洋生物地球化學、沉積動力學、海底地震、海洋動物和生物多樣性等。其中:Folger Passage節點位于Barkley sound大陸架,深度17～100 m,主要研究目標為沿岸地區的物理海洋學、浮游植物、浮游動物和魚類、海洋哺乳動物;Barkley Canyon節點位于shelf/slope break海底峽谷,深度400～653 m,主要研究目標為天然氣水合物及相關的生態系統、沉積物的沉淀和運動,以及它們對魚類和海洋生態系統的影響;Middle Valley節點位于胡安·德富卡洋脊北部深2 400 m的地震活躍區域,主要研究板塊構造、深海熱液口生態系統、海洋/氣候動態、氣候變化影響;Endeavour節點位于2 300 m的大洋中脊,主要研究深海生態系統、熱液口系統和板塊構造、地震與火山運動。

維多利亞海底實驗網是世界上首個運行的可實時監測的海岸帶海底光纖觀測網,通過互聯網、電纜網絡和儀器能夠提供實時海底生物、海洋和地址數據[16-17]。整個系統包括6個儀器平臺、3個中心節點、3個東部節點等,支持水流和海洋混合、魚類和海洋哺乳動物等研究。

3.2 海底觀測計劃

海底觀測計劃(Ocean Observatories Initiative,OOI)是一套由科學驅動平臺和傳感器系統組成的用于觀察和測量海面到海底的生物、化學、地質、物理海洋等信息的海洋研究集成觀測網。該網絡作為海洋研究交互觀測網絡(ORION)計劃的一部分,是為了提供一種擁有全新的、持續的、交互式海洋科學觀察能力的整體物理氣象平臺[18]。近岸/全球網絡節點(CGSN)和區域網絡節點(RSN)是組成該系統的主要成員[19],海底觀測信息基礎設施是組成OOI的另一個重要成員,它主要負責將近岸/全球網絡節點和區域網絡節點觀測到的結果整合為一體,并深入數據進行驗證、服務、研究等。

近岸/全球網絡節點中全球網(Global Scale Nodes,GSN)的4個節點分別為位于阿拉斯加海灣的Station Papa節點、丹麥格陵蘭島南部的Irminger Sea節點、智利南部的Southern Ocean節點以及阿根廷的Araentine Basin節點。而近岸網(Coastal Scale Nodes,CSN)主要由位于美國東部的太平洋海灣處Pioneer Array節點和美國西部俄勒岡州新港的Endurance Array節點組成。在整個OOI計劃中,現在已經開始建設的是主要用于海洋地震觀測的區域網絡節點(RSN)系統,在東北太平洋鋪設1 000 km左右的海底電纜,包括7個海底觀測主節點和“海王星”海底觀測網一起構成對Juan De Fuca版塊的整體觀測,該系統2011—2012年開展電纜鋪設,2013年開始聯調測試,目前,該系統可為7個主要的科學節點提供高達200 k W功率,240 Gbps的TCP/IP網絡通信能力。

3.3 美國蒙特雷灣加速研究系統項目

美國蒙特雷灣加速研究系統(Monterey Accelerated Research System,MARS)項目開始于2002年,主要目的:①提供方便的深海設施,研究人員可以測試儀器和設備,而這些設備將有可能成為美國海底觀測計劃(OOI)的一部分;② 為研究者提供可能用于世界上其他節點海洋觀測設備的測試;③MARS為研究者提供實驗和收集MARS附近海洋環境獨有的物理、生物、地質和化學數據的機會。

MARS的特點是可通過遙控技術對安裝在該深海觀測平臺上的各種海洋儀器進行控制,系統單個海底節點布放在891 m深的海底,光電混合傳輸電纜總長52 km,傳輸速度為100 Mbits/s,海底的儀器艙大小1.2 m×4.6 m,可提供實時觀測,并且由ROV完成安裝和維護維修。

3.4 地震和海嘯海底觀測密集網絡

作為海洋半臺網計劃(OHP)的延續,地震和海嘯海底觀測密集網絡(Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis,DONET)是日本國立海洋研究開發機構(JAMSTEC)為主要參加單位且最具有代表性的海底觀測網絡計劃。項目2011年完成建設,在日本南海海槽的To-Nankai地區設置,目的是建立海底大尺度實時研究和監測地震、海底地形和海嘯的基礎設施。從2010年開始,日本啟動了DONET2的建設,目的是監測初始網絡西部更大范圍的區域。目前,該觀測站擁有450 km的主干纜線,2個陸基站,7個科學節點以及29個監測站,并且增加2個監測站和2個鉆探監測站與DONET1連接。

3.5 歐洲海洋觀測網

歐洲海洋觀測網(European Sea Observatory NETwork,ESONET)計劃提議開始于2007年3月,其前身是歐洲海洋觀測網第一階段(ESONET CA)和歐洲海洋觀測網實施模型(ESONIM),2007年6月歐洲海洋觀測網卓越網絡計劃(ESONET NOE)啟動,通過鋪設大約5 000 km的海底纜線及相關觀測設備,圍繞歐洲從大陸架到深淵,形成覆蓋300萬km2海底地形的監測,系統通過海底終端接線盒將觀測站與陸地連接起來并利用電纜IP協議為觀測儀器提供能源、實現雙向實時數據遙感勘測從而進行全球變化、自然災害警報等信息的傳送和歐洲海域的基本管理[20-22]。

歐洲多學科海底觀測計劃(European Multidisciplinary Seafloor Observation,EMSO)是歐洲用于長期監測生態系統、氣候變化和地質災害等環境過程海底觀測站的大型基礎設施[23],其觀測范圍從北冰洋延至黑海,目前共有11個深海節點,4個淺水節點。EMSO的節點安裝了大量的傳感器用于探測鹽度、溫度、海流方向與密度、海床運動等參數,部分節點與岸基連接,部分通過衛星自動傳輸。該研究基礎設施將利用科學界和工業的協同優勢,推動海洋技術的重大進步,提升歐洲在海洋科學和技術方面的發展戰略及競爭力,增強歐洲海洋觀測網(ESONET)觀測數據的可獲得性,并且成為全球環境和安全監測(GMES)及全球綜合地球觀測系統(GEOSS)的重要組成部分[24]。

3.6 其他觀測站

3.6.1 ACO

Aloha觀測系統(Aloha Cabled Observatory,ACO)于2011年部署在夏威夷瓦胡島北約100 km的ALOHA站上,是世界上最深的海底觀測站(4 728 m),也是夏威夷長時間序列觀測項目(HOT)的重要節點之一。該觀測站由5個海底模塊連接而成,包括接線盒、觀測站模塊、三腳架相機、底部節點和1個系泊,該站位的傳感器能提供視頻和壓力、鹽度、聲速、溫度等信息。

3.6.2 澳大利亞集成海洋觀測系統

集成海洋觀測系統(Integrated Marine Observing System,IMOS)是澳大利亞建設的用于近岸生物和物理海洋參數長期監測的國家觀測網絡,目前共有7個國家參考站(NRS),每個站點都安裝有原位系泊傳感器,用于營養鹽、微生物、浮游植物、小型浮游動物等環境變量參數的采集。同時,聲學監聽站可提供海洋環境噪聲、水下事件、魚類和哺乳動物、海洋生產等聲音的監測。

4 我國海底觀測網絡的發展展望

近10余年來,我國建設了一批具有代表性的海底觀測網絡或試驗平臺。其中:2009年同濟大學完成中國第一套海底觀測組網技術系統驗收[25],該試驗站由海洋登陸平臺及控制傳輸模塊,以及1.1 km的海底光電復合纜及多種外接儀器等組成;2016年“南海深海海底觀測網試驗系統”建成投入使用,該試驗系統通過150 km海底主干纜線在海底1 800 m深處安裝了多套海洋化學、地球物理和海底動力觀測的平臺與傳感器,用于海洋科學長期測量與監測。

經過50余年的發展,海底觀測技術已經由單一的觀測站發展到可以覆蓋區域性海域的觀測網絡,主要研究目標也由最初的地震檢測發展到對多學科科學研究及全球氣候、海洋災害監測與預警。隨著各國在資金投入和關注程度上的增長,越來越多的新技術應用于海底觀測網絡,為多學科間數據的采集和各種邊緣學科的發展、研究創造了很好的條件。隨著國際間合作的加強,各國的海底觀測網絡已經不再是獨立的系統,而成為各種全球觀測計劃的子系統或一部分。充分借鑒國際各國海底觀測網絡系統建設和運行經驗,未來我國在海底觀測網絡系統建設過程中應加強如下幾方面。

(1)跟蹤國際海洋觀測先進技術,自主創新發展用于深海環境的新型傳感器技術,具備功耗低、穩定性高、接口化等特點,并繼續優化和完善海底接駁、水下濕插拔等關鍵技術。

(2)在海底固定式觀測平臺/網絡基礎上,充分發揮無人遙控潛水器(ROV)、無人無纜潛水器(AUV)、載人潛水器(HOV)等水下運載器在平臺建設、精細化定點作業、數據傳輸等方面的優勢,加強其在海底觀測網絡建設與應用中的信息與技術融合,實現持續穩定的大尺度、長時間的序列觀察。

(3)建設和完善海洋觀測規章制度與標準規范,建立海底觀測網標準化體系,為今后更多新傳感器、新觀測裝備投入使用,以及實現規范化的研制應用提供技術準則,推動更多裝置與國際海底觀測網實現互聯互通。