9.3.1 國外研究進(jìn)展

針對(duì)觀測網(wǎng)的實(shí)質(zhì)性研究和應(yīng)用主要始于21世紀(jì)初，近年來各個(gè)主要發(fā)達(dá)國家均在大力發(fā)展本國的大規(guī)模觀測網(wǎng)，目前國外一些規(guī)模大小不等的觀測網(wǎng)已經(jīng)啟動(dòng)運(yùn)行。從海洋表面或外面的短暫考察，發(fā)展到進(jìn)入海洋內(nèi)部進(jìn)行原位的連續(xù)觀測，代表著海洋科學(xué)在21世紀(jì)里的根本變革。1999年和2009年，先后舉行了兩次“海洋觀測國際大會(huì)”（Ocean Obs' 99和Ocean Obs'09）交流海洋觀測的科學(xué)和技術(shù)。第一次有30個(gè)國家350位專家參加，會(huì)后發(fā)表了“大洋觀測新時(shí)期”的報(bào)告；第二次有36個(gè)國家600多位專家參加，出版了會(huì)議文集和會(huì)議總結(jié)“大洋信息為社會(huì)服務(wù)：使利益持久，讓潛力兌現(xiàn)”（Fischer et al.，2010）。世紀(jì)之交，美國科學(xué)基金會(huì)發(fā)起組織了“十年委員會(huì)”，目的是評(píng)估“未來十年里發(fā)現(xiàn)和認(rèn)識(shí)海洋科學(xué)最重要和最有希望的機(jī)會(huì)”?！笆晡瘑T會(huì)”在廣泛征求2000多位科學(xué)家的意見最終形成了《新千年的海洋科學(xué)》，特別突出了建設(shè)“長期海洋觀測網(wǎng)”的必要性，認(rèn)為幾乎每一項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)的實(shí)施都含有對(duì)長期觀測的需求，認(rèn)為缺乏對(duì)海洋廣泛分布、相對(duì)連續(xù)的長序列觀測，是我們理解大洋和全球氣候的長期趨勢和周期變化最主要的障礙之一，也是對(duì)我們理解地震、火山爆發(fā)和海底滑坡等突發(fā)事件的最主要障礙之一。20世紀(jì)末，在美國總統(tǒng)的直接參與下，美國聯(lián)邦政府和地方政府、軍界、科技教育界、企業(yè)界廣泛合作，制定了一項(xiàng)面向21世紀(jì)的海洋觀測網(wǎng)計(jì)劃。在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，形成了一份題為《美國建立一個(gè)永久性集成化海洋觀測網(wǎng)的計(jì)劃》的建議報(bào)告，該建議報(bào)告獲國會(huì)批準(zhǔn)并已付諸實(shí)施。

觀測網(wǎng)出現(xiàn)之前，科學(xué)家對(duì)深海的觀測手段除了船基調(diào)查外，主要依靠深海定點(diǎn)錨系。觀測網(wǎng)的前身是海底觀測站，均建設(shè)于20世紀(jì)末，主要有美國的長期生態(tài)觀測站（Long-term Ecosystem Observatory at 15 meters，LEO-15；Schofield，2002）、夏威夷水下地學(xué)觀測站（Hawaii Undersea Geo-Observatory，HUGO；Duennebier，2002）、夏威夷2號(hào)觀測站（Hawaii-2 Observatory，H2O；Petitt，2002）、馬薩葡萄園島海岸觀測站（Martha's Vine-yard Coastal Observatory，MVCO；Austin，2002）等。相對(duì)觀測網(wǎng)，觀測站的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較簡單，為封閉式設(shè)計(jì)、供電能力和通信帶寬極為有限，因此只能支持少量低功耗傳感器，使得其功能較為單一，靈活性和擴(kuò)展性較差。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，海底觀測站逐漸發(fā)展為小規(guī)模觀測網(wǎng)，比較典型的有美國MARS （Massion，2006）、加拿大維多利亞海底試驗(yàn)網(wǎng)（Victoria Experimental Network Underthe Sea，VENUS；Dewey，2007）和美國ALOHA觀測網(wǎng)（Howe，2015）。除了自身的科學(xué)目標(biāo)以外，這些小規(guī)模觀測網(wǎng)也是大規(guī)模觀測網(wǎng)組網(wǎng)設(shè)備的試驗(yàn)場所。由美國蒙特雷灣海洋研究所負(fù)責(zé)管理的MARS觀測網(wǎng)如圖9-19所示，其主纜長約52km，具有一個(gè)帶8個(gè)濕插拔接口的海底主基站，布放點(diǎn)水深約為891m，采用-8k VDC左右電壓源供電，最大輸出功率為9k W，數(shù)據(jù)通信總帶寬為1Gb/s，每個(gè)接口可提供375V或48V直流電和100Mb/s通信帶寬，于2009年開始運(yùn)行（Massion，2006）。加拿大維多利亞大學(xué)負(fù)責(zé)管理的VENUS有兩條獨(dú)立的海纜：一條海纜長約3km，采用-400VDC左右電壓源供電，通信總帶寬為1Gb/s，只有一個(gè)水深95m處的海底主基站，于2006年開始運(yùn)行；另一條海纜長約40km，采用-1.2k VDC左右電壓源供電，通信總帶寬為1Gb/s，擁有分別在水深175m和300m處的兩個(gè)海底主基站，于2008年開始運(yùn)行。美國夏威夷大學(xué)負(fù)責(zé)管理的ALOHA觀測網(wǎng)位于Oahu島北部100km處，水深4800m，于2011年開始運(yùn)行。由于ALOHA觀測網(wǎng)采用的退役海纜內(nèi)含有需恒流供電的光中繼器，因此其采用該中繼器允許的、較其正常工作電流稍高的1.6A恒流源供電，可提供約1200W總電能和100Mb/s通信帶寬（Howe，2015）。加拿大維多利亞大學(xué)負(fù)責(zé)管理的VENUS觀測網(wǎng)如圖9-20所示。其位于溫哥華島南端，包含兩條獨(dú)立的海纜：一條海纜長約3km，具有水深95m的單節(jié)點(diǎn)，位于Saanich灣，輸電電壓為-400VDC；一條海纜長約40km，位于Georgia海峽，具有水深分別為175m和300m的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，輸電電壓為-1.2k VDC。通信帶寬為1Gbps，于2008年開始運(yùn)行。ALOHA觀測網(wǎng)于2002年獲得美國NSF資助，于2011年6月將設(shè)備布放至4728m深海。其采用1.6A恒流供電，目前海底負(fù)載為1280W，供電電壓800V。電流型變換器在恒功率模式下不穩(wěn)定，因此需要安裝主動(dòng)電流旁路裝置來消耗多余的電能，從而保持輸電穩(wěn)定，可見這種恒流模式的電能損耗較大。

圖9-19 典型的小規(guī)模 觀 測 網(wǎng) （www. mbari.org/mars）

圖9-20 加拿大NEPTUNE觀測網(wǎng)示意圖（www.oceannet-works.ca）

目前世界上已初步建成的較大規(guī)模觀測網(wǎng)主要有三個(gè)：加拿大西北太平洋時(shí)間序列觀測網(wǎng)（North-East Pacific Time-Series Underwater Networked Experiment，NEPTUNE；Barnes，2013）、美國海洋觀測計(jì)劃（Ocean Observatory Initiative，OOI）的區(qū)域網(wǎng)部分（Cowles，2010）和日本地震海嘯密集海底網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis，DONET；Kaneda，2010）。此外，日本海溝海底地震海嘯觀測網(wǎng)（Seafloor observation network for earthquakes and tsunamis along the Japan Trench， Snet）即將建成（Kanazawa，2013），歐洲多學(xué)科觀測網(wǎng)（European Multidisciplinary Seafloor Observatory，EMSO）也正在建設(shè)中（Person，2015）。其中，美國OOI區(qū)域網(wǎng)早期和NEP-TUNECanada統(tǒng)稱為NEPTUNE觀測網(wǎng)，原計(jì)劃用數(shù)千千米的光電復(fù)合通信海纜，覆蓋北美太平洋岸外的整個(gè)胡安·德富卡板塊，將數(shù)千個(gè)海底觀測設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，對(duì)水層、海底和地殼進(jìn)行長期實(shí)時(shí)觀測（Delaney，2000）。

加拿大NEPTUNE觀測網(wǎng)位于胡安·德富卡板塊北部，其示意圖見圖9-20，于2009年正式啟用，其具體科學(xué)命題有板塊動(dòng)力學(xué)、氣候變化、海洋生產(chǎn)力、海洋資源、突發(fā)事件和自然災(zāi)害等。NEPTUNE觀測網(wǎng)的海纜長度約為920km（主干纜約800km、分支纜約120km），觀測范圍從水下17m至2660m，將科學(xué)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳回陸地后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，并向公網(wǎng)發(fā)布，其數(shù)據(jù)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)均在Web2.0環(huán)境下開發(fā)。為提高供電和通信的可靠性，NEPTUNE觀測網(wǎng)設(shè)計(jì)為環(huán)型拓?fù)?，采用最?10k VDC電壓源供電，通信總帶寬為10Gb/s。NEPTUNE觀測網(wǎng)現(xiàn)有5個(gè)海底主基站，可至少再擴(kuò)展5個(gè)海底主基站（包括Mid-dle Valley），每個(gè)海底主基站可提供的最大功率約為9k W，并擁有6個(gè)儀器平臺(tái)接口（Barnes，2015；圖9-21，圖9-22）。

圖9-21 NEPTUNE觀測網(wǎng)的電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

美國OOI觀測網(wǎng)位于胡安·德富卡板塊中南部，其示意圖見圖9-23（a），可分為區(qū)域網(wǎng) （RSN）、近岸網(wǎng)（CSN）和全球網(wǎng)（GSN）三大部分，用于長期高分辨率地觀測關(guān)鍵海洋參數(shù)，其主要科學(xué)主題是海氣交換、氣候變化、大洋循環(huán)、生態(tài)系統(tǒng)、湍流混合、水巖反應(yīng)、洋中脊的各種過程、地球內(nèi)部構(gòu)造和地球動(dòng)力學(xué)等（Delaney， 2015）。其中，CSN和GSN主要采用錨系和水下機(jī)器人等觀測工具，而RSN為觀測網(wǎng)，是OOI中技術(shù)難度最大的部分。由于經(jīng)費(fèi)暫時(shí)縮減，RSN的結(jié)線方式從網(wǎng)型、環(huán)形直至當(dāng)前的鏈形，海底節(jié)點(diǎn)數(shù)隨之減少，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨之簡化，待未來不斷擴(kuò)展。現(xiàn)階段RSN總長約為900km，將采用最高-10k VDC電壓源供電，通信總帶寬為10Gb/s至40Gb/s，共在3000m水深范圍內(nèi)布設(shè)7個(gè)海底主基站，每個(gè)海底主基站可提供的最大功率為8k W，其示意圖如圖9-23（b）所示。RSN的主干海纜分成兩條：一條經(jīng)過中板塊通到主軸火山節(jié)點(diǎn)；另一條通過水合物區(qū)連接俄勒岡長久陣列。

圖9-22 NEPTUNE觀測網(wǎng)的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖9-23 美國OOI觀測網(wǎng)示意圖（www. oceanleadership.org）

（a）總體組成；（b）區(qū)域網(wǎng)部分

2003年，日本海洋科技界提出建造大規(guī)模的先進(jìn)實(shí)時(shí)海底區(qū)域監(jiān)測網(wǎng)（Advanced Real-time Earth monitoring Network in the Area，ARENA），計(jì)劃采用網(wǎng)型拓?fù)涓采w整個(gè)日本周圍海域，海纜長達(dá)3600km，每50km布放1個(gè)海底主基站，共有4個(gè)海岸基站和66個(gè)海底主基站，具有良好的容錯(cuò)能力、可擴(kuò)展性和可維護(hù)性（Shirasaki，2003）。ARENA觀測網(wǎng)甚至計(jì)劃未來延伸至阿留申群島并連接至NEPTUNE觀測網(wǎng)，從中國東海延伸至菲律賓海，后因財(cái)政問題被擱置。由于日本處在板塊之交和俯沖帶上的大地震多發(fā)區(qū)，針對(duì)其地理特點(diǎn)凝聚觀測目標(biāo)后，后又提出在日本以南海域分期建造DONET觀測網(wǎng)，主要用于地震、海嘯等自然災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)警。DONET觀測網(wǎng)于2011年完成第一期DONET1，具有1個(gè)海岸基站、5個(gè)海底主基站和20個(gè)觀測節(jié)點(diǎn)，目前第二期DONET2也已基本完成，具有兩個(gè)海岸基站、7個(gè)海底主基站和29個(gè)觀測節(jié)點(diǎn)，并在DONET1上增加了兩個(gè)觀測節(jié)點(diǎn)，如圖9-24（a）所示（Kawaguchi，2015）。由于海底負(fù)荷較為單一，DONET觀測網(wǎng)采用恒流供電，最高供電電壓約為3k V，其觀測節(jié)點(diǎn)之間相距只有15～20km，地震儀、壓力計(jì)等多種儀器分布較為密集，能夠精確監(jiān)測不同程度的地震、海嘯和板塊形變等（Kawaguchi，2015）。此外，2011年東京大地震后，日本立項(xiàng)建設(shè)的S-net觀測網(wǎng)也即將全部建成并投入使用，其具有6個(gè)海岸基站，共150個(gè)相距30～50km的地震海嘯觀測節(jié)點(diǎn)，海纜總長達(dá)5700km，規(guī)模超過原ARENA觀測網(wǎng)，采用DONET類似的組網(wǎng)技術(shù)，如圖9-24（b）所示（Kanazawa，2015）。S-net網(wǎng)由六大系統(tǒng)組成，每個(gè)系統(tǒng)包括800km纜線和25個(gè)觀測站（只有海溝軸外側(cè)系統(tǒng)長達(dá)1600km），觀測站之間南北相距約50km，東西相距約30km，做到每個(gè)M7.5級(jí)的地震源區(qū)有一個(gè)觀測站。每個(gè)觀測網(wǎng)的纜線有兩個(gè)登陸站，可從兩個(gè)方向?yàn)楣怆娎|提供高壓電源和接收信息，其目的是保證當(dāng)纜線發(fā)生故障時(shí)，觀測網(wǎng)仍能繼續(xù)運(yùn)行。每個(gè)觀測站設(shè)有直徑34cm、長226cm的地震儀和海嘯儀，裝在抗腐蝕、耐高壓的鈹銅質(zhì)容器中。測水壓的海嘯儀具有很高的靈敏度，能夠識(shí)別1mm的水位變化。S-net為目前全球規(guī)模最大的海底地震海嘯觀測網(wǎng)，其規(guī)模是現(xiàn)有NEPTUNECanada和OOIRSN等綜合性觀測網(wǎng)的數(shù)倍，但儀器種類單一、個(gè)數(shù)相對(duì)較少，且?guī)缀跬耆珵榉忾]式設(shè)計(jì)，因此其實(shí)際海底總負(fù)荷反而比NEPTUNECanada和OOIRSN要至少小一個(gè)數(shù)量級(jí)。進(jìn)一步的計(jì)劃是與大洋鉆探計(jì)劃（IODP）相結(jié)合，在日本南邊岸外的“南海海溝”完成深鉆，建立井下地球物理觀測站，進(jìn)一步與觀測網(wǎng)相連接。

歐洲的觀測網(wǎng)最初源自高能物理研究，稱為“中微子望遠(yuǎn)鏡”，用于探測和追蹤來自宇宙的中微子。近十年來，主要由意大利地球物理與火山學(xué)研究所圍繞其自治式觀測站GEOSTAR系列推動(dòng)歐洲觀測網(wǎng)的發(fā)展（Favali，2006）。基于GEOSTAR技術(shù)的NEMO-SN1是歐洲第一個(gè)準(zhǔn)觀測網(wǎng)，其通過長約25km的海纜與中微子觀測網(wǎng)NEMO聯(lián)網(wǎng)，而并未連接至陸地（Favali，2006）。21世紀(jì)初歐洲提出的EMSO觀測網(wǎng)計(jì)劃包含十多個(gè)觀測子網(wǎng)，將覆蓋北冰洋、大西洋、地中海和黑海等，其科學(xué)目標(biāo)是監(jiān)測巖石圈、生物圈、水圈以及自然災(zāi)害等（Person，2015）。EMSO觀測網(wǎng)的最大水深超過5000m，初步估計(jì)海纜總長達(dá)5000km以上，其示意圖如圖9-25。因各種原因，EMSO觀測網(wǎng)的進(jìn)展相對(duì)緩慢。

圖9-24 日本防災(zāi)觀測網(wǎng)（Kanazawa，2015）

（a）DONET 觀測網(wǎng)（www.jamstec.go.jp/do-net）；（b）S-net觀測網(wǎng)示意圖（由六大系統(tǒng)150個(gè)站組成）

圖9-25 歐洲EMSO觀測網(wǎng)示意圖（www. emso-eu.org）

9.3.2 國內(nèi)研究進(jìn)展

從2005年起，我國開始注意國外觀測網(wǎng)的進(jìn)展（汪品先，2005）。從“十五”末期開始，同濟(jì)大學(xué)就在國內(nèi)率先提出觀測網(wǎng)的概念和科學(xué)需求，發(fā)表和編輯了大量相關(guān)論文、宣傳資料，并積極與國際上已建成觀測網(wǎng)的單位建立實(shí)質(zhì)性良好合作關(guān)系。此外，同濟(jì)大學(xué)還在校內(nèi)聯(lián)合海洋、電信、機(jī)械、生命和土木等學(xué)院的綜合力量，組建了同濟(jì)大學(xué)海洋科技中心，并在上海市科委的支持下，成立了上海海洋科技研究中心（籌），其目標(biāo)就是實(shí)現(xiàn)科學(xué)和技術(shù)的緊密結(jié)合，積極推動(dòng)觀測網(wǎng)的建設(shè)。2008年和2011年，兩屆觀測網(wǎng)國際研討會(huì)在同濟(jì)大學(xué)召開，交流國際上建設(shè)觀測網(wǎng)的經(jīng)驗(yàn)，探討我國建設(shè)觀測網(wǎng)的方向。2012年，第一屆海底觀測科學(xué)大會(huì)在同濟(jì)大學(xué)召開，交流國內(nèi)外海底觀測的科研成果和經(jīng)驗(yàn)，研討我國觀測網(wǎng)的關(guān)鍵科學(xué)問題和實(shí)施戰(zhàn)略，探索適于我國海域特色和實(shí)際需求的建設(shè)之路。

“十一五”期間，在國家“863”計(jì)劃重點(diǎn)課題的資助下，同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合浙江大學(xué)、上海交通大學(xué)和中國海洋大學(xué)等單位開展了觀測網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)的研究和組網(wǎng)設(shè)備的研制，研制的國內(nèi)首個(gè)海底觀測節(jié)點(diǎn)在美國MARS觀測網(wǎng)上成功進(jìn)行了為期6個(gè)月的深海并網(wǎng)試驗(yàn)（圖9-26；彭曉彤，2011）。此次海試是我國自主研發(fā)海底觀測節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)的首次深海試驗(yàn)，也是嚴(yán)格遵循MARS網(wǎng)接入標(biāo)準(zhǔn)，并在國際觀測網(wǎng)上進(jìn)行的首次實(shí)戰(zhàn)演練，同時(shí)此次試驗(yàn)也是MARS網(wǎng)上首次接入由外方研制關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)及觀測設(shè)備開展的海試（圖9-27）。此次試驗(yàn)的成功使得中國的深海觀測跨出了實(shí)質(zhì)性的第一步，為我國深海觀測網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和下一步觀測試驗(yàn)網(wǎng)的建設(shè)積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)。2009年4月，同濟(jì)大學(xué)建成了我國第一套海底觀測試驗(yàn)系統(tǒng)——東海海底觀測小衢山實(shí)驗(yàn)站，位于洋山國際深水港東南約20km的小衢山島附近，在2010年記錄到智利大地震引發(fā)海嘯對(duì)東海近岸的影響（張艷偉，2011）。該項(xiàng)目的建設(shè)，為我國2009年12月在美國舊金山成為國際海底觀測聯(lián)盟創(chuàng)始國之一打下了基礎(chǔ)。同期，中國科學(xué)院在黃海、東海、西沙和南沙布放了少量長期觀測?。摚?biāo)，在南海布設(shè)了數(shù)十千米長不需高壓電的海底光纖觀測陣列。

觀測網(wǎng)的海底核心組網(wǎng)裝備主要有海底主基站、觀測設(shè)備平臺(tái)和安裝有中繼器/分支器的海纜等。同濟(jì)大學(xué)研制的一種海底主基站和一種觀測設(shè)備平臺(tái)分別如圖9-28和圖9-29所示。其中，海底主基站主要包含海底高壓直流變換器和海底控制與通信系統(tǒng)兩大功能單元，以及包括海纜終端光電分離器、外部負(fù)載濕插拔連接器、接海陰極和防拖網(wǎng)結(jié)構(gòu)等功能模塊；觀測設(shè)備平臺(tái)主要由SIIM和若干科學(xué)傳感器/儀器組成，按實(shí)際科學(xué)需求設(shè)計(jì)的具體形態(tài)多種多樣，滿足接口規(guī)范要求的SIIM之間還可級(jí)聯(lián)來進(jìn)一步擴(kuò)展觀測范圍。海底主基站與儀器平臺(tái)之間以及SIIM與某些獨(dú)立布放的觀測儀器之間，通常采用可通過ROV在海底直接操作的濕插拔連接器進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)相互間供電和通信的接駁，如圖9-30所示。

圖9-26 中國觀測網(wǎng)技術(shù)在美國MARS深海并網(wǎng)試驗(yàn)

圖9-27 我國自主研發(fā)海底觀測節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)的首次深海試驗(yàn)

（a）MARS觀測網(wǎng)配置示意圖；（b）布放前MBARI水池試驗(yàn)；（c）從Western Flyer布放；（d）布放在蒙特雷灣海底

圖9-28 同濟(jì)大學(xué)研制的一種海底主基站

圖9-29 同濟(jì)大學(xué)研制的一種觀測設(shè)備平臺(tái)

圖9-30 一種濕插拔連接器及ROV的海底操作

值得一提的是，我國臺(tái)灣地區(qū)近年提出并已開始建設(shè)媽祖（MArine Cable Hosted Observa-tory，MACHO）觀測網(wǎng)，如圖9-31所示。由于臺(tái)灣位于琉球俯沖帶和馬尼拉俯沖帶之間的環(huán)太平洋地震帶上，將近70%的地震分布在陸地地震網(wǎng)以外的海域中，因此MACHO觀測網(wǎng)的初期目標(biāo)為監(jiān)測外海地震、海底山崩引起的海嘯和緊鄰臺(tái)灣的南沖繩海槽海底火山活動(dòng)，實(shí)現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)，而長期目標(biāo)為監(jiān)測各種海洋要素（Hsu，2007）。MACHO觀測網(wǎng)的一期工程啟動(dòng)于2011年，海纜長約為45km，輸電電壓約為-1k VDC，有一個(gè)位于水深300m處的海底主基站，安裝有寬頻地震儀、短周期地震儀、海嘯計(jì)、鹽溫深儀和水聽器等觀測儀器。未來MACHO觀測網(wǎng)將逐漸延伸海纜至約450km，形成環(huán)型拓?fù)?，并將增加?個(gè)海底主基站。

圖9-31 我國臺(tái)灣地區(qū) MACHO 觀測網(wǎng)（scweb.cwb.gov.tw/macho-web）