王新怡, 連 展, 李淑江, 魏澤勛

(1. 國家海洋局 第一海洋研究所, 山東 青島 266061; 2. 海洋環(huán)境科學(xué)和數(shù)值模擬國家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266061)

海洋觀測是我們研究和認(rèn)識(shí)海洋現(xiàn)象, 掌握其中內(nèi)在規(guī)律的必不可少的方法和途徑。隨著科技發(fā)展,人類已經(jīng)掌握了各類海洋觀測方法, 但各種方法都有其局限性。衛(wèi)星觀測只能得到海洋表層的數(shù)據(jù)資料; 船舶觀測可以得到較為詳細(xì)的垂向斷面數(shù)據(jù), 但是其空間分辨率極為有限; Argo浮標(biāo)所獲得到的溫鹽數(shù)據(jù)空間分布也僅局限于其經(jīng)過的路徑軌跡, 并且該浮標(biāo)無法進(jìn)入水深小于2 000 m的淺水區(qū)域。

海底纜線(submarine cable)包括通信用電纜、光纜和電力電纜等多種類型。自1850年開始, 世界上第一條海底通信電纜正式鋪設(shè)于英吉利海峽。至今為止, 全球總共鋪設(shè)各類海底纜線總長超過100萬km。海底纜線的大量鋪設(shè)和應(yīng)用使我們可以方便地進(jìn)行電力和信息的傳輸, 同時(shí), 該技術(shù)的迅猛發(fā)展也為海洋觀測提供了一種具有獨(dú)特優(yōu)勢的觀測手段。

基于海底纜線的海洋觀測技術(shù)根本思路為: 通過安裝在海底纜線上的傳感器, 對(duì)于海底纜線所在斷面的海洋海水通量和其他水文特性進(jìn)行觀測。該技術(shù)在研究某一海灣與外海的水交換情況、大洋尺度海洋環(huán)流和海嘯預(yù)警等, 均可以發(fā)揮其觀測時(shí)間長、數(shù)據(jù)連續(xù)性強(qiáng)和綜合花費(fèi)較低的優(yōu)點(diǎn)。

本文將回顧基于海底纜線的海洋觀測技術(shù)發(fā)展歷程, 分析其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn), 并試圖找出隨著技術(shù)的進(jìn)步產(chǎn)生的解決其缺點(diǎn)的合理方法。最后, 本文展望了該技術(shù)在我國的應(yīng)用前景。

1 基于海底纜線的海洋觀測技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

現(xiàn)階段海底纜線根據(jù)作用主要分為通信用電纜、光纜和電力電纜。電力電纜在退役后若保存完好, 則可以很方便地轉(zhuǎn)為科學(xué)觀測; 通信用電纜則不論是否正在工作, 均可以應(yīng)用于本項(xiàng)技術(shù)[1]; 而在海底纜線中所占比例最大的海底光纜, 其外層護(hù)套中包括有連續(xù)的金屬導(dǎo)電結(jié)構(gòu), 本項(xiàng)技術(shù)可借助該護(hù)套開展實(shí)施。

目前在全球范圍內(nèi), 橫跨大洋的海底纜線已經(jīng)較為普遍, 亞洲大陸、美洲大陸和歐洲之間, 均有多條橫跨太平洋和大西洋的海底通信光纜互相連通,其中有許多已經(jīng)應(yīng)用本項(xiàng)技術(shù)在其上搭載了觀測設(shè)備并開展了海洋觀測[2]。

在黑潮和灣流等強(qiáng)流區(qū)均有基于海底纜線的海洋觀測工作開展, 如: 在美國佛羅里達(dá)海峽區(qū)域, 已經(jīng)進(jìn)行了25 a的連續(xù)觀測并取得了很好的數(shù)據(jù)。其通過海底纜線測量的水交換通量可能是全球質(zhì)量最高和時(shí)間最連續(xù)的海洋水交換通量記錄。該項(xiàng)工作應(yīng)用的海底纜線設(shè)置在佛羅里達(dá)沿岸(邁阿密)到巴哈馬之間, 觀測時(shí)間序列從1982年開始。應(yīng)用觀測結(jié)果對(duì)佛羅里達(dá)海流輸運(yùn)進(jìn)行了長時(shí)間的高時(shí)間分辨率結(jié)果分析, 并發(fā)現(xiàn)該輸運(yùn)結(jié)果與北大西洋風(fēng)場年際變化有關(guān)[3]。

自從該項(xiàng)目開始進(jìn)行之后, 隨著時(shí)間的推進(jìn),海洋學(xué)家對(duì)其數(shù)據(jù)一直進(jìn)行著不間斷的研究和驗(yàn)證。針對(duì)該項(xiàng)目所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的相關(guān)研究論文, 陸續(xù)地在世界上具有一定學(xué)術(shù)地位的海洋期刊中進(jìn)行發(fā)表, 時(shí)間跨度自 20世紀(jì) 90年代至近兩年[3-5]。時(shí)間和數(shù)據(jù)結(jié)果證明了基于該技術(shù)的觀測具有真實(shí)可靠的特性, 可提供有效的海水流量數(shù)據(jù)。

Larsen[1]應(yīng)用一條正常運(yùn)行的海底通信電纜, 對(duì)臺(tái)灣島和沖繩群島之間的水道進(jìn)行了研究觀測。該項(xiàng)工作在不影響通信電纜工作的前提下, 獲得了有效可靠的數(shù)據(jù)。

除了大尺度觀測以外, 本項(xiàng)技術(shù)也應(yīng)用于濕地入海水量輸運(yùn)等較小尺度的水通量檢測研究中。Sanford[6]應(yīng)用Ag-AgCl電極電壓觀測設(shè)備研究了水道寬度約為30 m左右的Great Sippewissett濕地與外海的水交換情況。

近一段時(shí)期以來, 隨著全球社會(huì)經(jīng)濟(jì)尤其是通信事業(yè)的快速發(fā)展, 全球海底纜線鋪設(shè)數(shù)量迅速增加?；谶@一情況, 各國家政府和研究機(jī)構(gòu)通過與生產(chǎn)企業(yè)和應(yīng)用企業(yè)溝通協(xié)調(diào), 紛紛在新建海底電纜上配套搭載了相關(guān)的觀測儀器, 以實(shí)現(xiàn)大洋尺度的長時(shí)間海洋觀測。已經(jīng)開展的觀測計(jì)劃包括: 東北太平洋海底長期海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實(shí)驗(yàn)(North-East Pacific Time-series Undersea Networked Experiments,NEPTUNE), 歐洲海底監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(European Sea Floor Observatory Network, ESONET)和日本先進(jìn)實(shí)時(shí)海底地球監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(Japanese Advanced Realtime Earth Monitoring Network in the Area, ARENA)等[2]。

同時(shí), 因技術(shù)進(jìn)步和使用年限等原因, 大量第一代海底光纜已經(jīng)接近了退役年齡[7]。其除去通信功能后, 將更有利于海洋觀測的實(shí)施和開展。因此除以上基于新建海底電纜的觀測計(jì)劃之外, 綜合考慮節(jié)約成本和提高已有海底電纜利用率等多種因素, 充分利用已有海底電纜, 在其上搭載觀測儀器也是現(xiàn)今國際產(chǎn)業(yè)和科技合作的一項(xiàng)發(fā)展趨勢, 東京大學(xué)和美國 AT&T通信公司共同合作, 應(yīng)用海底現(xiàn)有電纜[2], 開展了相關(guān)觀測活動(dòng)[8]。

2 對(duì)基于海底纜線的海洋觀測技術(shù)的未來展望

由以上回顧和分析我們可以認(rèn)識(shí)到, 相比傳統(tǒng)海洋觀測手段, 基于海底纜線的海洋觀測具有自己獨(dú)特的優(yōu)勢, 其中最為重要的為觀測時(shí)間連續(xù)、相對(duì)費(fèi)用較低等, 并且本技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣, 基于本技術(shù)的觀測系統(tǒng)大至大洋尺度的海水輸運(yùn), 小至海灣甚至河流的水交換現(xiàn)象均可應(yīng)用。

除了傳統(tǒng)的海水通量觀測之外, 基于海底纜線的海水溫度、鹽度和壓力測量也得到了越來越多的重視。國際電信聯(lián)盟在2010年發(fā)表的技術(shù)白皮書(下稱“白皮書”)中給出了多種基于海底纜線的海水溫度測量技術(shù)構(gòu)想, 如通過銅導(dǎo)線的電阻變化來估算海水溫度等[7]。除以上方法之外, “白皮書”中還給出了較為實(shí)際的溫度、鹽度和壓力傳感器的搭載方法。在海底通訊光纜上, 間隔 50～150 km會(huì)存在一個(gè)信號(hào)中繼放大器(Repeater), 該放大器有電源供應(yīng)并與光纜接駁以便傳輸數(shù)據(jù)。“白皮書”中根據(jù)該儀器的功能和空間設(shè)置, 給出了在其上增加海水溫度、鹽度和壓力探頭的構(gòu)想, 并從技術(shù)和市場角度對(duì)其進(jìn)行了合理性評(píng)估, 得到了較為正面的結(jié)果[7]。

在過去的一段時(shí)期中, 本技術(shù)得到的重視和發(fā)展速度并不充分, 這一方面與過去全球海底纜線較少且造價(jià)高昂有關(guān), 另一方面也與企業(yè)和科研院所溝通不暢, 纜線的所有者參與氣候變化等科學(xué)研究的熱情不高有關(guān)。而當(dāng)今全球海底纜線在各大洋內(nèi)已是星羅棋布[2], 已被應(yīng)用于海洋觀測的只是其中較少的一部分, 并且相當(dāng)大一部分第一代海底光纜已經(jīng)接近了退役期限, 如何充分利用其價(jià)值已被科學(xué)家們充分討論?？梢姰?dāng)今本技術(shù)在客觀條件上已經(jīng)存在極大的發(fā)展?jié)摿Α２⑶乙試H電信聯(lián)盟(ITU)和聯(lián)合國教科文組織海洋委員會(huì)(UNESCO/IOC)等為首的國際組織也正在積極大力推動(dòng)與全球各大海底纜線運(yùn)營商的合作, 使之可以找到經(jīng)濟(jì)利益和科學(xué)研究的最佳結(jié)合點(diǎn)。

洲際海底電纜橫跨整個(gè)大洋, 基于其可進(jìn)行橫跨整個(gè)大洋海盆斷面的海水流動(dòng)情況。同時(shí), 海底電纜位于大洋底部, 若對(duì)大洋底層的海水溫度、鹽度進(jìn)行觀測, 還可以用以獲得和分析極地等高緯度地區(qū)底層水沿路坡下沉流動(dòng)情況。獲得該類數(shù)據(jù)的長時(shí)間序列觀測結(jié)果, 是研究全球氣候變化和海洋對(duì)其響應(yīng)的必要基礎(chǔ)。而該類數(shù)據(jù)又是其他觀測手段難以獲得的, 因此此類觀測工作在未來必將得到人們進(jìn)一步的重視。海嘯災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)作為一個(gè)與沿海人類安全息息相關(guān)的研究項(xiàng)目, 正被人們高度重視?，F(xiàn)有的海嘯監(jiān)測系統(tǒng)存在空間覆蓋率不足和造價(jià)高昂等缺點(diǎn), 難以對(duì)海嘯情況做出最及時(shí)和準(zhǔn)確的反映。而我們發(fā)現(xiàn)在海嘯高發(fā)的北太平洋等區(qū)域, 海底電纜密布。若應(yīng)用其作為監(jiān)測網(wǎng)絡(luò), 將其信號(hào)中繼放大器加以改造, 搭載壓力傳感器等探頭,可以充分利用其空間密度大、維護(hù)費(fèi)用低和實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)快捷等優(yōu)點(diǎn), 使現(xiàn)有的海嘯監(jiān)測系統(tǒng)精度和反應(yīng)速度大幅提高。

2011年9月, 國際電信聯(lián)盟(ITU)、聯(lián)合國教科文組織海洋委員會(huì)(UNESCO/IOC)和國際氣象組織(WMO)聯(lián)合舉辦了有關(guān)海底纜線在氣候變化和災(zāi)害監(jiān)測方面的研討會(huì), 會(huì)后各組織聯(lián)合發(fā)表行動(dòng)號(hào)召,表示今后將在科學(xué)和商業(yè)等各個(gè)方面積極推動(dòng)海底纜線在各科學(xué)研究方面的應(yīng)用, 并將與國際電纜保護(hù)委員會(huì)(ICPC)共同努力促進(jìn)海底纜線觀測技術(shù)的發(fā)展。該行動(dòng)號(hào)召說明基于海底纜線的海洋觀測技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和重要性已經(jīng)得到了研究學(xué)者的共識(shí), 在今后其必將得到進(jìn)一步的重視和發(fā)展。

3 基于海底纜線的海洋觀測技術(shù)在我國的應(yīng)用情況

我國周邊也存在相當(dāng)數(shù)量的海底纜線, 包括長距離洲際通信電纜、近岸通信和電力電纜等。但是迄今為止, 我國在此領(lǐng)域還未有應(yīng)用海底纜線開展海洋觀測的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和計(jì)劃。通過我們已有的對(duì)海洋的認(rèn)識(shí), 氣候變化和海嘯等海洋災(zāi)害對(duì)我國帶來的影響是顯而易見的。因此, 積極參與到全球海底纜線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中對(duì)我國而言也屬于當(dāng)務(wù)之急。同時(shí), 嘗試開展基于近岸通信或電力電纜, 對(duì)于我國近海如渤海海峽處海水交換情況的研究, 也是本項(xiàng)技術(shù)在我國未來的發(fā)展方向之一。

致謝: 在本文的資料收集和寫作過程中, 我們得到了來自澳大利亞悉尼大學(xué)的尤玉柱教授的幫助, 在此謹(jǐn)表謝忱。

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