連展，官晟，魏澤勛，孫寶楠

(1. 國家海洋局第一海洋研究所 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實驗室 青島 266061；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室區(qū)域海洋動力學(xué)和數(shù)值模擬功能實驗室 青島 266071)

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基于海底纜線的海洋觀測系統(tǒng)在我國近海應(yīng)用的前景分析*

連展1，2，3，官晟1，2，3，魏澤勛1，2，3，孫寶楠1，2，3

(1. 國家海洋局第一海洋研究所 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實驗室 青島 266061；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實驗室區(qū)域海洋動力學(xué)和數(shù)值模擬功能實驗室 青島 266071)

通過海洋中的各類海底纜線，可以搭建海洋觀測系統(tǒng)，有效地開展長期海洋觀測。雖然我國該類系統(tǒng)建設(shè)起步較晚，但是具有理論和硬件多方面的后發(fā)優(yōu)勢。只要海洋管理和科研部門注意溝通協(xié)作和前期籌劃，可以保證我國此類系統(tǒng)建設(shè)的速度和質(zhì)量。文章將從我國近海與海底纜線有關(guān)的海洋現(xiàn)狀出發(fā)，分析建設(shè)基于海底纜線的海洋觀測系統(tǒng)在我國近海的重要意義，梳理我國建設(shè)該系統(tǒng)所面臨的機遇與挑戰(zhàn)，展望該類系統(tǒng)在我國近海的應(yīng)用前景，并考慮我國近海的實際情況，提出在青島膠州灣灣口海區(qū)建立本系統(tǒng)示范應(yīng)用的設(shè)計方案。

海底纜線；海洋觀測；我國近海

直接海洋觀測是海洋學(xué)最基本的研究方法之一，可靠的觀測數(shù)據(jù)可以幫助我們探究各類海洋現(xiàn)象內(nèi)在規(guī)律。針對海峽或水道的水通量觀測，是海洋觀測中的一個重要分類。對半封閉海灣與外海聯(lián)通的海峽進行水通量觀測，可以確定海灣水交換律，給海灣排污能力等一系列評估工作提供重要參數(shù)。對重要海洋流系所經(jīng)過的水道進行水通量觀測，可以確定海流不同時間尺度變化規(guī)律，建立并深化我們對觀測海區(qū)海流特征的認識，并且可為海流對航運和海洋工程的影響、與氣候變化之間的相互作用等研究提供可靠的背景資料。

海洋觀測獲取的各類數(shù)據(jù)中，最為可貴的莫屬長期連續(xù)性觀測數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)可真實展現(xiàn)海洋在較長時間尺度內(nèi)的連續(xù)變化特征。但是受船只續(xù)航能力、惡劣不可控天氣等限制，該類觀測數(shù)據(jù)較為少見。尤其是針對海峽或水通道的水通量觀測，傳統(tǒng)觀測方法難以實現(xiàn)長期定點連續(xù)觀測。而通過海洋中的各類海底纜線，搭建海洋觀測系統(tǒng)，可克服以上不利因素，有效地開展針對海峽或水道的長期海水通量觀測[1-2]。

我國近岸島嶼密布，而且近年來各類遠離大陸的海洋工程也是層出不窮，致使我國近海存在密度可觀的各類海底纜線，并且在未來一段時間內(nèi)，纜線數(shù)量將呈加速增加的趨勢。我國雖然在搭載于海底纜線的海洋觀測系統(tǒng)建設(shè)上落后于其他發(fā)達國家，但是也因為該項工作起步時間晚，使得我們在建設(shè)節(jié)點和總體設(shè)計上存在后發(fā)優(yōu)勢。我國近海范圍廣闊，不同海區(qū)內(nèi)該類海洋觀測系統(tǒng)的科學(xué)意義、觀測目標(biāo)和社會經(jīng)濟效應(yīng)各有不同。該觀測系統(tǒng)的建立在渤海海區(qū)應(yīng)充分利用渤海海峽優(yōu)良的客觀條件，在黃東海海區(qū)應(yīng)注意兩岸海洋合作，而在南海海區(qū)不但可以填補對此區(qū)域重點海洋現(xiàn)象長期觀測的空白，還可借助科學(xué)研究這一平臺，充實我國在此海區(qū)的國際影響力。考慮我國近海的實際情況，文章還提出了在青島膠州灣灣口海區(qū)建立本系統(tǒng)示范應(yīng)用的設(shè)計方案。

1 基于海底纜線的海洋觀測系統(tǒng)發(fā)展概況

基于海底纜線的海洋觀測系統(tǒng)建立的主要理論依據(jù)為通過測量海水中帶電粒子穿過地球背景磁場運動產(chǎn)生的電場參數(shù)，從而反演目標(biāo)水道的海水通量[3]。該理論自被提出以來，經(jīng)歷了許多實際工作的驗證，已經(jīng)比較成熟[4-5]。迄今為止全球某一海峽水道海水通量連續(xù)觀測時間最長的美國佛羅里達東岸觀測系統(tǒng)，即是基于此理論建立的，該系統(tǒng)自1982年起一直延續(xù)工作至今[6]，觀測數(shù)據(jù)被應(yīng)用于多種研究中[7-8]。在我國鄰近海域，日本、韓國和我國臺灣地區(qū)均有嘗試性工作開展，而我國大陸地區(qū)暫未有類似工作見諸報道[9-10]。除此之外，海底纜線也可以直接搭載海洋溫度、鹽度等觀測儀器，由纜線作為傳導(dǎo)介質(zhì)，實時傳送并接收海洋觀測數(shù)據(jù)[11]。

2 建設(shè)基于海底纜線的海洋觀測系統(tǒng)的意義

我國近海島嶼與大陸間、島嶼與島嶼間構(gòu)成了大大小小各類海峽和水道。如渤海海峽、舟山群島間水道、臺灣海峽、瓊州海峽和南海諸島間水道等。針對這些海峽和水道開展海水通量以及其他特性的長期系統(tǒng)性觀測，對我國近海海洋研究、海洋工程建設(shè)、海嘯預(yù)警、防災(zāi)減災(zāi)[12]等都有重大的指導(dǎo)作用。但是，受我國近海大量的漁業(yè)活動、頻繁的水道交通等客觀條件的限制，該類觀測系統(tǒng)的建設(shè)一直沒有代表性進展。相對于其他國家針對固定海峽通道最長可達近30年的連續(xù)觀測[6]，我國針對近海海洋通道的長期連續(xù)型觀測工作開展已經(jīng)明顯落后。

在渤海海區(qū)，渤海海峽作為此海區(qū)最為重要的海峽通道，應(yīng)作為此類海洋觀測系統(tǒng)建設(shè)的首選目標(biāo)。渤海海峽島嶼眾多，如大小長山島、南北隍城島等。該地區(qū)島嶼基本為沿海峽斷面分布，并且大部分為有居民島嶼，配套有生活服務(wù)用海底纜線。隨著渤海海峽兩岸經(jīng)濟的發(fā)展，興建跨渤海海峽交通通道的呼聲日益提高。該大型工程的建設(shè)，也需要配套建設(shè)相關(guān)海底纜線。本觀測系統(tǒng)的建立，可以獲取渤海海峽水通量的長期連續(xù)數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)對渤海內(nèi)部環(huán)境容量、污染物排放以及附近海洋工程建設(shè)中極值統(tǒng)計、工況設(shè)計等都有重要意義。因此，在渤海海峽處充分利用各島嶼和鄰近海洋工程，可以為搭建基于海底纜線的海洋觀測系統(tǒng)提供良好的試驗場所，并且該系統(tǒng)建設(shè)也可以滿足渤海沿岸地區(qū)的實際需求。

在我國黃海和東海海區(qū)，海上島嶼和石油平臺等數(shù)量也非常豐富，值得充分利用。同時，我國最大的島嶼臺灣島位于此海區(qū)，我國臺灣地區(qū)已經(jīng)積累了此類觀測系統(tǒng)實際搭建和數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗[10]。與我國臺灣地區(qū)開展合作，可以對臺灣海峽等臺灣島周邊海域的水通道開展觀測，獲取對臺灣暖流、閩浙沿岸流等我國近海重要流系的第一手觀測資料，也可以對黑潮入侵東海陸架的具體位置和流量有所掌握，在海洋科學(xué)研究上具有重要意義。同時，該系統(tǒng)建設(shè)也將會顯著提升兩岸海洋合作水平，推動兩岸海洋學(xué)者的相互交流。該系統(tǒng)是海洋科學(xué)研究平臺，更將成為兩岸海洋合作交流平臺。

在我國南海海區(qū)，與本系統(tǒng)建設(shè)有關(guān)的最為突出的特點是我國近期在南海諸島興建的大量海洋工程。所有這些海洋工程，均以長期化、大型化為建設(shè)目標(biāo)，這使得配套建設(shè)海底纜線的可能性非常之大，并且隨著我國在此海域設(shè)施的全面更新?lián)Q代，也存在相當(dāng)數(shù)量的老舊纜線就此退役，這都為基于此建設(shè)海洋觀測系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)。本海域的海洋現(xiàn)象是我國近海中最為豐富的，如西沙群島附近的南海西邊界流等可能對我國氣候和南海漁獲量有著重要影響[13]。在南海大部分區(qū)域，迄今為止長期定點的海洋水道觀測仍屬空白，本系統(tǒng)在南海建立的實際價值和科學(xué)意義尤為突出。

3 建設(shè)基于海底纜線的海洋觀測系統(tǒng)面臨的機遇與挑戰(zhàn)

通過海水運動產(chǎn)生的微量電壓反演在通過海道的海水流量這一具體問題上，相關(guān)理論經(jīng)過多年完善與實際檢驗，已比較成熟。我國在此階段如果開始搭建此類觀測系統(tǒng)，在理論方面所面臨的困難將遠遠小于20世紀六七十年代。在本理論中，海底沉積物導(dǎo)電率、岸基導(dǎo)電率、纜線特性等參數(shù)都已經(jīng)被考慮進來，這使得我們在系統(tǒng)搭建的前期，可以進行更有針對性的準(zhǔn)備工作。并且因為已有多次工作負載纜線成功投入海洋觀測的先例，也使得我們在可用纜線的范圍上大大增加。

近年來我國近海海洋工程數(shù)量呈逐年增加的趨勢。在渤海和東海海區(qū)，存在相當(dāng)數(shù)量的海上石油平臺，各平臺均配套有各類相關(guān)纜線，如果能夠充分利用，將會是相當(dāng)合適的海洋觀測平臺。在南海海區(qū)，除了海上石油平臺之外，我國在一些遠海島礁上進行了大量的海上工程作業(yè)，為了滿足島上生產(chǎn)生活，勢必會搭載建設(shè)部分通信、供電等海底纜線。該類新建工程，更是實現(xiàn)同步海洋觀測的良機。另外，在綠色能源日益受到重視的今日，風(fēng)力發(fā)電、潮汐能發(fā)電、波浪發(fā)電、溫差能發(fā)電等海洋能發(fā)電發(fā)展速度勢必得到加快。在該類海洋工程中，與大陸相連的纜線更是必不可少。只要我們進行好各類前期準(zhǔn)備工作，這也是搭載海洋觀測的良好平臺。

我們正處于技術(shù)突飛猛進的時代，20世紀建設(shè)的各類通信電纜以及電力電纜許多已經(jīng)到了更新?lián)Q代的時期。尤其是通信電纜，原本是海島與大陸通信往來的唯一手段，隨著技術(shù)的發(fā)展，微波通信等無線通信已經(jīng)普遍地被應(yīng)用到各遠離大陸的海島中。這種技術(shù)進步使得大量的海底纜線退役。負載中的工作纜線雖然也可用于海洋觀測，但是需要進行數(shù)據(jù)處理，并且纜線所有方在安全生產(chǎn)等方面的相關(guān)規(guī)定也會對海洋觀測產(chǎn)生不利。因此，退役的海底纜線將是海洋觀測系統(tǒng)建立的最佳載體。這就要求海洋管理部門應(yīng)注意與相關(guān)部門溝通，了解海洋工程規(guī)劃，抓住時機，提前著手。

4 膠州灣灣口試點觀測系統(tǒng)建設(shè)構(gòu)想

我國近海尚未有類似觀測系統(tǒng)建設(shè)，在大規(guī)模建設(shè)前，有必要選取試點海區(qū)開展海上實際測試，從而積累系統(tǒng)搭建實際經(jīng)驗。從成本和建設(shè)難度等多方面考慮，試點海區(qū)空間范圍不易選取過大。我國山東省青島市下轄的膠州灣灣口海區(qū)兩岸經(jīng)濟發(fā)展充分，利于觀測系統(tǒng)選址，灣口海流特征明顯，利于驗證反演結(jié)果，灣口海水通量的長期監(jiān)測也有利于對膠州灣與外海水交換，確定污染物容量等多方面實際需求。因此，本海區(qū)為基于海底電纜的海水通道通量觀測系統(tǒng)建設(shè)的適宜試點海區(qū)。

在本海區(qū)，系統(tǒng)建設(shè)最關(guān)鍵點海底纜線可有以下多種選擇對象：① 青島主城區(qū)和黃島區(qū)之間的供電電纜；② 青島主城區(qū)和黃島區(qū)之間的通信電纜；③ 膠州灣海底隧道所有的配套電纜。雖然以上纜線可能處于工作狀態(tài)，負載電壓等參數(shù)較大，直接觀測其上的海水運動感生電場參數(shù)可行性不高，但是可以借助纜線外殼或中間金屬導(dǎo)電保護層，以此作為觀測媒介。借助以上纜線作為載體，實現(xiàn)海洋觀測，對海洋科研機構(gòu)與海洋管理部門的組織協(xié)調(diào)能力提出了一定的要求。需要溝通的部門可能涉及供電部門、通信部門、交通部門、海事部門等。此工作可以借助當(dāng)?shù)乜萍紖f(xié)會搭建合作平臺，從而使多部門共同協(xié)作推進完成。

觀測系統(tǒng)搭建完成后，還需進行傳統(tǒng)方法的同步海洋觀測，用于比測校對和確定各類參數(shù)。對于海水通量的確定，可選用船載ADCP往復(fù)式走航觀測方法，在不同時段多次測量，使之與觀測系統(tǒng)反演得到的海水通量值相比較，驗證系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)的真實性。同時還需應(yīng)用CTD測量海水溫度、鹽度，以確定海水電導(dǎo)率，測量背景磁場強度和岸基、沉積物電導(dǎo)率用以反演計算。

5 總結(jié)和展望

我國基于海底纜線的海洋觀測系統(tǒng)建設(shè)雖然起步較晚，但是具有理論和硬件多方面的后發(fā)優(yōu)勢。只要海洋管理和科研部門注意溝通協(xié)作和前期籌劃，可以保證我國此類系統(tǒng)建設(shè)速度和質(zhì)量。

我國近海范圍廣闊，不同海區(qū)內(nèi)該類海洋觀測系統(tǒng)的科學(xué)意義、觀測目標(biāo)和社會經(jīng)濟效應(yīng)各有不同。該觀測系統(tǒng)的建立在渤海海區(qū)應(yīng)充分利用渤海海峽優(yōu)良的客觀條件，在黃東海海區(qū)應(yīng)注意兩岸海洋合作，而在南海海區(qū)不但可以填補對此區(qū)域重點海洋現(xiàn)象長期觀測的空白，還可借助科學(xué)研究這一平臺，充實我國在此海區(qū)的國際影響力。

目前該系統(tǒng)建設(shè)的最大困難已不是理論、資金和客觀條件等，而是纜線所有方對海洋科學(xué)研究熱情不高，對纜線搭載觀測儀器是否會導(dǎo)致其生產(chǎn)、設(shè)備安全顧慮重重。解決此類問題的方法，不能僅僅依靠某一海洋科研院所或某一熱心于海洋觀測的纜線所有企業(yè)，而是應(yīng)該由海洋管理機構(gòu)統(tǒng)一協(xié)調(diào)，經(jīng)由沿岸各省、市、自治區(qū)科技協(xié)會，搭建海洋科研機構(gòu)與纜線所有企事業(yè)單位有效的溝通橋梁。這也是國際各大組織(國際電聯(lián)/氣象組織/教科文組織海委會)正在大力推行的行動路線圖的一部分。

只有通過海洋管理部門、科研機構(gòu)和各大企業(yè)共同協(xié)作，才能將此海洋觀測計劃早日上升至國家政府層面，最終訂立行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，使得海洋生產(chǎn)、海洋建設(shè)可以與海洋科研有機結(jié)合。

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中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(2012G03)；國家自然科學(xué)基金委員會——山東省人民政府聯(lián)合資助海洋科學(xué)研究中心項目：海洋環(huán)境動力學(xué)和數(shù)值模擬(U1406404).

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1005-9857(2015)11-0033-04