海底缆系联网观测技术

海洋对全球环境和气候变化影响巨大，理解深海大洋的运行机理是人类文明发展的关键。理解的基础是观测，要从现象描述发展到机理探索和环境预测，就需有目的地针对复杂的海洋过程开展长期观测，才能更好地理解已运行数十亿年的深海大洋（汪品先，2007；Delaney， 2009；Ducklow，2009）。传统的海洋观测方式主要是船基考察，但受制于船时和天气等因素，船基考察只能是断断续续或零零散散的。卫星遥测遥感对地观测系统实现了对地面和海面观测的长期性与连续性，但无法穿透巨厚的海水直接观测深海海底。通过船只布放的自容式或锚系式的着底器只能支持少量海底设备的短期供电，无法实时传输数据，还需较为频繁的定期维护（Person，2006）。各类水下运载器是深海环境探测的有力工具，能够揭示深海大洋的多样性和复杂性，但由于仍然是依靠自带的电池供电，无法长期蹲守深海（Bellingham，2007；Leonard，2007）。

深海大洋中存在着很多重要的突发现象，如海底火山喷发、地震、海啸、滑坡和风暴潮等，难以应用短期断续的船基考察方式观测，只有通过长期连续观测实现原位蹲点，才能够更方便地捕捉这些突发现象。深海大洋中存在着很多重要的长期过程，如板块运动、海洋沉积、海气交换、海洋酸化、生物多样性、碳循环和人类活动对海洋的影响等，也必须通过长期原位观测获得大量高分辨率的时空序列参数，才能更有效地理解这些长期过程。因此，科学家迫切需通过长期、实时和高分辨率的原位过程观测来揭示深海大洋的运行机理，但海洋的巨大体量和深海的极端环境，长期以来严重阻碍了人类深入观测深海大洋内部物理、化学、生物和地质等相互影响和永恒变化的复杂过程，造成了观测数据的严重缺乏。

针对长期、原位、实时和高分辨率观测的科学需求，缆系海底长期科学观测网（以下简称“观测网”）将成为海洋学研究的一个重要工具。观测网是能够长期持续提供电力和通信服务的海洋科技基础设施，通过光电复合通信海缆将电力系统和通信系统直接从陆地延伸到海底，从而解决大量原位观测设备在海底长期运行面临的持续电能供给和海量数据传输两大难题，可实现从海底直接对特定区域深海大洋的物理、化学、生物和地质等过程进行高分辨率的原位实时观测。观测网既能向下观测海底以下的海洋，又可通过锚系向上观测大洋水层，还可通过水下接驳坞连接各种活动观测平台，从而摆脱了传统海洋研究方式的种种局限，使科学家可在岸上实验室里实时监测深海实验，远程监测海底风暴潮、火山喷发、地震、海啸、滑坡和赤潮等各种突发事件，从根本上改变人类认识海洋的途径（汪品先，2007；Favali， 2006；Delaney，2015）。如图9-1所示，观测网可支持设在海底的自动化原位实验室。

因此，观测网被称为继地面与海面观测和空中遥测遥感之后，人类在海底建立的第三个地球科学观测平台，为人类认识海洋提供了广阔时空尺度、多类海洋内部特征的同步、实时、连续观测手段，可广泛应用于全球变化、海底过程和海陆作用等重大前沿基础科学研究，标志着海洋开发和研究的新阶段。同时，观测网也是海洋灾害预警、深海能源与资源开发、海洋环境监测与保护、海洋工程试验和科普教育等国家海洋战略需求提供强有力的支撑，具有重大的科学和社会效益，在建设海洋强国的进程中具有重要的战略地位。

图9-1 观测网可支持各种复杂的海底原位实验

（a）用于活动热液实时分析的海底自动化原位实验室；（b）用于生物基因在线分析的海底自动化原位实验室

针对观测网的实质性研究和应用主要始于21世纪初，近年来受到各主要发达国家的日益重视，目前国外有一些规模大小不等的观测网已在运行或建设中。我国的观测网研究比美国、加拿大、日本和欧洲的起步略晚。国内涉海单位已开展多年的关键技术积累和组网装备研制，合作建设的东海和南海小规模试验网已部分试运行或开展海试。2013年3月，国务院批准发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）》明确提出建设观测网，“国家海底长期科学观测网”也即将启动建设。我国是个濒海大国，拥有300多万平方千米海域和1.8万千米海岸线。我国周边以东海和南海为代表的海域是世界上最大大陆（欧亚）与最大大洋（太平洋）之间海陆相互作用极其强烈的边缘海，是地球系统科学和全球气候变化研究的关键海区。通过对我国边缘海代表性海域从海底到海面全方位、综合性、实时和高分辨率的立体监测，为我国的海洋科学研究建立固定公共开放的海底观测研究重大科学工程平台，服务于国防安全与国家权益、海洋资源开发、海洋灾害预测、海洋环境保护、海洋工程试验、海洋金属防腐、海洋科普教育等多方面的综合需求。