加拿大VENUS海底觀測(cè)網(wǎng)

陳紹艷，張多，麻常雷

(國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

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加拿大VENUS海底觀測(cè)網(wǎng)

陳紹艷，張多，麻常雷

(國(guó)家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

加拿大在海底觀測(cè)網(wǎng)研究方面居于世界領(lǐng)先地位，它的“海王星”海底觀測(cè)網(wǎng)(NEPTUNE-Canada)被譽(yù)為人類的水下“哈勃”，是全球首個(gè)深海海底大型聯(lián)網(wǎng)觀測(cè)站。維多利亞海底試驗(yàn)網(wǎng)(VENUS)與NEPTUNE都從屬于加拿大海洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)(ocean networks Canada，ONC)，有著許多相同的概念和設(shè)計(jì)。VENUS支持研究近海觀測(cè)，本文主要介紹VENUS的背景及科學(xué)研究目標(biāo)，并在分析其基礎(chǔ)設(shè)施及構(gòu)建進(jìn)展的基礎(chǔ)上，提出對(duì)我國(guó)開展海底觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)的啟示。

VENUS；海底觀測(cè)網(wǎng)；管理形式

地球超過2/3的區(qū)域是海洋，人類對(duì)海洋的探索與觀測(cè)，自古以來從未停止過。而海底觀測(cè)的發(fā)展，使得人類對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)從海面發(fā)展到海底。海底觀測(cè)系統(tǒng)可在海底實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)和信息提取的網(wǎng)絡(luò)化，使其在海底進(jìn)行長(zhǎng)期、連續(xù)、直接觀測(cè)成為可能。因此，海底觀測(cè)系統(tǒng)的建成，將從根本上改變?nèi)祟悓?duì)海洋研究觀測(cè)的途徑，為人類觀測(cè)海洋提供了新的研究平臺(tái)。因此，各個(gè)國(guó)家都在著力發(fā)展海洋觀測(cè)，并提高到國(guó)家戰(zhàn)略的高度。

1 VENUS系統(tǒng)

1.1 VENUS系統(tǒng)簡(jiǎn)述

VENUS在2001年首次由加拿大海洋學(xué)家提出。全稱“維多利亞海底試驗(yàn)網(wǎng)”(Victoria experimental network under the sea)，簡(jiǎn)稱為“VENUS”，屬于加拿大不列顛哥倫比亞州，位于溫哥華島的南端。VENUS是一個(gè)先進(jìn)的有纜海洋觀測(cè)系統(tǒng)，它代表了新一代網(wǎng)絡(luò)海洋探測(cè)的工具。海底網(wǎng)絡(luò)連接海洋傳感器和儀器平臺(tái)，可進(jìn)行實(shí)時(shí)和交互式海洋研究。世界各地的研究人員都可以訪問VENUS網(wǎng)，數(shù)據(jù)、信號(hào)和圖像經(jīng)由數(shù)據(jù)管理歸檔系統(tǒng)，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)播。在海洋環(huán)境下，科學(xué)家可以隨著環(huán)境的改變來對(duì)海洋環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并對(duì)發(fā)生的事件做出響應(yīng)。除了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)流，還可進(jìn)行長(zhǎng)期的運(yùn)行并對(duì)信息進(jìn)行存檔，以便進(jìn)行季節(jié)性、年度性研究，以及在復(fù)雜的海洋環(huán)境下進(jìn)行氣候研究。

VENUS觀測(cè)海域水深在300 m左右，屬于中等深度。2006年，在山尼治灣(Saanich Inlet)建立了一個(gè)水深96 m海底節(jié)點(diǎn)，纜線長(zhǎng)3 km。2008年年初和年末在喬治亞(Georgia)海峽分別建立了170 m和300 m的兩個(gè)海底節(jié)點(diǎn)[1]。布放的儀器類型主要包括：溫鹽深儀(CTD)、溶解氧傳感器、水下總?cè)芙鈿怏w壓力儀(GTD)、回波聲碼器、海流計(jì)、高清晰度視頻攝像機(jī)、濁度計(jì)、聲學(xué)多普勒海流剖面儀(ADCP)、水聽器、沿岸海洋動(dòng)力應(yīng)用雷達(dá)、散射計(jì)等。

1.2 VENUS的主要科學(xué)目標(biāo)

1.2.1 河口循環(huán)和河口羽流動(dòng)力學(xué)

喬治亞(Georgia)海峽是一個(gè)大型區(qū)域河口系統(tǒng)的一部分，河流中鹽度相對(duì)低的表層水與鹽度較高的深層水混合為一條穩(wěn)定的水流，經(jīng)由胡安·德富卡(Juan de Fuca)海峽和約翰斯通(Johnstone)海峽流向大海。其中最大的河流是菲沙河(Fraser)，河水流量每秒達(dá)上千立方米，負(fù)載沉積物水注入喬治亞海峽。VENUS科學(xué)家將利用對(duì)溫度、鹽度、海水密度、溶解氧、海平面(壓力)、海流、潮汐和海洋混合物的測(cè)量值，研究河口的循環(huán)過程和交換過程。

1.2.2 浮游動(dòng)物動(dòng)力學(xué)

海洋食物鏈由幾種營(yíng)養(yǎng)等級(jí)組成，包括：初級(jí)生產(chǎn)者，用顯微鏡可見的浮游植物(浮游藻類)；次級(jí)生產(chǎn)者，肉眼可見的浮游動(dòng)物和異養(yǎng)的魚類和哺乳動(dòng)物。浮游生物涉及所有漂浮類生物體，浮游植物只生長(zhǎng)在有可見光的海洋表面。浮游動(dòng)物以浮游植物為食，因此必須有一定的時(shí)間待在海表面。同時(shí)還要試圖避免被白天在深海游動(dòng)的魚類所捕食。每天的遷移可通過VENUS網(wǎng)絡(luò)連接的高頻率反向回聲測(cè)深儀來進(jìn)行監(jiān)測(cè)和量化。

1.2.3 深水循環(huán)

在每年的特定時(shí)期，深層水流入喬治亞海峽最深密度最大的水域。海水密度主要由海水的溫度和鹽度的濃度所控制。冷水的密度大于暖水密度，鹽水密度大于淡水密度。在早春/晚冬，冷/新鮮海水進(jìn)入峽谷沿著底部流向盆地深處的北部。在夏末，暖/鹽水流進(jìn)盆地。冬天循環(huán)的海水帶來低營(yíng)養(yǎng)/高溶解氧海水流到喬治亞海峽深處。然而，到了夏末深水循環(huán)把高營(yíng)養(yǎng)/低溶解氧海水帶到盆地。兩個(gè)循環(huán)過程都為深水特性提供了重要的補(bǔ)充，維持盆地的生態(tài)系統(tǒng)。通過對(duì)溫度、鹽度、海水密度、溶解氧和海流的近底部測(cè)量，VENUS將為這些循環(huán)事件提供直接的測(cè)量值和時(shí)間。

1.2.4 海洋哺乳動(dòng)物

太陽曬在身上暖烘烘的，誰不喜歡曬太陽呢？我真想變成一只貓，與可樂在陽光下嬉戲，伴橙汁兒在陽光下散步，再到陽光下打上幾個(gè)滾兒，我便別無所求。我有時(shí)還真搞不懂我自己，為什么會(huì)羨慕兩只貓。

雖然海水可見度只有幾米，但是聲音可有效傳播數(shù)千米。海洋哺乳動(dòng)物，例如逆戟鯨很大程度上依靠聲音來進(jìn)行溝通和尋找食物。喬治亞海峽還有一些長(zhǎng)期的和偶爾經(jīng)過的動(dòng)物，可利用主動(dòng)聲吶來了解它們的“語言”，并把它作為VENUS主要的研究課題。利用精密的寬頻水下陣列對(duì)哺乳動(dòng)物的聲音進(jìn)行監(jiān)測(cè)。喬治亞海峽也是一個(gè)繁忙的運(yùn)輸走廊，海洋哺乳動(dòng)物是如何反應(yīng)和適應(yīng)船舶制造的噪音也是一個(gè)重要的研究課題。VENUS水聽陣列的音頻分組和存檔可在VENUS的網(wǎng)站上獲得。

1.2.5 潮汐和海流混合

不列顛哥倫比亞沿海水域復(fù)雜的潮汐變化不僅導(dǎo)致海平面的上升和下降，還誘發(fā)強(qiáng)烈的漲潮和退潮。在島嶼之間，潮流通廊內(nèi)部，這里的潮流是世界上最活躍的，使具有代表性的分層海流打亂成為紊流。配合河口環(huán)流，潮汐混合產(chǎn)生的淡水從上層向下，夾帶深層的海水向上。潮汐調(diào)節(jié)混合過程并強(qiáng)行深層海水更新和交換流動(dòng)的時(shí)間是兩周。VENUS系統(tǒng)將直接測(cè)量喬治亞海峽南部的潮汐和海平面的高度，利用先進(jìn)的聲學(xué)多普勒海流剖面儀(ADCP)，提供海洋剪切流和海洋紊流的實(shí)時(shí)測(cè)量。

1.2.6 魚類跟蹤

了解和管理魚類資源需要明白物種遷移的時(shí)間和地點(diǎn)，以及它們?nèi)绾卫锰囟ǖ纳姝h(huán)境。目前，新技術(shù)可以緊隨未成年魚，利用微小的聲學(xué)信標(biāo)定期地發(fā)出微弱的識(shí)別叫聲。VENUS網(wǎng)絡(luò)布放接收器將可以監(jiān)測(cè)魚類活動(dòng)。目標(biāo)包括了解在區(qū)域海洋環(huán)境下當(dāng)?shù)佤~類洄游特性和死亡率。聲學(xué)標(biāo)記的候選魚為鮭魚和巖石魚類。

1.2.7 三角洲大陸坡穩(wěn)定性

菲沙河對(duì)喬治亞海峽局部的海洋環(huán)境有巨大的影響。特別是在河的入口，湍急的河流與平靜的海水相遇。通過減少動(dòng)力和凝結(jié)物的結(jié)合，在河水的入口，沉積物在幾千米內(nèi)迅速沉積，形成菲沙河三角洲。 在河口，底部的等高線降到陡峭的盆地，三角洲大陸坡現(xiàn)在是壓實(shí)的，其本身是一個(gè)動(dòng)態(tài)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)。了解大陸坡穩(wěn)定和大陸坡失穩(wěn)是VENUS系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，VENUS系統(tǒng)將維護(hù)一套專業(yè)的儀器來監(jiān)測(cè)和研究大陸坡進(jìn)程。傳感器將包括水壓計(jì)、孔隙壓力傳感器、高頻聲吶、近底部聲學(xué)多普勒海流剖面儀、精密的海平面壓力測(cè)量?jī)x。

1.2.8 沉積物搬運(yùn)和海底形態(tài)動(dòng)力學(xué)

VENUS的三角洲動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)室將沿著三角洲大陸坡邊界研究和監(jiān)測(cè)沉積物。利用主動(dòng)、窄波束聲吶和攝像機(jī)的圖像，可監(jiān)測(cè)沉積物增加比率、再懸浮、沉積物搬運(yùn)和海底形態(tài)的演變。

1.2.9 對(duì)海-氣相互作用進(jìn)行聲學(xué)監(jiān)測(cè)

VENUS水聽器陣列，除了監(jiān)測(cè)海洋哺乳動(dòng)物和人為噪音，還將探測(cè)和研究與海-氣相互作用的自然聲音產(chǎn)生的原理。海洋底部利用VENUS寬頻水聽器跟蹤和分析的水聽信號(hào)，將會(huì)是一個(gè)重要的研究項(xiàng)目。

1.2.10 底棲生態(tài)學(xué)

英國(guó)哥倫比亞沿海區(qū)域是一個(gè)多元化的底棲生態(tài)系統(tǒng)，包括種類繁多的微生物和重要的海洋生物棲息地。VENUS既可監(jiān)測(cè)微生物，也可監(jiān)測(cè)大型深水動(dòng)物。科學(xué)家們還計(jì)劃對(duì)底棲群落對(duì)大型食物的反應(yīng)進(jìn)行研究。

2 VENUS觀測(cè)網(wǎng)的特點(diǎn)

2.1 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及先進(jìn)的管理運(yùn)行形式

VENUS的組成包括兩個(gè)單獨(dú)的電纜陣列下的3個(gè)海底節(jié)點(diǎn)、2個(gè)岸站、1個(gè)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)中心和1個(gè)數(shù)據(jù)歸檔中心。水下系統(tǒng)能讓儀器與岸上進(jìn)行通信服務(wù)，并維持儀器電源。儀器插入接口模塊(SIIM)。然后，SIIM被連接到VENUS節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)將SIIMs中的數(shù)據(jù)流組成一個(gè)單一的數(shù)據(jù)流，通過光纖電纜傳回到岸站。則該節(jié)點(diǎn)也會(huì)控制及監(jiān)測(cè)SIIMs提供的電源和通信服務(wù)。水上系統(tǒng)為該系統(tǒng)提供電源和網(wǎng)絡(luò)的訪問連接。岸站的設(shè)備將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，經(jīng)Node和SIIMs傳輸?shù)絻x器。該岸站通過互聯(lián)網(wǎng)還提供了光纖電纜和維多利亞大學(xué)之間的通信聯(lián)系。

2.2 具有特色的管理運(yùn)行形式

在管理和操作層面，由維多利亞大學(xué)網(wǎng)絡(luò)操作中心(NOC)負(fù)責(zé)。NOC負(fù)責(zé)運(yùn)營(yíng)兩個(gè)岸站和水下陣列。運(yùn)營(yíng)商必須能保障系統(tǒng)的正常，并能夠探測(cè)到出現(xiàn)的任何故障。VENUS傳到岸站的數(shù)據(jù)稍經(jīng)處理就通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)輸送到維多利亞大學(xué)的“數(shù)據(jù)管理和歸檔系統(tǒng)”(Data Management and archive system， DMAS)[5]，該系統(tǒng)采用了靈活便捷的軟件模式(Agile)輸送和傳遞數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)由科學(xué)家直接使用，稍經(jīng)處理就在網(wǎng)站上公布并對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)，方便日后使用。這些功能由數(shù)據(jù)管理和歸檔系統(tǒng)提供。開發(fā)人員采用面向服務(wù)的架構(gòu)，使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)來呈現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和存檔系統(tǒng)各個(gè)組件的功能，建立起了一套實(shí)時(shí)信息系統(tǒng)。DMAS的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)是VENUS的最大組成部分。布放儀器近實(shí)時(shí)的交互能力和環(huán)境，使VENUS超越了對(duì)觀測(cè)網(wǎng)的傳統(tǒng)定義，并把水下實(shí)驗(yàn)室?guī)У揭粋€(gè)新的領(lǐng)域。

3 對(duì)我國(guó)海底觀測(cè)網(wǎng)運(yùn)行的啟示

VENUS在近海觀測(cè)方面取得了巨大的成功，我們可以從中學(xué)到一些成功的經(jīng)驗(yàn)。

(1)在財(cái)政支持方面，加拿大政府對(duì)VENUS給予了大力的財(cái)政支持，VENUS具備國(guó)家一級(jí)創(chuàng)新基金、州一級(jí)的發(fā)展基金以及其他政府機(jī)構(gòu)、工業(yè)機(jī)構(gòu)、大學(xué)等支持的資金，作為建設(shè)和運(yùn)行資金。

(2)學(xué)習(xí)其開放系統(tǒng)管理模式，獲得的數(shù)據(jù)在網(wǎng)上向全世界供應(yīng)，交互式的數(shù)據(jù)管理及存檔系統(tǒng)，既適用于專家也適用于普通用戶，不僅能方便地進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問及處理，而且還可以進(jìn)行在線分析及資源共享。這樣不僅吸引專業(yè)的科研者來關(guān)注此網(wǎng)的運(yùn)行，同時(shí)也吸引高校研究人員、儀器生產(chǎn)商及海洋愛好者的關(guān)注，既擴(kuò)大了觀測(cè)網(wǎng)的影響，又可以拓寬資金來源的渠道。

(3)培養(yǎng)深海技術(shù)人員，定人定向地對(duì)深海觀測(cè)進(jìn)行跟蹤了解，與國(guó)外接軌，加強(qiáng)合作交流[3]。開展觀測(cè)設(shè)備、儀器研制，并對(duì)工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行積累，使觀測(cè)工作可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)束語

現(xiàn)在各國(guó)越來越重視對(duì)海洋進(jìn)行觀測(cè)，而海底觀測(cè)是海洋觀測(cè)中非常重要的一部分。海底觀測(cè)系統(tǒng)在海洋預(yù)測(cè)、海洋科學(xué)研究、海洋資源開發(fā)、地震觀測(cè)、國(guó)家安全等方面具有重大的科學(xué)和現(xiàn)實(shí)意義， 目前已成為國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)技術(shù)領(lǐng)域[7]，我國(guó)是一個(gè)多臺(tái)風(fēng)國(guó)家，每年臺(tái)風(fēng)造成的損失巨大，加之軍事海洋建設(shè)的需要，故發(fā)展我國(guó)的海底觀測(cè)技術(shù)，迫在眉睫。

[1] 上海海洋科技研究中心和海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.《海底觀測(cè)：科學(xué)與技術(shù)的結(jié)合》海底觀測(cè)系統(tǒng)的現(xiàn)狀與趨勢(shì)[M].上海，同濟(jì)大學(xué)出版社，2011.

[2] 姬再良，董樹文.世界首座海洋觀測(cè)網(wǎng)體系：加拿大“海王星”海底觀測(cè)技術(shù)[J].地球?qū)W報(bào)，2012(1):13-22.

[3] 李建如，許惠平.加拿大“海王星”海底觀測(cè)網(wǎng)[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2011(6):656-661.

[4] 羅續(xù)業(yè)，李彥.海王星海底長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)的技術(shù)分析[J].海洋技術(shù)，2006(9):15-18.

[5] 陳鷹，楊燦軍，陶春輝，等.海底觀測(cè)系統(tǒng)[M].北京：海洋出版社，2006：4.

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