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

連展，官晟，魏澤勛，孫寶楠

(1. 國(guó)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(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266061；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)和數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266071)

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基于海底纜線的海洋觀測(cè)系統(tǒng)在我國(guó)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(guó)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(guó)家海洋局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266061；3.青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室區(qū)域海洋動(dòng)力學(xué)和數(shù)值模擬功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266071)

通過(guò)海洋中的各類海底纜線，可以搭建海洋觀測(cè)系統(tǒng)，有效地開(kāi)展長(zhǎng)期海洋觀測(cè)。雖然我國(guó)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(shì)。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(guó)此類系統(tǒng)建設(shè)的速度和質(zhì)量。文章將從我國(guó)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(cè)系統(tǒng)在我國(guó)近海的重要意義，梳理我國(guó)建設(shè)該系統(tǒng)所面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，展望該類系統(tǒng)在我國(guó)近海的應(yīng)用前景，并考慮我國(guó)近海的實(shí)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(jì)方案。

海底纜線；海洋觀測(cè)；我國(guó)近海

直接海洋觀測(cè)是海洋學(xué)最基本的研究方法之一，可靠的觀測(cè)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(duì)海峽或水道的水通量觀測(cè)，是海洋觀測(cè)中的一個(gè)重要分類。對(duì)半封閉海灣與外海聯(lián)通的海峽進(jìn)行水通量觀測(cè)，可以確定海灣水交換律，給海灣排污能力等一系列評(píng)估工作提供重要參數(shù)。對(duì)重要海洋流系所經(jīng)過(guò)的水道進(jìn)行水通量觀測(cè)，可以確定海流不同時(shí)間尺度變化規(guī)律，建立并深化我們對(duì)觀測(cè)海區(qū)海流特征的認(rèn)識(shí)，并且可為海流對(duì)航運(yùn)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(cè)獲取的各類數(shù)據(jù)中，最為可貴的莫屬長(zhǎng)期連續(xù)性觀測(cè)數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)可真實(shí)展現(xiàn)海洋在較長(zhǎng)時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)較為少見(jiàn)。尤其是針對(duì)海峽或水通道的水通量觀測(cè)，傳統(tǒng)觀測(cè)方法難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)。而通過(guò)海洋中的各類海底纜線，搭建海洋觀測(cè)系統(tǒng)，可克服以上不利因素，有效地開(kāi)展針對(duì)海峽或水道的長(zhǎng)期海水通量觀測(cè)[1-2]。

我國(guó)近岸島嶼密布，而且近年來(lái)各類遠(yuǎn)離大陸的海洋工程也是層出不窮，致使我國(guó)近海存在密度可觀的各類海底纜線，并且在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，纜線數(shù)量將呈加速增加的趨勢(shì)。我國(guó)雖然在搭載于海底纜線的海洋觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)上落后于其他發(fā)達(dá)國(guó)家，但是也因?yàn)樵擁?xiàng)工作起步時(shí)間晚，使得我們?cè)诮ㄔO(shè)節(jié)點(diǎn)和總體設(shè)計(jì)上存在后發(fā)優(yōu)勢(shì)。我國(guó)近海范圍廣闊，不同海區(qū)內(nèi)該類海洋觀測(cè)系統(tǒng)的科學(xué)意義、觀測(cè)目標(biāo)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)各有不同。該觀測(cè)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(bǔ)對(duì)此區(qū)域重點(diǎn)海洋現(xiàn)象長(zhǎng)期觀測(cè)的空白，還可借助科學(xué)研究這一平臺(tái)，充實(shí)我國(guó)在此海區(qū)的國(guó)際影響力?？紤]我國(guó)近海的實(shí)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(jì)方案。

1 基于海底纜線的海洋觀測(cè)系統(tǒng)發(fā)展概況

基于海底纜線的海洋觀測(cè)系統(tǒng)建立的主要理論依據(jù)為通過(guò)測(cè)量海水中帶電粒子穿過(guò)地球背景磁場(chǎng)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電場(chǎng)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(lái)，經(jīng)歷了許多實(shí)際工作的驗(yàn)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(cè)時(shí)間最長(zhǎng)的美國(guó)佛羅里達(dá)東岸觀測(cè)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(cè)數(shù)據(jù)被應(yīng)用于多種研究中[7-8]。在我國(guó)鄰近海域，日本、韓國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)均有嘗試性工作開(kāi)展，而我國(guó)大陸地區(qū)暫未有類似工作見(jiàn)諸報(bào)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(cè)儀器，由纜線作為傳導(dǎo)介質(zhì)，實(shí)時(shí)傳送并接收海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)[11]。

2 建設(shè)基于海底纜線的海洋觀測(cè)系統(tǒng)的意義

我國(guó)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(tái)灣海峽、瓊州海峽和南海諸島間水道等。針對(duì)這些海峽和水道開(kāi)展海水通量以及其他特性的長(zhǎng)期系統(tǒng)性觀測(cè)，對(duì)我國(guó)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(guó)近海大量的漁業(yè)活動(dòng)、頻繁的水道交通等客觀條件的限制，該類觀測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)一直沒(méi)有代表性進(jìn)展。相對(duì)于其他國(guó)家針對(duì)固定海峽通道最長(zhǎng)可達(dá)近30年的連續(xù)觀測(cè)[6]，我國(guó)針對(duì)近海海洋通道的長(zhǎng)期連續(xù)型觀測(cè)工作開(kāi)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(cè)系統(tǒng)建設(shè)的首選目標(biāo)。渤海海峽島嶼眾多，如大小長(zhǎng)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(jì)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(cè)系統(tǒng)的建立，可以獲取渤海海峽水通量的長(zhǎng)期連續(xù)數(shù)據(jù)，該類數(shù)據(jù)對(duì)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(jì)、工況設(shè)計(jì)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(cè)系統(tǒng)提供良好的試驗(yàn)場(chǎng)所，并且該系統(tǒng)建設(shè)也可以滿足渤海沿岸地區(qū)的實(shí)際需求。

在我國(guó)黃海和東海海區(qū)，海上島嶼和石油平臺(tái)等數(shù)量也非常豐富，值得充分利用。同時(shí)，我國(guó)最大的島嶼臺(tái)灣島位于此海區(qū)，我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)已經(jīng)積累了此類觀測(cè)系統(tǒng)實(shí)際搭建和數(shù)據(jù)分析經(jīng)驗(yàn)[10]。與我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)開(kāi)展合作，可以對(duì)臺(tái)灣海峽等臺(tái)灣島周邊海域的水通道開(kāi)展觀測(cè)，獲取對(duì)臺(tái)灣暖流、閩浙沿岸流等我國(guó)近海重要流系的第一手觀測(cè)資料，也可以對(duì)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(shí)，該系統(tǒng)建設(shè)也將會(huì)顯著提升兩岸海洋合作水平，推動(dòng)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(tái)，更將成為兩岸海洋合作交流平臺(tái)。

在我國(guó)南海海區(qū)，與本系統(tǒng)建設(shè)有關(guān)的最為突出的特點(diǎn)是我國(guó)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(zhǎng)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(guó)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(cè)系統(tǒng)提供了硬件基礎(chǔ)。本海域的海洋現(xiàn)象是我國(guó)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(duì)我國(guó)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(zhǎng)期定點(diǎn)的海洋水道觀測(cè)仍屬空白，本系統(tǒng)在南海建立的實(shí)際價(jià)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(cè)系統(tǒng)面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)

通過(guò)海水運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的微量電壓反演在通過(guò)海道的海水流量這一具體問(wèn)題上，相關(guān)理論經(jīng)過(guò)多年完善與實(shí)際檢驗(yàn)，已比較成熟。我國(guó)在此階段如果開(kāi)始搭建此類觀測(cè)系統(tǒng)，在理論方面所面臨的困難將遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于20世紀(jì)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(jìn)來(lái)，這使得我們?cè)谙到y(tǒng)搭建的前期，可以進(jìn)行更有針對(duì)性的準(zhǔn)備工作。并且因?yàn)橐延卸啻喂ぷ髫?fù)載纜線成功投入海洋觀測(cè)的先例，也使得我們?cè)诳捎美|線的范圍上大大增加。

近年來(lái)我國(guó)近海海洋工程數(shù)量呈逐年增加的趨勢(shì)。在渤海和東海海區(qū)，存在相當(dāng)數(shù)量的海上石油平臺(tái)，各平臺(tái)均配套有各類相關(guān)纜線，如果能夠充分利用，將會(huì)是相當(dāng)合適的海洋觀測(cè)平臺(tái)。在南海海區(qū)，除了海上石油平臺(tái)之外，我國(guó)在一些遠(yuǎn)海島礁上進(jìn)行了大量的海上工程作業(yè)，為了滿足島上生產(chǎn)生活，勢(shì)必會(huì)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(shí)現(xiàn)同步海洋觀測(cè)的良機(jī)。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(shì)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(jìn)行好各類前期準(zhǔn)備工作，這也是搭載海洋觀測(cè)的良好平臺(tái)。

我們正處于技術(shù)突飛猛進(jìn)的時(shí)代，20世紀(jì)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(shí)期。尤其是通信電纜，原本是海島與大陸通信往來(lái)的唯一手段，隨著技術(shù)的發(fā)展，微波通信等無(wú)線通信已經(jīng)普遍地被應(yīng)用到各遠(yuǎn)離大陸的海島中。這種技術(shù)進(jìn)步使得大量的海底纜線退役。負(fù)載中的工作纜線雖然也可用于海洋觀測(cè)，但是需要進(jìn)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(huì)對(duì)海洋觀測(cè)產(chǎn)生不利。因此，退役的海底纜線將是海洋觀測(cè)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(shí)機(jī)，提前著手。

4 膠州灣灣口試點(diǎn)觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)構(gòu)想

我國(guó)近海尚未有類似觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，在大規(guī)模建設(shè)前，有必要選取試點(diǎn)海區(qū)開(kāi)展海上實(shí)際測(cè)試，從而積累系統(tǒng)搭建實(shí)際經(jīng)驗(yàn)。從成本和建設(shè)難度等多方面考慮，試點(diǎn)海區(qū)空間范圍不易選取過(guò)大。我國(guó)山東省青島市下轄的膠州灣灣口海區(qū)兩岸經(jīng)濟(jì)發(fā)展充分，利于觀測(cè)系統(tǒng)選址，灣口海流特征明顯，利于驗(yàn)證反演結(jié)果，灣口海水通量的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)也有利于對(duì)膠州灣與外海水交換，確定污染物容量等多方面實(shí)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(cè)系統(tǒng)建設(shè)的適宜試點(diǎn)海區(qū)。

在本海區(qū)，系統(tǒng)建設(shè)最關(guān)鍵點(diǎn)海底纜線可有以下多種選擇對(duì)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(fù)載電壓等參數(shù)較大，直接觀測(cè)其上的海水運(yùn)動(dòng)感生電場(chǎng)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(hù)層，以此作為觀測(cè)媒介。借助以上纜線作為載體，實(shí)現(xiàn)海洋觀測(cè)，對(duì)海洋科研機(jī)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(huì)搭建合作平臺(tái)，從而使多部門共同協(xié)作推進(jìn)完成。

觀測(cè)系統(tǒng)搭建完成后，還需進(jìn)行傳統(tǒng)方法的同步海洋觀測(cè)，用于比測(cè)校對(duì)和確定各類參數(shù)。對(duì)于海水通量的確定，可選用船載ADCP往復(fù)式走航觀測(cè)方法，在不同時(shí)段多次測(cè)量，使之與觀測(cè)系統(tǒng)反演得到的海水通量值相比較，驗(yàn)證系統(tǒng)所得數(shù)據(jù)的真實(shí)性。同時(shí)還需應(yīng)用CTD測(cè)量海水溫度、鹽度，以確定海水電導(dǎo)率，測(cè)量背景磁場(chǎng)強(qiáng)度和岸基、沉積物電導(dǎo)率用以反演計(jì)算。

5 總結(jié)和展望

我國(guó)基于海底纜線的海洋觀測(cè)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(shì)。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(guó)此類系統(tǒng)建設(shè)速度和質(zhì)量。

我國(guó)近海范圍廣闊，不同海區(qū)內(nèi)該類海洋觀測(cè)系統(tǒng)的科學(xué)意義、觀測(cè)目標(biāo)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效應(yīng)各有不同。該觀測(cè)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(bǔ)對(duì)此區(qū)域重點(diǎn)海洋現(xiàn)象長(zhǎng)期觀測(cè)的空白，還可借助科學(xué)研究這一平臺(tái)，充實(shí)我國(guó)在此海區(qū)的國(guó)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(duì)海洋科學(xué)研究熱情不高，對(duì)纜線搭載觀測(cè)儀器是否會(huì)導(dǎo)致其生產(chǎn)、設(shè)備安全顧慮重重。解決此類問(wèn)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(cè)的纜線所有企業(yè)，而是應(yīng)該由海洋管理機(jī)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(huì)，搭建海洋科研機(jī)構(gòu)與纜線所有企事業(yè)單位有效的溝通橋梁。這也是國(guó)際各大組織(國(guó)際電聯(lián)/氣象組織/教科文組織海委會(huì))正在大力推行的行動(dòng)路線圖的一部分。

只有通過(guò)海洋管理部門、科研機(jī)構(gòu)和各大企業(yè)共同協(xié)作，才能將此海洋觀測(cè)計(jì)劃早日上升至國(guó)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(jī)結(jié)合。

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

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