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實驗室,山東 青島 266061)

海洋觀測是我們研究和認識海洋現(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的垂向斷面數(shù)據(jù), 但是其空間分辨率極為有限; Argo浮標所獲得到的溫鹽數(shù)據(jù)空間分布也僅局限于其經(jīng)過的路徑軌跡, 并且該浮標無法進入水深小于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行電力和信息的傳輸, 同時, 該技術(shù)的迅猛發(fā)展也為海洋觀測提供了一種具有獨特優(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, 對于海底纜線所在斷面的海洋海水通量和其他水文特性進行觀測。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)揮其觀測時間長、數(shù)據(jù)連續(xù)性強和綜合花費較低的優(yōu)點。

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)點和缺點, 并試圖找出隨著技術(shù)的進步產(chǎn)生的解決其缺點的合理方法。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, 其外層護套中包括有連續(xù)的金屬導(dǎo)電結(jié)構(gòu), 本項技術(shù)可借助該護套開展實施。

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: 在美國佛羅里達海峽區(qū)域, 已經(jīng)進行了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)量最高和時間最連續(xù)的海洋水交換通量記錄。該項工作應(yīng)用的海底纜線設(shè)置在佛羅里達沿岸(邁阿密)到巴哈馬之間, 觀測時間序列從1982年開始。應(yīng)用觀測結(jié)果對佛羅里達海流輸運進行了長時間的高時間分辨率結(jié)果分析, 并發(fā)現(xiàn)該輸運結(jié)果與北大西洋風(fēng)場年際變化有關(guān)[3]。

自從該項目開始進行之后, 隨著時間的推進,海洋學(xué)家對其數(shù)據(jù)一直進行著不間斷的研究和驗證。針對該項目所獲得的數(shù)據(jù)進行分析的相關(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行發(fā)表, 時間跨度自 20世紀 90年代至近兩年[3-5]。時間和數(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)用一條正常運行的海底通信電纜, 對臺灣島和沖繩群島之間的水道進行了研究觀測。該項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, 本項技術(shù)也應(yīng)用于濕地入海水量輸運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。

近一段時期以來, 隨著全球社會經(jīng)濟尤其是通信事業(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, 以實現(xiàn)大洋尺度的長時間海洋觀測。已經(jīng)開展的觀測計劃包括: 東北太平洋海底長期海洋監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建設(shè)實驗(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)和日本先進實時海底地球監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(Japanese Advanced Realtime Earth Monitoring Network in the Area, ARENA)等[2]。

同時, 因技術(shù)進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施和開展。因此除以上基于新建海底電纜的觀測計劃之外, 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[8]。

2 對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識到, 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特的優(yōu)勢, 其中最為重要的為觀測時間連續(xù)、相對費用較低等, 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, 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會存在一個信號中繼放大器(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)?！鞍灼敝懈鶕?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)和市場角度對其進行了合理性評估, 得到了較為正面的結(jié)果[7]。

在過去的一段時期中, 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?。并且以國際電信聯(lián)盟(ITU)和聯(lián)合國教科文組織海洋委員會(UNESCO/IOC)等為首的國際組織也正在積極大力推動與全球各大海底纜線運營商的合作, 使之可以找到經(jīng)濟利益和科學(xué)研究的最佳結(jié)合點。

洲際海底電纜橫跨整個大洋, 基于其可進行橫跨整個大洋海盆斷面的海水流動情況。同時, 海底電纜位于大洋底部, 若對大洋底層的海水溫度、鹽度進行觀測, 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情況。獲得該類數(shù)據(jù)的長時間序列觀測結(jié)果, 是研究全球氣候變化和海洋對其響應(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一步的重視。海嘯災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)作為一個與沿海人類安全息息相關(guān)的研究項目, 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高昂等缺點, 難以對海嘯情況做出最及時和準確的反映。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、維護費用低和實時傳輸數(shù)據(jù)快捷等優(yōu)點, 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(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, 會后各組織聯(lián)合發(fā)表行動號召,表示今后將在科學(xué)和商業(yè)等各個方面積極推動海底纜線在各科學(xué)研究方面的應(yīng)用, 并將與國際電纜保護委員會(ICPC)共同努力促進海底纜線觀測技術(shù)的發(fā)展。該行動號召說明基于海底纜線的海洋觀測技術(shù)的優(yōu)點和重要性已經(jīng)得到了研究學(xué)者的共識, 在今后其必將得到進一步的重視和發(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)驗和計劃。通過我們已有的對海洋的認識, 氣候變化和海嘯等海洋災(zāi)害對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)中對我國而言也屬于當(dāng)務(wù)之急。同時, 嘗試開展基于近岸通信或電力電纜, 對于我國近海如渤海海峽處海水交換情況的研究, 也是本項技術(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, 在此謹表謝忱。

[1]Larsen J C, Momoki K, Liu Cho-teng. Motion-induced voltages from in-service undersea telephone cables[J].Acta Oceanographica Taiwanica, 1997, 36(1): 1-10.

[2]You Yuzhu. Harnessing telecoms cables for science[J].Nature, 2010, 466: 690-691.

[3]Larsen J C. Transport and heat flux of the Florida Current at 27 degrees N derived from cross-stream voltages and profiling data: theory and observations[J]. Philosophical Transactions: Physical Sciences and Engineering, 1992, 338 (1650): 169-236.

[4]Baringer M O, Larsen J C. Sixteen years of Florida current transport at 27°N[J]. Geophysical Research Letters, 2001, 16:3179-3182.

[5]Pedro N, Dinezio L J. Observed interannual variability of the Florida current: wind forcing and the North Atlantic oscillation[J]. Journal of Physical Oceanography,2010(39): 721-736.

[6]Sanford T B. Measurements by geomagnetic induction of volume transport in a salt marsh drainage channel[J]. Limnology and Oceanography, 1977,22(6): 1082-1089.

[7]International Telecommunication Union. Using submarine communications network to monitor the climate[EB/OL]. http://www.itu.int/en/ITU-T/techwatch/Pages/submarinenetworks.aspx. 2012-07-02.

[8]Butler R, Chave A D, Duennebier F K. Hawaii-2 observatory pioneers opportunities for remote instrumentation in ocean studies[J]. EOS Trans, 2000, 81(157):162–163.