加拿大VENUS海底觀測網(wǎng)

陳紹艷，張多，麻常雷

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

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加拿大VENUS海底觀測網(wǎng)

陳紹艷，張多，麻常雷

(國家海洋技術(shù)中心 天津 300112)

加拿大在海底觀測網(wǎng)研究方面居于世界領(lǐng)先地位，它的“海王星”海底觀測網(wǎng)(NEPTUNE-Canada)被譽為人類的水下“哈勃”，是全球首個深海海底大型聯(lián)網(wǎng)觀測站。維多利亞海底試驗網(wǎng)(VENUS)與NEPTUNE都從屬于加拿大海洋觀測網(wǎng)絡(ocean networks Canada，ONC)，有著許多相同的概念和設計。VENUS支持研究近海觀測，本文主要介紹VENUS的背景及科學研究目標，并在分析其基礎設施及構(gòu)建進展的基礎上，提出對我國開展海底觀測網(wǎng)建設的啟示。

VENUS；海底觀測網(wǎng)；管理形式

地球超過2/3的區(qū)域是海洋，人類對海洋的探索與觀測，自古以來從未停止過。而海底觀測的發(fā)展，使得人類對海洋的認識從海面發(fā)展到海底。海底觀測系統(tǒng)可在海底實現(xiàn)能源供應和信息提取的網(wǎng)絡化，使其在海底進行長期、連續(xù)、直接觀測成為可能。因此，海底觀測系統(tǒng)的建成，將從根本上改變?nèi)祟悓Ｑ笱芯坑^測的途徑，為人類觀測海洋提供了新的研究平臺。因此，各個國家都在著力發(fā)展海洋觀測，并提高到國家戰(zhàn)略的高度。

1 VENUS系統(tǒng)

1.1 VENUS系統(tǒng)簡述

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

VENUS觀測海域水深在300 m左右，屬于中等深度。2006年，在山尼治灣(Saanich Inlet)建立了一個水深96 m海底節(jié)點，纜線長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的兩個海底節(jié)點[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、高清晰度視頻攝像機、濁度計、聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)、水聽器、沿岸海洋動力應用雷達、散射計等。

1.2 VENUS的主要科學目標

1.2.1 河口循環(huán)和河口羽流動力學

喬治亞(Georgia)海峽是一個大型區(qū)域河口系統(tǒng)的一部分，河流中鹽度相對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)，河水流量每秒達上千立方米，負載沉積物水注入喬治亞海峽。VENUS科學家將利用對溫度、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量值，研究河口的循環(huán)過程和交換過程。

1.2.2 浮游動物動力學

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

1.2.3 深水循環(huán)

在每年的特定時期，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/新鮮海水進入峽谷沿著底部流向盆地深處的北部。在夏末，暖/鹽水流進盆地。冬天循環(huán)的海水帶來低營養(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)把高營養(yǎng)/低溶解氧海水帶到盆地。兩個循環(huán)過程都為深水特性提供了重要的補充，維持盆地的生態(tài)系統(tǒng)。通過對溫度、鹽度、海水密度、溶解氧和海流的近底部測量，VENUS將為這些循環(huán)事件提供直接的測量值和時間。

1.2.4 海洋哺乳動物

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滾兒，我便別無所求。我有時還真搞不懂我自己，為什么會羨慕兩只貓。

雖然海水可見度只有幾米，但是聲音可有效傳播數(shù)千米。海洋哺乳動物，例如逆戟鯨很大程度上依靠聲音來進行溝通和尋找食物。喬治亞海峽還有一些長期的和偶爾經(jīng)過的動物，可利用主動聲吶來了解它們的“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哺乳動物的聲音進行監(jiān)測。喬治亞海峽也是一個繁忙的運輸走廊，海洋哺乳動物是如何反應和適應船舶制造的噪音也是一個重要的研究課題。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雜的潮汐變化不僅導致海平面的上升和下降，還誘發(fā)強烈的漲潮和退潮。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)混合過程并強行深層海水更新和交換流動的時間是兩周。VENUS系統(tǒng)將直接測量喬治亞海峽南部的潮汐和海平面的高度，利用先進的聲學多普勒海流剖面儀(ADCP)，提供海洋剪切流和海洋紊流的實時測量。

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間和地點，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，利用微小的聲學信標定期地發(fā)出微弱的識別叫聲。VENUS網(wǎng)絡布放接收器將可以監(jiān)測魚類活動。目標包括了解在區(qū)域海洋環(huán)境下當?shù)佤~類洄游特性和死亡率。聲學標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)在是壓實的，其本身是一個動態(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)將維護一套專業(yè)的儀器來監(jiān)測和研究大陸坡進程。傳感器將包括水壓計、孔隙壓力傳感器、高頻聲吶、近底部聲學多普勒海流剖面儀、精密的海平面壓力測量儀。

1.2.8 沉積物搬運和海底形態(tài)動力學

VENUS的三角洲動態(tài)實驗室將沿著三角洲大陸坡邊界研究和監(jiān)測沉積物。利用主動、窄波束聲吶和攝像機的圖像，可監(jiān)測沉積物增加比率、再懸浮、沉積物搬運和海底形態(tài)的演變。

1.2.9 對海-氣相互作用進行聲學監(jiān)測

VENUS水聽器陣列，除了監(jiān)測海洋哺乳動物和人為噪音，還將探測和研究與海-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，將會是一個重要的研究項目。

1.2.10 底棲生態(tài)學

英國哥倫比亞沿海區(qū)域是一個多元化的底棲生態(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)測微生物，也可監(jiān)測大型深水動物?？茖W家們還計劃對底棲群落對大型食物的反應進行研究。

2 VENUS觀測網(wǎng)的特點

2.1 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)及先進的管理運行形式

VENUS的組成包括兩個單獨的電纜陣列下的3個海底節(jié)點、2個岸站、1個網(wǎng)絡運營中心和1個數(shù)據(jù)歸檔中心。水下系統(tǒng)能讓儀器與岸上進行通信服務，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。該節(jié)點將SIIMs中的數(shù)據(jù)流組成一個單一的數(shù)據(jù)流，通過光纖電纜傳回到岸站。則該節(jié)點也會控制及監(jiān)測SIIMs提供的電源和通信服務。水上系統(tǒng)為該系統(tǒng)提供電源和網(wǎng)絡的訪問連接。岸站的設備將交流電轉(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之間的通信聯(lián)系。

2.2 具有特色的管理運行形式

在管理和操作層面，由維多利亞大學網(wǎng)絡操作中心(NOC)負責。NOC負責運營兩個岸站和水下陣列。運營商必須能保障系統(tǒng)的正常，并能夠探測到出現(xiàn)的任何故障。VENUS傳到岸站的數(shù)據(jù)稍經(jīng)處理就通過計算機網(wǎng)絡輸送到維多利亞大學的“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)由科學家直接使用，稍經(jīng)處理就在網(wǎng)站上公布并對信息進行存儲，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)人員采用面向服務的架構(gòu)，使用網(wǎng)絡服務來呈現(xiàn)數(shù)據(jù)管理和存檔系統(tǒng)各個組件的功能，建立起了一套實時信息系統(tǒng)。DMAS的建設和運營是VENUS的最大組成部分。布放儀器近實時的交互能力和環(huán)境，使VENUS超越了對觀測網(wǎng)的傳統(tǒng)定義，并把水下實驗室?guī)У揭粋€新的領(lǐng)域。

3 對我國海底觀測網(wǎng)運行的啟示

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

(1)在財政支持方面，加拿大政府對VENUS給予了大力的財政支持，VENUS具備國家一級創(chuàng)新基金、州一級的發(fā)展基金以及其他政府機構(gòu)、工業(yè)機構(gòu)、大學等支持的資金，作為建設和運行資金。

(2)學習其開放系統(tǒng)管理模式，獲得的數(shù)據(jù)在網(wǎng)上向全世界供應，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，不僅能方便地進行數(shù)據(jù)訪問及處理，而且還可以進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)的運行，同時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，既擴大了觀測網(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，定人定向地對深海觀測進行跟蹤了解，與國外接軌，加強合作交流[3]。開展觀測設備、儀器研制，并對工程技術(shù)經(jīng)驗進行積累，使觀測工作可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)束語

現(xiàn)在各國越來越重視對海洋進行觀測，而海底觀測是海洋觀測中非常重要的一部分。海底觀測系統(tǒng)在海洋預測、海洋科學研究、海洋資源開發(fā)、地震觀測、國家安全等方面具有重大的科學和現(xiàn)實意義， 目前已成為國際競爭的焦點技術(shù)領(lǐng)域[7]，我國是一個多臺風國家，每年臺風造成的損失巨大，加之軍事海洋建設的需要，故發(fā)展我國的海底觀測技術(shù)，迫在眉睫。

[1] 上海海洋科技研究中心和海洋地質(zhì)國家重點實驗室.《海底觀測：科學與技術(shù)的結(jié)合》海底觀測系統(tǒng)的現(xiàn)狀與趨勢[M].上海，同濟大學出版社，2011.

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

[3] 李建如，許惠平.加拿大“海王星”海底觀測網(wǎng)[J].地球科學進展，2011(6):656-661.

[4] 羅續(xù)業(yè)，李彥.海王星海底長期觀測系統(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.海底觀測系統(tǒng)[M].北京：海洋出版社，2006：4.

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