海底觀測網絡：
傳統的海底科學考察主要利用船隻進行海底的地質地球物理調查，獲取例如海底地形、海底地層結構等信息，但調查船只能進行短暫的考察，難以獲取海底隨時間變化的信息。
衛星遙感和海面浮標已能監測海洋表面變化，但是衛星遙感難以穿透厚重的海水層觀測海底。
海底觀測網絡是指將各種觀測儀器安裝到海底，對海水層、海底和海底以下的巖石進行長期、動態、實時的觀測。
海底觀測網絡具有長期、動態、實時的優勢，相對衛星遙感和調查船觀測系統，海底觀測網絡被形象地稱為地球觀測系統的第3個平臺。
海底觀測網絡可應用於海底天然氣水合物、海底地震監測和海嘯預警、海底熱液活動等方面的研究。
海底觀測網的組網方式：
方式一：利用海底光電複合纜將海底觀測儀器和陸地基站連接起來。
優劣：海底電纜能長期供應電力和快速傳輸數據，但耗費大，適合離岸較近的海域。
方式二：無海底電纜連接，海底觀測儀器通過電池供應電力和海面浮標發送衛星數據。
優劣：電力供應和數據傳輸受到限制，但是相對經濟，適合離岸較遠的海域。
摘要
近期有纜海底觀測網發展迅猛, 世界各國包括加拿大、美國、日本和歐洲國家都依據自己的科學目標, 建立了相應的有纜海底觀測網。文章針對不同國家有纜海底觀測網系統的組成和建設分別做了概述和評論。從 1978 年開始到現在, 日本成功建設了 10 條有纜海底地震觀測網, 從早期同軸電纜作為主幹電纜, 發展到使用光電纜連接水下設施。加拿大成功建成近岸尺度和區域尺度兩條有纜海底觀測網。美國 2012 年成功建成目前世界上最長的一條區域海底觀測網(約 900km)。歐洲國家也正在開展在 10 個海區建立有纜觀測網。跟隨國外的步伐, 我國和我國臺灣地區也建立了自己的海底觀測站(東海小衢山)和有纜觀測網(中國臺灣媽祖)。
圖 1 全球有纜海底觀測網分布圖
圖中紅三角為歐洲海底觀測網(ESONET)位置: 1. 北冰洋觀測網; 2. 挪威大陸邊緣觀測網; 3. 北海觀測網; 4. 東北大西洋波克潘(Porcupine)觀測網; 5. 大西洋洋中脊亞速爾(Azores)觀測網; 6. 伊比利亞大陸邊緣觀測網; 7. 利古裡亞海觀測網; 8. 西西里島東部海底觀測網; 9. 地中海希臘 Hellenic 觀測網; 10. 黑海觀測網。紅圓點為美國海底觀測網: 11.長期生態系統觀測系統(LEO-15); 12. 夏威夷海底火山觀測網(HUGO); 13. 夏威夷-2 觀測網(H2O); 14. 馬薩葡萄園島海岸帶觀測網(MVCO); 15. 蒙特利灣海底長期三分量海底地震臺站(MOBB); 16.燈塔海洋研究計劃Ⅰ期(LORI-Ⅰ); 17. 火星觀測網(MARS); 18. 海洋觀測計劃區域尺度節點觀測網(OOI-RSN); 19. 燈塔海洋研究計劃Ⅱ期(LORI-Ⅱ); 20.阿羅哈觀測網(ACO)。黃色方形為加拿大海底觀測網: 21.海王星海底觀測網(NEPTUNE); 22. 金星海底觀測網(VENUS)。黑色三角形為日本海底觀測網: 23. 密集海底地震和海嘯網絡系統(DONET); 24. 日本其他觀測網(參照圖 2 和表 1)。黃色三角形為中國海底觀測網: 25. 小衢山海底觀測站(XQ); 26. 中國臺灣媽祖海底觀測網(MACHO)
Fig. 1 Distribution map of cabled seafloor observatories in the world
近年來, 世界各國都加快了深海觀測和海底傳感器技術研發的步伐, 特別重視海洋探測、水下聲通訊、海底礦產資源勘探等深海技術。目前海底觀測網主要可分為無纜錨系–浮標系統和有纜觀測網系統兩大類(NRC, 2000)。根據觀測技術可劃分為海底觀測站、觀測鏈和海底觀測網絡(陳鷹 等, 2006)。
日本是最早建立有纜觀測網的國家, 1979 年建成 Tokai 海區觀測網, 1986 年建成 Boso 海區地震觀測網(Joseph, 2011)。近年來日本繼續建設更為宏偉的有纜觀測網, 如密集海底地震和海嘯網絡系統(DONET)(圖 1、表 1)。儘管早期使用笨重的同軸電纜作為主幹水下電纜, 但系統框架較為完整, 總體是由岸基站、海底電纜和水下儀器(海底地震儀、海嘯計)組成。美國和加拿大也是較早提出籌建海底觀測網計劃的國家, 其中最為成熟的有加拿大的海王星 海 底 觀 測 網 (NEPTUNE) 和 金 星 海 底 觀 測 網(VENUS); 美國的火星觀測網 (MARS)和海洋觀測計劃–區域尺度節點觀測網(OOI-RSN)(圖 1)。同時, 歐洲國家也積極加入到海洋觀測網建設的熱潮中, 如歐洲海底觀測網(ESONET)。近年中國以及中國臺灣地區也相應建立了有纜海底觀測網絡, 如中國臺灣的媽祖觀測網(MACHO)(許樹坤 等, 2005; 李昭興 等, 2010)和東海小衢山觀測站(許惠平 等, 2011; 張豔偉 等, 2011)。
有纜海底觀測網遵循海洋科學與技術的協同發展(汪品先, 2011), 是繼地面/洋面和空間之後的第三個觀測平臺(汪品先, 2007), 對大洋洋底動力學的研究有一定的推動作用(李三忠 等, 2009a、2009b)。傳統海洋調查受到觀測時空尺度和傳感器的制約, 不能很好地解決海洋中發生的現象和過程的細節(Dickey et al, 2005), 有纜海底觀測手段的出現將有助於這一關鍵問題的解決。有纜觀測網的優點是能夠提供不間斷電力支撐, 實現長期、連續、實時的海洋立體觀測, 獲取不同時間、空間尺度的海洋過程數據, 為不同領域的海洋科學家研究突發性事件的過程(如颱風、地震和海嘯、海底滑坡)提供翔實和精確的數據, 包括數月到幾年周期的過程和全球尺度長期過程數據。有纜海底觀測網的缺點是平臺固定, 可移動性差, 需要結合船載海洋觀測和衛星、移動浮標觀測相結合。本文試圖從日本、加拿大、美國、歐洲國家最近幾年的有纜海底觀測網介紹和分析出發, 尋找建立適合我國建設長期有纜觀測網的經驗和方法, 從全球角度分析和探討我國建立觀測網的迫切性和建立觀測網的科學目標和意義。
1.1 日本有纜海底觀測網
圖 2 日本有纜海底觀測網概圖
a. 從 1979 年至 2008 年日本海域布設的 8 條有纜觀測網示意圖, 詳細情況見表 1; b. 1979 年布設的御前崎(Omaezaki)同軸電纜觀測網; c. 1986 年布設的同軸電纜觀測網示意圖, OBS 為海底地震儀臺站, 黑線為海底電纜, 黑點為臺站位置; d. 1997 年在電信環太平洋電纜(trans Pacific cable-1)安裝的海底地震儀臺站; e. 密集海底地震和海嘯網絡系統(DONET)的一期和二期布局; f. 主幹光電纜末端多傳感器平臺示意圖。資料來源自 Momma 等(1997)、Kasahara 等(1998、2001)和 Joseph (2011)
Fig. 2 Infrastructure of cabled seafloor observatories in Japan
表1 日本有纜海底觀測網絡
序號
位置
觀測網布設單位
建設年度
電纜長度/km
備註
1
御前崎
日本氣象廳
1979
120
同軸電纜
2
勝浦
日本氣象廳
1986
96
同軸電纜
3
伊東
東京大學地震研究所
1993
28
光電纜
4
平冢
防災科學技術研究所
1996
127
光電纜
5
釜石
東京大學地震研究所
1996
123
光電纜
6
室戶
日本海洋科學和技術廳
1997
125
光電纜
7
釧路
日本海洋科學和技術廳
1999
242
光電纜
8
室戶
日本海洋科學和技術廳
2006
300
光電纜
9
御前崎
日本氣象廳
2008
220
光電纜
10
紀伊半島
日本海洋科學和技術廳
2010
450
光電纜
注: 數據來源於文獻Joseph(2011)
日本高校和科研院所非常重視海底地震和海嘯的監測以及研究。1979 年日本氣象廳建立了兩條同軸電纜的在線類型海底地震觀測網(表 1 和圖 2a、2b、2c)。系統主要使用 96~120km 長的同軸電纜做為主幹網絡的電力和信息傳輸介質, 水下設備由多個海底地震儀和海嘯壓力計組成(表 1)。九十年代後期由於海底光纖電纜技術的發展, 東京大學地震研究所(ERI)分別布設了兩條海底地震觀測網, 都使用了光纖電纜做為主幹網, 隨後日本海洋科學和技術廳(JAMSTEC)布設了其他 4 條海底地震觀測網(表1)。早期由於同軸電纜價格昂貴, 在部分海底通訊電纜廢棄的機遇下, 一些科學家意識到利用海底廢棄長距離電信電纜去建立海底地震觀測系統將是一個絕佳的機會(Nagumo et al, 1989; Walker, 1991)。1997年 1 月東京大學地震研究的科學家在環太平洋電纜上建立了海底地震觀測站(Kasahara et al, 1998、2001)(圖 2d)。1997 年 3 月日本海洋科學和技術廳建成了第一條光纖電纜的海底觀測網(Momma et al, 1997)。儘管利用廢棄電纜去建設地震觀測網, 其布設過程與維修海底電纜的過程幾乎是一樣的, 但是費用仍然很昂貴, 廢棄電纜的使用壽命也是一個致命的弱點, 很快這樣的方法也被重新布設光纖電纜所取代。2006 年在日本文部省資助下, 開始建設DONET, DONET 第一期建設在室戶(Muroto)海區, 主要目的是監測地震和海嘯, 建立大範圍實時海底觀測的基礎設施, 形成一個高密度的網絡, 以開展大範圍、高精度的連續觀測, 其中海底的 20 個地震臺站於 2011 年布設完成(表 1)。DONET 第二階段從2010 年開始建設, 計劃在紀伊半島安裝 29 個地震觀測臺站, 2 個岸基站, 7 個節點, 450km 長的主幹光電纜, 2013 年開始海底布設, 2015 年系統開始運轉(圖2e)。水下關鍵設備主要是海底地震儀、海嘯壓力計和主幹光電纜末端多傳感器平臺。多傳感器平臺主要由一些測量環境參數的傳感器組成, 如測流計、聲學都卜勒測流剖面儀(ADCP)、溫鹽深測量儀(CTD)、溫度探針、水聽器、照相設備和石英壓力計等(圖 2f)。 日本海底觀測網的主要特點是起步早, 從笨重昂貴的同軸電纜到輕巧的光電纜為海底主幹電纜。觀測網以監測地震和海嘯為主要目的。觀測網規劃比較長遠, 組網技術成熟, 由日本電氣股份有限公司(NEC)做技術支撐。
1.2 加拿大有纜海底觀測網
圖 3 加拿大海王星海底觀測網系統結構示意圖(資料來源: http://www.neptunecanada.ca/about-neptune-canada/infrastructure/)
Fig. 3 Infrastructure of seafloor observatory of Neptune in Canada. Source from http://www.neptunecanada.ca/about-neptune- canada/infrastructure
圖 4 加拿大金星海底觀測網系統基本結構示意圖[據 Barnes 等(2008)]
a. 金星海底觀測網位置圖; b. 觀測網系統基本結構。圖 a 中紅三角形表示接駁盒位置; 白色實線表示海底電纜
Fig. 4 Infrastructure of seafloor observatory VENUS. (a) the location map of the VENUS; (b) The infrastructure of the VENUS. After Barnes et al (2008)
加拿大有纜海底觀測網主要由加拿大海洋網絡(ONC)負責和管理, 目前旗下已經建成和運轉 2 個有纜海底觀測網絡: NEPTUNE 和 VENUS (Taylor, 2008)。這 2 個觀測網絡都由加拿大維多利亞大學運轉和維護, 數據通過網絡從無人岸基站傳輸到數據中心(Barnes et al, 2008; Pirenne et al, 2009)。 NEPTUNE 是世界上第一個大區域尺度的、多節點、多傳感器的有纜海底觀測網(Taylor, 2008; Barnes et al, 2008; Taylor, 2009)。2008 年至 2009 年首先完成了 800km 長的多節點環形主幹網建設。從岸基站艾伯尼港(位於溫哥華島)開始, 觀測網穿越 了海岸帶、大陸斜坡帶、深海平原和大洋擴張脊等不同的地質構造環境(圖 3)。該系統水下有 6 個科學主節點, 目前 5 個節點正式使用, 系統提供 10kW 的電力和 4Gb·s-1的數據傳輸能力(Barnes et al, 2008; Pirenne et al, 2009)。
該區域觀測網由 5 個主要科學主題驅動: 1) 板塊構造運動及地震動力機制; 2) 海底洋殼中的流體通量和增生楔內的天然氣水合物; 3) 海洋和氣候動力機制及其對海洋生物的影響; 4) 深海生態系統動力機制; 5) 工程及計算研究(Taylor, 2008; Barnes et al, 2008)。 VENUS 是一個近岸尺度的海底觀測網, 2006 年在薩尼奇入口布設了一條 4km 長的單節點網。科學節點投放在 100m 水深處, 系統布設在有氧和缺氧轉換帶的峽灣內, 光電纜登陸點位於加拿大漁業和海洋科學研究所(Barnes et al, 2008)(圖 4a)。2008 年在喬治亞海峽布設了第二條 40km 長的雙節點觀測網, 2 個科學節點從弗雷澤三角洲延伸到穿過大部分喬治亞海峽(圖 4a)。依據觀測網布設的位置, 該觀測網的科學目的主要集中在海洋動力環流模式; 大洋變化的修復; 次級生產力對環境的反應; 鯨的行為和聲學汙染; 底棲生物群落的反應; 海底穩定性、侵蝕和沉積; 生態系統反應的早期預警等(Barnes et al, 2008; Aguzzi et al, 2011)。海底布設的儀器主要有 CTD、O2傳感器、ADCP、浮遊動物聲學剖面儀、水聽器、沉積物捕獲器、照相設備和一些自主研製的儀器。 VENUS 是通過岸基站連接水下科學節點, 通過岸站把數據傳輸到維多利亞大學數據和管理檔案中心(Pirenne et al, 2009), 水下次級接駁盒或稱科學儀器界面模塊(SIIM)通過次級電纜直連到不同傳感器和儀器(圖 4b)。NEPTUNE 的水下基礎設施主要由 Alcatel-Lucent 公司設計、製造和安裝, VENUS的水下光電纜由 Global Marine System 公司負責安裝, OceanWorks 公司為 2 個觀測網提供了特殊的網絡技術(Barnes et al, 2008; Woodroffe et al, 2008)。
加拿大海底觀測網的特點是: 在科學目標驅動下, 建立了近海尺度的 VENUS 和區域尺度的NEPTUNE; 觀測網系統完善, 預留和設計了為將來擴充的埠, 開創了全球有纜海底觀測網的典範和標準; 核心技術為 SIIM; 觀測網組建過程中, 使用了先進的水下機器人——海洋科學遙控操作平臺(ROPOS); 觀測網數據全球公開。
1.3 美國有纜海底觀測網
表2 美國有纜海底觀測網
序號
觀測網名稱
布設單位
建設年度
電纜長度/km
1
LEO-15
羅格斯大學
1996
9.6
2
HUGO
夏威夷大學
1997
47
3
H2O
伍茲霍爾海洋研究所
1998
—
4
MVCO
伍茲霍爾海洋研究所
2000
4.5
5
MOBB
蒙特利灣水生研究所
2002
52
6
LORI-
燈塔研發企業
2005
約120
7
MARS
蒙特利灣水生研究所
2007
52
8
OOI-RSN
華盛頓大學
2010
900
9
LORI-Ⅱ
燈塔研發企業
2010
354
10
ACO
夏威夷大學
2011
—
註： 「—」表示無法準確確定海底電纜長度
圖 5 美國有纜海底觀測網系統基本結構
a. 長期生態系統觀測網(LEO-15)位置圖: 方框表示水下節點位置區域; 藍色虛線表示海底電纜的位置; 白色點線表示觀測點位置。 b. 夏威夷海底火山觀測網(HUGO)系統結構圖: 黑色線條為海底電纜; 小圖為羅希火山的放大圖。c. 新千年海底觀測站(NeMO)示意圖。d. 夏威夷-2 觀測網(H2O)位置和電纜位置示意圖。e. 蒙特利灣海底長期三分量地震臺站觀測網(MOBB)位置示意圖: 紅點表示臺站; 藍色實線表示海底電纜位置。f. 火星觀測網(MARS)系統結構示意圖: 紅色線條為海底電纜; 其他線條為主接駁盒與水下各種傳感器和設備的連接線。g. 海洋觀測計劃區域尺度節點觀測網(OOI-RSN)系統結構示意圖: 正方形為海底主節點位置; 白線條為海底電纜; 圖中左側為淺水和深水節點組成
Fig. 5 Infrastructure of cabled seafloor observatories in the USA. (a) the site map of LEO-15 (http://www.marine.rutgers. edu/mrs/info/leomap.html); (b) the system structure of NUGO; (c) the site map of NeMO; (d) the site map of H2O; (e) the site map of MOBB; (f) the system structure of MARS; (g) the system structure of OOI-RSN.(http://www.ooi.washington.edu/ story/OOI+Primary+Node+Installation+Begins)
美國有纜海底觀測網起步較早, 截止到目前已經建成大約10條有纜海底觀測網(表2)。從1996年建設完成的長期生態系統觀測系統(LEO-15)，2010年開始建設的OOI-RSN，到2011 年建設的阿羅哈觀測網(ACO)，每一個觀測網絡都有各自的特定科學目標。布設的位置也從海岸帶、淺海峽谷地帶(如MARS)到大洋的深海區域(如OOI-RSN)。
1996年9月，美國新澤西州立大學率先在大西洋新澤西大海灣海岸帶布設了LEO-15。它是比較早的一個有纜海底觀測網，由一條約9.6km長的海底光電纜連接科學節點，系統由布設在15m水深的2個科學節點組成(von Alt et al,1992、1997；Forresteret al,1997)(圖5a)。觀測網岸基站設在羅格斯大學的海洋和海岸帶科學研究所內(位於塔克頓)，長時間序列數據存儲格式為網絡通用數據格式NetCDF(Howe et al,2002)。
羅希火山與熱點活動有關，位於海底地幔羽的頂部，是夏威夷火山鏈中最年輕的火山， 火山活動活躍，需要在海底觀測網開展長期、連續的觀測。因此，1997年10月在夏威夷羅希火山頂部布設了一條47km長的海底火山觀測網(HUGO)，岸基站位於夏威夷的霍努阿波(Duennebier et al,1997、2002a、2002b)(圖5b)。HUGO觀測網的科學目標主要是對海底火山及相關的物理海洋、生物、地質和聲學現象進行觀測。做為海底的一個固定站位，有利於科學家在深海大洋環境場所進行科學研究(Duennebier et al,2002a、2002b)。載人潛水器Pisces V對HUGO觀測網進行布設和維護(Duennebier et al,2002a)。
1998年4月該系統出現故障，不能重新啟動，同年10月使用Pisces V插入電池包給主接駁盒，系統電路正常工作，排除了之前認為主接駁盒短路的問題。由於主幹光電纜的短路問題以及昂貴的重新布設費用，2002年觀測網被迫停止運轉並使用水下機器人回收了所有的觀測設備(Duennebier et al,2002a)。相似於HUGO，1997年在胡安德富卡板塊內的洋中脊海山區域也布設了一個新千年海底觀測站(NeMO)，重點觀測熱液噴口附近的地質、生物和化學相關的科學內容(圖5c)。早期在火山位置布設的觀測網雖然都已經停止運轉，但是給後續的觀測網提供了許多寶貴的經驗。
1998年9月, 在東太平洋海域，利用廢棄的通信電纜布設了夏威夷-2觀測網(H2O)(Chave et al,2002；Duennebier et al,2002b)(圖5d)。H2O建立在距離美國檀香山1750km處，周邊2000km範圍內沒有任何陸地，這一系統的建立，對全球海洋地震臺網的覆蓋非常有利(Chave et al,2002)。此觀測網使用美國物理海洋研究調查船R/V Thomas G.Thompson和遙控機器人Jason布設水下設備。安裝後的兩個月，由於破壞性的海流使地震觀測中斷，1999年9月的維修更新了主接駁盒，同時安裝了高頻的水聽器，觀測網進入穩定階段。數據傳輸到岸基站馬卡哈(Makaha)後，通過網絡傳輸到夏威夷大學馬諾阿(Manoa)校區(Duennebier et al,2002b)。系統主要由地震傳感器、聲學和環境傳感器(包括海流計、溫度和壓力傳感器)組成。H2O的主要科學目標是在遠距離、深海地區獲取高質量的寬頻帶地震數據，獲取實時高質量的粒子運動和聲學數據，頻率範圍從0.01Hz到100Hz的數據，傳感器數據都使用16位的模數轉換(Duennebier et al,2002b；Butler,2003)，地震傳感器也被埋藏在海底底部(Duennebier et al.,2002b)，同時地震數據傳輸到美國地震聯合會(IRIS)數據管理中心，便於全球地震學家進行下載和研究(Chave et al,2002)。2003年5月，由於電纜中斷，同年10月的維修航次也沒最終解決問題，導致H2O地震觀測網最終停止運轉。
2000年伍茲霍爾海洋研究所在埃德加頓南岸建立了一個大約4.5km長的馬薩葡萄園島海岸帶觀測網(MVCO)(Edson et al,2000)。根據LEO-15觀測網的經驗，MVCO有2個科學節點，布設在大致7～14.5m水深的海岸帶區域，海底光電纜被埋在海底1～1.5m深度(Austin et al,2000；Edson et al,2000)。MVCO使科學家可以直接連續觀測海岸帶區域在各種環境條件下的環境參數，包括北大西洋強烈風暴的觀測、海岸侵蝕、沉積物輸運和海岸帶生物過程(Austin et al,2000；Edson et al,2000)。
2002年4月，蒙特利灣水生研究所(MBARI)和加州伯克利地震實驗室(BSL)聯合建立了蒙特利灣海底長期三分量地震臺站(MOBB)(McGill et al,2002；Uhrhammer et al,2002； Romanowicz et al,2003)，布設的主要目的是增加地震臺站在海域部分的覆蓋，通過聯合陸上地震臺站數據，更有利於地震震中的確定(Romanowicz et al,2003)(圖5e)。使用遙控機器人Ventana布設了三分量寬頻地震儀、溫度傳感器、海流計和差分壓力計，地震儀傳感器被安裝在海底10cm以下的纖維材料的箱子內，大大減小了海底噪音的幹擾(Romanowicz et al,2003)。地震臺站布設在距離蒙特利灣40km處的1000m水深處，目前臺站提供的地震數據能夠用來確定地震震源機制，分析海底不同源的噪音(Romanowicz et al,2006)。2009年2月，MOBB連接到MARS，成為真正意義的有纜海底觀測網的一部分。
2005年Lighthouse R&D Enterprise公司和德州農機大學的參與者在阿曼海阿布巴卡拉(Abu Bakara)海岸建立了燈塔海洋研究計劃Ⅰ期錨系觀測網(LORI-Ⅰ)，2010年升級為有纜觀測網(du Vall et al,2011；DiMarco et al,2012)。LORI-Ⅰ觀測網安裝了5個科學節點，水深從67m到1350m，2007年在系統中安裝了一個早期海嘯預警系統(STEWS)(du Vall et al,2011；DiMarco et al,2012)。第二期開始於2010年，在阿拉伯海的瑞斯阿爾漢德海岸建立了LORI-Ⅱ有纜觀測網，總體354km 長的主幹光電纜布設在海底，兩臺柴油發電機作為備用電力(du Vall et al,2011；DiMarco et al,2012)。2003年Lighthouse公司在阿曼海的蘇丹海岸建立了實時的海洋觀測錨系系統，2005 年有纜觀測系統開始獲取數據，主要記錄海流流速、壓力、溫度、鹽度、傳導率和溶解氧數據(du Vall et al,2011)。2007年熱帶颶風古努(Gonu)通過北阿拉伯海的LORI-Ⅱ觀測網和阿曼海的LORI-Ⅰ觀測網, 數據都顯示了12.5d的震蕩波，記錄了熱帶颶風Gonu通過深海的整個過程以及水速、溫度、鹽度和溶解氧的變化(Wang et al,2012)。
2007年3月，MBARI成功布設了52km長的MARS (圖5f)。MARS是一個布設在約891m水深的單一科學節點網絡，總共有8個溼插拔埠來連接海底儀器。使用直流對直流轉換器將主幹光電纜中的10kV高電壓降壓為400V和48V電壓提供給科學用戶，主幹網中的最大電量是10kW(Howe et al,2006)。MARS的目標是為美國海洋觀測計劃(OOI)提供測試基礎，測試新的科學儀器和傳感器技術，檢測水下機器人的維護、布放和回收的能力。該項目得到2002年美國國家自然基金的資助，建設期間由於經歷了電纜登陸方式的改變(需要水平方向鑽)、電纜經過海洋動物保護區需要環境評價、地方許可證並面臨財政問題，直到2006年才解決了上面3個大問題開始建設。Alcatel公司開展電纜的布設和安裝任務，經歷2008 年的維修後，MARS正式運轉。目前該觀測網由MBARI管理和維護。
近年來，美國開展了海洋觀測計劃(OOI)。該觀測計劃包括4個組成部分：全球尺度節點、區域尺度節點、近海尺度節點(ORION Executive Steering Committee,2005)。OOI的科學驅動力主要是氣候變化、海洋食物網和生物地球化學循環，海岸帶海洋動力學和生態系統，全球和板塊尺度地球動力學，湍流混合和生物物理相互作用，流體和巖石相互作用和海底生物圈五大動力(ORION Executive Steering Committee,2005)。2000年曾被美國科學家命名為NEPTUNE的觀測網目前為海洋觀測計劃區域尺度節點(OOI-RSN)(Delaney et al, 2000)。2010年開始進行路由調查, 2011年6月在東太平洋俄勒岡，布設了長約900km的區域尺度節點(OOI-RSN),2011年11月鋪設海底光電纜到岸基站太平洋城(Pacific City)， 2012 年布設海底主接駁盒，2013 年至2015 年安裝次級科學節點和錨系。OOI-RSN是在科學機遇和需要驅動下建立的，更為重要的是能夠推動科學創新和教育傳播(Delaney et al, 2000)。
OOI-RSN總共在海底布設了7個科學節點，其中在水合物洋脊(Hydrate Ridge)，軸狀海山(Axial Seamount)和耐力新港線陣列(Edurance Array Newport Line)各布設了2個，在中部板塊(Mid-Plate)布設了一個，同時作為將來一個可擴展的位置。在水合物洋脊節點， 重點觀測天然氣水合物系統，確定天然氣水合物對地震響應的時間演化；確定來自海底的物質通量和對海洋化學的影響；理解天然氣水合物形成和消散與生物地球化學之間的耦合關係。在軸狀海山科學節點重點觀測活火山的活動，通過傳感器監測在巖漿噴出期間，火山的膨脹和收縮、熱液活動和在噴口處富存的生物群落。在耐力新港線陣列科學節點重點觀測在俄勒岡和華盛頓海岸上升流區的沿陸架和跨陸架流的變化。負責管理近海尺度節點的機構有華盛頓大學、伍茲霍爾海洋研究所、俄勒岡州立大學、斯克裡普斯海洋研究所、新澤西州立大學、亞利桑那州立大學和加州大學聖地牙哥分校等。
2011年5月夏威夷大學在瓦胡島的北部100km，水深4726m處，布設了ACO (Duennebier et al,2008；Howe et al,2011)。ACO主要使用了HUGO和H2O的技術，利用廢棄的跨大洋通訊電纜(HAW-4 SL280m)建立的觀測網，岸基站設在美國電話電報公司(AT&T)的馬卡哈(Howe et al,2011)。2007年2月，通訊電纜HAW-4中斷，隨後在維修過程中，在電纜中斷處連接了水聽器和壓力傳感器。2008年完成觀測系統的部署，由於電纜和連接器的問題此系統最後以失敗告終。2011年重新成功布設完整的觀測系統，數據以3Mbs1的傳輸速度從岸基站傳送到夏威夷大學(Howe et al,2011)。2011年5月使用遙控機器人Jason布設海底主接駁盒和溼插拔接頭，主接駁盒連接到通訊電纜的終端，其他傳感器連接到主接駁盒，另外安裝了一個200m高的錨系系統(Howe et al,2011)。2011年6月系統開始獲取數據，初步的數據結果顯示寬頻帶和船的聲音主要集中在10Hz，而海洋動物(藍鯨或鰭鯨)很明顯集中在16Hz的聲學數據中(Howe et al,2011)，但單一的水聽器不能準確確定鯨的數量(Oswald et al,2011)。ACO作為一個基礎設施，主要是利用廢棄的跨大洋通訊電纜來觀測深大洋(4726m)的水體屬性、海底攝像和聲學特徵，從而研究深海平原的隨時間變化的生物、物理和化學動力(Howe et al,2011)。
美國海底觀測網的特點主要是在科學驅動下建立了近海尺度的LEO-15、MVCO和MARS和區域尺度的OOI-RSN。觀測網系統完善，建立了不同研究重點的網絡，如生態系統網絡(LEO-15)，地震和火山觀測網(H2O、NeMO 和HUGO)。不同觀測平臺相互連接完善成熟，如浮標、錨系與有纜海底觀測網的連接。觀測網的建設具有全球性，包括短期和長期的觀測。觀測網使用遙控水下機器人(ROVs)、自主水下機器人(AUVs)和水下滑翔機等高新技術設備。
1.4 歐洲國家有纜海底觀測網概述
圖 6 歐洲有纜海底觀測網位置[據 Priede 等(2004)]
Fig. 6 Sites of cabled seafloor observatories in Europe. After Priede et al (2004)
在美國、加拿大和日本等國的海底觀測網計劃的引領下，歐洲國家也開始建立自己的觀測網。從較早期的無纜移動平臺，如1996年的歐洲之星(GEOSTAR)(Favali et al,2000)，到1998年的「SN-1」觀測網；觀測網持續記錄的時間也從開始的20d到7個月(Favali et al,2000)。同時也研製了一些自主式著落系統，通過船載方式，以57m min1自由下落到海底，如荷蘭的底部著陸系統「BoBo Lander」，德國的移動著陸系統「Modular Lander」，英國的底部著陸系統「Dobo Lander」和水下攝像系統「Bathysnap」(Person et al,2006； Favali et al,2006；Puillat et al,2012)。這些系統的運行時間主要受到電力和數據存儲能力的限制(Person et al,2006)，不能長期進行觀測使用。2002年之後開始進入了有纜觀測系統的準備工作。
2004年4月，義大利和希臘合作在希臘佩特雷灣布設了氣體控制模量有纜觀測網(GMM)(Marinaro et al,2004、2006、2007)。GMM布設在海底甲烷氣體蘊藏的麻點地區，大約離岸站400m，水深42m的位置(Christodoulou et al,2003)。觀測系統主要利用三腳架裝置, 配備短期的3個CH4傳感器、1個H2S傳感器和測溫鹽深的傳感器(Marinaro et al,2004、2006、2007)。2005年1月，甲烷傳感器停止工作，系統僅採集了201d的數據，獲取了大量甲烷麻點地區的活動數據，為進一步研究甲烷氣體的聚集提供了很有價值的資料(Marinaro et al,2007)。
近年來，歐洲國家也開始啟動更為宏偉的歐洲海底觀測網(ESONET)，計劃在北冰洋、大西洋、地中海和黑海等10個海區建立有纜海底觀測網(Priede et al,2002、2004)(圖6)。10個觀測網分別為: ①北冰洋觀測網，重點觀測極地氣候系統，生物多樣性；②挪威大陸邊緣觀測網，重點觀測熱鹽環流與天然氣水合物；③北海觀測網，重點觀測低緯度到高緯度熱鹽輸運和灣流；④東北大西洋波克潘(Porcupine)觀測網，重點觀測海洋深水環境和深海平原生物多樣性；⑤大西洋洋中脊亞速爾(Azores)觀測網，重點觀測生物多樣性和極端環境下的生命；⑥伊比利亞大陸邊緣觀測網，主要監測大陸邊緣地震和海嘯；⑦利古裡亞海觀測網，其功能類似於MARS；⑧西西里島東部海底觀測網，重點觀測地震和板塊相互作用；⑨地中海希臘(Hellenic)觀測網，重點觀測地震和反轉流、深水環境；⑩黑海觀測網，主要觀測缺氧生態系統和天然氣水合物(Priede et al,2002、2004)。
ESONET從2004年開始直接從歐盟獲得資金支持，系統計劃布設5000km的主幹光電纜, 總共經費估計1.3至2.2億美金。2005～2008年完成設備的研製和開展電纜式、浮標式的儀器試驗工作，2009年進入觀測狀態。ESONET採用有纜和無纜兩種觀測站系統，獲得的數據參考德國國際海洋數據中心的泛古陸「PANGEA」系統管理方式(Priede et al,2002、2004)。歐洲海底觀測網的特點是跨不同海區，有各自的科學意義，觀測網發展的平臺多，包括早期移動平臺和長期有纜觀測平臺，參與國家眾多。
目前國內海底有纜觀測網有東海小衢山觀測站(許惠平等,2011；張豔偉等, 2011)和中國臺灣地區的媽祖有纜海底觀測網(MACHO)(許樹坤等,2005；李昭興等, 2010)。國內海底觀測系統的現狀和發展前景也被國內一些學者論述和討論(李穎虹等, 2008、2010；馬偉鋒等, 2009；李三忠等,2009a、2009b；李健等,2012)。我國深海臺站建設對將來布設有纜觀測網是非常重要的，如西沙臺站可以為有纜觀測網提供雙岸基站，從而實現對系統進行雙向供電和數據傳輸，也可以為主幹電纜的登陸提供各種保障(李健等,2012；王盛安等,2015)。
小衢山觀測站於2009年建成，系統主要由一個1.1km長的主幹光電纜，一個海底接駁盒和3種海底設備組成，海底設備為CTD、ADCP和濁度儀。電力主要通過水文觀測平臺的太陽能板提供，目前系統仍在運轉(許惠平等,2011；張豔偉等, 2011)。MACHO於2011年12月建成，第一期已經建成一條主幹光電纜45km的觀測網。海底儀器主要由寬頻海底地震儀、加速度地震儀、CTD、水聽器和海嘯壓力計傳感器組成。系統功能是用於監測臺灣島東北部的地震和海嘯(許樹坤等,2005；李昭興等,2010)。中國科學院資助的三亞海底觀測示範網也已於2011年啟動。2012年3月中國科學院南海海洋研究所完成觀測網的路由調查。2012年11月主接駁盒和次級接駁盒的水池試驗已經成功完成。2013年4月成功布設2km長的主幹光電纜。系統由一個科學節點、一個次級接駁盒和水下儀器組成，科學節點布設在20m水深處，目前系統已經開始正常運轉。
國內有纜海底觀測網的特點是發展起步較晚；觀測平臺集中在淺水區，如東海小衢山觀測站在10m水深處，MACHO最深位置在300m水深處；連接的海底儀器或傳感器數量比較少； 重點觀測的科學目標比較單一，如MACHO 僅重點監測地震和海嘯，沒有化學傳感器。
目前國內海底有纜觀測網有東海小衢山觀測站(許惠平等,2011；張豔偉等, 2011)和中國臺灣地區的媽祖有纜海底觀測網(MACHO)(許樹坤等,2005；李昭興等, 2010)。國內海底觀測系統的現狀和發展前景也被國內一些學者論述和討論(李穎虹等, 2008、2010；馬偉鋒等, 2009；李三忠等,2009a、2009b；李健等,2012)。我國深海臺站建設對將來布設有纜觀測網是非常重要的，如西沙臺站可以為有纜觀測網提供雙岸基站，從而實現對系統進行雙向供電和數據傳輸，也可以為主幹電纜的登陸提供各種保障(李健等,2012；王盛安等,2015)。
小衢山觀測站於2009年建成，系統主要由一個1.1km長的主幹光電纜，一個海底接駁盒和3種海底設備組成，海底設備為CTD、ADCP和濁度儀。電力主要通過水文觀測平臺的太陽能板提供，目前系統仍在運轉(許惠平等,2011；張豔偉等, 2011)。MACHO於2011年12月建成，第一期已經建成一條主幹光電纜45km的觀測網。海底儀器主要由寬頻海底地震儀、加速度地震儀、CTD、水聽器和海嘯壓力計傳感器組成。系統功能是用於監測臺灣島東北部的地震和海嘯(許樹坤等,2005；李昭興等,2010)。中國科學院資助的三亞海底觀測示範網也已於2011年啟動。2012年3月中國科學院南海海洋研究所完成觀測網的路由調查。2012年11月主接駁盒和次級接駁盒的水池試驗已經成功完成。2013年4月成功布設2km長的主幹光電纜。系統由一個科學節點、一個次級接駁盒和水下儀器組成，科學節點布設在20m水深處，目前系統已經開始正常運轉。
國內有纜海底觀測網的特點是發展起步較晚；觀測平臺集中在淺水區，如東海小衢山觀測站在10m水深處，MACHO最深位置在300m水深處；連接的海底儀器或傳感器數量比較少； 重點觀測的科學目標比較單一，如MACHO 僅重點監測地震和海嘯，沒有化學傳感器。
值得一提的是，同濟大學牽頭建設的國家大科學工程——海底科學觀測網於2017年獲批，總投資逾21億元，建設周期為5年。
海底觀測大科學工程「國家海底科學觀測網」正式被批覆 | 同濟大學牽頭建設大科學工程——海底科學觀測網
國家重大科技基礎設施是為探索未知世界、發現自然規律、實現技術變革提供極限研究手段的大型複雜科學研究系統，由國家統籌布局，依託高水平創新主體建設，面向社會開放共享，長期為高水平研究活動提供服務、具有較大國際影響力的國家公共設施，是突破科學前沿、解決經濟社會發展和國家安全重大科技問題的物質技術基礎。
2017年3月，國家發改委正式批覆《海底科學觀測網國家重大科技基礎設施項目建議書》。該項目由同濟大學牽頭進行統籌協調，同濟大學和中國科學院聲學研究所共同作為項目法人單位；主管部門為教育部、中國科學院、上海市。海底科學觀測網是我國基於海底的第一個國家重大科技基礎設施，也是上海張江綜合性國家科學中心重點建設的科學大設施。
國家海底科學觀測網的建設目標是：在我國東海和南海關鍵海域建設基於光電複合纜連接的海底科學觀測網，實現對我國邊緣海典型海域從海底到海面全方位、綜合性、實時的高解析度立體觀測；在上海臨港建設監測與數據中心，對整個海底科學觀測系統進行監測與數據存儲和管理。項目建成後，國家海底科學觀測網將成為總體水平國際一流、綜合指標國際先進的海底觀測研究設施，為我國的海洋科學研究建立開放共享的重大科學平臺，並服務於國防安全與國家權益、海洋資源開發、海洋災害預測等多方面的綜合需求。
國家海底科學觀測網的主要建設內容包括三大部分：東海海底觀測子網、南海海底觀測子網、監測與數據中心及配套工程。建設周期為5年，總投資逾21億元，建成後將長期運行，按照「開放合作、資源共享」的原則，面向多用戶、多領域開放，開展科學研究和國內外交流。
海洋觀測網絡一直隨著海洋調查技術和調查方式的變化而改變：遵循海洋調查技術的變化，從船載定點布設錨系，到使用遙控水下機器人布設實時長期海底有纜觀測網，如從OOI到VENUS和NEPTUNE；遵循海洋調查範圍變化，從近海到深海，如從近海尺度的LEO-15、VENUS到深海區域尺度的NEPTUNE、OOI-RSN；技術裝備從開始單一的傳感器到多參數多傳感器包； 海底觀測網絡的主幹光電纜長度從開始的幾千米到現在的幾百千米；供電系統從低壓375V 到高壓10kV；主幹網絡布局從簡單到複雜，從單一科學節點單線路到多節點的複雜環形線路；觀測系統不斷擴充功能，觀測網絡的系統構建也日趨完善。
全球有纜觀測網已經成功布設在很多海域，預計觀測網的壽命是25a。但是由於高昂的維護費用，需要很多參與部門的協調分工，特別是維護單位必須保證每年的船時。不同傳感器的研製和升級也需要根據觀測網的發展和科學目標及時做出調整，傳感器數據能夠得到及時的初步處理和初始成果的展示都需要大數據的處理和顯示技術。我國海底有纜觀測網才剛剛起步，觀測網的建設和維護需要大量相關科研和技術人員的參與，特別是維護海底觀測網所需要的ROVs 技術。該技術目前主要由相關科研單位採取自行研製或與高新技術企業合作研製的模式。建議我國建設海底觀測網的相關單位積極準備各種與有纜海底觀測網有關的關鍵技術和人員，加強與全球其他有纜海底觀測網維護單位的合作和交流。
來源：參考熱帶海洋學報 《全球有纜海底觀測網概述》（有刪減）；國內外海底觀測網絡的建設進展（張夥帶，張金鵬，朱本鐸）；央視；同濟大學等①珊瑚礁究竟有多重要？| 官方授權獨家首發《珊瑚礁科學概論》
②海洋基礎科學問題研究主要聚焦在？海洋科學的研究對象、知識體系、二級學科有哪些？| 《10000個科學難題（海洋卷）》全網獨家首發
③海洋環境監測的類型及其發展趨勢