吳自軍，周懷陽

（同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

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加拿大海底科學(xué)長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)的研究進(jìn)展

吳自軍，周懷陽

（同濟(jì)大學(xué)海洋地質(zhì)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092）

摘要:海底科學(xué)長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)可針對(duì)海洋物理、化學(xué)、地質(zhì)、生物、聲學(xué)及其相互關(guān)系開展長(zhǎng)時(shí)間、系列的精細(xì)變化觀測(cè)，廣泛應(yīng)用于全球變化、海底過程、海陸相互作用以及海洋生態(tài)環(huán)境變化等重大前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究，并服務(wù)于國(guó)防安全與國(guó)家權(quán)益、海洋資源開發(fā)、海洋災(zāi)害預(yù)警、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海洋工程試驗(yàn)、海洋科普教育等多方面的國(guó)家需求。本文主要介紹加拿大海底科學(xué)長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)最新的戰(zhàn)略目標(biāo)、科學(xué)主題及其研究進(jìn)展，以期為未來我國(guó)建設(shè)國(guó)家海底科學(xué)長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)提供有益的借鑒和啟示。

關(guān)鍵詞:海底觀測(cè)；加拿大海洋觀測(cè)網(wǎng)；海洋工程

周懷陽（1961-），男，博士，教授，主要研究方向?yàn)楹Ｑ蟮刭|(zhì)地球化學(xué)。E-mail: zhouhy@#edu.cn

引言

海洋科學(xué)是一門主要基于觀測(cè)的科學(xué)。海洋科學(xué)與海洋探測(cè)技術(shù)兩方面的發(fā)展相輔相成，構(gòu)成了當(dāng)代探索海洋、認(rèn)知海洋和利用海洋的主旋律。借助海洋考察船及船載設(shè)備對(duì)海洋的探測(cè)，因?yàn)槭軛l件的限制，獲取的數(shù)據(jù)是零零星星、不全面的，而且無法獲取一些災(zāi)害性天氣或惡劣海況下的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。這種觀測(cè)方式注定了我們對(duì)海洋的理解往往是片面的、滯后的，甚至可能帶來認(rèn)識(shí)上的錯(cuò)覺和誤會(huì)。20 世紀(jì)誕生的遙測(cè)遙感技術(shù)能夠從衛(wèi)星獲取地球信息，開辟了全新的對(duì)地觀測(cè)方式，但其主要觀測(cè)對(duì)象僅限于地面與海面，缺乏深入穿透海洋的能力。進(jìn)入新世紀(jì)以來，海底長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)的組建可以說是國(guó)際科技界最令人矚目的新動(dòng)向。

海底科學(xué)長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)主要是基于海底光電纜構(gòu)建的具備觀測(cè)和數(shù)據(jù)采集、供能和數(shù)據(jù)傳輸、交互式遠(yuǎn)程控制、數(shù)據(jù)管理和分析等功能的軟硬件集成系統(tǒng)，可與無線移動(dòng)觀測(cè)單元相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)海底地殼深部、海底界面到海水水體及海面的立體、大范圍、全天候、綜合性、長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)的高分辨率和高精度的觀測(cè)，是繼地面與海面觀測(cè)、空中遙測(cè)遙感之后，人類建立的第三種地球科學(xué)觀測(cè)平臺(tái)，將成為未來全球海洋探測(cè)與研究的主要方式。海底科學(xué)長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)可開展海洋物理、化學(xué)、地質(zhì)、生物、聲學(xué)及其相互關(guān)系的長(zhǎng)期精細(xì)變化觀測(cè)，廣泛應(yīng)用于全球變化、海底過程、海陸相互作用以及海洋生態(tài)環(huán)境變化等重大前沿基礎(chǔ)科學(xué)研究，讓科學(xué)家可以從陸上通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)深海實(shí)驗(yàn)， 命令實(shí)驗(yàn)設(shè)備監(jiān)測(cè)風(fēng)暴、藻類勃發(fā)、地震、海底噴發(fā)、滑坡等各種突發(fā)事件。海底觀測(cè)網(wǎng)這種改朝換代、獨(dú)辟蹊徑、史無前例的海洋探測(cè)方式，不僅探賾索隱海洋神秘的萬千變化，開啟研究地球系統(tǒng)科學(xué)的新篇章，而且在國(guó)防安全與國(guó)家權(quán)益、海洋資源開發(fā)、海洋災(zāi)害預(yù)警、海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)、海洋工程實(shí)驗(yàn)、海洋科普教育等多方面具有較強(qiáng)的應(yīng)用需求［1］。

二十一世紀(jì)以來，世界各國(guó)對(duì)于海洋觀測(cè)的重視程度與日俱增。歐美及日本等國(guó)紛紛投入巨資建立海底觀測(cè)系統(tǒng)，如美國(guó)OOI觀測(cè)網(wǎng)、加拿大ONC觀測(cè)網(wǎng)、歐洲ESONET觀測(cè)網(wǎng)、日本DONET觀測(cè)網(wǎng)等。目前，加拿大在海底觀測(cè)網(wǎng)研究方面居于世界領(lǐng)先地位，本文主要介紹加拿大海洋觀測(cè)網(wǎng)的戰(zhàn)略目標(biāo)及最新科學(xué)研究進(jìn)展，以期對(duì)未來我國(guó)建設(shè)國(guó)家海底長(zhǎng)期觀測(cè)系統(tǒng)提供有益的啟示。

1　加拿大海底科學(xué)長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)的愿景、使命及戰(zhàn)略目標(biāo)

美國(guó)是世界上第一個(gè)想利用海底聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行科學(xué)觀測(cè)的國(guó)家，經(jīng)過十幾年的研討形成了國(guó)家規(guī)模的海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)計(jì)劃。但是受制于其政府的財(cái)政狀況，美國(guó)科學(xué)界的雄心壯志未能如期實(shí)現(xiàn)。美國(guó)基金委NSF支持的大洋觀測(cè)計(jì)劃OOI（Ocean Observation Initiative）早在二十世紀(jì)九十年代初就開始醞釀，2000年立項(xiàng)，原定2007年啟動(dòng)，結(jié)果由于財(cái)政原因2009年才到款。經(jīng)過多年的努力，美國(guó)的觀測(cè)網(wǎng)本應(yīng)在2015年5月全面建成啟用，但是近來又出現(xiàn)新的問題，只能推遲。因此，加拿大成為世界上第一個(gè)擁有大型深?？茖W(xué)觀測(cè)網(wǎng)的國(guó)家。

加拿大海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)（Ocean Networks Canada，ONC）是目前國(guó)際上規(guī)模最大、技術(shù)最先進(jìn)的綜合性海底長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)，由維多利亞海底實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)（VENUS coastal network）和加拿大海王星區(qū)域性電纜海洋觀測(cè)網(wǎng)（NEPTUNE Canada regional network）兩部分組成。2009 年年底，世界上第一個(gè)基于電纜的海底觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)NEPTUNE Canada竣工，擁有5 個(gè)海底節(jié)點(diǎn)的800 km 環(huán)形主干網(wǎng)絡(luò)成為其標(biāo)志性架構(gòu)。海纜從溫哥華島艾伯尼港的岸站入海，穿越大陸架到達(dá)深海，而后又回到出發(fā)點(diǎn)，形成一個(gè)環(huán)路；5 個(gè)節(jié)點(diǎn)分別位于近岸的Folger Passage、大陸坡的ODP889 和Barkley Canyon、深海平原的ODP1027以及洋中脊的Endeavour Ridge，覆蓋了離岸300 km 范圍內(nèi)從20～2660m不同水深的典型海洋環(huán)境。VENUS是一個(gè)先進(jìn)的有纜海洋觀測(cè)系統(tǒng)，在2001年首次由加拿大海洋學(xué)家提出。VENUS觀測(cè)海域水深在300m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96m的海底節(jié)點(diǎn)，纜線長(zhǎng)3km。2008年年初和年末在喬治亞（Georgia）海峽分別建立了170m和300m 的兩個(gè)海底節(jié)點(diǎn)［2］。

為了更有效地推動(dòng)海底科學(xué)長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展，2013年10月，加拿大將其所擁有的NEPTUNE和VENUS進(jìn)行合并，組建加拿大海底科學(xué)海洋觀測(cè)網(wǎng)（ONC）（圖1）。ONC觀測(cè)網(wǎng)的愿景是追求海洋觀測(cè)及技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域的世界領(lǐng)先地位。ONC觀測(cè)網(wǎng)的戰(zhàn)略目標(biāo)包括兩個(gè)部分，即促進(jìn)卓越的科學(xué)研究和實(shí)現(xiàn)加拿大的國(guó)家利益。（1）促進(jìn)卓越的科學(xué)研究：支持創(chuàng)新性研究；鼓勵(lì)和造就新一代的科學(xué)家和工程人員；培育由海洋和地球系統(tǒng)研究人員組成的跨學(xué)科團(tuán)隊(duì)；吸引國(guó)際研究人員參與加拿大水域研究；在探索研究與應(yīng)用之間搭建橋梁等。（2）實(shí)現(xiàn)加拿大的國(guó)家利益：提升對(duì)加拿大有重要意義的海域的認(rèn)知，包括這些海域的海洋變化、生物資源、能源和自然災(zāi)害等；提升觀測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)、增強(qiáng)先進(jìn)技術(shù)的研發(fā)，以擴(kuò)大領(lǐng)域內(nèi)加拿大在國(guó)際上的認(rèn)可；促進(jìn)公共政策的進(jìn)步等［3］。ONC的整體使用壽命大于25年，該觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)主要利用海底光電纜構(gòu)建的軟硬件集成系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同深度的海水、海底、地殼板塊、生態(tài)環(huán)境、海洋生物群落等進(jìn)行長(zhǎng)期連續(xù)的監(jiān)控、實(shí)時(shí)的觀測(cè)、測(cè)量和直播。

圖1　ONC所屬的NEPTUNE和VENUS觀測(cè)網(wǎng)的布線圖（注：NEPTUNE Canada原觀測(cè)點(diǎn)ODP889現(xiàn)改為Clayoquot Slope； ODP1027觀測(cè)點(diǎn)改為Cascadia Basin）［4］

2　加拿大海洋觀測(cè)網(wǎng)的前沿科學(xué)主題和目標(biāo)

ONC在完成海底觀測(cè)網(wǎng)的施工和設(shè)備安裝后，日益注重觀測(cè)數(shù)據(jù)的綜合利用和成果產(chǎn)出。ONC在原有的NEPTUNE和VENUS觀測(cè)計(jì)劃科學(xué)目標(biāo)的基礎(chǔ)上，廣泛征詢國(guó)際顧問委員會(huì)、用戶委員會(huì)的建議，凝練出未來的科學(xué)主題和目標(biāo)（2013—2018年），勾畫出未來幾年ONC的科學(xué)戰(zhàn)略路線圖［4］。ONC重點(diǎn)聚焦以下四個(gè)科學(xué)主題：

（1）理解人類活動(dòng)導(dǎo)致的東北太平洋的海洋變化；

（2）東北太平洋以及Salish海環(huán)境中的生命；

（3）海底—海水—大氣之間的相互作用；

（4）海底及沉積動(dòng)力學(xué)。

針對(duì)每個(gè)科學(xué)主題，ONC提出了若干個(gè)關(guān)鍵的科學(xué)問題，并闡述這些科學(xué)問題的重要性，最終實(shí)現(xiàn)觀測(cè)網(wǎng)科學(xué)技術(shù)的革新和發(fā)展，滿足加拿大的國(guó)家戰(zhàn)略需求和利益。

針對(duì)主題（1）提出的科學(xué)問題有：

● 東北太平洋的變化速率及幅度如何？

● 東北太平洋生態(tài)系統(tǒng)與全球酸化之間有何響應(yīng)？

● 近岸水體缺氧環(huán)境如何影響生態(tài)系統(tǒng)？

針對(duì)主題（2）提出的科學(xué)問題有：

● 東北太平洋的變化如何影響海洋中的魚類及哺乳動(dòng)物？

● 海底生物及其群落對(duì)海洋物理、擾動(dòng)過程的響應(yīng)及其恢復(fù)機(jī)制；

● 海底及其以下的生物地球化學(xué)過程的功能和速率；

● 制約海底生命的因素是什么？

● 微生物群落在低氧環(huán)境下隨時(shí)間變化，兩者之間的響應(yīng)和調(diào)控機(jī)制是什么？

● 東北太平洋海洋傳輸過程如何影響海洋初級(jí)生產(chǎn)力？

針對(duì)主題（3）提出的科學(xué)問題有：

● 洋殼和海水之間的熱和物質(zhì)交換的通量和機(jī)制；

● 上部海洋過程是通過何種方式影響氣溶膠的形成？

1.3.2 實(shí)訓(xùn)課教學(xué)評(píng)價(jià)。兩組學(xué)生均選取《眼科學(xué)》專業(yè)課程第八章第一節(jié)《年齡相關(guān)性白內(nèi)障》中白內(nèi)章和青光眼常見疾病作為本次實(shí)訓(xùn)課教學(xué)的內(nèi)容，接受評(píng)價(jià)的兩組學(xué)生均由同一教師在同一時(shí)間進(jìn)行理論內(nèi)容的講解，每項(xiàng)理論內(nèi)容的講授時(shí)間為2學(xué)時(shí)。在課程開展過程中，試驗(yàn)組采用微課輔助教學(xué)的方式，對(duì)照組則單純采用傳統(tǒng)的課堂教學(xué)方式；在課后，對(duì)照組學(xué)生按照教師的相關(guān)要求來進(jìn)行相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的自由復(fù)習(xí)，而試驗(yàn)組學(xué)生則通過教師錄制的微課資源來進(jìn)行自主的復(fù)習(xí)。在實(shí)訓(xùn)課程結(jié)束以后，兩組學(xué)生均按要求填寫微課的教學(xué)效果評(píng)價(jià)調(diào)查表，通過該調(diào)查表相關(guān)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析來獲得相應(yīng)的教學(xué)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)。

● 海底甲烷水合物釋放進(jìn)入大氣中的通量；

● 海洋地學(xué)工程（Geo-engineering）在緩解全球氣候變化方面的優(yōu)勢(shì)及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

針對(duì)主題（4）提出的科學(xué)問題有：

● 東北太平洋海底性質(zhì)及其與地震之間的關(guān)系；

● 如何提高對(duì)海嘯的發(fā)生規(guī)模及傳輸速率的預(yù)測(cè)？

● Fraser河口三角洲海底滑坡的調(diào)控機(jī)制。

3　加拿大海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)最新研究進(jìn)展

ONC為不同領(lǐng)域、不同學(xué)科以及多學(xué)科交叉的海洋科學(xué)研究提供了新的機(jī)遇。通過連接在海底電纜的各類傳感器和機(jī)械運(yùn)載工具，ONC將充足的電能和因特網(wǎng)帶給了海洋，這使得海洋學(xué)者可以通過一種全新的方式獲得大范圍的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)實(shí)時(shí)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)，甚至從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度講可獲得長(zhǎng)達(dá)25年的連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了海洋學(xué)者們多年的夢(mèng)想。ONC自運(yùn)行以來不斷發(fā)揮著其業(yè)務(wù)職能，如在海嘯的監(jiān)測(cè)與研究方面，海底壓力記錄儀（BPR）作為海嘯監(jiān)測(cè)傳感器，已探測(cè)到成百上千次的海底地震和不計(jì)其數(shù)的海嘯。除此以外，在天然氣水合物、海底熱液、深海生物、海洋生態(tài)環(huán)境、海底沉積動(dòng)力學(xué)等方面，ONC也取得了大量有價(jià)值的科學(xué)成果［4］。

對(duì)海底熱液系統(tǒng)進(jìn)行連續(xù)長(zhǎng)期觀測(cè)，將有助于我們深刻理解海底熱液噴發(fā)系統(tǒng)的演化機(jī)制，正確評(píng)估熱液噴口向海洋輸送的熱、化學(xué)以及生物的通量，大大提升我們對(duì)海底地質(zhì)、化學(xué)、生物作用之間耦合關(guān)系的認(rèn)識(shí)。其中熱通量的估算主要是依靠布放在海底的有纜聲吶成像觀測(cè)系統(tǒng)（the Cabled Observatory Vent Imaging Sonar，COVIS）。自2010年至今，COVIS一直與NEPTUNE Canada觀測(cè)網(wǎng)的胡安德富卡洋脊Main Endeavour節(jié)點(diǎn)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。通過對(duì)該區(qū)域熱液系統(tǒng)為期26個(gè)月的連續(xù)觀測(cè)，研究者估算出熱通量時(shí)間序列平均值為18.10MW；通過與布放在此區(qū)域的海底地震儀以及海底電阻率傳感器（Benthic and Resistivity Sensors，BARS）觀測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，揭示了熱通量在時(shí)間序列的變化與海底地震活動(dòng)之間的響應(yīng)關(guān)系。這些長(zhǎng)期、高分辨率的觀測(cè)結(jié)果不僅為研究熱液系統(tǒng)的演化及熱液與地質(zhì)事件之間的關(guān)系打開了一扇窗口，同時(shí)也為深刻理解洋殼以下的水文結(jié)構(gòu)及其循環(huán)機(jī)制提供了科學(xué)支撐［5］。COVIS獲取的長(zhǎng)期聲學(xué)信號(hào)為我們勾畫了海底熱液羽流的擴(kuò)散范圍和輪廓。在此基礎(chǔ)上，借助Morton等（1956年）創(chuàng)立的經(jīng)典羽流模型，可計(jì)算出熱液噴口釋放的熱通量在時(shí)間序列上高分辨率的變化。研究者還根據(jù)這些觀測(cè)結(jié)果，運(yùn)用流體力學(xué)的原理和公式，建立了熱液系統(tǒng)熱通量演化模型，并基于該模型來反演歷史時(shí)期（1987—2015年）該區(qū)域熱通量的變化，進(jìn)一步查明熱通量變化與歷史時(shí)期發(fā)生的地質(zhì)事件（如海底地震）的耦合關(guān)系，從而準(zhǔn)確評(píng)估熱液噴口系統(tǒng)對(duì)整個(gè)海洋熱通量的貢獻(xiàn)。

3.2甲烷水合物區(qū)：甲烷釋放通量的時(shí)間序列變化觀測(cè)

眾所周知，甲烷是一種危害極大的溫室氣體，其溫室效應(yīng)是二氧化碳的20多倍。據(jù)聯(lián)合國(guó)政府間氣候組織（IPCC）提供的數(shù)據(jù)，海洋釋放進(jìn)入大氣的甲烷僅占全球甲烷釋放量的2％。但該估算數(shù)值沒有充分考慮海底天然氣水合物區(qū)釋放甲烷的貢獻(xiàn)。為了評(píng)估極度富集氣體水合物的沉積物中甲烷通量變化及其控制因素，NEPTUNE Canada觀測(cè)網(wǎng)在卡斯卡底古陸北部邊緣原ODP889鉆孔Bullseye節(jié)點(diǎn)附近布放了觀測(cè)設(shè)備，原位探測(cè)該區(qū)域甲烷濃度的變化。研究人員在海底以上25cm處、海水-沉積物界面處和海底以下7cm處，利用長(zhǎng)期取樣設(shè)備進(jìn)行了9個(gè)月的上覆水和孔隙水的取樣工作。在一定壓力下，如果出現(xiàn)甲烷過飽和，氣體就會(huì)從水中散逸。因此，要想獲取原位濃度，就對(duì)海底取樣和觀測(cè)提出了更高的要求?？茖W(xué)家們通過設(shè)計(jì)精致的取樣裝置，實(shí)現(xiàn)了原位獲取底層水和孔隙水樣品。探測(cè)結(jié)果顯示水—沉積物界面附近的孔隙水中甲烷飽和或者過飽和（約80 mM），并且海底甲烷通量隨著時(shí)間推移而發(fā)生變化［6］。研究者將觀測(cè)到的甲烷濃度隨時(shí)間變化數(shù)據(jù)與該區(qū)域的洋流和地質(zhì)活動(dòng)相關(guān)信息對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在卡斯卡底古陸北部邊緣構(gòu)造區(qū)域中，原位甲烷濃度以及其他化學(xué)參數(shù)在時(shí)間序列上的變化受生物活動(dòng)和其他外部物理因素相互作用的強(qiáng)烈影響。地震活動(dòng)（局部地震和遠(yuǎn)震）、區(qū)域海洋學(xué)、風(fēng)暴天氣等可能是制約甲烷及其他化學(xué)參數(shù)的時(shí)間變化的主要因素。為了更好地厘清水合物區(qū)海底甲烷通量變化的單一來源的驅(qū)動(dòng)因素，研究者還借助海底著陸器和爬行車，通過在這些裝置上加載海底流量計(jì)等傳感器進(jìn)行原位精細(xì)觀測(cè)，進(jìn)一步揭示了海底洋流的加強(qiáng)（如風(fēng)暴）可導(dǎo)致海底甲烷釋放通量的增加。

3.3魚及哺乳動(dòng)物的觀測(cè)

棲息在深海的海洋生物受限于多種物理生物因素（比如壓力、光照、食物等），使其生存與繁殖受到很大挑戰(zhàn)。在海水各個(gè)深度生存的生物具有多種感覺器官，隨著深度增加、光照變?nèi)酰泄傧到y(tǒng)從依賴于視覺轉(zhuǎn)向其他系統(tǒng)的現(xiàn)象十分常見，尤其是魚類。對(duì)于一些魚類來說，其中之一的感官就是聽覺，隨著聽力的進(jìn)化，緊隨而來的就是聲音的交流。多種證據(jù)表明音景對(duì)于棲息于大陸坡、海底深淵、峽谷、海溝的魚類很重要。50多年前，解剖學(xué)研究揭示了深海生物普遍發(fā)聲的可能性。盡管發(fā)聲現(xiàn)象在大陸坡底層的生物中普遍存在，但鮮見于大陸坡和深淵上（中淵層、深層區(qū)）的游泳生物，在陸坡下（深淵層、超深淵層）的底棲生物中則不出現(xiàn)。這些結(jié)論是基于魚鰾和發(fā)聲肌肉出現(xiàn)于很多半深海生物，卻不出現(xiàn)在其他種群中的現(xiàn)象。被動(dòng)聲學(xué)技術(shù)的發(fā)展和大規(guī)模長(zhǎng)期自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)平臺(tái)的使用，使科學(xué)家可以觀測(cè)發(fā)聲生物每天、每季在不同空間尺度下的行為模式與其發(fā)聲的關(guān)系。然而，受限于觀測(cè)手段，這些研究主要聚焦于海岸生物。相比之下，深海生物的發(fā)聲現(xiàn)象還是一個(gè)謎。

加拿大NEPTUNE觀測(cè)網(wǎng)的使用為開展深海魚類聲學(xué)研究提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。一系列的水聽器被安裝在Folger Passage節(jié)點(diǎn)的垂直水柱斷面中。除了被動(dòng)聲學(xué)系統(tǒng)，還安裝了回旋聲納、流速儀和高清攝像機(jī)。該觀測(cè)系統(tǒng)頻繁探測(cè)到海洋哺乳動(dòng)物和儀器自身發(fā)出的噪音，包括須鯨（座頭鯨、藍(lán)鯨、長(zhǎng)須鯨）、齒鯨（逆戟鯨、太平洋短吻海豚）。盡管加拿大NEPTUNE海洋觀測(cè)系統(tǒng)為海洋魚類及大型哺乳動(dòng)物的長(zhǎng)期觀測(cè)提供了絕好的機(jī)會(huì)，但基于平臺(tái)的聲學(xué)探測(cè)還存在一些局限性。最主要的是平臺(tái)上儀器本身發(fā)出的聲音干擾。寬頻脈沖和攝像機(jī)所發(fā)出的聲音就是噪聲的典型例子，而且站位本身和其他站位以及常規(guī)維護(hù)都會(huì)影響環(huán)境噪音。最近的研究表明伯克利 Sound的輪船引發(fā)了某些地區(qū)十分明顯的噪音。由此，與平臺(tái)設(shè)備運(yùn)行有關(guān)的噪聲目錄對(duì)于海洋觀測(cè)系統(tǒng)，特別是那些包含被動(dòng)聲學(xué)記錄的系統(tǒng)十分必要，用以區(qū)分儀器、船舶和其他機(jī)械引發(fā)的影響音景的噪聲。另外一個(gè)重要的挑戰(zhàn)是來源于對(duì)深海魚類發(fā)聲特性知識(shí)的匱乏。聲學(xué)基線的缺失會(huì)導(dǎo)致某些聲音被高估或者被誤定義為海洋哺乳動(dòng)物的聲音。放置多個(gè)水聽器定位聲音來源可以幫助確定聲音產(chǎn)生的位置（水中、海底或平臺(tái)上），從而幫助辨別聲音的來源。動(dòng)物依靠聲音互相交流、躲避掠食者、偽裝自己以及定位環(huán)境。因此，在研究海洋音景及其在海洋生態(tài)系統(tǒng)中的作用時(shí)，精確定位人為的噪聲顯得越來越重要，在資源開發(fā)前，應(yīng)當(dāng)重視相關(guān)的基礎(chǔ)科學(xué)研究。例如，利用海洋觀測(cè)網(wǎng)多傳感器或設(shè)置深海魚類的單獨(dú)觀測(cè)站，獲取更多的可靠“基線”信息，從而分辨深海聲音的來源，了解動(dòng)物及其棲息地的特征［7］。

3.4沉積動(dòng)力學(xué)

深海大型生物引起的沉積物擾動(dòng)是一種重要的生態(tài)現(xiàn)象，不僅影響沉積物的沉積過程，而且加劇沉積物向水柱釋放營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，從而影響海洋生產(chǎn)力和相關(guān)的生物地球化學(xué)過程。量化個(gè)體物種對(duì)生物擾動(dòng)的影響以及其對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)，需要設(shè)計(jì)海底實(shí)驗(yàn)或者直接進(jìn)行觀測(cè)。海底有纜觀測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)交互性取樣、高時(shí)間分辨率的長(zhǎng)期觀測(cè)，為研究沉積物及其動(dòng)力學(xué)提供了極好的機(jī)遇。ONC的NEPTUNE觀測(cè)網(wǎng)通過遠(yuǎn)程控制海底攝像機(jī)、側(cè)掃聲吶及其他觀測(cè)設(shè)備，研究了大型動(dòng)物對(duì)深海海底沉積物擾動(dòng)的影響。

觀測(cè)系統(tǒng)中的高清攝像機(jī)和側(cè)掃聲吶的最大優(yōu)勢(shì)在于實(shí)時(shí)性和交互性。其監(jiān)測(cè)頻率在安放前不需要提前設(shè)定，可以根據(jù)海底生態(tài)系統(tǒng)變化情況或突發(fā)事件進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置。該遠(yuǎn)程操控設(shè)備平臺(tái)可以獲得更大的觀測(cè)視角，目標(biāo)定位準(zhǔn)確，可研究生物洞穴等微地質(zhì)特征。同時(shí)，一些重要海底生物的實(shí)時(shí)觀測(cè)結(jié)果可以與傳感器測(cè)得的物理化學(xué)數(shù)據(jù)相結(jié)合，從而有助于理解生物與沉積物擾動(dòng)之間的相互關(guān)系和響應(yīng)機(jī)制。

3.5海底地震與海嘯

海嘯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)捕捉到一系列的地震信號(hào)。如2011年Tohoku地震（震級(jí)9.0）、2015 年Haida Gwaill地震（震級(jí)6.1）時(shí)引發(fā)的海嘯相關(guān)數(shù)據(jù)均已被高精度實(shí)時(shí)海嘯監(jiān)測(cè)系統(tǒng)成功捕獲，通過快速、實(shí)時(shí)地計(jì)算模擬海嘯波速、波向和振幅，提高了對(duì)近岸災(zāi)害影響的預(yù)警能力。2014 年4月1日，據(jù)美國(guó)地質(zhì)調(diào)查局監(jiān)測(cè)結(jié)果，智利太平洋海岸線發(fā)生了8.2級(jí)地震，加拿大觀測(cè)網(wǎng)捕捉到了地殼震動(dòng)的信息，模擬結(jié)果顯示一個(gè)規(guī)模較小的海嘯穿過東北太平洋，海嘯波在地震發(fā)生15小時(shí)后到達(dá)New Zealand和British Columbia。最近ONC針對(duì)海底地震開發(fā)了一個(gè)新的可視化交互窗口。人們通過該系統(tǒng)，可以知曉世界任何地區(qū)尤其是加拿大西海岸發(fā)生的地震［4］。

3.6殺人犯庭審取證

在任何兇殺案中，死亡時(shí)間是一個(gè)很重要的參數(shù)，但是當(dāng)尸體被拋入海水中很長(zhǎng)時(shí)間后，估算死亡時(shí)間變得十分困難甚至不可能做到。除此之外，相比起陸地上埋葬尸體的正常腐爛，海水中找到的殘骸上的傷口很容易誤導(dǎo)判斷，因?yàn)闊o法判斷傷口是死亡前還是死亡時(shí)造成的。為了在法庭上提供科學(xué)準(zhǔn)確的證據(jù)，加拿大政策和安全研究中心資助了一項(xiàng)海底實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，由加拿大Simon Fraser大學(xué)庭審研究中心Gail Anderson教授負(fù)責(zé)。Gail Anderson教授是一位昆蟲學(xué)家，專門研究通過昆蟲為法庭取證調(diào)查。他負(fù)責(zé)的這項(xiàng)海底項(xiàng)目用豬尸體代替人的尸體，用籠子裝好后放置到加拿大觀測(cè)網(wǎng)的Georgia節(jié)點(diǎn)附近的海底，應(yīng)用ONC的VENUS觀測(cè)網(wǎng)水下攝像頭研究豬尸體的腐爛過程。結(jié)果顯示豬尸體的腐爛速率與海洋化學(xué)因素（如氧濃度）和進(jìn)食動(dòng)物聯(lián)系緊密。ONC 2015年3月份航次中，布放在海底9年之久的豬尸體遺骨被回收上來，研究團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步研究豬在海底環(huán)境下的分解，分析該過程受海洋化學(xué)和海洋哺乳動(dòng)物活動(dòng)的影響以及獲取存活DNA的組成特征，以期取得令人滿意的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，為今后庭審取證提供科學(xué)依據(jù)［4］。

4　組織結(jié)構(gòu)及其運(yùn)營(yíng)模式

原加拿大“海王星”項(xiàng)目主任（Project Director）是海底觀測(cè)網(wǎng)宏偉計(jì)劃的帶頭人、微體古生物學(xué)教授克里斯·巴恩斯（Chris Barnes），他于2011年6月底退休。同年7月起，加拿大“海王星”項(xiàng)目主任由曾任美國(guó)奧巴馬政府白宮科學(xué)和技術(shù)政策辦公室主任助理（2009—2011）的凱特·莫蘭博士（Dr. Kate Moran）擔(dān)任。莫蘭在白宮任職期間就曾多次建議奧巴馬政府關(guān)注海洋、北極和全球氣候變暖。NEPTUNE和VENUS兩大觀測(cè)網(wǎng)合并組成新加拿大海洋觀測(cè)網(wǎng)后，莫蘭博士出任ONC總裁。目前數(shù)百名科學(xué)家和工程師正在參與ONC的實(shí)施與持續(xù)運(yùn)行。加拿大的海底觀測(cè)網(wǎng)當(dāng)年由維多利亞大學(xué)發(fā)起，迄今為止也始終由維多利亞大學(xué)負(fù)責(zé)建設(shè)和運(yùn)行。

迄今為止，加拿大對(duì)ONC主體基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)備的總投資額已達(dá)20億加元，由加拿大革新創(chuàng)新基金會(huì)、加拿大卑詩(shī)省知識(shí)發(fā)展基金以及實(shí)物支持產(chǎn)業(yè)機(jī)構(gòu)提供。ONC設(shè)董事會(huì)、國(guó)際科學(xué)咨詢委員會(huì)和海底觀測(cè)委員會(huì)。同濟(jì)大學(xué)汪品先院士目前為13位國(guó)際科學(xué)咨詢委員會(huì)成員之一。需要特別提出的是，ONC組建了一個(gè)創(chuàng)新中心，該中心致力于設(shè)計(jì)和建造可靠的“卓越海洋系統(tǒng)”（Smart Ocean System）。該系統(tǒng)提供的服務(wù)主要包括：遙控傳感器、海洋觀測(cè)設(shè)施—硬件、數(shù)字化設(shè)施（傳感器命令、控制、數(shù)據(jù)獲取、存儲(chǔ)、可視化等）、數(shù)據(jù)分析和控制。在ONC中，負(fù)責(zé)經(jīng)營(yíng)運(yùn)作的專職人員及顧問有80多位，這些科學(xué)家、工程師和設(shè)計(jì)師們?yōu)榭茖W(xué)研究、資源管理、預(yù)警系統(tǒng)的客戶提供產(chǎn)品和技術(shù)咨詢、技術(shù)支持服務(wù)。ONC在全球觀測(cè)系統(tǒng)科學(xué)技術(shù)方面處于世界領(lǐng)先地位，且始終主張開放共享的理念，強(qiáng)調(diào)與世界現(xiàn)有海底觀測(cè)網(wǎng)國(guó)家的科技人員進(jìn)行合作和交流，不斷相互借鑒，互補(bǔ)管理經(jīng)驗(yàn)，共同監(jiān)督和支持本區(qū)宏偉的海底觀測(cè)工程。

5　結(jié)論和展望

在最近的幾十年里，海洋科學(xué)、地球科學(xué)和行星科學(xué)等從不連續(xù)的考察模式向連續(xù)的原位觀測(cè)模式進(jìn)行了轉(zhuǎn)變。這一探測(cè)模式的轉(zhuǎn)變?cè)从趯?duì)地球及地球上的海洋的認(rèn)知變化，從研究靜止的、不動(dòng)的狀態(tài)，到觀測(cè)多時(shí)空尺度下的各種動(dòng)態(tài)變化。加拿大海底科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的成功實(shí)踐，為地球和海洋科學(xué)家提供了研究海洋系統(tǒng)數(shù)秒到數(shù)十年時(shí)間尺度下，多元交叉海洋科學(xué)過程的新機(jī)會(huì)，展示了海底觀測(cè)的無限魅力。進(jìn)入海洋內(nèi)部探索深海，是整個(gè)人類面臨的新挑戰(zhàn)，其中有著各種風(fēng)險(xiǎn)和困難，發(fā)達(dá)國(guó)家在這些年來走過的路并不輕松。“他山之石，可以攻玉”。在這種國(guó)際背景下，我國(guó)海底長(zhǎng)期科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)應(yīng)強(qiáng)調(diào)科學(xué)和技術(shù)的緊密結(jié)合，科學(xué)以技術(shù)為基礎(chǔ)，技術(shù)以科學(xué)為指導(dǎo)；著重培養(yǎng)深海技術(shù)人員，進(jìn)行深海觀測(cè)設(shè)備、儀器的研制和工程技術(shù)經(jīng)驗(yàn)的積累；在總結(jié)國(guó)外成功經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，建立先進(jìn)的管理運(yùn)營(yíng)模式。此外，尤其要重視加強(qiáng)國(guó)內(nèi)外的交流與合作。

參考文獻(xiàn)

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Research Advances of Ocean Networks Canada

Wu Zijun， Zhou Huaiyang
（Tongji University， State Key Laboratory of Marine Geology， Shanghai 200092， China）

Abstract:The seafloor observation networks can achieve long-term and high resolution observation in such fields such as physical oceanography， chemical oceanography， geology， biology， acoustics and their interrelations. The seafloor observation networks have implications in various research frontiers of fundamental sciences， i.e. global changes， seafloor processes， land-sea interaction， ocean ecology and environments， and also offer services in state security and interests， marine resources development， marine calamity warming， marine ecological protection， marine engineering test， and marine sciences popularization. This paper mainly introduces the strategic objectives， sciences themes， and research advances of the Ocean Networks Canada， hoping to give useful inspirations and references for future construction of long-term seafloor observation networks in China.

Keywords:seafloor observation； Ocean Networks Canada； ocean engineering

中圖分類號(hào)：P71

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-4969（2016）02-0131-08

DOI：10.3724/SP.J.1224.2016.00131

收稿日期：2016-01-05； 修回日期： 2016-03-06

作者簡(jiǎn)介：吳自軍（1973-），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)楹Ｑ笊锏厍蚧瘜W(xué)。E-mail: wuzj@#edu.cn