国际海洋观测技术发展趋势与中国深海台站建设实践

20世纪80年代以来,海洋观测呈现"多元化、立体化、实时化"的发展趋势,地区和国家的海洋观测系统在关键海域发挥着重要作用。随着技术的发展和理念的创新,区域海洋观测系统被广泛应用并得到不断完善。国际海洋观测台站如英国爱尔兰海区域、美国卡罗来纳州海区和加拿大维多利亚海底实验观测网的多元化观测系统(VENUS)都是值得借鉴的例子,他们把多元化、立体化的实时测量数据与海洋物理、生态和生物化学模式紧密结合起来,实现了海洋环境的可预报性。同时,美国、英德法等国和日本实施的一系列海底观测系统,使海洋观测更加完备化。在这种国际大背景下,我国积极推进的海洋观测研究网络工程中的第一个深海台站——西沙海洋观测研究站在2008年已经建设完成并投入运行,该台站实现了长时效的多参数海洋环境实时监控。西沙观测系统主要包括自动气象站、岛屿外缘坐底式海底和海底边界层观测子系统、生物捕获器、西沙上层海洋环境观测子系统和海洋光学监测子系统等。由于海洋环境结构复杂、工作环境恶劣以及资源缺乏等因素的影响,海洋观测一直是高风险的工作。最后希望通过比较国内外观测系统,中国海洋观测事业能够学习国外先进的思路和技术,自身取得更大进步。     

全球有缆海底观测网概述

近期有缆海底观测网发展迅猛,世界各国包括加拿大、美国、日本和欧洲国家都依据自己的科学目标,建立了相应的有缆海底观测网。文章针对不同国家有缆海底观测网系统的组成和建设分别做了概述和评论。从1978年开始到现在,日本成功建设了10条有缆海底地震观测网,从早期同轴电缆作为主干电缆,发展到使用光电缆连接水下设施。加拿大成功建成近岸尺度和区域尺度两条有缆海底观测网。美国2012年成功建成目前世界上最长的一条区域海底观测网(约900km)。欧洲国家也正在开展在10个海区建立有缆观测网。跟随国外的步伐,我国和我国台湾地区也建立了自己的海底观测站(东海小衢山)和有缆观测网(中国台湾妈祖)。文章依据世界上已经建立的有缆海底观测网,分析认为与全球有缆观测网布设有关的遥控水下机器人是关键技术,并探讨了海底观测网今后的发展和面临的挑战。     

海底观测网发展现状及趋势研究

文中详细研究了当前世界上最典型的海底观测网的建设发展规模、形式、设备类型以及我国海底观测网的发展现状,并对国内外海底观测网的发展趋势进行总结。对日本、加拿大、美国及欧洲的海底观测网进行了设备级研究,对我国台湾地区、东海、南海的海底观测网现状进行了研究,并讨论了国外先进观测网对我国的海底观测网建设的借鉴意义。文中总结出海底观测网发展的整体趋势为:单节点网络加速验证新型设备及传感器的水下能力;区域尺度网络用于加速多学科发展并提升灾害预警能力;而浮标平台网络作为补充,铺设在远海区域以降低阶段建设成本。     

海底监测技术之海底观测网络

海底观测网络的出现改变了人们观测海洋的方式,成为了海洋科学界新的研究热点。通过介绍现有观测技术的局限性,探讨了海底观测网具有的特征及功能,总结了各国的研究进展,指出了我国大陆架科学钻探中海底观测网建设应考虑的观测内容及部署原则。     

基于观测网的海底动力环境监测系统的设计与实现

海底动力环境监测系统是南海海底观测网试验系统的重要课题。在"十一五"观测网的基础上,对系统的稳定性与可靠性进行改进,设计使用CAN现场总线通信、ARM双冗余备份、Modem声学网关通道、DC/DC并联冗余与备份电池。该系统主要搭载声学多普勒流速剖面仪(ADCP)、国家海洋技术中心温盐深测量仪(CTD)、高精度压力传感器等设备,集成岸基监测与反馈子系统、控制与数据采集子系统、通信与电源管理子系统,实现了对海底边界层速度剖面场、湍流速度、温度、盐度、压力等海洋动力要素的长期实时稳定监测。经过试验测试,该系统稳定可靠,利于传感器扩展集成,为海底观测网提供了可靠的验证观测节点。     

海王星海底长期观测系统的技术分析

美国和加拿大为建立全球最大海洋观测网而联合开展的海王星计划被誉为人类的水下“哈勃”。文中首先介绍了海王星计划的由来与背景,然后分析了其基础架构及实现的关键技术,并对我国海底观测技术的发展提出了建议。     

海底观测网技术进展与发展趋势

海底观测网络由于其特有的能源供给与信息传输优势,受到了广泛关注与重视。文中简要回顾了国内外海底观测网技术的发展现状,并就海底观测网技术发展趋势进行了探讨。     

国内外海底观测网络的建设进展

海底观测网络是海底技术发展的新领域,它将各种观测仪器放到海底,可对海水层、海底和海底以下的岩石进行长期动态的观测,并实时将数据传回到陆地。简介了国内外主要的海底观测网络,重点跟踪了它们的最新建设进展。     

海底观测网深水设备精准定点布放方法研究

海底观测网因其实时、长期、连续、高精度时钟同步及原位等优势而逐渐成为人类研究海洋的新型平台,建设规模和应用水深都在不断扩大。海底观测网系统建设中,深水设备的精准定点布放及湿插拔作业是施工的难点。针对国内海底观测网精准定位布放作业存在的困难和问题,结合国内现有施工条件,提出一种大深度海底设备精准定点布放安装方法,实现南海深海海底观测网试验系统深水设备精准定位布放与ROV湿插拔作业,对未来大规模海底观测网及其它深水工程中设备的精准定点布放和安装,具有参考和借鉴意义。     

海上警戒浮标实时监控系统

为有效保护近海海底观测网观测安全,免受渔船拖网和抛锚等损坏的问题,设计了一套多警戒浮标(直径2.4~3.0 m)的实时监控系统,该警戒浮标可获取浮标本身工作状态,并能实时、动态、连续的将警戒浮标的运行状态发送到陆基岸站,实现对保护目标海域的实时监控,同时该浮标系统可进行扩充实现对海洋环境要素的观测。警戒浮标布设采用正多边形(三角形、正方形和正五边形等)预警保护方式,浮标以保护节点为中心等距布放,组网形成有效的海上保护围栏,保障海底观测系统的安全运行;供电系统采用太阳能电池和蓄电池组合供能方式,可保证在连续阴天的情况下警戒浮标系统运行100天。该警戒浮标技术已在东海海底观测网保护中成功示范运行6个月,该技术可为近海海底观测保护提供有效技术保障。     

锚定式海洋水体剖面观测技术的研究与应用

介绍了国际上基于海底观测网、浮标和海床基等设施的锚定式海洋水体剖面观测的技术手段，国内西太平洋深海科学观测网、南海潜标观测网和中国科学院近海观测研究网络三大体系中应用的锚定式海洋水体剖面观测技术手段，通过对这些技术特点的分析，指出一些国际上较为成熟的锚定式海洋水体剖面观测技术手段并不适用于我国近海的水体剖面观测，自主研制的基于大浮标的锚定式水体剖面观测技术在我国近海则较为实用，能够长期稳定地运行，而且应用前景广阔。     

国际海底观测网络的发展及现状

海底观测网络是推动海洋科学技术发展，了解地球环境系统的重要基础，也是帮助人类了解海洋从而促进全球经济发展的重要方法。文章回顾了各国在海底观测系统发展过程中的研究计划和建设情况；介绍了当前各国海底观测网络及其投入业务应用后，在多学科综合观测、多网络交互融合、数据交换利用以及海洋科学应用等方面的发展方向，对我国海底观测探测网络建设，深海新型传感器发展，海底观测网标准化体系完善等方向进行了分析展望。     

海底有缆在线观测系统研究与应用综述

获取高质量海洋观测数据是维护国家安全和权益、保障人类生存与可持续发展、应对全球气候变化、开发利用海洋资源、防灾减灾等的重要基础。随着海底观测技术的发展，海底有缆观测已成为地球观测的第三个平台。通过借鉴国内外海底观测网的成熟技术，设计研发单节点海底有缆在线观测系统，主要包含海底观测、电力信息传输和陆上人机交互信息管理等三个子系统，具有高度可扩展性，可根据监测需求集成安装常用的各类海洋观测仪器和水下高清摄像头，从而实现海洋环境和水下生物资源的原位、长期、连续、稳定的在线观测。研发的海底有缆在线观测系统构造简单、扩展性强、经济成本低，已广泛应用于山东省海洋牧场观测网的海洋生态环境和渔业资源、辽东湾的冬季海冰、海洋牧场与海上风电的融合效应、河流入海口水质、海上溢油等不同领域的业务化监测中，为我国海洋生态环境保护与修复、海洋资源开发利用、海洋防灾减灾等提供了高质量的科学数据支撑。海底有缆在线观测系统是业务化海洋在线观测技术领域里的创新研究，具有重要科学意义和广泛应用前景。     

基于PCA/LSTM的海底观测网电力系统 供电海缆故障定位

海底观测网电力系统供电海缆易发生绝缘故障,由于其在海底极端环境下运行,实现高精度的电缆故障定位,对于降低其维修成本至关重要。基于海底观测网电能监控系统实时采集的电气测量参数,本文提出了基于主成分分析(Principal Components Analysis, PCA)和长短期记忆(Long Short-Term Memory, LSTM)网络的供电海缆高阻故障定位方法,先使用PCA进行数据降维,再将处理后的数据输入LSTM网络进行训练,捕获多源数据的时间特征,挖掘电力系统故障特征与电气参数之间的对应关系,实现海缆故障精确定位。通过在海底观测网原型系统上的实验证明,该方法经K折交叉验证方法(K-fold Cross Validation, K-CV)验证,准确率可达91%左右,故障定位误差约为0.4 km。     

南海海洋地磁固定观测站建设初步研究

为填补我国海洋地磁固定观测的空白,支撑科学研究、防灾减灾、海洋资源开发,维护国家的海洋权益和履行我国在南海海域负有的国际责任,急需在南海建设岛礁和海底地磁固定观测站。通过初步分析国外海洋地磁观测站案例、南海岛礁基础设施现状以及海底观测网计划实施情况,认为南海海洋地磁固定观测站建设的条件已经成熟。文中给出了合理空间布局、分步实施、因地制宜及智能化观测的建议。     

关于美国观测技术创新和应用的借鉴和思考

海洋观测技术是有效管理海洋事务、行使国家主权的重要手段。海洋观测技术的自主与可控对我国具有十分重要的意义。创新与应用是实现海洋观测技术自主与可控的核心,海洋观测网是实现海洋观测技术创新与应用的载体。文章梳理美国三大观测网(全球海洋观测系统、综合海洋观测系统和海洋观测倡议)的发展历史,提出政府在以观测网为代表的海洋观测技术发展的组织、实施和管理方面发挥主导作用;根据我国海洋观测的现状,借鉴美国海洋观测网的发展经验,对我国基于创新与应用的海洋观测网的组织、实施、管理和发展提出建议。     

美国大型海底观测计划(OOI)正式启动运行

正1872年,英国"挑战者"号船下水,开始了世界上首次环球海洋考察,令参与此次科考的早期科学家万万没有想到的是:一百多年后的今天,世界上几乎任何角落的人都可轻而易举地去探寻和发现位于数千英里外的深海奥秘,而实现这一伟大梦想的强大利器就是海底长期观测网。2016年6月6日,美国国家科学基金会(NSF)宣布,历经10年、耗资3.86亿美元的大型海洋观测计划     

基于科学工作流的海量海底观测数据处理研究

近些年来,在处理由海底观测网站收集到的庞大观测数据的研究中,需引入新的科学工具来支持所需的高性能分布式计算环境。而科学工作流在先进信息基础设施研究中得到广泛重视,成为未来科研环境的具体实现工具。针对这一问题,提出了基于Kepler科学工作流的海量海底观测数据处理解决方案,并且研究了系统调用Hadoop集群进行海量数据处理的两种方式及其优缺点;通过实验,对比分析了该两种方式与传统Java编程模式调用Hadoop集群进行数据处理的效率问题,证明了Kepler调用集群的高效性。     

三十年河东 三十年河西

三十卷的《海洋地质与第四纪地质》如同年轮,记录了我国改革开放三十年来海洋地质科学的成长史.如今中国的海洋科学,已经开始进入世界大洋,活跃在世界海洋科学的前沿.新的发现证明,深海海底是地球表层和深部系统之间的通道,深海的认识已经成为地球系统科学的瓶颈.与此同时,海洋科学正在从“考察”向“观测”过渡,海底观测网正在成为观测...     

海底冷泉系统的碳循环问题及探测

海底冷泉泄漏是全球碳循环过程中重要的一环,该系统分布的广泛性、机制的复杂性、与水合物资源的关联性及相关科学问题的重要性,使之成为海洋科学调查和研究的前沿领域.本研究评述了冷泉泄漏活动涉及到的几个碳循环问题,包括作为甲烷厌氧氧化反应(AOM)产物的碳酸盐在碳循环中的地位、大陆坡深源碳在冷泉泄漏中的贡献以及冷泉泄漏与金属矿产资源的关系等,藉此加深人们对该系统的理解.同时,本研究还介绍了在当前关于碳循环研究过程中,对海底冷泉探测常用的几种重要方法,包括以多波束探测气泡羽流,以坐底式探测器对冷泉泄漏活动进行原位、实时、持续地观测以及一系列近期开展的海底观测网计划.最后讨论了该领域未来发展的趋势及相关的重点问题,以期给相关研究提供一些有益的参考.