全球主要海洋时空基准网建设情况

1、全球主要海洋时空基准网建设情况海洋时空基准网是海洋定位导航、 海洋环境监测网以 及未来海洋互联网的共性基础设施。海洋环境监测网和海洋互联网与海洋时空基准建设的深度融合，也将成为当今海洋环境监测的精确化和海洋信息传输的主要手段。一、海洋环境监测网在海洋时空基准网的海面、海下和海底观测舱内加载的各类时间与位置传感器和换能器、应答器、水听器等声 呐器件基础上，增加海态环境感知器件，必要时甚至连接 上通信光缆，则构成了海洋时空基准网与海洋环境监测网 的融合网络。两者存在众多共享的物理设备，包括电能供 给系统、通信系统、观测舱及水下机器人等。海洋时空基 准网将全球统一的时空框架扩展到水下，可为海洋环境监

2、测网提供实时的精准时空信息，支持局域监测网结果的融合处理，实现对物理世界的估计、检测、控制和观察。随 着海洋的重要性不断提升，各国已将精准海洋环境监测定为海洋科学发展的共同方向，投入了大量人力和财力，同 样也为海洋时空基准网融入海洋环境监测网提供了发展 契机。现有海洋环境监测网多为针对特定需求建立的局域网络，分无缆锚系浮标系统和有缆环境监测网两种类型。 其中，基于光电缆的有缆环境监测网突破了海洋观测中能 量供给和信息传输两大难题，成为海洋环境监测网的主流发展方向，故本文主要以有缆环境监测网为论述对象。该 网络在海底布设观测平台，与各类海洋观测设备相联，通 过电缆和光纤网向海底平台输送电能并收集

3、信息，进行长期自动化观测。建立海洋环境监测网的思路源自冷战时期美国的水 下声学监听系统，该系统在太平洋和大西洋中布放水听器 阵列，用以监听苏联潜艇的动向。1970年代，日本科学家利用废弃的海底通信电缆连接海底地震仪，进行地震监测和海啸预警等方面的研究，形成了有缆海洋环境监测网的雏形，各国开始效仿。随着海洋环境监测网技术的发展， 逐步实现了实时、连续以及长期的海洋环境三维观测，已 成为当前各国海洋科学研究的共同目标。目前全球已建成和计划建设的观测网主要包括日本、加拿大、美国、欧盟 和中国。二、日本日本作为最早建立海洋环境监测网的国家，1979年便建成了第一个海洋监测网（Tokai网）。2006年

4、，日本提由密集海底地震和海啸网络系统（DONET）计划，在伊豆半岛南海附近地震源区铺设海洋环境监测网，2015年建成（见图22）。DONE粽统由20个观测站组成，各观测站均 集成了强震仪、宽频带地震仪、水听器、压力传感器、温 盐压测量仪（CTD）、声学多普勒测流剖面仪（ADCP）和照相设备等传感器，宽频带、高精度地监测日本南海海槽附近 的地震情况。2011年311东北大地震后，日本海沟海底地震海啸 监测网（S-net）开始立项建设，并于 2015年投入使用，包 含6个陆地基站以及 150个相隔3050km的海底观测站， 它的光电缆总长达 5700kmo S-net为目前全球规模最大的 海洋环境

5、监测网，规模是现有海王星海洋环境观测网 （NEPTUNE将综合性海洋环境监测网的数倍，但集成的传 感器类型单一，且为封闭式设计，不易拓展，其主要任务 仅为地震和海啸监测。三、加拿大加拿大也是较早筹建海洋环境监测网的国家，包括 NEPTUNE；口拿大部分（NEPTUNE Canada）和金星海洋环境观 测网（VENUS）,它们一起构成了加拿大的海洋观测网 （ONC）oNEPTUNE!世界上第一个大区域、多节点、多传感器 的有缆海洋环境监测网。该监测网位于美国和加拿大的交界处，于1998年由美国正式启动， 加拿大于1999年参与。2009年加拿大完成了长约 800km的环形主干网的建设任务，起始陆

6、地基站位于温哥华的艾伯尼港，如图 25所示。NEPTUNES立33个海底观测站，各观测站均集成地震仪、CTH营养盐分析仪、潜标、波浪传感器、 ADCP电磁海 流计、照明设备、照相设备，以及缆控式水下机器人 （ROV）、 自治式水下机器人 （AUV）等。该监测网主要用于海底板块 构造、地震动力机制、洋壳内的流体通量、增生楔中的天 然气水合物、海洋气候和深海生态系统的动力过程等内容 的科学研究。VENU醍一个近岸的海洋环境监测网，为海王星观测 网的原型试验，其基本结构如图26所示，包括两个子监测网：2006年布设的单节点监测网，长约4km,节点水深100m,位于萨尼奇海湾；2008年布设的双节点监

7、测网，长约40km,位于佐治亚海峡。VENU网测网主要用于研究海洋过程、生物过程及三角洲的动力机制。海底观测站连 接的仪器包括强压计、水听器、强震仪、CTD ADCP氧气探测仪、水体声学剖面仪、 沉积物捕获器、 照机等设备。四、美国美国的海洋环境监测网起步较早，1996年建成长期生态观测系统（LEO-15） , 2000年制定了大洋观测计划(OOI) ,2011年建成 ALOHA®测网，2016年OOI全面启用。 美国作为监测网数量最多的国家，具监测网的全面性、多 样性和统一性，目前处于世界领先水平。美国最著名的海洋环境监测网就是OOI,它由美国国家科学基金委海洋科学部设立，包括全球

8、网、区域网和近 海网等3部分内容，其中与加拿大合建的NEPTUN坐测网的美国部分也被纳入该计划。2011年该计划在东太平洋俄勒冈布设了约 900km的海底光电缆，并联接到位于太平 洋城的陆地基站。该监测网的节点主要由如下单位负责管 理：华盛顿大学、Scripps海洋研究所、 新泽西州立大学、 俄勒冈州立大学、伍兹霍尔海洋研究所、亚利桑那州立大 学和雷神公司等。止匕外，美国还建了一些零散的海洋监测网，其中较具 代表性的网络有如下5个。LEO-15观测网。1996年由美国罗格斯大学布设于 大西洋新泽西大海湾海岸带，用于海底生态环境的监测， 包括岸基站、2个水深15m的科学节点和长约9.6km的海底

9、光电缆，为美国第一个海底监测站。马萨葡萄园岛海岸观测网。2000年由伍兹霍尔海洋研究所布设于埃德加顿南岸约1.5km的海岸带区域，包含2个科学节点，水深分别为 12m与15m,用于监测海岸 带区域的环境参数。灯塔海洋研究计划锚系观测网。2005年由美国灯塔海洋研发公司布设于北阿拉伯海和阿曼海的浅水区域，2010年与德克萨斯州农业大学一起将其升级为深海有缆监测网，主干光电缆 354km,包括1个海啸预警系统、 5 个科学节点（水深601 350 m）及4个水深3000m的观测 站，主要记录温度、盐度、压强、溶氧量、海流及浊度等数据。蒙特利加速研究系统。2008年由蒙特利湾水生研究所布设，由52k

10、m的光电缆和一个水深891m的海底科学节点组成。该系统的主要目的是为各国设备提供深海试验平台，共 8个湿插拔接口支撑海底仪器的电力和通信需 求。ALOHAg测网。2011年由夏威夷大学布设于瓦胡岛北100km处，水深 4726m,包含一个 230m的海底锚系系统，利用废弃海底通信电缆监测深海水体属性和声学特征，并进行海底摄像，研究深海的生物特征及物理和化学性质随时间变化的情况。五、欧盟欧盟的海洋环境监测网计划可归纳为欧洲海洋观测网（ESONET）和欧洲多学科海底观测（EMSO）。ESONET由各参与国的科研机构负责，主要进行海洋环境监测网统一规划与设计；EMSO为参与国的政府部门负责，主要进行

11、海 洋环境监测网的建设及维护，两者密切配合、协同推进。图27展示了欧洲主要海域规划建设的15个海洋环境监测网，其中标白色五角星的9个已开始运营。由于欧洲现阶段的海洋环境监测网不是一个整体网络， 各区域观测系统 都有自己的领导单位和执行委员会。 ESONET计划通过不 断的发展，将各子网组成统一的联合体，以监测欧洲周边 的整体海域环境。欧洲已运行的 9个海洋环境监测网分别如下。北冰洋观测网。由德国负责，包括17个水深1000 5000m的永久观测站，主要监测深水环流、海冰消融对生 态系统的影响，计划补充基于海冰的浮标观测系统，首批 32个浮标已成功布设。豪猪湾深海平原观测网。由英国负责，包括水深

12、4800 m的着陆器和锚系浮标，加载多种科学仪器以及传感 器，主要用于监测气候变化的影响。亚速尔群岛观测网。由法国负责，包括水深1700m的两个观测站，主要用于海底热液喷口研究。加那利群岛观测网。由西班牙负责，包括水深3600m的多学科缆系装置，主要用于测试深海仪器设备并研究海 洋生态系统恢复力。利古里亚海观测网。由法国负责，包括海底缆系监 测设备，主要用于地震海啸和海气交换研究。西艾欧尼亚海观测站。由意大利负责，包括水深2100m处的有缆主基站，搭载宽频地震仪、压力计和水听 器等设备，主要用于地震、海啸、火山活动以及背景噪声 研究。希腊弧观测网。由希腊负责，包括水深4000m处的缆系中微子延

13、伸望远镜与海洋研究站，主要用于地质灾 害、溶氧量以及流体通量的监测。马尔马拉海观测网。由土耳其负责，包括 5个缆系 的地震及海洋学观测设备，主要用于地震监测、双层流研究。黑海观测网。由欧盟负责，包括5个海底观测站和5个装载传感器的浮标，主要用于地质灾害的预警。六、中国目前中国海洋环境监测网建设尚属起步阶段，开展了探索性的布设以及研究工作，主要包括如下6个部分。同济大学东海海底观测网2009年东海海底观测网小衢山试验站建成，次年基于该监测网进行了跨洋海啸信号的分析。该试验站位于洋山国际深水港东南约20km的小衢山岛附近，平均水深15m,由长约1.1km的光电缆、1个海底接驳盒以及CTDADC所口

14、浊度仪等组成。2011年在舟山东部的长江口区域， 基于小衢山试验站，开始布设750km的环形海洋环境监测网，主要用于记录地震和海啸数据、监控泥沙的走向等。中国科学院声学研究所南海海底观测网中国科学院声学研究所的南海海底观测网位于海南陵水海域，主要用于海底的探测以及目标的监控。2009年南海声学与海洋综合观测实验站桂牌；2011年中国科学院在陵水建设了南海海洋技术与系统试验研究基地；同年科技部在陵水基地建设了光纤长度为100km的海底探测系统；2012年科技部又依托陵水基地开始建设南海深 海海底观测网试验系统，2016年建成。它是我国第一个自主研发的大规模深海海底观测网，能实时获取我国南海区域海

15、底活动和海洋环境的信息，为国防安全及海洋灾害预警等提供数据支撑。中国科学院南海研究所海底观测网2013年由中国科学院南海海洋研究所牵头，联合沈 阳自动化所和声学研究所，在海南三亚海域建设了海底观测示范系统。包括岸基站、长约 2km的光电缆、水深 20m 的两个接驳盒、1个声学网关节点和 3个搭载观测设备的 观测站等。同时， 2009年中国科学院南海研究所在西沙 群岛永兴岛建设了深海海洋环境观测研究站，这是中国大陆地区第一个水深超过1000m的海洋环境观测站。浙江大学摘箸山岛海洋观测网浙江大学的摘箸山岛海洋观测网主要应用于地震监 测。2013年，浙江大学开始在摘箸山岛北部海域进行海 洋观测网的布

16、设工作，2014年正式建成。它由 1个接驳盒、2个科学仪器插座模块、14个传感器和1个摄像设备组成。传感器类型包括CTD ADCP磁力计、浊度仪、酸碱度检测仪、氧气探测仪、叶绿素仪以及有机物检测仪等。国家海洋局的海洋立体监测系统国家海洋局的海洋立体监测系统（主要由沿海各城市的监测网组成）用于满足我国海洋防灾减灾、海洋经济发 展、海洋科学研究、海洋权益维护和海洋生态文明建设等 方面的需求，目前已建立的子系统包括：上海海洋环境立 体监测和信息服务系统、台湾海峡及毗邻海域海洋动力环境实时立体监测系统、渤海海洋生态环境海空准实时综合 监测示范系统、 北戴河海洋环境立体监测系统以及深圳市 海洋综合立体监

17、测网等。台湾妈祖海底观测网台湾中央气象局的“妈祖计划"（MACHO）原定为环状缆线观测系统，光电缆长约450km,包括4个海底主基站。由于经费问题，缆线长度缩减至45km,于2011年建成，它位于中国台湾东北宜兰县头城镇外海，最深处为 300m。海底仪器主要包括宽频带海底地震仪、高频地震仪、水听器、CTD以及高精度压力传感器等设备。初期目标是监测海底地震、海啸及南冲绳海槽海底火山活动，后期目标将升级为监测各项海底环境因子。妈祖观测网所处位置地形如图28所示，红色线为目前主干电缆的位置，白色线为规划的新主干电缆线的位置。新主干电缆前半段与目前缆线位置相同，而后往南延伸62km至南澳海盆。日前，中国第一个海洋领域国家重大科技基础设施一一国家海底科学观测网已正式立项，建设周期5a,总投资逾21亿元，观测网的预计寿命约为25ao该项目由同济大学牵头、中国科学院声学研究所共建，在中国东海和南海海底分别建设基于光电复合缆的海洋环境监测网，实现海底向海面的全方位、综合性、实时的高分辨率立体观测。观测网缆线总长预计达1500km，侧重于生态环境和海洋灾害的观测，并规划在上海临港建