挺進深海大洋——中國科學院西太平洋科學觀測網建設歷程

2016年12月10日，隨著一封電子郵件的到來，熱帶西太平洋科學觀測網的科學家團隊們興奮高呼「數據成功傳回了！」。

這封郵件是深海潛標數據實時傳輸系統從深海中傳來的第一個實時數據，觀測網從最初的科學構想變成了現實，攻克了數據實時傳輸的難題。

然而，這一路走來，並非一帆風順，可任何困難都沒有動搖過科學院海洋研究所王凡研究員及其團隊的決心。

攻堅克難，潛標布放首獲成功

2010年11月15日，「科學一號」自青島起航，王凡擔任航次首席科學家，帶領中科院海洋所的科學家團隊，在熱帶西太平洋成功布放了第一套深海潛標。

「所謂深海潛標是一個自海底至海面的錨系觀測系統，海底處由重力錨固定位置，海底至海面由纜繩貫穿，整條纜繩的不同深度上固定有觀測設備及提供浮力的浮球，保證纜繩基本垂直狀態，各個設備就可長時間觀測不同深度的海洋水文要素。」王凡解釋潛標的設計原理。

作為科學觀測網項目的負責人，王凡從最初的第一套潛標開始，就與他的同事們一起，對這其中的技術難點進行逐一攻克。

「實際設計和操作過程是非常複雜的，深海大洋中，海面風浪千變萬化顯而易見，而看不見的還有海底地形溝壑縱橫、海洋內部激流暗涌，所以設計、布放潛標並保證其能長時間安全運行，可是耗費了我們團隊的不少心力啊。」王凡回憶起來忍不住有些感慨。

「第一套潛標我們初步確定在深達萬米的菲律賓海溝西側陡坡上進行布放，布放的理想區域只有2公里見方，在此處布放潛標就如同在狂風呼嘯的萬米懸崖上扔下一串石頭，而石頭必須不偏不斜地落在峭壁上的方桌上，其難度可想而知。」該航次隊長張林林介紹。

當時船舶條件落後，團隊也缺少經驗，他們反覆觀摩了國際上其他國家的潛標布放視頻，航次前方案的專家論證會召開了10次之多，不放過任何細節。根據潛標布放的不同技術環節，設計了作業流程圖，並明確標明每個隊員在不同環節的位置和工作，並據此進行了多次「實戰演習」。在團隊的共同努力下，才終於成功完成了第一套潛標的布放，邁出了關鍵的第一步。

科學家團隊攻克了潛標的技術難題，終於乘風破浪而出，嚴陣以待地準備著潛標布放前最後的工作，而海上惡劣的自然條件與簡陋的工作生活條件，也給他們造成了不小的困難。

在「科學一號」科學考察船出海大概4—5天後，經過風大浪急的呂宋海峽，風浪高達4—5米，大部分隊員暈船反應嚴重，嘔吐和難以進食導致的虛弱和眩暈，折磨著隊員們緊張的神經。

但潛標布放這關鍵的最後實施怎能就此鬆懈，隊員們互相支持與鼓勵著克服困難，在風浪的挑戰下堅持完成了既定的任務與工作。

當時的「科學一號」沒有海水淡化系統，船上的淡水十分寶貴，首先要保證的是基本飲水需要，個人洗漱極盡節省。熱帶西太平洋上氣溫平均37攝氏度左右、甲板溫度高達50攝氏度以上，隊員們每天在甲板上工作，烈日炎炎下轉眼就汗流浹背了，回去休息時也無法痛快地洗個澡、換套衣服。

「當時宿舍里的味道可真是『一言難盡』呀！」考察隊員王富軍笑著說起來，「潛標布放成功以後，讓隊員們痛快地洗了一次澡那也算是『奢侈』的獎勵了。」隊員們在工作任務完成上幾近苛求，生活條件卻是能將就則將就，當時的困難，都是現在他們嘴裡的趣事了。

精益求精，科學觀測網初步構建

2015年，在科學院先導性科技專項的支持下，王凡團隊搭載了首艘新一代科學考察船「科學號」，回收15套深海潛標，維護后新布放13套深海潛標。

與5年前一個航次完成2套潛標相比，目前團隊的對於潛標回收及布放的工作效率可謂突飛猛進。王凡再次擔任航次首席，帶領考察隊員順利完成了任務，完成了初步構建中深層潛標觀測網的目標。

這一航次潛標回收、維護及布放套次突破20套，數量多是一大挑戰。在航次之前，王凡與中科院院士胡敦欣組織科學家團隊就潛標的選址、儀器的設計集成、人員的安排調配以及航線任務的規劃都進行了反覆的會商研討。

航次方案改了又改，為的是利用有限的設備、船上空間、人員和航次經費，進行最優的排列組合，完成需要實現的科學目標的觀測。

相比於第一次布放的潛標，現在組成觀測網的潛標設計更為複雜，每套潛標上的儀器設備數目由原來的幾套升級為十幾套。為了達到預期的科學目標，從潛標設計開始，包括不同深度觀測要素設計、儀器的布置安排、各個深度浮球的數據等全部細節都需要經過準確的計算。「差之毫厘，失之千里。」

王凡說：「科學嚴謹是我們必須秉承的態度，航次前的每一次研討改進，都是我們最終能成功的基礎。」

「在這個航次中，布放1套潛標（包括前期準備及後續定位）平均用時7.76小時，回收1套平均用時5.28小時，兩組人員輪換工作，平均每組需要12人。」航次的隊長汪嘉寧對航次中每一個環節的數據了如指掌。

為了對於潛標回收布放有更科學的認識和分析，他們在開展航次工作的同時，對潛標工作中的各個環節都進行了科學設計、合理分工，並統計多套潛標操作過程中的各項數據。

「科學家說話都要有根據的，數據就是我們最有力的工具，這些實際工作的各項數據都是我們寶貴的經驗，我們一定要好好利用起來。」王凡組織團隊基於大數據，對各項指標進行量化分析，進而建立起一套科學有效的工作流程。

凝心聚力，數據實時傳輸實現

2016年10月—2017年1月，王凡團隊搭載「科學號」考察船，再次進行了西太平洋科學觀測網的維護升級，歷時54天、航程7800餘海里，成功完成11套深海潛標的回收和14套深海潛標的布放任務，並實現了深海潛標數據實時化傳輸的這一重要技術突破。

「2015—2016兩年來潛標的成功回收率達到96.2%，這標誌著潛標觀測網已經實現了穩定運行，實現了潛標布放和回收的標準化、批量化和常態化，這在國際海洋觀測網建設中也是首屈一指的。」王凡自豪地介紹，「這標誌著我們的科學觀測網已經實現了穩定運行。」

如今，觀測網已成功獲取西太平洋代表性海域連續2—3年的溫度、鹽度和洋流等數據，一方面將為探索研究熱帶西太平洋環流的三維結構、暖池變異及其對氣候變化的影響提供寶貴數據資料，提升海洋探測和深海科學研究能力，另一方面將加速海洋環境和氣候預報能力的提高，為保障國家的海洋環境安全提供科學支撐。

在數字化和信息化高速發展的今天，人們逐漸習慣並享受實時性和準確性帶來的便利，但在深海大洋研究上，要想獲得海洋內部最新最準確的數據卻並非易事，甚至被視為世界性的難題。

深海潛標最上面一個浮體距離海平面還有四五百米，這些數據很難穿透海水傳輸到衛星上。如何實現潛標觀測、數據水下採集和傳輸、衛星通信等多系統集成，並設置好其工作程序，降低功耗實現長時間穩定工作是深海數據實時傳輸的難點。

王凡說：「海上現場作業具有很大的不確定性和工程難度，潛標的布放是一個壓力和張力快速變化的過程，如何在這一過程中保證實時傳輸系統設備的正常工作是另一個難點。」

在本航次中，中科院海洋所和聲學所聯合開展技術攻關，研發了無線水聲通信和有線數據傳輸兩種方案。最終，實時數據傳輸的兩套方案均獲試驗成功，科學家和業務用戶可以通過電腦或手機終端實時掌握深海大洋的動力狀況。

「數據每小時回傳一次，打開手機就可以看到遠在西太平洋的深海潛標剛剛傳回來的深海觀測數據，包括大洋上每8米一層的洋流的流速、流向等。」在該航次中擔任首席的汪嘉寧興奮地說，「我們也在深海大洋實現了『現場直播』了。」

歷時七年，王凡帶領的科學家團隊一步一步地向他們的目標紮實邁進，熱帶西太平洋科學觀測網成功構建並升級，在世界海洋科考史上都具有重要意義，對深海探測能力提升意義重大。

而他們並沒有就此止步，在2017年的計劃中，他們將全面升級數據實時化傳輸潛標，旨在建成的西太平洋實時化傳輸潛標觀測網。

「對深海大洋的探索我們只能算是剛剛起步，要走的路還長著呢，我們的團隊中不乏年輕的骨幹力量，將會繼續投入到下一步工作中去。我們想要將這自主建設的科學觀測網長期運行下去，幫助的科學家在世界海洋觀測研究及氣候預測領域實現領跑。這是我們的『野心』，更是我們的責任。」王凡對未來篤定而清晰，對理想堅定而執著。

（文章摘自科技日報2017-3-6 14版）