為何實施“透明海洋”工程？

    海洋占地球表面的71%，84%的海洋水深超過2000米。深海巨大的熱容量和碳儲存量是地球氣候系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，對地球系統(tǒng)的生物地球化學循環(huán)和水循環(huán)有重要的調(diào)控作用?？梢哉f，對氣候系統(tǒng)中長期變化的預測能力與水平，在很大程度上取決于對深海大洋的巨大熱容量及熱輸送能力變化的觀測、機理認識以及預測能力。

    海洋科學研究中的重大發(fā)現(xiàn)和科學問題，如大洋環(huán)流、中尺度渦旋、厄爾尼諾現(xiàn)象等，往往都是氣候長期預測所關(guān)注的內(nèi)容。海洋與氣候是今天的一個“超級科學”，它幾乎包含了各個學科層面的問題。

    我們現(xiàn)在關(guān)心碳排放與全球變暖問題，實際上超過三分之一的人類活動所排放的碳被海洋吸收，超過90%的由于溫室氣體增加所造成的盈余熱量被海洋吸收。因此海洋既是碳匯，也是熱匯；海洋蒸發(fā)是大氣中水汽的主要來源，也是大氣環(huán)流的重要驅(qū)動力；海洋與大氣的熱量交換，是地球氣候系統(tǒng)能量流最重要的部分之一，可以調(diào)控氣候的長期變化。

    我國地處東亞季風區(qū)。水汽主要來自西太平洋、南海和印度洋，只要這些海域的海溫有變化，就會影響東亞地區(qū)水汽輸送通道的變化。研究不透這些水汽輸送大動脈的變化，就沒有辦法預測東亞氣候變化。比如20世紀70年代中期在西北太平洋發(fā)生海溫從暖到冷的突變，即所謂的70年中期氣候突變。最早發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象的不是海洋與氣候?qū)W家，而是漁業(yè)學家。漁業(yè)學家在北太平洋發(fā)現(xiàn)一些三文魚的種類及數(shù)量在這個時期發(fā)生很大的變化，而且在大西洋乃至全球都能監(jiān)測到。搞清楚未來西北太平洋這種海溫突變的頻率以及持續(xù)時間會發(fā)生怎樣的變化，能為預測氣候變化以及海洋漁業(yè)資源管理等提供重要的科學指導。

    這些都需要我們加強海洋與氣候研究。大洋西邊界流、深海混合與經(jīng)向翻轉(zhuǎn)環(huán)流、熱帶及中緯度海-氣相互作用等都是非常關(guān)鍵的，特別是深海大洋對氣候的年際到長期變化具有重要的調(diào)解作用。因為有比較好的海洋觀測支撐，目前我們對熱帶的海-氣相互作用的理論相對較為成熟；但我們對中緯度的海-氣相互作用的認識非常有限。其中一個非常關(guān)鍵的過程是大洋副熱帶西邊界流，它承擔著海洋熱帶到中高緯度的熱量輸送。西邊界流沿其路徑向大氣釋放的熱量，可以穿越大氣邊界層到達對流層頂，同時沿其路徑不斷形成的中尺度渦旋可以改變中緯度大氣風暴軸的路徑及強度，從而對中緯度天氣及氣候系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。然而遺憾的是，目前我們非常缺乏對大洋西邊界流的長期觀測。

    因此，要解決海洋科學對氣候預測影響這一重大科學問題，我們需要加強海洋觀測、變異機理以及預測的協(xié)同研究，使其狀態(tài)、過程、變化透明，從而將海洋變成“透明海洋”。

  “透明海洋”從哪方面進行了規(guī)劃？

    一是技術(shù)突破。著重加強深海觀測系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備與技術(shù)研發(fā)，特別是水下浮力平臺觀測技術(shù)，形成核心自主產(chǎn)品，提升觀測能力，突破國外封鎖。

    二是觀測網(wǎng)拓展。著力提高觀測網(wǎng)的時空分辨率，從單一觀測拓展為多要素綜合觀測，形成立體、實時、多學科的觀測網(wǎng)。

    三是理論創(chuàng)新。深入開展西太平洋—中國?！《妊笈c極地環(huán)境、氣候、資源的協(xié)同研究，力爭在海洋環(huán)境多尺度變化機理及氣候資源效應等方面取得重大原始創(chuàng)新。

    四是預測系統(tǒng)構(gòu)建。逐步有序構(gòu)建起西太平洋—中國?！《妊髿夂蝾A測系統(tǒng)以及針對國家具體要求的區(qū)域預測系統(tǒng)，形成多層次、多學科、多目標的預測體系。

    想把海洋看通透，需要穩(wěn)定的全球觀測系統(tǒng)。為此，青島國家海洋實驗室聯(lián)合中國海洋大學等科研機構(gòu)，成功研制出4000米深海自沉浮式剖面探測觀測浮標，使我國具備了對全球海洋4000米持續(xù)觀測能力。項目組還成功完成對世界上最大規(guī)模的區(qū)域海洋潛標觀測網(wǎng)——南海、西太平洋潛標觀測網(wǎng)的維護及擴充，在國際上首次實現(xiàn)了對蘊含豐富多尺度動力過程的南海深海盆的全面覆蓋及完整監(jiān)測。這些研發(fā)加速了觀測裝備國產(chǎn)化，有的子項目甚至可以做到所用設(shè)備均為自主研發(fā)。

    根據(jù)吳立新的構(gòu)想，“透明海洋”工程共分為海洋星簇、海氣表面、深海星空、海底透視、海洋模擬器5個子計劃，分別通過衛(wèi)星遙感、水下機器人、超算等技術(shù)，實現(xiàn)對海洋表層、海洋深處、海底等的立體觀測，建立可靠準確的模擬系統(tǒng)，實現(xiàn)真正意義上的透視。

    “這是一項復雜的大科學工程，需要諸多學科的協(xié)同創(chuàng)新，這絕不是一個省份、一所科技機構(gòu)所能支撐的?！?/span>

    以深海星空計劃為例，吳立新希望能制造出綜合多種傳感器、智能可控的幾千個水下機器人，可以實現(xiàn)水下組網(wǎng)與導航。這項工作不僅難度大、花費高，更需要材料、能源、自動控制、通信等多個學科的協(xié)同研發(fā)。在海洋深處，如何完成大數(shù)據(jù)高速傳輸、如何實現(xiàn)超長續(xù)航、智能觀測等技術(shù)，都是吳立新團隊目前正在攻關(guān)的難題。

    2017年底，美國國防部高級研究計劃局公布了“海基物聯(lián)網(wǎng)”構(gòu)想，根據(jù)該構(gòu)想，美國海軍可以通過部署數(shù)量眾多的小型低成本浮標傳感器來形成分布式網(wǎng)絡(luò)，從而在廣闊的海洋上實現(xiàn)持久的態(tài)勢感知。這一構(gòu)想與我國“透明海洋”工程大致相似，“我們提出時間更早，并已經(jīng)成功開展前期研究工作，我們已經(jīng)走在了前面。”吳立新說。

    吳立新這樣描述“透明海洋”工程的未來：“科學家在實驗室就能知道全球海洋正在發(fā)生的事情，如海洋的溫度變化、水聲通道的變化、魚群的變化等，并能做出預測，國家海洋利益拓展到哪里，‘透明海洋’工程就建設(shè)到哪里?！?/span>

  產(chǎn)生哪些社會價值？

    據(jù)青島海洋國家實驗室不完全統(tǒng)計，“透明海洋”工程相關(guān)課題目前已獲得了超過6億元科技資金支持。除了加深對海洋的認識，還有一項重要功能就是開展海洋科技基礎(chǔ)性、公益性的關(guān)鍵技術(shù)研究和突破，影響和改善民生。

    青島海洋國家實驗室教授陳顯堯介紹，近年來，由大型綠藻滸苔形成的綠潮在南黃海連年暴發(fā)，長達10年之久，對山東、江蘇沿岸的旅游業(yè)和海水養(yǎng)殖業(yè)造成了巨大危害。每年夏季，受綠潮影響的地區(qū)，政府部門都需要投入大量人力、物力，對沿海一線綠藻進行收集、打撈和處理?！巴该骱Ｑ蟆惫こ虡?gòu)建了渤黃東海高分辨率精細化短期預報系統(tǒng)，根據(jù)衛(wèi)星遙感反演的滸苔生物量和其他觀測數(shù)據(jù)，建立了滸苔漂移的短期預報，可以實現(xiàn)對一周內(nèi)滸苔的漂移路徑及覆蓋范圍的定量預報。2017年系統(tǒng)進一步應用到黃海滸苔的預警預測中，基于系統(tǒng)預報的滸苔漂移路徑及覆蓋范圍影響，有關(guān)單位向青島市政府提出在滸苔漂移過程中對關(guān)鍵區(qū)域進行先期打撈攔截，減緩了滸苔大范圍侵入青島沿海，從而降低了災害強度。

    徐茂波表示，近幾年，美國、加拿大、日本、歐盟等國家和地區(qū)，都在加快制訂并實施全球海洋立體觀測系統(tǒng)計劃，因此建設(shè)中國的全球海洋立體觀測網(wǎng)的需求十分迫切。這不僅對國家海洋國土安全、海洋資源利用和海洋保護開發(fā)具有重大意義，對山東省發(fā)展海洋經(jīng)濟同樣具有推動作用。

    山東省科技廳海洋科技處處長孫高祚認為，“透明海洋”工程可以及時反映近海以及遠洋海洋資源開發(fā)狀況和開發(fā)潛力信息，為實現(xiàn)海水養(yǎng)殖、遠洋漁業(yè)等合理有序開發(fā)提供科學依據(jù)；可以及時提供海洋的環(huán)境和氣候信息，為港口運輸、海上捕撈、海上油氣開發(fā)等作業(yè)活動提供安全生產(chǎn)保障。還可以通過對海洋資源環(huán)境信息的綜合運用，對海洋經(jīng)濟發(fā)展前景作出預測。對于山東來說，“透明海洋”工程產(chǎn)生新技術(shù)、形成新動能，將會帶動山東省海洋觀測、海洋工程裝備、海洋油氣資源開發(fā)等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

信息來源智慧海洋圈子