為何實(shí)施“透明海洋”工程？

    海洋占地球表面的71%，84%的海洋水深超過(guò)2000米。深海巨大的熱容量和碳儲(chǔ)存量是地球氣候系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器，對(duì)地球系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)和水循環(huán)有重要的調(diào)控作用?？梢哉f(shuō)，對(duì)氣候系統(tǒng)中長(zhǎng)期變化的預(yù)測(cè)能力與水平，在很大程度上取決于對(duì)深海大洋的巨大熱容量及熱輸送能力變化的觀測(cè)、機(jī)理認(rèn)識(shí)以及預(yù)測(cè)能力。

    海洋科學(xué)研究中的重大發(fā)現(xiàn)和科學(xué)問(wèn)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(zhǎng)期預(yù)測(cè)所關(guān)注的內(nèi)容。海洋與氣候是今天的一個(gè)“超級(jí)科學(xué)”，它幾乎包含了各個(gè)學(xué)科層面的問(wèn)題。

    我們現(xiàn)在關(guān)心碳排放與全球變暖問(wèn)題，實(shí)際上超過(guò)三分之一的人類(lèi)活動(dòng)所排放的碳被海洋吸收，超過(guò)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(lái)源，也是大氣環(huán)流的重要驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)期變化。

    我國(guó)地處東亞季風(fēng)區(qū)。水汽主要來(lái)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(huì)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(dòng)脈的變化，就沒(méi)有辦法預(yù)測(cè)東亞氣候變化。比如20世紀(jì)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(xué)家。漁業(yè)學(xué)家在北太平洋發(fā)現(xiàn)一些三文魚(yú)的種類(lèi)及數(shù)量在這個(gè)時(shí)期發(fā)生很大的變化，而且在大西洋乃至全球都能監(jiān)測(cè)到。搞清楚未來(lái)西北太平洋這種海溫突變的頻率以及持續(xù)時(shí)間會(huì)發(fā)生怎樣的變化，能為預(yù)測(cè)氣候變化以及海洋漁業(yè)資源管理等提供重要的科學(xué)指導(dǎo)。

    這些都需要我們加強(qiáng)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(duì)氣候的年際到長(zhǎng)期變化具有重要的調(diào)解作用。因?yàn)橛斜容^好的海洋觀測(cè)支撐，目前我們對(duì)熱帶的海-氣相互作用的理論相對(duì)較為成熟；但我們對(duì)中緯度的海-氣相互作用的認(rèn)識(shí)非常有限。其中一個(gè)非常關(guān)鍵的過(guò)程是大洋副熱帶西邊界流，它承擔(dān)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(dá)對(duì)流層頂，同時(shí)沿其路徑不斷形成的中尺度渦旋可以改變中緯度大氣風(fēng)暴軸的路徑及強(qiáng)度，從而對(duì)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(duì)大洋西邊界流的長(zhǎng)期觀測(cè)。

    因此，要解決海洋科學(xué)對(duì)氣候預(yù)測(cè)影響這一重大科學(xué)問(wèn)題，我們需要加強(qiáng)海洋觀測(cè)、變異機(jī)理以及預(yù)測(cè)的協(xié)同研究，使其狀態(tài)、過(guò)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(jìn)行了規(guī)劃？

    一是技術(shù)突破。著重加強(qiáng)深海觀測(cè)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(tái)觀測(cè)技術(shù)，形成核心自主產(chǎn)品，提升觀測(cè)能力，突破國(guó)外封鎖。

    二是觀測(cè)網(wǎng)拓展。著力提高觀測(cè)網(wǎng)的時(shí)空分辨率，從單一觀測(cè)拓展為多要素綜合觀測(cè)，形成立體、實(shí)時(shí)、多學(xué)科的觀測(cè)網(wǎng)。

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

    四是預(yù)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建。逐步有序構(gòu)建起西太平洋—中國(guó)海—印度洋氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)以及針對(duì)國(guó)家具體要求的區(qū)域預(yù)測(cè)系統(tǒng)，形成多層次、多學(xué)科、多目標(biāo)的預(yù)測(cè)體系。

    想把海洋看通透，需要穩(wěn)定的全球觀測(cè)系統(tǒng)。為此，青島國(guó)家海洋實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國(guó)海洋大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)，成功研制出4000米深海自沉浮式剖面探測(cè)觀測(cè)浮標(biāo)，使我國(guó)具備了對(duì)全球海洋4000米持續(xù)觀測(cè)能力。項(xiàng)目組還成功完成對(duì)世界上最大規(guī)模的區(qū)域海洋潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)——南海、西太平洋潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)的維護(hù)及擴(kuò)充，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)蘊(yùn)含豐富多尺度動(dòng)力過(guò)程的南海深海盆的全面覆蓋及完整監(jiān)測(cè)。這些研發(fā)加速了觀測(cè)裝備國(guó)產(chǎn)化，有的子項(xiàng)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(gè)子計(jì)劃，分別通過(guò)衛(wèi)星遙感、水下機(jī)器人、超算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋表層、海洋深處、海底等的立體觀測(cè)，建立可靠準(zhǔn)確的模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的透視。

    “這是一項(xiàng)復(fù)雜的大科學(xué)工程，需要諸多學(xué)科的協(xié)同創(chuàng)新，這絕不是一個(gè)省份、一所科技機(jī)構(gòu)所能支撐的?！?/span>

    以深海星空計(jì)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(gè)水下機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)水下組網(wǎng)與導(dǎo)航。這項(xiàng)工作不僅難度大、花費(fèi)高，更需要材料、能源、自動(dòng)控制、通信等多個(gè)學(xué)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(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)續(xù)航、智能觀測(cè)等技術(shù)，都是吳立新團(tuán)隊(duì)目前正在攻關(guān)的難題。

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

    吳立新這樣描述“透明海洋”工程的未來(lái)：“科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)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(yú)群的變化等，并能做出預(yù)測(cè)，國(guó)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(huì)價(jià)值？

    據(jù)青島海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室不完全統(tǒng)計(jì)，“透明海洋”工程相關(guān)課題目前已獲得了超過(guò)6億元科技資金支持。除了加深對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)，還有一項(xiàng)重要功能就是開(kāi)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室教授陳顯堯介紹，近年來(lái)，由大型綠藻滸苔形成的綠潮在南黃海連年暴發(fā)，長(zhǎng)達(dá)10年之久，對(duì)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(mén)都需要投入大量人力、物力，對(duì)沿海一線綠藻進(jìn)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(xì)化短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)，根據(jù)衛(wèi)星遙感反演的滸苔生物量和其他觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立了滸苔漂移的短期預(yù)報(bào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一周內(nèi)滸苔的漂移路徑及覆蓋范圍的定量預(yù)報(bào)。2017年系統(tǒng)進(jìn)一步應(yīng)用到黃海滸苔的預(yù)警預(yù)測(cè)中，基于系統(tǒng)預(yù)報(bào)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(guò)程中對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)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(zāi)害強(qiáng)度。

    徐茂波表示，近幾年，美國(guó)、加拿大、日本、歐盟等國(guó)家和地區(qū)，都在加快制訂并實(shí)施全球海洋立體觀測(cè)系統(tǒng)計(jì)劃，因此建設(shè)中國(guó)的全球海洋立體觀測(cè)網(wǎng)的需求十分迫切。這不僅對(duì)國(guó)家海洋國(guó)土安全、海洋資源利用和海洋保護(hù)開(kāi)發(fā)具有重大意義，對(duì)山東省發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)同樣具有推動(dòng)作用。

    山東省科技廳海洋科技處處長(zhǎng)孫高祚認(rèn)為，“透明海洋”工程可以及時(shí)反映近海以及遠(yuǎn)洋海洋資源開(kāi)發(fā)狀況和開(kāi)發(fā)潛力信息，為實(shí)現(xiàn)海水養(yǎng)殖、遠(yuǎn)洋漁業(yè)等合理有序開(kāi)發(fā)提供科學(xué)依據(jù)；可以及時(shí)提供海洋的環(huán)境和氣候信息，為港口運(yùn)輸、海上捕撈、海上油氣開(kāi)發(fā)等作業(yè)活動(dòng)提供安全生產(chǎn)保障。還可以通過(guò)對(duì)海洋資源環(huán)境信息的綜合運(yùn)用，對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展前景作出預(yù)測(cè)。對(duì)于山東來(lái)說(shuō)，“透明海洋”工程產(chǎn)生新技術(shù)、形成新動(dòng)能，將會(huì)帶動(dòng)山東省海洋觀測(cè)、海洋工程裝備、海洋油氣資源開(kāi)發(fā)等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

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