科技前沿▏孫松:對(duì)我國(guó)海洋科學(xué)研究戰(zhàn)略的認(rèn)識(shí)與思考
海洋研究在我國(guó)從來(lái)沒有像現(xiàn)在這樣受到教育界和科技界的重視,短短幾年時(shí)間幾十所海洋院校如雨后春筍般建立起來(lái),很多新的海洋院校和科研機(jī)構(gòu)正在建設(shè)或籌劃,海洋科學(xué)考察船和大型海洋探索與研究設(shè)施也伴隨著新的海洋機(jī)構(gòu)的建設(shè)而大批建造,特別是大型現(xiàn)代化綜合科學(xué)考察船的建造,據(jù)統(tǒng)計(jì),總量已經(jīng)超過(guò)歐洲。一系列與海洋相關(guān)的科技計(jì)劃被相繼提出,例如深??臻g站、透明海洋、智慧海洋、深淵探索等。在這種海洋研究熱情空前高漲的情況下,我們有必要對(duì)海洋研究戰(zhàn)略進(jìn)行系統(tǒng)分析,冷靜思考海洋科技發(fā)展如何才能滿足國(guó)家海洋戰(zhàn)略的需求,我國(guó)海洋科技如何部署才能跟上國(guó)際海洋研究的步伐,并且逐步在一些領(lǐng)域起到引領(lǐng)作用。
一、對(duì)海洋研究中幾個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題的認(rèn)識(shí) ⒈變化中的海洋 海洋一直處于變化之中,在很多情況下海洋的變化速度超出我們對(duì)海洋的認(rèn)知速度,很多海洋現(xiàn)象的發(fā)生對(duì)于我們來(lái)說(shuō)是“措手不及”的,對(duì)于為什么會(huì)發(fā)生、何時(shí)會(huì)發(fā)生、程度會(huì)多大、突發(fā)性還是趨勢(shì)性等這樣的基本問(wèn)題在很多時(shí)候難以回答。海洋的這些變化有些我們是能夠感受得到的,如魚類種類和數(shù)量的劇烈年際變化、赤潮生物的種類與數(shù)量的年際變化、浮游動(dòng)物和底棲生物的數(shù)量波動(dòng)等。有很多變化我們是感受不到的,但是一旦發(fā)現(xiàn)就已經(jīng)很晚了,例如海洋溫度和鹽度的變化、溫躍層的改變、海水中營(yíng)養(yǎng)鹽要素的變動(dòng)、海洋基礎(chǔ)生產(chǎn)力的變動(dòng)、海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的變化等。 以澳大利亞大堡礁為代表的珊瑚礁的白化、死亡與破壞情況非常嚴(yán)重,珊瑚礁中長(zhǎng)棘海星的暴發(fā)對(duì)珊瑚礁造成致命的影響,但是為什么長(zhǎng)棘海星會(huì)暴發(fā)卻是一個(gè)未知之謎;2006年前后我國(guó)近海海盤車的暴發(fā)對(duì)近海養(yǎng)殖業(yè)造成很大影響,對(duì)于暴發(fā)的原因尚不清楚;2007之后江蘇和山東沿海滸苔連年暴發(fā),在其暴發(fā)機(jī)理、滸苔生物學(xué)與生態(tài)學(xué)特性上仍存在許多懸而未決的問(wèn)題;海洋中水母的暴發(fā)、赤潮的暴發(fā)以及在一些區(qū)域出現(xiàn)的棕囊藻的暴發(fā)等一直困擾著企業(yè)和管理部門。海洋中發(fā)生的很多事情是未知的,例如海洋中有多少種生物?它們分布在哪里?數(shù)量有多少?有些海洋生物,在我們認(rèn)識(shí)它們之前就已經(jīng)消失了,在一些海洋生物物種消失的同時(shí),另一些新的物種也在產(chǎn)生。我們對(duì)海洋的了解在很大程度上依賴于我們對(duì)海洋的觀測(cè)與研究,很多海洋事件的發(fā)生,如果不是影響到近岸、影響到我們的生活,可能不會(huì)引起關(guān)注。一個(gè)不變的事實(shí)是,海洋一直處于變化之中,而且有時(shí)變化非常劇烈,這些變化會(huì)對(duì)整個(gè)海洋系統(tǒng)產(chǎn)生影響,從而影響到我們?nèi)祟惢蛘叩厍蛏洗蟛糠謩?dòng)物和植物生存所依賴的海洋環(huán)境。海洋是地球上所有生物的生命保障系統(tǒng),海洋環(huán)境的改變會(huì)影響到整個(gè)地球生命保障系統(tǒng)。 對(duì)于導(dǎo)致海洋變化的原因,我們不能夠?qū)⑵浜?jiǎn)單地歸結(jié)為“全球氣候變化和人類活動(dòng)”幾個(gè)字,如何了解海洋的變化、理解導(dǎo)致海洋變化的原因并找到應(yīng)對(duì)措施,這是海洋研究的核心問(wèn)題,同時(shí)也是海洋科技工作者所不能回避的問(wèn)題,因?yàn)檫@些問(wèn)題直接影響到海洋領(lǐng)域應(yīng)該研究什么、如何進(jìn)行研究。 ⒉神秘的海洋 據(jù)估測(cè),迄今人類對(duì)海洋探測(cè)和了解的范圍僅僅是5%左右,也就是說(shuō)有 95%的區(qū)域我們是不了解的,主要是深海。我們對(duì)很多海洋現(xiàn)象的了解也非常膚淺,例如海洋物質(zhì)能量的傳遞與氣候變化;生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能變動(dòng)之間的關(guān)系;海洋中熱量的丟失;海水中溶解氧的變化;海洋酸化;海洋生物多樣性的變動(dòng);海洋中大型魚類的消失——數(shù)據(jù)顯示全球海洋中 90%的大型魚類已經(jīng)消失;海洋中膠質(zhì)類生物,例如水母和被囊類等的增多;海洋地質(zhì)過(guò)程、深海極端環(huán)境與生命、深層海底中的微生物等很多問(wèn)題都有待于我們進(jìn)行深入探索與研究,而這些問(wèn)題與人類的生存與發(fā)展關(guān)系密切。 二、對(duì)海洋科學(xué)研究的體會(huì)與思考 ⒈近海研究 我國(guó)近海存在很多問(wèn)題,近海環(huán)境安全面臨嚴(yán)重挑戰(zhàn),赤潮發(fā)生的頻率和范圍有增無(wú)減,已經(jīng)成為一種常態(tài)化的現(xiàn)象;自2007年開始,滸苔在黃海連年暴發(fā),海洋中水母的數(shù)量急劇增多,對(duì)漁業(yè)資源和沿岸工業(yè)設(shè)施以及旅游業(yè)造成影響;一些海洋生物的暴發(fā)對(duì)核電設(shè)施安全造成嚴(yán)重威脅;漁業(yè)資源處于崩潰的邊緣。近海資源與環(huán)境直接影響到藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展和沿海社會(huì)穩(wěn)定問(wèn)題。近海所發(fā)生的問(wèn)題是海洋研究領(lǐng)域所不能忽視和回避的問(wèn)題。海岸帶和近海低氧可能會(huì)對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖造成毀滅性的打擊;近海水體中氮的增加所帶來(lái)的生態(tài)問(wèn)題不亞于海洋酸化所帶來(lái)的問(wèn)題。我們對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)承載力的研究遠(yuǎn)不能滿足海洋資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需求。僅僅在近海開展工作可能不足以解析現(xiàn)在海洋中所出現(xiàn)的問(wèn)題,需要進(jìn)行鄰近大洋與近海的協(xié)同研究,這方面的關(guān)鍵問(wèn)題是黑潮的變動(dòng)對(duì)中國(guó)近海的影響——二者是一種什么樣的關(guān)系,黑潮的年際變異能夠產(chǎn)生多大的影響,特別應(yīng)該加強(qiáng)黑潮對(duì)中國(guó)近海輸入通量方面的研究;我國(guó)長(zhǎng)江口和蘇北淺灘是黃海東海生態(tài)災(zāi)害的發(fā)源地,但這兩個(gè)地方的海洋環(huán)境非常復(fù)雜,既受到陸源物質(zhì)排放的影響,也受到鄰近大洋變化的影響,長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù),特別是連續(xù)觀測(cè)和海洋立體綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)的缺乏使我們對(duì)這個(gè)區(qū)域發(fā)生的很多生態(tài)問(wèn)題難以理解。鄰近大洋對(duì)中國(guó)近海的影響以及近海本身的變化相結(jié)合才是解開中國(guó)近海生態(tài)系統(tǒng)演變的關(guān)鍵。海洋立體觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)、近海生態(tài)環(huán)境綜合模擬系統(tǒng)的建立、生態(tài)系統(tǒng)承載力綜合評(píng)估模式的發(fā)展和漁業(yè)資源綜合評(píng)估模式的建立是近海資源與環(huán)境研究的核心問(wèn)題。近海研究涉及到海洋研究評(píng)估體系的問(wèn)題,因?yàn)榻Q芯客菂^(qū)域性的問(wèn)題,加上問(wèn)題的復(fù)雜性,所以近海研究在國(guó)際高端雜志發(fā)表論文相對(duì)困難,這也是很多人回避或不愿意進(jìn)行近海研究的一個(gè)重要原因。因此,近海研究不能僅僅以論文論英雄,重點(diǎn)還在于是否能夠解決實(shí)際問(wèn)題。從另一個(gè)方面來(lái)說(shuō),我國(guó)近海所出現(xiàn)的問(wèn)題在很大程度上是管理上的問(wèn)題,陸源物質(zhì)排放、過(guò)度捕撈、海岸帶環(huán)境改變等是導(dǎo)致近海資源環(huán)境問(wèn)題的重要因素。近海問(wèn)題的解決在很大程度上依賴于基于生態(tài)系統(tǒng)的綜合管理體系的建立。 ⒉深海研究 海洋領(lǐng)域很多關(guān)鍵問(wèn)題都與神秘的深海關(guān)系密切。海洋與氣候的問(wèn)題。海洋中微弱的熱量變化就會(huì)導(dǎo)致全球氣候的劇烈變化,但是對(duì)于全球海洋熱量的傳遞和平衡問(wèn)題我們卻知之甚少,其中一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題就是目前我們只對(duì)表層海洋的熱量變化有所了解,而對(duì)深層海洋的了解非常少,缺少觀測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)于熱量的傳遞速率和不同深度海水溫度的變動(dòng)速率缺乏了解,而這些問(wèn)題直接影響到我們對(duì)海洋與氣候相互關(guān)系的了解,這些問(wèn)題不解決也就不可能從根本上解決全球氣候變化的問(wèn)題。 海洋碳循環(huán)一直是人們關(guān)注的問(wèn)題。海洋作為最大的碳庫(kù),能夠吸收多少碳,以及海洋碳通量、碳的生物地球化學(xué)循環(huán)、海洋碳泵與全球氣候變化和海洋食物網(wǎng)變動(dòng)之間的關(guān)系等,在這些方面我們對(duì)深層海洋中的情況缺乏了解,對(duì)深海知識(shí)的缺乏使我們難以從根本上對(duì)海洋碳循環(huán)問(wèn)題有一個(gè)深入的了解。 海洋領(lǐng)域另一個(gè)受關(guān)注的問(wèn)題是海洋酸化問(wèn)題。海洋在吸收二氧化碳的同時(shí),自身也發(fā)生了變化,海水pH值的改變就是一個(gè)非常重要的現(xiàn)象。我們需要了解海洋在多大深度上受到海洋酸化的影響,海水pH值的變化在多大程度上會(huì)對(duì)海洋生物產(chǎn)生影響。海洋的容量很大,從表層海水到深層海水,海洋酸化的梯度和速率變化是我們需要研究的重要方向。 海水中溶解氧的減少對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)造成很大的影響,而深層海水中的溶解氧來(lái)自表層海水。深海中溶解氧的數(shù)量變動(dòng)、氧從表層海水向深層海水的傳遞及其與海洋環(huán)境變動(dòng)的關(guān)系也是我們所不清楚的,而海水溶解氧的變動(dòng)是海洋生態(tài)系統(tǒng)變動(dòng)的最重要的驅(qū)動(dòng)因子之一,與海洋生物多樣性、海洋生態(tài)系統(tǒng)變動(dòng)和未來(lái)海洋預(yù)測(cè)等關(guān)系密切。 深層海洋中的生物多樣性、深海食物網(wǎng)的現(xiàn)狀、變動(dòng)規(guī)律、與全球氣候變化和人類活動(dòng)之間的關(guān)系,特別是與海底采礦和其他深?;顒?dòng)之間的關(guān)系等是亟待解決的問(wèn)題。對(duì)一些海底潛在礦區(qū)的生物本底調(diào)查是深海生物,特別是海底生物研究的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因素,這方面的研究對(duì)于未來(lái)海底礦物資源開發(fā)利用的環(huán)境評(píng)估是十分重要的。 在深海研究中,我們應(yīng)該重點(diǎn)關(guān)注的深度也是一個(gè)非常重要的問(wèn)題,對(duì)深海概念的不同會(huì)導(dǎo)致研究戰(zhàn)略的不同。目前大部分人還是主張將 200m水深作為深海的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)?/span> 200m是海水補(bǔ)償深度,真光層的界限就是在200m,所以很多海洋調(diào)查和觀測(cè)的深度定為200 m。我們對(duì)200m水深以下的海洋資料相對(duì)很少,也就是說(shuō)應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)200m以深的區(qū)域的觀測(cè)。有很多人主張將深海的深度定在1000m,理由是1000m深度之后海水溫度相對(duì)穩(wěn)定,海水流動(dòng)減弱,認(rèn)為超過(guò)1000m才是真正的深海。因?yàn)閺暮Q笱芯康慕嵌?,在很多情況下我們需要對(duì)全水層進(jìn)行觀測(cè),而且各個(gè)學(xué)科甚至針對(duì)不同的科學(xué)問(wèn)題對(duì)海洋觀測(cè)深度的要求也是不一樣的。海洋研究中最大的挑戰(zhàn)在深海,深海中的很多問(wèn)題屬于國(guó)際前沿問(wèn)題。沒有對(duì)深海的了解,我們就不可能對(duì)海洋的問(wèn)題有一個(gè)確切的了解。海洋中大部分未知的事情都發(fā)生在深海,很多戰(zhàn)略性資源也存在于深海,對(duì)深海的探索與研究更多地體現(xiàn)在未來(lái)戰(zhàn)略層面上,或者說(shuō)是為我們子孫后代造福。深海研究涉及到一個(gè)國(guó)家疆域的拓展、戰(zhàn)略性資源的探索、海洋技術(shù)發(fā)展和地球科學(xué)的發(fā)展,是科學(xué)與技術(shù)有機(jī)結(jié)合、海洋多學(xué)科交叉研究和海洋多圈層研究的理想領(lǐng)域。深海研究也是一個(gè)國(guó)家科技水平和綜合國(guó)力的體現(xiàn),所以未來(lái)海洋領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)在很大程度上將體現(xiàn)在深海的探索與研究上。 ⒊海洋裝備研發(fā) 海洋探索與研究在很大程度上依賴于海洋探測(cè)與研究裝備的研發(fā)。關(guān)鍵是研發(fā)滿足科學(xué)研究需求的、實(shí)用的裝備。科學(xué)考察船和深潛器等在海洋探索與研究中發(fā)揮了不可替代的作用,但是面對(duì)變化中的海洋,從對(duì)海洋感知和認(rèn)識(shí)的角度,僅僅依靠科學(xué)考察船進(jìn)行海洋觀測(cè)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,更多的是依賴長(zhǎng)期自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備的研發(fā)與應(yīng)用,長(zhǎng)距離遙控探測(cè)與采樣設(shè)備的研制將會(huì)大大推動(dòng)對(duì)海洋極端環(huán)境與生命探索的步伐。目前的熱點(diǎn)和瓶頸問(wèn)題是化學(xué)傳感器和生物傳感器的研發(fā),帶有化學(xué)和生物傳感器的深海Argo、大洋滑翔器、AUV(自主式水下航行器)和智能化海底觀測(cè)網(wǎng)等是全球海洋觀測(cè),特別是深海觀測(cè)的重點(diǎn)。 三、未來(lái)海洋與海洋研究戰(zhàn)略 面對(duì)變幻莫測(cè)的海洋環(huán)境、神秘的海底世界和日益嚴(yán)重的海洋資源與環(huán)境問(wèn)題,如何部署海洋研究力量,抓住海洋領(lǐng)域的關(guān)鍵問(wèn)題,作出有影響力的、突破性的成果,支撐國(guó)家海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、維護(hù)海洋環(huán)境安全、海洋防災(zāi)減災(zāi)、實(shí)現(xiàn)海洋資源與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展、維持健康的海洋生態(tài)系統(tǒng)是我們必須要面對(duì)的問(wèn)題。 ⒈建設(shè)自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化的海洋綜合感知體系 人類不生活在海洋中,我們對(duì)海洋的感知和了解在很大程度上依賴于海洋觀測(cè)和探測(cè)技術(shù)的進(jìn)步和裝備的研發(fā)。海洋聲學(xué)技術(shù)的應(yīng)用和聲學(xué)裝置的研發(fā)對(duì)海洋科學(xué)的促進(jìn)作用是技術(shù)推動(dòng)海洋科學(xué)發(fā)展的一個(gè)典型案例。在人們見到或者談起海洋的時(shí)候,首先會(huì)想到或提出的一個(gè)問(wèn)題是:“海洋有多深?”這個(gè)看起來(lái)非常普通的問(wèn)題,其實(shí)困擾了人類很長(zhǎng)時(shí)間,甚至到現(xiàn)在也沒有真正弄清楚或者精確測(cè)量出海洋的平均深度。因?yàn)楹Q筇罅?,我們很難對(duì)全球海洋的深度進(jìn)行非常精確的測(cè)量,但是這個(gè)問(wèn)題又非常重要,船舶的航行、水下軍事環(huán)境、全球海水容積的計(jì)算等都需要知道海洋的深度。過(guò)去是用繩索測(cè)定海洋深度,隨著海洋深度的增加,人們發(fā)現(xiàn)這種方法很難奏效。因?yàn)檫@種方法會(huì)受到海洋中海流等各方面的影響,另外也無(wú)法對(duì)廣闊的海洋進(jìn)行大規(guī)模的測(cè)量。因此人們發(fā)明了利用聲學(xué)原理進(jìn)行海洋深度測(cè)定的裝置。當(dāng)一個(gè)球形裝置碰到海底時(shí)會(huì)發(fā)出聲音,我們可以通過(guò)測(cè)定聲音到達(dá)水面所需要的時(shí)間來(lái)測(cè)定海洋的深度。1925年,德國(guó)人哈勃在“流星”號(hào)考察船上安裝了一臺(tái)“回聲探測(cè)儀”,希望通過(guò)這臺(tái)新設(shè)備獲得更多、更詳盡的海洋資料。在使用回聲探測(cè)儀進(jìn)行測(cè)量后,人們驚奇地發(fā)現(xiàn),在大西洋中部的某些海域,不是人們想象的深海,而是“淺?!?,于是發(fā)現(xiàn)了“大西洋中脊”的存在?!傲餍恰碧?hào)總共測(cè)量了 7萬(wàn)多個(gè)數(shù)據(jù),這對(duì)后來(lái)的深海和大洋探測(cè)起到了重要的推動(dòng)作用。現(xiàn)在對(duì)海底進(jìn)行測(cè)繪的設(shè)備也基本都是利用聲學(xué)原理進(jìn)行工作的,從這個(gè)看起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單的技術(shù)問(wèn)題中我們可以看出技術(shù)的進(jìn)步對(duì)海洋科學(xué)的發(fā)展有多么重要。 CTD(溫鹽深儀)的發(fā)明和應(yīng)用使我們對(duì)大范圍的物理海洋探測(cè)成為可能,從而對(duì)海洋中的很多動(dòng)力學(xué)問(wèn)題和物理現(xiàn)象有了全新的認(rèn)識(shí)。有人認(rèn)為沒有 CTD的發(fā)明就不可能有對(duì)大洋環(huán)流的認(rèn)識(shí),也不可能從海盆尺度上開展海洋動(dòng)力過(guò)程的研究,現(xiàn)在海洋觀測(cè)體系中基本都離不開 CTD;深潛器的發(fā)明使我們能夠探測(cè)深海,發(fā)現(xiàn)海底熱液生物群落,提高人們對(duì)深海極端環(huán)境和生命的認(rèn)識(shí);衛(wèi)星遙感技術(shù)的應(yīng)用和水色衛(wèi)星的研制使我們從全球尺度對(duì)表層海洋進(jìn)行觀測(cè)和研究;海洋浮標(biāo)和潛標(biāo)的發(fā)明使我們能夠?qū)Ρ韺雍蜕顚雍Q笥兴私猓?/span>Argo 浮標(biāo)的使用使我們能夠大范圍探測(cè)海洋的狀態(tài)。這些儀器設(shè)備的研發(fā)都是在海洋研究需求下推動(dòng)發(fā)展起來(lái)的,科學(xué)與技術(shù)的有機(jī)結(jié)合才能真正發(fā)揮作用。 海洋觀測(cè)對(duì)于海洋研究來(lái)說(shuō)無(wú)疑是十分重要的。在過(guò)去的幾十年中,海洋觀測(cè)受到全球的關(guān)注,在觀測(cè)方法、觀測(cè)范圍、觀測(cè)技術(shù)和觀測(cè)精度等方面都取得長(zhǎng)足進(jìn)步,但是主要是物理環(huán)境的觀測(cè),海洋化學(xué)環(huán)境和生物環(huán)境的觀測(cè)還非常落后,尤其是生物環(huán)境的觀測(cè),能夠達(dá)到實(shí)用標(biāo)準(zhǔn)的探測(cè)器很少。因此我們目前對(duì)于變化中的全球海洋物理環(huán)境相對(duì)了解得多一些,因?yàn)楝F(xiàn)在的海洋長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)大多是用于物理海洋環(huán)境觀測(cè)的,換句話說(shuō),只要有能力投入,海洋物理環(huán)境信息的獲取是沒有問(wèn)題的?;瘜W(xué)傳感器和生物傳感器是建立海洋長(zhǎng)期觀測(cè)網(wǎng)的瓶頸問(wèn)題?,F(xiàn)在的化學(xué)環(huán)境與生物環(huán)境數(shù)據(jù)大部分來(lái)自基于科學(xué)考察船的海洋調(diào)查。在瞬息萬(wàn)變的海洋環(huán)境中,這種觀測(cè)方式很難滿足現(xiàn)代海洋科學(xué)發(fā)展的需求。人類對(duì)生命的探索永無(wú)止境。對(duì)于宇宙智慧生物的探索和對(duì)其他星球上生命的探索開啟了深空、宇宙探索的新紀(jì)元,對(duì)于海洋生命的探索也是如此。分子生物學(xué)、基因技術(shù)和圖像技術(shù)的應(yīng)用、海洋生物芯片的研制、新型傳感器技術(shù)與生物技術(shù)的結(jié)合、與海洋無(wú)人潛器的嫁接,海洋生命科學(xué)與信息科學(xué)的有機(jī)結(jié)合將使我們對(duì)海洋生命、神秘的海洋有更加深入的了解,而在這方面僅僅依靠載人潛水器和科學(xué)考察船是做不到的。 未來(lái)的海洋研究將進(jìn)入自動(dòng)化、智能化、無(wú)人化時(shí)代。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)能夠通過(guò)遠(yuǎn)程遙控技術(shù)完成對(duì)深海極端環(huán)境的探測(cè)、取樣與原位觀測(cè),深海將不再神秘。智能化的海洋觀測(cè)網(wǎng)和自動(dòng)化的海洋探測(cè)體系的建立、海洋模擬器+超級(jí)計(jì)算機(jī)等人工智能技術(shù)的結(jié)合將使我們對(duì)海洋關(guān)鍵過(guò)程、海洋環(huán)境變化和生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能的變動(dòng)有更好的了解,基于生態(tài)系統(tǒng)的海洋綜合管理將成為現(xiàn)實(shí),海洋對(duì)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的支撐作用將進(jìn)一步顯現(xiàn)。 綜上所述,未來(lái)海洋科學(xué)發(fā)展的一個(gè)核心問(wèn)題是對(duì)海洋的感知,而海洋信息系統(tǒng)的建立是我們感知、認(rèn)識(shí)、了解海洋、綜合管控海洋的基礎(chǔ)和保障。海洋信息系統(tǒng)的建立包括海洋信息的獲取、傳輸、處理和應(yīng)用等幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),我們必須充分認(rèn)識(shí)到海洋環(huán)境和海水介質(zhì)的特殊性、復(fù)雜性和困難性。有些在陸地、大氣和空間探測(cè)和觀測(cè)中已經(jīng)解決的問(wèn)題,在海洋觀測(cè)中卻成為瓶頸問(wèn)題。新型海洋探測(cè)器的研制,特別是化學(xué)和生物探測(cè)器的研制,海洋信息的有效傳遞、處理和應(yīng)用將是未來(lái)海洋科技發(fā)展的前沿核心問(wèn)題??紤]到海洋考察的成本、風(fēng)險(xiǎn)、效率和海洋的廣袤性,科學(xué)考察船在現(xiàn)代海洋研究中的地位和作用會(huì)逐漸減弱,而自動(dòng)無(wú)人探測(cè)器、海洋遙感遙測(cè)技術(shù)和遙控采樣技術(shù)等將成為未來(lái)海洋科學(xué)發(fā)展的趨勢(shì)。 ⒉從海洋系統(tǒng)角度開展海洋研究 海洋領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題很多,從資源、環(huán)境到對(duì)未知世界的探索,海洋生物資源可持續(xù)利用、海洋環(huán)境安全、海洋生態(tài)系統(tǒng)健康、海洋生物多樣性保護(hù)、海洋生物地球化學(xué)循環(huán)、深海極端環(huán)境與生命,每一方面都很重要,我們能否在同一個(gè)平臺(tái)上開展系統(tǒng)研究?中科院海洋先導(dǎo)專項(xiàng)“熱帶西太平洋物質(zhì)能量交換及其影響”在這方面進(jìn)行了一些探索。 圖 1 從海洋系統(tǒng)角度開展海洋研究 涉及到的問(wèn)題:海洋能量與物質(zhì)的傳遞、轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化;海洋環(huán)流對(duì)熱量和物質(zhì)的輸送作用;海氣相互作用;陸架邊緣海與鄰近大洋的相互作用;深海海洋與中、上層海洋之間的相互作用關(guān)系;深海極端環(huán)境與生命探索。 海洋科學(xué)具有大科學(xué)的特點(diǎn),陸地上有的過(guò)程海洋中幾乎都有;海洋學(xué)科也非常復(fù)雜,物理、化學(xué)、生物、地質(zhì)無(wú)所不包,海岸帶、近海、大洋、深海都很重要。但是從另一個(gè)角度看問(wèn)題,不僅海洋各個(gè)部分是連在一起的,海洋各個(gè)學(xué)科也是相互關(guān)聯(lián)的,例如海洋生態(tài)學(xué)的研究中,物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)環(huán)境缺一不可,所以海洋科學(xué)研究是物理海洋學(xué)、化學(xué)海洋學(xué)和生物海洋學(xué)以及海洋地質(zhì)學(xué)的綜合體現(xiàn)。我們是否能夠把這幾個(gè)學(xué)科結(jié)合在一起,圍繞同一個(gè)問(wèn)題、在同一個(gè)平臺(tái)上開展研究?是否能夠?qū)⒋笱蟆⑸詈:徒B?lián)系在一起,形成一個(gè)有機(jī)整體開展綜合系統(tǒng)研究?什么樣的題目能夠表達(dá)這樣的綜合研究?在中科院海洋先導(dǎo)專項(xiàng)的設(shè)計(jì)中我們進(jìn)行了有益的探索(圖1和圖2)。首先在區(qū)域的選擇上重點(diǎn)開展熱帶西太平洋的研究,因?yàn)檫@一區(qū)域?qū)ξ覈?guó)海洋戰(zhàn)略的實(shí)施非常重要,同時(shí)在科學(xué)上也非常重要,主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:⑴這里是全球海洋表層溫度最高的區(qū)域,即暖池所在地,這個(gè)區(qū)域海水溫度變動(dòng)會(huì)對(duì)東亞乃至全球氣候造成影響;⑵這里是黑潮的發(fā)源地,黑潮作為太平洋一支重要的西邊界暖流,將熱量和物質(zhì)從低緯度向高緯度輸送,黑潮的變異會(huì)對(duì)中國(guó)近海環(huán)境產(chǎn)生影響;⑶西太平洋海底非?;钴S,分布著眾多的海山、熱液和冷泉,對(duì)于海洋極端環(huán)境與生命的探索、地球科學(xué)和海洋科學(xué)綜合交叉研究具有重要的意義。用什么題目能夠把要開展的研究?jī)?nèi)容和內(nèi)涵表達(dá)出來(lái)?我們最終選擇了以“熱帶西太平洋物質(zhì)能量交換及其影響”為題,熱帶西太平洋環(huán)流與氣候的研究、黑潮與中國(guó)近海環(huán)境之間的關(guān)系研究以及深海探索從根本上來(lái)講是對(duì)海洋能量與物質(zhì)交換的研究,能量主要體現(xiàn)在海洋熱量的傳遞與交換上,物質(zhì)主要體現(xiàn)在海水中顆粒有機(jī)物、海洋生物和海洋溶解物質(zhì)的傳遞與轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化上。作為中科院 10個(gè)A類先導(dǎo)專項(xiàng)之一,海洋先導(dǎo)專項(xiàng)重點(diǎn)開展熱帶西太平洋海氣相互作用(圖3)、黑潮變異對(duì)中國(guó)近海生態(tài)環(huán)境的影響(圖4)、深海極端環(huán)境與生命探索與研究(圖5~圖7),以及基于海洋研究目標(biāo)需求的海洋設(shè)備研發(fā)(圖8)。 圖2 海洋先導(dǎo)專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案 圖3 西太平洋深海潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng) 海洋先導(dǎo)專項(xiàng)在西太平洋部署的深海觀測(cè)潛標(biāo)網(wǎng),最深達(dá)到6000m。在海底進(jìn)行1周年的連續(xù)觀測(cè)后成功回收并重新進(jìn)行布放,最近部分潛標(biāo)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞。圖中★為本項(xiàng)目布放的潛標(biāo);●為日本布放的潛標(biāo);■為韓國(guó)布放的潛標(biāo)。 圖4 中國(guó)近海環(huán)境受到黑潮變異的影響 圖5 從200m~4000m海山地貌與生物 圖6 深海冷泉探測(cè) 圖7 深海熱液探測(cè) 圖8 海洋設(shè)備自主研發(fā) ⒊重視海洋多圈層相互作用研究 海洋是互相連通的,很多海洋現(xiàn)象的發(fā)生都不是孤立的,相互間密切關(guān)聯(lián),如近海與大洋之間的相互作用、陸海相互作用、海氣相互作用。地球上不同圈層之間的相互作用在海洋領(lǐng)域表現(xiàn)的尤其突出,包括巖石圈、水圈、氣圈和生物圈之間的相互作用。對(duì)海洋的探索與研究應(yīng)該重點(diǎn)聚焦在三個(gè)界面之間的通量研究上:海氣界面,涉及到海洋與大氣之間的相互作用問(wèn)題,熱量與水汽交換涉及到諸多國(guó)際前沿問(wèn)題,如海洋環(huán)流與氣候、海洋碳循環(huán)、海洋酸化等;陸海界面,近海生態(tài)系統(tǒng)的變動(dòng)在很大程度上取決于陸源物質(zhì)的排放,富營(yíng)養(yǎng)化、低氧區(qū)的擴(kuò)大、近海生物資源變動(dòng)、海洋環(huán)境安全等在很大程度上是陸地與海洋、近海與大洋之間相互作用的結(jié)果;海底界面,海底熱液、冷泉、海山、海底平原等深海極端環(huán)境與生命等對(duì)于我們來(lái)說(shuō)基本是一個(gè)未知世界,也是地球科學(xué)的前沿問(wèn)題,涉及到地質(zhì)地球物理、地球化學(xué)和海洋生命等各個(gè)領(lǐng)域的相互配合與交叉問(wèn)題,新的油氣資源、礦物資源、藥物資源和基因資源等戰(zhàn)略性資源的探索和深海生命的起源、適應(yīng)與演化等將是海洋領(lǐng)域科學(xué)探索的熱點(diǎn)領(lǐng)域。 【作者簡(jiǎn)介】孫松,中國(guó)科學(xué)院大學(xué)海洋學(xué)院院長(zhǎng)、中科院海洋研究所研究員,博士、博士生導(dǎo)師。一直從事近海生態(tài)學(xué)和生物海洋學(xué)研究,曾三次赴南極進(jìn)行科學(xué)考察。先后承擔(dān)國(guó)家基金項(xiàng)目、科技部“973”項(xiàng)目和中科院知識(shí)創(chuàng)新工程項(xiàng)目等多項(xiàng)科研課題,國(guó)家“973”項(xiàng)目“中國(guó)近海水母暴發(fā)的關(guān)鍵過(guò)程、機(jī)理及生態(tài)環(huán)境效應(yīng)”首席科學(xué)家;中科院先導(dǎo)專項(xiàng)“熱帶西太平洋物質(zhì)能量交換及其影響”首席科學(xué)家;國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“黃東海浮游動(dòng)物功能群變化機(jī)制”負(fù)責(zé)人。在國(guó)內(nèi)外主要刊物發(fā)表研究論文 200余篇,專著 6部?,F(xiàn)任國(guó)際海洋研究委員會(huì)(SCOR)副主席;中國(guó)海洋研究委員會(huì)(SCOR-China)主席;全球海洋觀測(cè)(GOOS)科學(xué)與技術(shù)專家組成員;中國(guó)海洋與湖沼學(xué)會(huì)理事長(zhǎng);中國(guó)海洋學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng);中國(guó)水產(chǎn)學(xué)會(huì)副理事長(zhǎng)。本文來(lái)自《中國(guó)科學(xué)院院刊》(2016年第12期),參考文獻(xiàn)略,用于學(xué)習(xí)與交流,版權(quán)歸作者與出版社共同擁有。
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