3 未来海洋与海洋研究战略
面对变幻莫测的海洋环境、神秘的海底世界和日益严重的海洋资源与环境问题,如何部署海洋研究力量,抓住海洋领域的关键问题,作出有影响力的、突破性的成果,支撑国家海洋经济发展、维护海洋环境安全、海洋防灾减灾、实现海洋资源与环境可持续发展、维持健康的海洋生态系统是我们必须要面对的问题。
3.1 建设自动化、智能化、无人化的海洋综合感知体系
人类不生活在海洋中,我们对海洋的感知和了解在很大程度上依赖于海洋观测和探测技术的进步和装备的研发。海洋声学技术的应用和声学装置的研发对海洋科学的促进作用是技术推动海洋科学发展的一个典型案例。在人们见到或者谈起海洋的时候,首先会想到或提出的一个问题是:“海洋有多深?”这个看起来非常普通的问题,其实困扰了人类很长时间,甚至到现在也没有真正弄清楚或者精确测量出海洋的平均深度。因为海洋太大了,我们很难对全球海洋的深度进行非常精确的测量,但是这个问题又非常重要,船舶的航行、水下军事环境、全球海水容积的计算等都需要知道海洋的深度。过去是用绳索测定海洋深度,随着海洋深度的增加,人们发现这种方法很难奏效。因为这种方法会受到海洋中海流等各方面的影响,另外也无法对广阔的海洋进行大规模的测量。因此人们发明了利用声学原理进行海洋深度测定的装置。当一个球形装置碰到海底时会发出声音,我们可以通过测定声音到达水面所需要的时间来测定海洋的深度。1925年,德国人哈勃在“流星”号考察船上安装了一台“回声探测仪”,希望通过这台新设备获得更多、更详尽的海洋资料。在使用回声探测仪进行测量后,人们惊奇地发现,在大西洋中部的某些海域,不是人们想象的深海,而是“浅海”,于是发现了“大西洋中脊”的存在。“流星”号总共测量了7万多个数据,这对后来的深海和大洋探测起到了重要的推动作用。现在对海底进行测绘的设备也基本都是利用声学原理进行工作的,从这个看起来相对简单的技术问题中我们可以看出技术的进步对海洋科学的发展有多么重要。
CTD(温盐深仪)的发明和应用使我们对大范围的物理海洋探测成为可能,从而对海洋中的很多动力学问题和物理现象有了全新的认识。有人认为没有CTD的发明就不可能有对大洋环流的认识,也不可能从海盆尺度上开展海洋动力过程的研究,现在海洋观测体系中基本都离不开CTD;深潜器的发明使我们能够探测深海,发现海底热液生物群落,提高人们对深海极端环境和生命的认识;卫星遥感技术的应用和水色卫星的研制使我们从全球尺度对表层海洋进行观测和研究;海洋浮标和潜标的发明使我们能够对表层和深层海洋有所了解;Argo浮标的使用使我们能够大范围探测海洋的状态。这些仪器设备的研发都是在海洋研究需求下推动发展起来的,科学与技术的有机结合才能真正发挥作用。
海洋观测对于海洋研究来说无疑是十分重要的。在过去的几十年中,海洋观测受到全球的关注,在观测方法、观测范围、观测技术和观测精度等方面都取得长足进步,但是主要是物理环境的观测,海洋化学环境和生物环境的观测还非常落后,尤其是生物环境的观测,能够达到实用标准的探测器很少。因此我们目前对于变化中的全球海洋物理环境相对了解得多一些,因为现在的海洋长期观测网大多是用于物理海洋环境观测的,换句话说,只要有能力投入,海洋物理环境信息的获取是没有问题的。化学传感器和生物传感器是建立海洋长期观测网的瓶颈问题。现在的化学环境与生物环境数据大部分来自基于科学考察船的海洋调查。在瞬息万变的海洋环境中,这种观测方式很难满足现代海洋科学发展的需求。人类对生命的探索永无止境。对于宇宙智慧生物的探索和对其他星球上生命的探索开启了深空、宇宙探索的新纪元,对于海洋生命的探索也是如此。分子生物学、基因技术和图像技术的应用、海洋生物芯片的研制、新型传感器技术与生物技术的结合、与海洋无人潜器的嫁接,海洋生命科学与信息科学的有机结合将使我们对海洋生命、神秘的海洋有更加深入的了解,而在这方面仅仅依靠载人潜水器和科学考察船是做不到的。
未来的海洋研究将进入自动化、智能化、无人化时代。在实验室内能够通过远程遥控技术完成对深海极端环境的探测、取样与原位观测,深海将不再神秘。智能化的海洋观测网和自动化的海洋探测体系的建立、海洋模拟器+超级计算机等人工智能技术的结合将使我们对海洋关键过程、海洋环境变化和生态系统结构与功能的变动有更好的了解,基于生态系统的海洋综合管理将成为现实,海洋对于经济社会的支撑作用将进一步显现。
综上所述,未来海洋科学发展的一个核心问题是对海洋的感知,而海洋信息系统的建立是我们感知、认识、了解海洋、综合管控海洋的基础和保障。海洋信息系统的建立包括海洋信息的获取、传输、处理和应用等几个关键环节,我们必须充分认识到海洋环境和海水介质的特殊性、复杂性和困难性。有些在陆地、大气和空间探测和观测中已经解决的问题,在海洋观测中却成为瓶颈问题。新型海洋探测器的研制,特别是化学和生物探测器的研制,海洋信息的有效传递、处理和应用将是未来海洋科技发展的前沿核心问题。考虑到海洋考察的成本、风险、效率和海洋的广袤性,科学考察船在现代海洋研究中的地位和作用会逐渐减弱,而自动无人探测器、海洋遥感遥测技术和遥控采样技术等将成为未来海洋科学发展的趋势。
3.2 从海洋系统角度开展海洋研究
海洋领域的热点问题很多,从资源、环境到对未知世界的探索,海洋生物资源可持续利用、海洋环境安全、海洋生态系统健康、海洋生物多样性保护、海洋生物地球化学循环、深海极端环境与生命,每一方面都很重要,我们能否在同一个平台上开展系统研究?中科院海洋先导专项“热带西太平洋物质能量交换及其影响”在这方面进行了一些探索。
海洋科学具有大科学的特点,陆地上有的过程海洋中几乎都有;海洋学科也非常复杂,物理、化学、生物、地质无所不包,海岸带、近海、大洋、深海都很重要。但是从另一个角度看问题,不仅海洋各个部分是连在一起的,海洋各个学科也是相互关联的,例如海洋生态学的研究中,物理、化学、生物和地质环境缺一不可,所以海洋科学研究是物理海洋学、化学海洋学和生物海洋学以及海洋地质学的综合体现。我们是否能够把这几个学科结合在一起,围绕同一个问题、在同一个平台上开展研究?是否能够将大洋、深海和近海联系在一起,形成一个有机整体开展综合系统研究?什么样的题目能够表达这样的综合研究?在中科院海洋先导专项的设计中我们进行了有益的探索(图1和图2)。首先在区域的选择上重点开展热带西太平洋的研究,因为这一区域对我国海洋战略的实施非常重要,同时在科学上也非常重要,主要体现在以下几个方面:(1)这里是全球海洋表层温度最高的区域,即暖池所在地,这个区域海水温度变动会对东亚乃至全球气候造成影响;(2)这里是黑潮的发源地,黑潮作为太平洋一支重要的西边界暖流,将热量和物质从低纬度向高纬度输送,黑潮的变异会对中国近海环境产生影响;(3)西太平洋海底非常活跃,分布着众多的海山、热液和冷泉,对于海洋极端环境与生命的探索、地球科学和海洋科学综合交叉研究具有重要的意义。用什么题目能够把要开展的研究内容和内涵表达出来?我们最终选择了以“热带西太平洋物质能量交换及其影响”为题,热带西太平洋环流与气候的研究、黑潮与中国近海环境之间的关系研究以及深海探索从根本上来讲是对海洋能量与物质交换的研究,能量主要体现在海洋热量的传递与交换上,物质主要体现在海水中颗粒有机物、海洋生物和海洋溶解物质的传递与转移转化上。作为中科院10个A类先导专项之一,海洋先导专项重点开展热带西太平洋海气相互作用(图3)、黑潮变异对中国近海生态环境的影响(图4)、深海极端环境与生命探索与研究(图5—图7),以及基于海洋研究目标需求的海洋设备研发(图8)。
3.3 重视海洋多圈层相互作用研究
海洋是互相连通的,很多海洋现象的发生都不是孤立的,相互间密切关联,如近海与大洋之间的相互作用、陆海相互作用、海气相互作用。地球上不同圈层之间的相互作用在海洋领域表现的尤其突出,包括岩石圈、水圈、气圈和生物圈之间的相互作用。对海洋的探索与研究应该重点聚焦在三个界面之间的通量研究上:海气界面,涉及到海洋与大气之间的相互作用问题,热量与水汽交换涉及到诸多国际前沿问题,如海洋环流与气候、海洋碳循环、海洋酸化等;陆海界面,近海生态系统的变动在很大程度上取决于陆源物质的排放,富营养化、低氧区的扩大、近海生物资源变动、海洋环境安全等在很大程度上是陆地与海洋、近海与大洋之间相互作用的结果;海底界面,海底热液、冷泉、海山、海底平原等深海极端环境与生命等对于我们来说基本是一个未知世界,也是地球科学的前沿问题,涉及到地质地球物理、地球化学和海洋生命等各个领域的相互配合与交叉问题,新的油气资源、矿物资源、药物资源和基因资源等战略性资源的探索和深海生命的起源、适应与演化等将是海洋领域科学探索的热点领域。
参考文献
[1] Baird A H,Pratchett M S,Hoey A S,et al.Acanthaster planci is a major cause of coral mortality in Indonesia,Coral Reefs,2013,32:803-812.
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[4] Zhang F,Sun S,Jin X S,et al.Associations of large jellyfishdistributions with temperature and salinity in the Yellow Sea and East China Sea.Hydrobiologia,2012,690:81-96.
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