孫 松 孫曉霞

(1. 中國科學(xué)院海洋研究所 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266071; 2. 膠州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測(cè)研究站 青島 266071; 3. 中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國家實(shí)驗(yàn)室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實(shí)驗(yàn)室青島 266071)

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)(A 類)“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響”(簡(jiǎn)稱“海洋專項(xiàng)”)于2013年7月啟動(dòng), 專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)11.5億元人民幣, 這是中國科學(xué)院有史以來在海洋領(lǐng)域投入最大的一個(gè)項(xiàng)目, 是中國科學(xué)院先期啟動(dòng)的10個(gè)A類先導(dǎo)項(xiàng)目之一。該項(xiàng)目以熱帶西太平洋為重點(diǎn)、兼顧東印度洋和印尼貫穿流區(qū)域, 開展海氣相互作用、海洋環(huán)境安全與生態(tài)系統(tǒng)演變、深海極端環(huán)境與生命綜合研究, 研發(fā)一批海洋探索與研究急需的海洋裝備, 從整體上提高我國海洋探測(cè)與研究能力, 在我國海洋研究領(lǐng)域發(fā)揮先導(dǎo)作用。

1　海洋專項(xiàng)的科學(xué)意義

我國的海洋研究起步較晚, 受到海洋意識(shí)、綜合國力和海洋探測(cè)裝備等方面的諸多限制, 主要海洋研究大多局限于中國近海資源與環(huán)境的研究, 對(duì)深海大洋的研究鮮有涉獵, 并且有限的調(diào)查研究?jī)H限于大洋上層。因此, 我國對(duì)全球海洋、特別是深海和大洋的動(dòng)力環(huán)境、資源狀況缺乏系統(tǒng)了解。海洋專項(xiàng)從“海洋系統(tǒng)”的角度, 以系統(tǒng)內(nèi)上-中-深層水體、海洋-大氣、近海-大洋等多界面的物質(zhì)能量交換和輸運(yùn)過程為主線, 開展熱帶西太平洋及其鄰近海域物理過程、化學(xué)過程和生物過程的多時(shí)空尺度、多學(xué)科綜合探測(cè)與研究, 推動(dòng)我國深海大洋理論與技術(shù)體系的構(gòu)建和發(fā)展(中國科學(xué)院海洋研究所, 2016)。

熱帶西太平洋及其鄰近海域以其強(qiáng)烈的海氣通量交換過程在全球氣候變化中具有重要作用。暖池溫度的微小變化會(huì)影響大氣輻合、輻散以及垂直運(yùn)動(dòng),進(jìn)而對(duì)熱帶乃至全球氣候變化產(chǎn)生重大影響。近期研究表明全球氣候系統(tǒng)中存在熱量丟失現(xiàn)象(Trenberthet al, 2010), 深海有可能是丟失熱量的去處。深入開展熱帶西太平洋關(guān)鍵區(qū)域海洋系統(tǒng)的物質(zhì)能量交換研究, 將進(jìn)一步提高和更新對(duì)西太暖池變異與海氣耦合機(jī)制的科學(xué)認(rèn)識(shí), 揭示深海在維持全球氣候系統(tǒng)熱量平衡中所扮演的角色。

西太平洋暖池與西邊界流是影響我國近海生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和演變趨勢(shì)的重要驅(qū)動(dòng)器。開展近海-大洋協(xié)同研究, 明晰西太平洋暖池及其主流系對(duì)近海生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物資源變動(dòng)的影響, 有助于解析大尺度生態(tài)系統(tǒng)的變動(dòng)和生態(tài)災(zāi)害的問題, 深化近海生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律的認(rèn)識(shí), 從而完善近海生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論。

西太平洋及其鄰近海域海底活躍的構(gòu)造和流體活動(dòng)塑造了特殊的深海生態(tài)系統(tǒng), 構(gòu)成了我國科學(xué)家躋身國際海洋科學(xué)前沿得天獨(dú)厚的地理區(qū)位優(yōu)勢(shì)。需特別指出的是, 國際上對(duì)該海域深海極端環(huán)境尚缺少系統(tǒng)探測(cè)與研究。通過探測(cè)該區(qū)域海山與熱液系統(tǒng), 在其與水體的物質(zhì)能量交換過程、深海生命過程等方面取得新發(fā)現(xiàn)和新認(rèn)知, 將填補(bǔ)該區(qū)域深海海洋科學(xué)的研究空白, 同時(shí)推動(dòng)我國海洋探測(cè)高新技術(shù)的發(fā)展。

2　聚焦的關(guān)鍵問題

海洋對(duì)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和人民生活提高的重要意義毋容置疑, 海洋變化影響到我們生活的各個(gè)方面,但是我們對(duì)海洋的了解不足 5%, 未知區(qū)域主要是深海, 也就是水深200米以深的水域。我們不僅對(duì)深海海底缺乏了解, 對(duì)深海的水體同樣缺乏了解, 例如大洋環(huán)流、物質(zhì)與能量交換、海洋生物多樣性和生物地球化學(xué)循環(huán)等。人們關(guān)注的很多問題有待解決, 如氣候變化-熱量傳遞、海洋酸化、海洋中的溶解氧變化、海洋生物多樣性、神秘的海底-化能生態(tài)系統(tǒng)、海洋生態(tài)災(zāi)害等。在這種情況下, 海洋專項(xiàng)應(yīng)該做什么？如何體現(xiàn)海洋領(lǐng)域的“先導(dǎo)性”？經(jīng)過多方面的調(diào)研與思考, 我們聚焦目前海洋領(lǐng)域所關(guān)注的重點(diǎn)問題:(1) 海洋信息獲取——海洋觀測(cè)系統(tǒng)的建立。該觀測(cè)系統(tǒng)將有別于通常的業(yè)務(wù)化觀測(cè)系統(tǒng), 從科學(xué)研究的角度出發(fā), 基于近海和大洋上一些關(guān)鍵科學(xué)問題,在一些敏感區(qū)域開展有針對(duì)性的觀測(cè); (2) 海洋生態(tài)系統(tǒng)健康——健康海洋、海洋可持續(xù)發(fā)展與藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān), 我們將對(duì)近海環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)變動(dòng)進(jìn)行綜合研究, 在已有研究的基礎(chǔ)上, 將研究的重點(diǎn)放在鄰近大洋與中國近海協(xié)同研究上。針對(duì)中國近海出現(xiàn)的生態(tài)系統(tǒng)演變、海洋生態(tài)災(zāi)害的發(fā)生、海洋生物資源可持續(xù)利用、海洋生態(tài)系統(tǒng)承載力等方面的問題, 探索黑潮變異對(duì)中國近海的影響, 將中國近海環(huán)境變化、人類活動(dòng)、陸源物質(zhì)輸入與黑潮變動(dòng)等因素進(jìn)行綜合研究, 從海洋系統(tǒng)的角度研究中國近海生態(tài)環(huán)境現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)以及應(yīng)對(duì)策略; (3) 對(duì)海洋未知世界的探索——深海極端環(huán)境與生命的探索。海洋領(lǐng)域最大的挑戰(zhàn)在深海, 深海探測(cè)的最大挑戰(zhàn)在裝備, 沒有現(xiàn)代化的裝備、一流的技術(shù)隊(duì)伍和科技支撐隊(duì)伍, 要開展深海探索與研究只能是“望洋興嘆”。因此, 我們將重點(diǎn)放在深海探測(cè)與研究綜合平臺(tái)的建設(shè)、深海研究體系的建設(shè), 在國際海洋前沿領(lǐng)域開展創(chuàng)新性的研究, 全面提高海洋探測(cè)與研究能力, 進(jìn)入國際一流國家行列?；诖? 實(shí)現(xiàn)深海地形、環(huán)境、資源、生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性、環(huán)境適應(yīng)機(jī)制、生命進(jìn)化機(jī)制等方面的新認(rèn)知; (4) 提高海洋裝備研發(fā)水平。在科學(xué)目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下的海洋設(shè)備研發(fā), 不片面強(qiáng)調(diào)設(shè)備的單項(xiàng)指標(biāo), 而是強(qiáng)調(diào)設(shè)備的系統(tǒng)指標(biāo), 做到“能用、好用、易用、耐用、方便、便宜”。在深海裝備體系建設(shè)中做到“下得去、看得見、測(cè)得準(zhǔn)、拿得上、用得起”。根據(jù)設(shè)定的科學(xué)目標(biāo), 有針對(duì)性地研發(fā)急需設(shè)備, 與已有的設(shè)備進(jìn)行集成, 形成完整的深海探測(cè)與研發(fā)體系, 將科學(xué)考察船、深潛器、海洋探測(cè)工具、海洋技術(shù)體系建設(shè)、技術(shù)隊(duì)伍和科研隊(duì)伍作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合部署, 科學(xué)與技術(shù)有機(jī)結(jié)合, 全面提高我國深海探測(cè)與研究水平。

3　研究區(qū)域的選擇

海洋專項(xiàng)選擇熱帶西太平洋作為重點(diǎn)研究區(qū)域,同時(shí)兼顧東印度洋和印尼貫穿流的觀測(cè)與研究(圖1)。熱帶西太平洋對(duì)于我國乃至世界都很重要, 這里是我國重要的出海通道, 具有十分重要的戰(zhàn)略意義。從科學(xué)角度出發(fā), 該區(qū)域是海氣相互作用研究的重點(diǎn)區(qū)域。海洋熱量傳遞是海洋領(lǐng)域的熱點(diǎn)問題。熱帶西太平洋是全球海洋熱量最高的區(qū)域, 也是暖池所在地, 其海洋熱量變化將會(huì)對(duì)全球氣候、特別是東亞氣候產(chǎn)生重要的影響, 在這個(gè)區(qū)域我國科學(xué)家牽頭提出的“熱帶西太平洋海洋環(huán)流與氣候”研究計(jì)劃受到了國際重視和積極參與(Huet al, 2015)。熱帶西太平洋也是黑潮的發(fā)源地, 海洋環(huán)流復(fù)雜, 其海洋環(huán)流變動(dòng)將會(huì)影響到黑潮的變動(dòng), 而黑潮的變動(dòng)將會(huì)對(duì)我國近海生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生重要影響。此外, 熱帶西太平洋的海底特別活躍, 分布有眾多的海山、熱液和冷泉,對(duì)深海研究來說也是一個(gè)非常理想的區(qū)域, 而且這個(gè)區(qū)域的深海研究相對(duì)薄弱?？紤]到海洋熱量傳遞、東印度洋對(duì)我國氣候的影響, 我們的研究區(qū)域也涉及東印度洋的研究和對(duì)印尼貫穿流的觀測(cè)。

圖1　中國科學(xué)院海洋先導(dǎo)專項(xiàng)重點(diǎn)研究區(qū)域(孫松等, 2016)Fig.1 The key research region of the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences - Western Pacific Ocean System: Structure, Dynamics and Consequences (Sun et al, 2016)

4　總體研究思路

海洋專項(xiàng)的總體目標(biāo)是建設(shè)一個(gè)平臺(tái)、形成一個(gè)體系、建設(shè)一支隊(duì)伍、在一些關(guān)鍵領(lǐng)域取得突破, 取得一批科研成果, 獲取大量樣品和資料, 為未來發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ), 在能力建設(shè)上進(jìn)入國際先進(jìn)國家行列, 在我國海洋探測(cè)與研究中起到引領(lǐng)作用。

在大洋研究中, 加強(qiáng)對(duì)西太平洋海洋環(huán)流的觀測(cè)。盡管西太平洋已經(jīng)有很多的觀測(cè), 但主要是表層觀測(cè)做得比較多。海洋專項(xiàng)將重點(diǎn)放在深海環(huán)流的觀測(cè)上, 通過深海潛標(biāo)的布放, 在西太平洋暖池區(qū)建立深海觀測(cè)網(wǎng), 對(duì)深海環(huán)流進(jìn)行觀測(cè), 同時(shí)通過與印尼的合作加強(qiáng)對(duì)印尼貫穿流的觀測(cè)和東印度洋的觀測(cè)。在觀測(cè)方式上, 除建立以潛標(biāo)為主的觀測(cè)網(wǎng)的同時(shí),加強(qiáng)船基走航觀測(cè); 在觀測(cè)內(nèi)容上, 在物理海洋觀測(cè)的同時(shí), 進(jìn)行海洋生產(chǎn)力、海洋生物多樣性和海洋生物地球化學(xué)循環(huán)的觀測(cè)與研究。

在近海研究中, 關(guān)鍵在于通量的觀測(cè)。通過黑潮進(jìn)入中國近海的生源要素、生物多樣性、溶解氧、海洋熱量的輸入等, 在中國近海和黑潮流經(jīng)區(qū)域布放潛標(biāo), 與已有的浮標(biāo)網(wǎng)和科考船走航觀測(cè)相結(jié)合, 研究黑潮變異對(duì)中國近海環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)的影響以及海洋生態(tài)災(zāi)害的發(fā)生與黑潮變異之間的內(nèi)在聯(lián)系。盡管我們重點(diǎn)關(guān)注黑潮變異對(duì)中國近海的影響, 但并不是不重視近海自身環(huán)境的變化: 河流輸入、污染物排放、海岸帶工程和漁業(yè)活動(dòng)等, 應(yīng)該是在充分考慮黑潮及其分支變化的前提下, 研究中國近海生態(tài)系統(tǒng)變化-過程、機(jī)理與發(fā)展趨勢(shì)。

在深海研究中, 重點(diǎn)是對(duì)深海極端環(huán)境與生命的探索與研究。首先繪制高精度海底地形圖, 對(duì)西太平洋海山、熱液和冷泉以及深海平原進(jìn)行探測(cè)與研究,最關(guān)鍵的是能夠下得去, 以深潛器作為載體, 利用搭載的高清攝像機(jī)獲取海底影像資料, 觀察海底生物類群與生長環(huán)境, 并且能夠通過各種取樣工具獲取深海生物樣品和海底地質(zhì)樣品。通過深潛器上搭載的化學(xué)傳感器探測(cè)深?；瘜W(xué)環(huán)境, 通過自己研發(fā)的設(shè)備, 在海底進(jìn)行原位觀測(cè)。同時(shí)能夠在海底開展原位實(shí)驗(yàn), “將實(shí)驗(yàn)室搬到海底”。要達(dá)到這個(gè)目的, 我們必須具備高精度動(dòng)力定位的能力, 同時(shí)要具備海洋大型拖網(wǎng)、海洋沉積物柱狀取樣和巖石取樣的能力, 以便獲取更多的海洋生物與地質(zhì)樣品; 科考船要具備海上現(xiàn)場(chǎng)樣品處理、分析與保藏能力。在研究方式上,將近海、大洋、深海作為一個(gè)整體, 從海洋系統(tǒng)水平上開展綜合研究(圖2)。

5　實(shí)施方案

建立以“科學(xué)”號(hào)綜合考察船為旗艦的海洋專項(xiàng)海洋考察船隊(duì), 成立海洋考察協(xié)調(diào)委員會(huì), 重點(diǎn)保證海上考察任務(wù)的完成, 在西太平洋、印尼海峽和東印度洋建立以海洋潛標(biāo)為主的深海觀測(cè)網(wǎng), 在近海關(guān)鍵海域布設(shè)近海潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)、與已有近海浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)行銜接, 設(shè)立近海和大洋觀測(cè)斷面與站位進(jìn)行船基觀測(cè)和走航觀測(cè), 系統(tǒng)獲取近海和大洋海洋環(huán)境信息。物理海洋、化學(xué)海洋和生物海洋以及海洋地質(zhì)不同專業(yè)的科學(xué)家在同一條船上、圍繞同一個(gè)科學(xué)問題、從不同的角度開展綜合交叉研究。

圖2　海洋專項(xiàng)總體研究思路(孫松等, 2016)Fig.2 Overall research framework of the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences - Western Pacific Ocean System: Structure, Dynamics and Consequences (Sun et al, 2016)

為保證海洋專項(xiàng)的有效開展, 首先要使“科學(xué)”號(hào)盡快投入使用, 以最快的速度使所有船載設(shè)備能夠工作起來; 深潛器必須在最短的時(shí)間內(nèi)完成建造工作, 沒有深潛器和相關(guān)的深海探測(cè)與取樣設(shè)備的協(xié)同作業(yè), 深海部分就不可能開展, 獲取深海樣品和環(huán)境數(shù)據(jù)是保證深海項(xiàng)目有效開展的前提和保障。深海觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)是獲取深海連續(xù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)和保障,所以必須成立一個(gè)委員會(huì), 對(duì)深海潛標(biāo)和相關(guān)配套設(shè)備進(jìn)行集體研究和統(tǒng)一招標(biāo)。如果不能在短時(shí)間內(nèi)完成這個(gè)艱巨的任務(wù), 西太平洋深海環(huán)流的觀測(cè)也將成為空話, 所以能力建設(shè)是第一位的。如果相關(guān)設(shè)施不能按期完成, 整個(gè)海洋先導(dǎo)任務(wù)就不可能取得進(jìn)展, 更談不上按期完成任務(wù)。所以必須全力以赴做好移動(dòng)平臺(tái)、船載設(shè)備、觀測(cè)設(shè)備的配套、施放、回收和組成體系。

在大洋研究中, 針對(duì)關(guān)鍵科學(xué)問題, 以獲取信息、改進(jìn)模式、提高認(rèn)識(shí)為重點(diǎn)。在近海以綜合集成研究為主, 重點(diǎn)在于對(duì)一些重要生態(tài)現(xiàn)象、海洋生態(tài)系統(tǒng)演變和海洋生態(tài)災(zāi)害、海洋生態(tài)系統(tǒng)承載力和近海環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的應(yīng)對(duì)措施, 強(qiáng)調(diào)“用得上、有影響”。在深海研究中重點(diǎn)在于對(duì)海底熱液、冷泉和海山的探索, 不片面強(qiáng)調(diào)深度, 聚焦在深海領(lǐng)域一些關(guān)鍵科學(xué)問題。重點(diǎn)對(duì) 1000—4000米深度范圍進(jìn)行探索, 這個(gè)深度上的地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜, 生物多樣性高, 資源豐富, 科學(xué)問題突出, 在一些重要區(qū)域?qū)⑻綔y(cè)深度延伸到 6000米。在作業(yè)順序上, 首先進(jìn)行海底地形圖的繪制, 同時(shí)對(duì)海洋重力、磁力和漁業(yè)資源進(jìn)行走航觀測(cè), 根據(jù)地形地貌確定重點(diǎn)區(qū)域, 通過對(duì)高精度地形地貌的分析、海洋環(huán)境特征的探測(cè)來確定冷泉和熱液的位置、海山的高度和地形特點(diǎn), 利用船載纜控水下機(jī)器人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀察、探測(cè)和取樣, 然后使用大型拖網(wǎng)和重力采樣器等獲取生物和地質(zhì)樣品。重點(diǎn)提高深?，F(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的能力, 在總體能力上達(dá)到國際先進(jìn)水平, 在一些特殊領(lǐng)域力爭(zhēng)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

在設(shè)備研發(fā)方面, 優(yōu)先啟動(dòng)和保證急需、簡(jiǎn)單、配套設(shè)備的研發(fā), 目標(biāo)是能夠盡快服務(wù)于科研目標(biāo)的完成, 不片面強(qiáng)調(diào)指標(biāo), 但是要做到準(zhǔn)確、可靠、實(shí)用, 馬上能夠用得上; 其次重點(diǎn)保證我國急需、但是受到國際封鎖或者限制的大型設(shè)備, 例如自主式水下機(jī)器人(AUV)、大洋滑翔器(Ocean Glider)和一些自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備。

6　預(yù)期成果與貢獻(xiàn)

海洋專項(xiàng)經(jīng)過5年的實(shí)施, 預(yù)期將構(gòu)建西太平洋關(guān)鍵區(qū)域海洋環(huán)境數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)和深海環(huán)流的全水體海洋模式, 形成西太平洋暖池海洋三維動(dòng)力環(huán)境再分析數(shù)據(jù)集, 確定調(diào)控東亞氣候系統(tǒng)的海洋前兆預(yù)報(bào)因子, 分析熱帶西太平洋深層海洋環(huán)流對(duì)暖池?zé)岷孔兓念A(yù)報(bào)時(shí)效, 分析暖池變化對(duì)東亞季風(fēng)預(yù)報(bào)的時(shí)效, 初步建立新一代印太區(qū)域海洋大氣環(huán)流耦合數(shù)值模式, 為我國海洋綜合環(huán)境信息保障、海洋空間安全、防災(zāi)減災(zāi)等提供科技支撐;

量化鄰近大洋對(duì)近海生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)和能量通量, 闡明大洋影響中國近海生態(tài)系統(tǒng)演變的機(jī)制和程度, 建立大洋-近海耦合的近海生態(tài)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型, 發(fā)展近海海洋生態(tài)系統(tǒng)演變與生態(tài)災(zāi)害理論體系, 為近海生物資源可持續(xù)利用、生態(tài)與環(huán)境保護(hù)管理提供科學(xué)依據(jù)和理論指導(dǎo);

獲取高分辨率海底地形地貌圖, 包括卡羅林海山鏈區(qū)和馬努斯海盆熱液區(qū)(1∶25萬), 重點(diǎn)解剖海山(1∶5萬), 熱液噴口(1∶1萬); 海底重力異常和磁力異常圖(1∶50萬); 建立環(huán)境信息庫及地質(zhì)、生物樣品庫、基因資源庫和天然產(chǎn)物庫; 進(jìn)行微生物資源開發(fā)利用; 認(rèn)知熱帶西太平洋海底生態(tài)系統(tǒng)特征; 揭示深層環(huán)境對(duì)上層海洋環(huán)境的影響;

完成“自主式觀測(cè)系統(tǒng)”、“海洋連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)”與新型海洋觀測(cè)系列傳感器與采樣系統(tǒng)的研制及示范應(yīng)用, 構(gòu)建我國深海調(diào)查技術(shù)裝備體系, 提升我國深海海洋觀測(cè)探測(cè)能力, 為構(gòu)建和發(fā)展“我國空天海洋能力新拓展體系”做出積極探索和實(shí)質(zhì)性貢獻(xiàn)。

中國科學(xué)院海洋研究所, 2016. 熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響. 中國科學(xué)院院刊, 31(增刊): 74—79

孫 松, 孫曉霞, 2016. 對(duì)我國海洋科學(xué)研究戰(zhàn)略的認(rèn)識(shí)與思考. 中國科學(xué)院院刊, 2016, 31(12): 1285—1292

Hu D X, Wu L X, Cai W Jet al, 2015. Pacific western boundary currents and their roles in climate. Nature, 522(7556):299—308

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