中國科學院海洋先導專項」熱帶西太平洋海洋系統物質能量交換及其影響「介紹

第524期

孫 松, 研究員, 中國科學院海洋先導專項首席科學家, 博士生導師。

中國科學院戰略性先導科技專項(A類)「熱帶西太平洋海洋系統物質能量交換及其影響」(簡稱「海洋專項」)於2013年7月啟動, 專項經費11.5億元人民幣, 這是中國科學院有史以來在海洋領域投入最大的一個項目, 是中國科學院先期啟動的10個A類先導項目之一。該項目以熱帶西太平洋為重點、兼顧東印度洋和印尼貫穿流區域, 開展海氣相互作用、海洋環境安全與生態系統演變、深海極端環境與生命綜合研究, 研發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與研究能力, 在我國海洋研究領域發揮先導作用。

1 海洋專項的科學意義

我國的海洋研究起步較晚, 受到海洋意識、綜合國力和海洋探測裝備等方面的諸多限制, 主要海洋研究大多局限於中國近海資源與環境的研究, 對深海大洋的研究鮮有涉獵, 並且有限的調查研究僅限於大洋上層。因此, 我國對全球海洋、特別是深海和大洋的動力環境、資源狀況缺乏系統了解。海洋專項從「海洋系統」的角度, 以系統內上-中-深層水體、海洋-大氣、近海-大洋等多界面的物質能量交換和輸運過程為主線, 開展熱帶西太平洋及其鄰近海域物理過程、化學過程和生物過程的多時空尺度、多學科綜合探測與研究, 推動我國深海大洋理論與技術體系的構建和發展。

熱帶西太平洋及其鄰近海域以其強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影響大氣輻合、輻散以及垂直運動, 進而對熱帶乃至全球氣候變化產生重大影響。近期研究表明全球氣候系統中存在熱量丟失現象, 深海有可能是丟失熱量的去處。深入開展熱帶西太平洋關鍵區域海洋系統的物質能量交換研究, 將進一步提高和更新對西太暖池變異與海氣耦合機制的科學認識, 揭示深海在維持全球氣候系統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系統穩定性和演變趨勢的重要驅動器。開展近海-大洋協同研究, 明晰西太平洋暖池及其主流系對近海生態系統穩定性和生物資源變動的影響, 有助於解析大尺度生態系統的變動和生態災害的問題, 深化近海生態系統演變規律的認識, 從而完善近海生態系統動力學理論。

西太平洋及其鄰近海域海底活躍的構造和流體活動塑造了特殊的深海生態系統, 構成了我國科學家躋身國際海洋科學前沿得天獨厚的地理區位優勢。需特別指出的是, 國際上對該海域深海極端環境尚缺少系統探測與研究。通過探測該區域海山與熱液系統, 在其與水體的物質能量交換過程、深海生命過程等方面取得新發現和新認知, 將填補該區域深海海洋科學的研究空白, 同時推動我國海洋探測高新技術的發展。

2 聚焦的關鍵問題

海洋對經濟社會發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方面, 但是我們對海洋的了解不足5%, 未知區域主要是深海, 也就是水深200米以深的水域。我們不僅對深海海底缺乏了解, 對深海的水體同樣缺乏了解, 例如大洋環流、物質與能量交換、海洋生物多樣性和生物地球化學循環等。人們關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-化能生態系統、海洋生態災害等。在這種情況下, 海洋專項應該做什麼？如何體現海洋領域的「先導性」？經過多方面的調研與思考, 我們聚焦目前海洋領域所關注的重點問題:

(1)海洋信息獲取——海洋觀測系統的建立。該觀測系統將有別於通常的業務化觀測系統, 從科學研究的角度出發, 基於近海和大洋上一些關鍵科學問題, 在一些敏感區域開展有針對性的觀測;

(2)海洋生態系統健康——健康海洋、海洋可持續發展與藍色經濟發展密切相關, 我們將對近海環境與生態系統變動進行綜合研究, 在已有研究的基礎上, 將研究的重點放在鄰近大洋與中國近海協同研究上。針對中國近海出現的生態系統演變、海洋生態災害的發生、海洋生物資源可持續利用、海洋生態系統承載力等方面的問題, 探索黑潮變異對中國近海的影響, 將中國近海環境變化、人類活動、陸源物質輸入與黑潮變動等因素進行綜合研究, 從海洋系統的角度研究中國近海生態環境現狀和發展趨勢以及應對策略;

(3)對海洋未知世界的探索——深海極端環境與生命的探索。海洋領域最大的挑戰在深海, 深海探測的最大挑戰在裝備, 沒有現代化的裝備、一流的技術隊伍和科技支撐隊伍, 要開展深海探索與研究只能是「望洋興嘆」。因此, 我們將重點放在深海探測與研究綜合平台的建設、深海研究體系的建設, 在國際海洋前沿領域開展創新性的研究, 全面提高海洋探測與研究能力, 進入國際一流國家行列。基於此, 實現深海地形、環境、資源、生態系統、生物多樣性、環境適應機制、生命進化機制等方面的新認知;

(4)提高海洋裝備研發水平。在科學目標驅動下的海洋設備研發, 不片面強調設備的單項指標, 而是強調設備的系統指標, 做到「能用、好用、易用、耐用、方便、便宜」。在深海裝備體系建設中做到「下得去、看得見、測得准、拿得上、用得起」。根據設定的科學目標, 有針對性地研發急需設備, 與已有的設備進行集成, 形成完整的深海探測與研發體系, 將科學考察船、深潛器、海洋探測工具、海洋技術體系建設、技術隊伍和科研隊伍作為一個整體進行綜合部署, 科學與技術有機結合, 全面提高我國深海探測與研究水平。

3 研究區域的選擇

海洋專項選擇熱帶西太平洋作為重點研究區域, 同時兼顧東印度洋和印尼貫穿流的觀測與研究(圖 1)。熱帶西太平洋對於我國乃至世界都很重要, 這裡是我國重要的出海通道, 具有十分重要的戰略意義。從科學角度出發, 該區域是海氣相互作用研究的重點區域。海洋熱量傳遞是海洋領域的熱點問題。熱帶西太平洋是全球海洋熱量最高的區域, 也是暖池所在地, 其海洋熱量變化將會對全球氣候、特別是東亞氣候產生重要的影響, 在這個區域我國科學家牽頭提出的「熱帶西太平洋海洋環流與氣候」研究計劃受到了國際重視和積极參与。熱帶西太平洋也是黑潮的發源地, 海洋環流複雜, 其海洋環流變動將會影響到黑潮的變動, 而黑潮的變動將會對我國近海生態環境產生重要影響。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, 對深海研究來說也是一個非常理想的區域, 而且這個區域的深海研究相對薄弱。考慮到海洋熱量傳遞、東印度洋對我國氣候的影響, 我們的研究區域也涉及東印度洋的研究和對印尼貫穿流的觀測。

圖 1中國科學院海洋先導專項重點研究區域

4 總體研究思路

海洋專項的總體目標是建設一個平台、形成一個體系、建設一支隊伍、在一些關鍵領域取得突破, 取得一批科研成果, 獲取大量樣品和資料, 為未來發展打下堅實基礎, 在能力建設上進入國際先進國家行列, 在我國海洋探測與研究中起到引領作用。

在大洋研究中, 加強對西太平洋海洋環流的觀測。儘管西太平洋已經有很多的觀測, 但主要是表層觀測做得比較多。海洋專項將重點放在深海環流的觀測上, 通過深海潛標的布放, 在西太平洋暖池區建立深海觀測網, 對深海環流進行觀測, 同時通過與印尼的合作加強對印尼貫穿流的觀測和東印度洋的觀測。在觀測方式上, 除建立以潛標為主的觀測網的同時, 加強船基走航觀測; 在觀測內容上, 在物理海洋觀測的同時, 進行海洋生產力、海洋生物多樣性和海洋生物地球化學循環的觀測與研究。

在近海研究中, 關鍵在於通量的觀測。通過黑潮進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區域布放潛標, 與已有的浮標網和科考船走航觀測相結合, 研究黑潮變異對中國近海環境與生態系統的影響以及海洋生態災害的發生與黑潮變異之間的內在聯繫。儘管我們重點關注黑潮變異對中國近海的影響, 但並不是不重視近海自身環境的變化:河流輸入、污染物排放、海岸帶工程和漁業活動等, 應該是在充分考慮黑潮及其分支變化的前提下, 研究中國近海生態系統變化-過程、機理與發展趨勢。

在深海研究中, 重點是對深海極端環境與生命的探索與研究。首先繪製高精度海底地形圖, 對西太平洋海山、熱液和冷泉以及深海平原進行探測與研究, 最關鍵的是能夠下得去, 以深潛器作為載體, 利用搭載的高清攝像機獲取海底影像資料, 觀察海底生物類群與生長環境, 並且能夠通過各種取樣工具獲取深海生物樣品和海底地質樣品。通過深潛器上搭載的化學感測器探測深海化學環境, 通過自己研發的設備, 在海底進行原位觀測。同時能夠在海底開展原位實驗, 「將實驗室搬到海底」。要達到這個目的, 我們必須具備高精度動力定位的能力, 同時要具備海洋大型拖網、海洋沉積物柱狀取樣和岩石取樣的能力, 以便獲取更多的海洋生物與地質樣品; 科考船要具備海上現場樣品處理、分析與保藏能力。在研究方式上, 將近海、大洋、深海作為一個整體, 從海洋系統水平上開展綜合研究(圖 2)。

圖 2 海洋專項總體研究思路

5 實施方案

建立以「科學」號綜合考察船為旗艦的海洋專項海洋考察船隊, 成立海洋考察協調委員會, 重點保證海上考察任務的完成, 在西太平洋、印尼海峽和東印度洋建立以海洋潛標為主的深海觀測網, 在近海關鍵海域布設近海潛標觀測網、與已有近海浮標觀測網進行銜接, 設立近海和大洋觀測斷面與站位進行船基觀測和走航觀測, 系統獲取近海和大洋海洋環境信息。物理海洋、化學海洋和生物海洋以及海洋地質不同專業的科學家在同一條船上、圍繞同一個科學問題、從不同的角度開展綜合交叉研究。

為保證海洋專項的有效開展, 首先要使「科學」號儘快投入使用, 以最快的速度使所有船載設備能夠工作起來; 深潛器必須在最短的時間內完成建造工作, 沒有深潛器和相關的深海探測與取樣設備的協同作業, 深海部分就不可能開展, 獲取深海樣品和環境數據是保證深海項目有效開展的前提和保障。深海觀測網的建設是獲取深海連續數據的基礎和保障, 所以必須成立一個委員會, 對深海潛標和相關配套設備進行集體研究和統一招標。如果不能在短時間內完成這個艱巨的任務, 西太平洋深海環流的觀測也將成為空話, 所以能力建設是第一位的。如果相關設施不能按期完成, 整個海洋先導任務就不可能取得進展, 更談不上按期完成任務。所以必須全力以赴做好移動平台、船載設備、觀測設備的配套、施放、回收和組成體系。

在大洋研究中, 針對關鍵科學問題, 以獲取信息、改進模式、提高認識為重點。在近海以綜合集成研究為主, 重點在於對一些重要生態現象、海洋生態系統演變和海洋生態災害、海洋生態系統承載力和近海環境可持續發展的應對措施, 強調「用得上、有影響」。在深海研究中重點在於對海底熱液、冷泉和海山的探索, 不片面強調深度, 聚焦在深海領域一些關鍵科學問題。重點對1000—4000米深度範圍進行探索, 這個深度上的地質環境複雜, 生物多樣性高, 資源豐富, 科學問題突出, 在一些重要區域將探測深度延伸到6000米。在作業順序上, 首先進行海底地形圖的繪製, 同時對海洋重力、磁力和漁業資源進行走航觀測, 根據地形地貌確定重點區域, 通過對高精度地形地貌的分析、海洋環境特徵的探測來確定冷泉和熱液的位置、海山的高度和地形特點, 利用船載纜控水下機器人進行現場觀察、探測和取樣, 然後使用大型拖網和重力採樣器等獲取生物和地質樣品。重點提高深海現場觀測、現場測定和現場實驗的能力, 在總體能力上達到國際先進水平, 在一些特殊領域力爭達到國際領先水平。

在設備研發方面, 優先啟動和保證急需、簡單、配套設備的研發, 目標是能夠儘快服務於科研目標的完成, 不片面強調指標, 但是要做到準確、可靠、實用, 馬上能夠用得上; 其次重點保證我國急需、但是受到國際封鎖或者限制的大型設備, 例如自主式水下機器人(AUV)、大洋滑翔器(Ocean Glider)和一些自動觀測設備。

6 預期成果與貢獻

海洋專項經過5年的實施, 預期將構建西太平洋關鍵區域海洋環境資料庫系統和深海環流的全水體海洋模式, 形成西太平洋暖池海洋三維動力環境再分析數據集, 確定調控東亞氣候系統的海洋前兆預報因子, 分析熱帶西太平洋深層海洋環流對暖池熱含量變化的預報時效, 分析暖池變化對東亞季風預報的時效, 初步建立新一代印太區域海洋大氣環流耦合數值模式, 為我國海洋綜合環境信息保障、海洋空間安全、防災減災等提供科技支撐;

量化鄰近大洋對近海生態系統的物質和能量通量, 闡明大洋影響中國近海生態系統演變的機制和程度, 建立大洋-近海耦合的近海生態系統動力學模型, 發展近海海洋生態系統演變與生態災害理論體系, 為近海生物資源可持續利用、生態與環境保護管理提供科學依據和理論指導;

獲取高解析度海底地形地貌圖, 包括卡羅林海山鏈區和馬努斯海盆熱液區(1︰25萬), 重點解剖海山(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); 建立環境信息庫及地質、生物樣品庫、基因資源庫和天然產物庫; 進行微生物資源開發利用; 認知熱帶西太平洋海底生態系統特徵; 揭示深層環境對上層海洋環境的影響;

完成「自主式觀測系統」、「海洋連續觀測系統」與新型海洋觀測系列感測器與採樣系統的研製及示範應用, 構建我國深海調查技術裝備體系, 提升我國深海海洋觀測探測能力, 為構建和發展「我國空天海洋能力新拓展體系」做出積極探索和實質性貢獻。

來源：孫松, 孫曉霞. 2017. 熱帶西太平洋海洋系統物質能量交換及其影響——中國科學院海洋先導專項介紹[J]. 海洋與湖沼, 48(6): 1127-1131 參考文獻略

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