為何實施“透明海洋”工程？

    海洋占地球表面的71%，84%的海洋水深超過2000米。深海巨大的熱容量和碳儲存量是地球氣候系統的調節器，對地球系統的生物地球化學循環和水循環有重要的調控作用。可以說，對氣候系統中長期變化的預測能力與水平，在很大程度上取決于對深海大洋的巨大熱容量及熱輸送能力變化的觀測、機理認識以及預測能力。

    海洋科學研究中的重大發現和科學問題，如大洋環流、中尺度渦旋、厄爾尼諾現象等，往往都是氣候長期預測所關注的內容。海洋與氣候是今天的一個“超級科學”，它幾乎包含了各個學科層面的問題。

    我們現在關心碳排放與全球變暖問題，實際上超過三分之一的人類活動所排放的碳被海洋吸收，超過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；海洋蒸發是大氣中水汽的主要來源，也是大氣環流的重要驅動力；海洋與大氣的熱量交換，是地球氣候系統能量流最重要的部分之一，可以調控氣候的長期變化。

    我國地處東亞季風區。水汽主要來自西太平洋、南海和印度洋，只要這些海域的海溫有變化，就會影響東亞地區水汽輸送通道的變化。研究不透這些水汽輸送大動脈的變化，就沒有辦法預測東亞氣候變化。比如20世紀70年代中期在西北太平洋發生海溫從暖到冷的突變，即所謂的70年中期氣候突變。最早發現這一現象的不是海洋與氣候學家，而是漁業學家。漁業學家在北太平洋發現一些三文魚的種類及數量在這個時期發生很大的變化，而且在大西洋乃至全球都能監測到。搞清楚未來西北太平洋這種海溫突變的頻率以及持續時間會發生怎樣的變化，能為預測氣候變化以及海洋漁業資源管理等提供重要的科學指導。

    這些都需要我們加強海洋與氣候研究。大洋西邊界流、深海混合與經向翻轉環流、熱帶及中緯度海-氣相互作用等都是非常關鍵的，特別是深海大洋對氣候的年際到長期變化具有重要的調解作用。因為有比較好的海洋觀測支撐，目前我們對熱帶的海-氣相互作用的理論相對較為成熟；但我們對中緯度的海-氣相互作用的認識非常有限。其中一個非常關鍵的過程是大洋副熱帶西邊界流，它承擔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對流層頂，同時沿其路徑不斷形成的中尺度渦旋可以改變中緯度大氣風暴軸的路徑及強度，從而對中緯度天氣及氣候系統產生重要影響。然而遺憾的是，目前我們非常缺乏對大洋西邊界流的長期觀測。

    因此，要解決海洋科學對氣候預測影響這一重大科學問題，我們需要加強海洋觀測、變異機理以及預測的協同研究，使其狀態、過程、變化透明，從而將海洋變成“透明海洋”。

  “透明海洋”從哪方面進行了規劃？

    一是技術突破。著重加強深海觀測系統關鍵設備與技術研發，特別是水下浮力平臺觀測技術，形成核心自主產品，提升觀測能力，突破國外封鎖。

    二是觀測網拓展。著力提高觀測網的時空分辨率，從單一觀測拓展為多要素綜合觀測，形成立體、實時、多學科的觀測網。

    三是理論創新。深入開展西太平洋—中國海—印度洋與極地環境、氣候、資源的協同研究，力爭在海洋環境多尺度變化機理及氣候資源效應等方面取得重大原始創新。

    四是預測系統構建。逐步有序構建起西太平洋—中國海—印度洋氣候預測系統以及針對國家具體要求的區域預測系統，形成多層次、多學科、多目標的預測體系。

    想把海洋看通透，需要穩定的全球觀測系統。為此，青島國家海洋實驗室聯合中國海洋大學等科研機構，成功研制出4000米深海自沉浮式剖面探測觀測浮標，使我國具備了對全球海洋4000米持續觀測能力。項目組還成功完成對世界上最大規模的區域海洋潛標觀測網——南海、西太平洋潛標觀測網的維護及擴充，在國際上首次實現了對蘊含豐富多尺度動力過程的南海深海盆的全面覆蓋及完整監測。這些研發加速了觀測裝備國產化，有的子項目甚至可以做到所用設備均為自主研發。

    根據吳立新的構想，“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個子計劃，分別通過衛星遙感、水下機器人、超算等技術，實現對海洋表層、海洋深處、海底等的立體觀測，建立可靠準確的模擬系統，實現真正意義上的透視。

    “這是一項復雜的大科學工程，需要諸多學科的協同創新，這絕不是一個省份、一所科技機構所能支撐的。”

    以深海星空計劃為例，吳立新希望能制造出綜合多種傳感器、智能可控的幾千個水下機器人，可以實現水下組網與導航。這項工作不僅難度大、花費高，更需要材料、能源、自動控制、通信等多個學科的協同研發。在海洋深處，如何完成大數據高速傳輸、如何實現超長續航、智能觀測等技術，都是吳立新團隊目前正在攻關的難題。

    2017年底，美國國防部高級研究計劃局公布了“海基物聯網”構想，根據該構想，美國海軍可以通過部署數量眾多的小型低成本浮標傳感器來形成分布式網絡，從而在廣闊的海洋上實現持久的態勢感知。這一構想與我國“透明海洋”工程大致相似，“我們提出時間更早，并已經成功開展前期研究工作，我們已經走在了前面。”吳立新說。

    吳立新這樣描述“透明海洋”工程的未來：“科學家在實驗室就能知道全球海洋正在發生的事情，如海洋的溫度變化、水聲通道的變化、魚群的變化等，并能做出預測，國家海洋利益拓展到哪里，‘透明海洋’工程就建設到哪里。”

  產生哪些社會價值？

    據青島海洋國家實驗室不完全統計，“透明海洋”工程相關課題目前已獲得了超過6億元科技資金支持。除了加深對海洋的認識，還有一項重要功能就是開展海洋科技基礎性、公益性的關鍵技術研究和突破，影響和改善民生。

    青島海洋國家實驗室教授陳顯堯介紹，近年來，由大型綠藻滸苔形成的綠潮在南黃海連年暴發，長達10年之久，對山東、江蘇沿岸的旅游業和海水養殖業造成了巨大危害。每年夏季，受綠潮影響的地區，政府部門都需要投入大量人力、物力，對沿海一線綠藻進行收集、打撈和處理。“透明海洋”工程構建了渤黃東海高分辨率精細化短期預報系統，根據衛星遙感反演的滸苔生物量和其他觀測數據，建立了滸苔漂移的短期預報，可以實現對一周內滸苔的漂移路徑及覆蓋范圍的定量預報。2017年系統進一步應用到黃海滸苔的預警預測中，基于系統預報的滸苔漂移路徑及覆蓋范圍影響，有關單位向青島市政府提出在滸苔漂移過程中對關鍵區域進行先期打撈攔截，減緩了滸苔大范圍侵入青島沿海，從而降低了災害強度。

    徐茂波表示，近幾年，美國、加拿大、日本、歐盟等國家和地區，都在加快制訂并實施全球海洋立體觀測系統計劃，因此建設中國的全球海洋立體觀測網的需求十分迫切。這不僅對國家海洋國土安全、海洋資源利用和海洋保護開發具有重大意義，對山東省發展海洋經濟同樣具有推動作用。

    山東省科技廳海洋科技處處長孫高祚認為，“透明海洋”工程可以及時反映近海以及遠洋海洋資源開發狀況和開發潛力信息，為實現海水養殖、遠洋漁業等合理有序開發提供科學依據；可以及時提供海洋的環境和氣候信息，為港口運輸、海上捕撈、海上油氣開發等作業活動提供安全生產保障。還可以通過對海洋資源環境信息的綜合運用，對海洋經濟發展前景作出預測。對于山東來說，“透明海洋”工程產生新技術、形成新動能，將會帶動山東省海洋觀測、海洋工程裝備、海洋油氣資源開發等產業轉型升級。

信息來源智慧海洋圈子