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)院海洋先導(dǎo)專項介紹*

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)重點實驗室 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)國家實驗室 海洋生態(tài)與環(huán)境科學(xué)功能實驗室青島 266071)

中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(A 類)“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響”(簡稱“海洋專項”)于2013年7月啟動, 專項經(jīng)費11.5億元人民幣, 這是中國科學(xué)院有史以來在海洋領(lǐng)域投入最大的一個項目, 是中國科學(xué)院先期啟動的10個A類先導(dǎo)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(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　海洋專項的科學(xué)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于中國近海資源與環(huán)境的研究, 對深海大洋的研究鮮有涉獵, 并且有限的調(diào)查研究僅限于大洋上層。因此, 我國對全球海洋、特別是深海和大洋的動力環(huán)境、資源狀況缺乏系統(tǒng)了解。海洋專項從“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空尺度、多學(xué)科綜合探測與研究, 推動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(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, 將進一步提高和更新對西太暖池變異與海氣耦合機制的科學(xué)認識, 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)定性和演變趨勢的重要驅(qū)動器。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近海生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和生物資源變動的影響, 有助于解析大尺度生態(tài)系統(tǒng)的變動和生態(tài)災(zāi)害的問題, 深化近海生態(tài)系統(tǒng)演變規(guī)律的認識, 從而完善近海生態(tài)系統(tǒng)動力學(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)前沿得天獨厚的地理區(qū)位優(yōu)勢。需特別指出的是, 國際上對該海域深海極端環(huán)境尚缺少系統(tǒng)探測與研究。通過探測該區(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)和新認知, 將填補該區(qū)域深海海洋科學(xué)的研究空白, 同時推動我國海洋探測高新技術(shù)的發(fā)展。

2　聚焦的關(guān)鍵問題

海洋對經(jīng)濟社會發(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方面,但是我們對海洋的了解不足 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(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)注的重點問題:(1) 海洋信息獲取——海洋觀測系統(tǒng)的建立。該觀測系統(tǒng)將有別于通常的業(yè)務(wù)化觀測系統(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)域開展有針對性的觀測; (2) 海洋生態(tài)系統(tǒng)健康——健康海洋、海洋可持續(xù)發(fā)展與藍色經(jīng)濟發(fā)展密切相關(guān), 我們將對近海環(huán)境與生態(tài)系統(tǒng)變動進行綜合研究, 在已有研究的基礎(chǔ)上, 將研究的重點放在鄰近大洋與中國近海協(xié)同研究上。針對中國近海出現(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, 探索黑潮變異對中國近海的影響, 將中國近海環(huán)境變化、人類活動、陸源物質(zhì)輸入與黑潮變動等因素進行綜合研究, 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)展趨勢以及應(yīng)對策略; (3) 對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臺的建設(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, 全面提高海洋探測與研究能力, 進入國際一流國家行列。基于此, 實現(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)機制、生命進化機制等方面的新認知; (4) 提高海洋裝備研發(fā)水平。在科學(xué)目標驅(qū)動下的海洋設(shè)備研發(fā), 不片面強調(diào)設(shè)備的單項指標, 而是強調(diào)設(shè)備的系統(tǒng)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(shè)中做到“下得去、看得見、測得準、拿得上、用得起”。根據(jù)設(shè)定的科學(xué)目標, 有針對性地研發(fā)急需設(shè)備, 與已有的設(shè)備進行集成, 形成完整的深海探測與研發(fā)體系, 將科學(xué)考察船、深潛器、海洋探測工具、海洋技術(shù)體系建設(shè)、技術(shù)隊伍和科研隊伍作為一個整體進行綜合部署, 科學(xué)與技術(shù)有機結(jié)合, 全面提高我國深海探測與研究水平。

3　研究區(qū)域的選擇

海洋專項選擇熱帶西太平洋作為重點研究區(qū)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區(qū)域。海洋熱量傳遞是海洋領(lǐng)域的熱點問題。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對全球氣候、特別是東亞氣候產(chǎn)生重要的影響, 在這個區(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(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,對深海研究來說也是一個非常理想的區(qū)域, 而且這個區(qū)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(qū)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(xué)院海洋先導(dǎo)專項重點研究區(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

海洋專項的總體目標是建設(shè)一個平臺、形成一個體系、建設(shè)一支隊伍、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)展打下堅實基礎(chǔ), 在能力建設(shè)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(lǐng)作用。

在大洋研究中, 加強對西太平洋海洋環(huán)流的觀測。盡管西太平洋已經(jīng)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(huán)流的觀測上, 通過深海潛標的布放, 在西太平洋暖池區(qū)建立深海觀測網(wǎng), 對深海環(huán)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(wǎng)的同時,加強船基走航觀測; 在觀測內(nèi)容上, 在物理海洋觀測的同時, 進行海洋生產(chǎn)力、海洋生物多樣性和海洋生物地球化學(xué)循環(huán)的觀測與研究。

在近海研究中, 關(guān)鍵在于通量的觀測。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(jīng)區(qū)域布放潛標, 與已有的浮標網(wǎng)和科考船走航觀測相結(jié)合, 研究黑潮變異對中國近海環(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。盡管我們重點關(guān)注黑潮變異對中國近海的影響, 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、機理與發(fā)展趨勢。

在深海研究中, 重點是對深海極端環(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(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)傳感器探測深海化學(xué)環(huán)境, 通過自己研發(fā)的設(shè)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(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(tǒng)水平上開展綜合研究(圖2)。

5　實施方案

建立以“科學(xué)”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(xié)調(diào)委員會, 重點保證海上考察任務(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為主的深海觀測網(wǎng), 在近海關(guān)鍵海域布設(shè)近海潛標觀測網(wǎng)、與已有近海浮標觀測網(wǎng)進行銜接, 設(shè)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(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)

為保證海洋專項的有效開展, 首先要使“科學(xué)”號盡快投入使用, 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間內(nèi)完成建造工作, 沒有深潛器和相關(guān)的深海探測與取樣設(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)是保證深海項目有效開展的前提和保障。深海觀測網(wǎng)的建設(shè)是獲取深海連續(xù)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)和保障,所以必須成立一個委員會, 對深海潛標和相關(guān)配套設(shè)備進行集體研究和統(tǒng)一招標。如果不能在短時間內(nèi)完成這個艱巨的任務(wù), 西太平洋深海環(huán)流的觀測也將成為空話, 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, 整個海洋先導(dǎo)任務(wù)就不可能取得進展, 更談不上按期完成任務(wù)。所以必須全力以赴做好移動平臺、船載設(shè)備、觀測設(shè)備的配套、施放、回收和組成體系。

在大洋研究中, 針對關(guān)鍵科學(xué)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, 重點在于對一些重要生態(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)對措施, 強調(diào)“用得上、有影響”。在深海研究中重點在于對海底熱液、冷泉和海山的探索, 不片面強調(diào)深度, 聚焦在深海領(lǐng)域一些關(guān)鍵科學(xué)問題。重點對 1000—4000米深度范圍進行探索, 這個深度上的地質(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深度延伸到 6000米。在作業(yè)順序上, 首先進行海底地形圖的繪制, 同時對海洋重力、磁力和漁業(yè)資源進行走航觀測, 根據(jù)地形地貌確定重點區(qū)域, 通過對高精度地形地貌的分析、海洋環(huán)境特征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(xiàn)場觀察、探測和取樣, 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。重點提高深海現(xiàn)場觀測、現(xiàn)場測定和現(xiàn)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(lǐng)域力爭達到國際領(lǐng)先水平。

在設(shè)備研發(fā)方面, 優(yōu)先啟動和保證急需、簡單、配套設(shè)備的研發(fā), 目標是能夠盡快服務(wù)于科研目標的完成, 不片面強調(diào)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(shè)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(shè)備。

6　預(yù)期成果與貢獻

海洋專項經(jīng)過5年的實施, 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)報因子, 分析熱帶西太平洋深層海洋環(huán)流對暖池?zé)岷孔兓念A(yù)報時效, 分析暖池變化對東亞季風(fēng)預(yù)報的時效, 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)演變的機制和程度, 建立大洋-近海耦合的近海生態(tài)系統(tǒng)動力學(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; 進行微生物資源開發(fā)利用; 認知熱帶西太平洋海底生態(tài)系統(tǒng)特征; 揭示深層環(huán)境對上層海洋環(huán)境的影響;

完成“自主式觀測系統(tǒng)”、“海洋連續(xù)觀測系統(tǒng)”與新型海洋觀測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探測能力, 為構(gòu)建和發(fā)展“我國空天海洋能力新拓展體系”做出積極探索和實質(zhì)性貢獻。

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. 對我國海洋科學(xué)研究戰(zhàn)略的認識與思考. 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

Trenberth K E, Fasullo J T, 2010. Tracking earth’s energy.Science, 328(5976): 316—317