全面提升海洋綜合探測(cè)與研究能力
——中國(guó)科學(xué)院海洋先導(dǎo)專項(xiàng)進(jìn)展*

孫 松 孫曉霞

(1. 中國(guó)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(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站 青島 266071; 3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049; 4. 青島海洋科學(xué)與技術(shù)國(guó)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)

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的提高, 國(guó)際化是一個(gè)重要的趨勢(shì)。全球90%的貿(mào)易是通過(guò)海上運(yùn)輸進(jìn)行的, 全球信息傳輸?shù)闹饕ǖ酪彩峭ㄟ^(guò)海底電纜完成的,對(duì)資源與能源的需求、海洋權(quán)益的維護(hù)日益嚴(yán)峻, 海洋環(huán)境安全日趨重要。海洋環(huán)境變化對(duì)全球氣候變化具有重要影響, 海洋熱量的微弱變化就會(huì)引起氣候的劇烈變化, 大部分的臺(tái)風(fēng)都來(lái)自海上, 海洋的變化對(duì)極端氣候的形成具有重要的驅(qū)動(dòng)作用, 從防災(zāi)減災(zāi)的角度我們?cè)絹?lái)越清晰地認(rèn)識(shí)到必須了解海洋的現(xiàn)狀與未來(lái)變化趨勢(shì)。海洋對(duì)我們?nèi)绱酥匾俏覀儏s對(duì)她如此陌生, 我們對(duì)海洋的了解不足 5%, 或者說(shuō)我們對(duì)95%的海洋缺乏了解。海洋覆蓋了全球71%的區(qū)域, 水深超過(guò) 200米的區(qū)域達(dá) 95%, 水深超過(guò)1000米的區(qū)域達(dá)90%, 我們對(duì)深海的了解非常有限。隨著全球氣候變化加劇、海洋酸化增強(qiáng)、海洋低氧區(qū)擴(kuò)大、海洋生物多樣性減少、海洋有害藻類增多、海洋漁業(yè)資源衰退以及海洋生態(tài)災(zāi)害增加, 有必要進(jìn)一步加強(qiáng)對(duì)海洋的認(rèn)知, 以提高對(duì)未來(lái)海洋變化的預(yù)測(cè)能力。由于海洋觀測(cè)的困難性、復(fù)雜性和對(duì)觀測(cè)儀器依賴、巨額資金的需求等, 加上海洋在軍事和資源開發(fā)等方面的敏感性, 我們能夠獲得的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)非常有限。沒(méi)有大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)就談不上有效信息, 沒(méi)有信息就談不上知識(shí)和認(rèn)知, 也就談不上對(duì)海洋現(xiàn)狀的了解, 更不用說(shuō)對(duì)未來(lái)的預(yù)測(cè)。所以建立一套海洋信息的獲取、傳輸、處理和應(yīng)用體系對(duì)認(rèn)知海洋、開發(fā)和保護(hù)海洋是至關(guān)重要的。盡管我們?cè)诤Ｑ箢I(lǐng)域的各個(gè)方面都開展過(guò)研究和探索, 但已有研究和探索往往都是針對(duì)某一個(gè)區(qū)域、某一個(gè)過(guò)程、某一種現(xiàn)象開展的特定研究, 缺少真正意義上的系統(tǒng)研究, 所以建立一套系統(tǒng)的海洋綜合探索與研究體系是至關(guān)重要和十分必要的。中國(guó)科學(xué)院海洋先導(dǎo)專項(xiàng)的主要任務(wù)就是針對(duì)國(guó)家對(duì)海洋的需求, 瞄準(zhǔn)海洋領(lǐng)域國(guó)際前沿問(wèn)題, 建立海洋綜合探測(cè)與研究體系,從海洋系統(tǒng)的角度研究海洋的各種現(xiàn)象、發(fā)現(xiàn)規(guī)律、提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。能力建設(shè)是實(shí)現(xiàn)海洋先導(dǎo)專項(xiàng)科學(xué)目標(biāo)的前提和基礎(chǔ)。本文將重點(diǎn)介紹中國(guó)科學(xué)院海洋先導(dǎo)專項(xiàng)實(shí)施以來(lái)在近海與深遠(yuǎn)海觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)、深海綜合探測(cè)與研究平臺(tái)體系建設(shè)、海洋裝備研發(fā)等方面所取得的重要進(jìn)展, 以期為我國(guó)海洋綜合探測(cè)與研究能力的提升發(fā)揮“先導(dǎo)”作用。

1　海洋信息系統(tǒng)建設(shè)

人類社會(huì)正在進(jìn)入信息時(shí)代, 數(shù)據(jù)的獲取、傳輸、處理和應(yīng)用是信息技術(shù)發(fā)展的重要方向, 在海洋科學(xué)領(lǐng)域也是如此。我們對(duì)海洋的狀態(tài)、變動(dòng)缺乏了解, 一個(gè)非常關(guān)鍵的因素就是海洋信息的獲取能力太弱。盡管我們已經(jīng)建立了海洋觀測(cè)系統(tǒng), 但是與海洋可持續(xù)利用、防災(zāi)減災(zāi)、海洋環(huán)境安全和人類福祉的需求相比相差甚遠(yuǎn)。海洋科學(xué)具有大科學(xué)的特點(diǎn),涵蓋范圍極其廣泛, 從學(xué)科上來(lái)講包括物理、化學(xué)、生物和地質(zhì)等, 海洋領(lǐng)域的很多研究是跨學(xué)科的、需要多學(xué)科交叉研究才能進(jìn)行。從地域上我們可以將其劃分為近岸、近海、陸架、深海、大洋, 但是從根本上來(lái)說(shuō)海水是連在一起的, 各個(gè)部分之間是相互作用的, 同時(shí)我們還要充分考慮陸海相互作用、海氣相互作用、近海與大洋的相互作用、表層與深層相互作用以及人類活動(dòng)對(duì)海洋的影響等。基于此, 海洋先導(dǎo)專項(xiàng)從“海洋系統(tǒng)”角度進(jìn)行海洋觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè), 結(jié)合浮標(biāo)、潛標(biāo)、衛(wèi)星、滑翔器與科學(xué)考察船綜合斷面觀測(cè), 形成涵蓋海岸帶-近海-大洋-深海、針對(duì)整個(gè)海洋系統(tǒng)的全方位綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)。從另一方面來(lái)說(shuō), 海洋先導(dǎo)專項(xiàng)所進(jìn)行的海洋觀測(cè)又是針對(duì)相關(guān)科學(xué)問(wèn)題、在一些海洋環(huán)境敏感區(qū)域進(jìn)行的目的性很強(qiáng)的觀測(cè),這與業(yè)務(wù)化、網(wǎng)格式的觀測(cè)網(wǎng)是不同的。

1.1　近海海洋觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

基于浮標(biāo)-潛標(biāo)-科考船-衛(wèi)星的近海觀測(cè)研究網(wǎng)絡(luò), 致力于近海生態(tài)系統(tǒng)的長(zhǎng)期、連續(xù)、綜合觀測(cè)能力的建設(shè), 通過(guò)構(gòu)建長(zhǎng)期觀測(cè)數(shù)據(jù)中心, 服務(wù)于近海生態(tài)系統(tǒng)演變、近海生態(tài)災(zāi)害與生態(tài)安全、近海生態(tài)系統(tǒng)評(píng)估以及基于生態(tài)系統(tǒng)的海洋管理等不同方面的科學(xué)研究與管理需求。通過(guò)對(duì)黑潮的觀測(cè)與大洋觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)行銜接, 研究鄰近大洋變動(dòng)與近海生態(tài)環(huán)境變化之間的關(guān)系。近海觀測(cè)系統(tǒng)的建立是在已有的浮標(biāo)觀測(cè)、海洋生態(tài)站和科考船走航觀測(cè)的基礎(chǔ)上, 建立潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)、強(qiáng)化船基觀測(cè)、增加觀測(cè)頻率和觀測(cè)站位, 并搭建了近海潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng)和環(huán)渤海大氣、河流采樣系統(tǒng)。在黃東海典型海域和渤海海峽搭建起了潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng), 獲得了寶貴的連續(xù)觀測(cè)資料。結(jié)合浮標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)與渤、黃、東、南海多船聯(lián)動(dòng)綜合斷面調(diào)查, 形成了涵蓋海岸帶到近海的多學(xué)科綜合觀測(cè)系統(tǒng)(圖 1), 為海洋專項(xiàng)工作的順利實(shí)施奠定了重要基礎(chǔ)。在針對(duì)近海生態(tài)災(zāi)害的觀測(cè)方面, 針對(duì)關(guān)鍵區(qū)域通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查、衛(wèi)星遙感、無(wú)人機(jī)等綜合觀測(cè), 對(duì)綠潮等生態(tài)災(zāi)害的動(dòng)態(tài)發(fā)展情況進(jìn)行高頻跟蹤監(jiān)測(cè),及時(shí)掌握災(zāi)害發(fā)生海域的第一手資料, 準(zhǔn)確把握生態(tài)災(zāi)害發(fā)生態(tài)勢(shì)并作出有效預(yù)測(cè)。近海觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)健康、海洋生態(tài)災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、海洋生態(tài)系統(tǒng)承載力評(píng)估和近海資源環(huán)境可持續(xù)發(fā)展起到重要的支撐作用。近海觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)的重點(diǎn)區(qū)域是萊州灣、北黃海、黃海冷水團(tuán)、蘇北淺灘、長(zhǎng)江口和南海北部以及黑潮到陸架的分支區(qū)域。針對(duì)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題是海洋牧場(chǎng)建設(shè)、海洋生態(tài)系統(tǒng)承載力、海洋生態(tài)災(zāi)害和近海環(huán)境演變。

1.2　深遠(yuǎn)海觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)

在針對(duì)大洋全水深的觀測(cè)方面, 構(gòu)建國(guó)際最大規(guī)模西太潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng), 奠定我國(guó)在全世界對(duì)該海域觀測(cè)研究的核心地位, 填補(bǔ)了國(guó)際西太深層環(huán)流觀測(cè)網(wǎng)的空白。構(gòu)建了包含18套全水深潛標(biāo)的國(guó)際大規(guī)模西太平洋邊界流和赤道流系觀測(cè)網(wǎng), 獲取的水文定點(diǎn)長(zhǎng)期數(shù)據(jù)為西太環(huán)流三維結(jié)構(gòu)及其氣候效應(yīng)的研究提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù), 同時(shí)為環(huán)境安全保障、氣候模式驗(yàn)證和國(guó)家大洋觀測(cè)網(wǎng)示范提供了支撐作用。初步建成印度洋-南海-印尼關(guān)鍵海峽通道潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng),整個(gè)觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)由 19套潛標(biāo)系統(tǒng)組成: 印度洋觀測(cè)陣列6套, 印尼觀測(cè)陣列2套, 西沙觀測(cè)陣列6套、東沙觀測(cè)陣列 5套。二者結(jié)合, 形成西太-印尼-東印觀測(cè)網(wǎng)(圖 2)。

通過(guò)全水深深海潛標(biāo)和主流系潛標(biāo)中深層典型深度的單點(diǎn)海流計(jì)組成了深層環(huán)流潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)(圖3)。深層環(huán)流是海洋系統(tǒng)研究中不可忽略的一環(huán), 深層與上中層海洋之間物質(zhì)能量交換影響甚至決定長(zhǎng)期氣候變化、深海極端環(huán)境, 迄今國(guó)際上對(duì)其知之甚少, 理論和模式發(fā)展嚴(yán)重滯后, 通過(guò)深層環(huán)流潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)的數(shù)據(jù)將突破認(rèn)知局限。截止目前, 由海洋專項(xiàng)布放的深海實(shí)時(shí)傳輸潛標(biāo)觀測(cè)數(shù)據(jù)已成功連續(xù)實(shí)時(shí)回傳230余天, 包括上層 1000米的海水流速、流向和回聲強(qiáng)度等詳細(xì)數(shù)據(jù)信息, 創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)外有明確文獻(xiàn)記錄的實(shí)時(shí)獲取深海數(shù)據(jù)的最長(zhǎng)工作時(shí)間, 標(biāo)志著深海數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)化傳輸已經(jīng)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行階段。

與此同時(shí), 通過(guò)針對(duì)大洋生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)大斷面的部署, 將大洋與近海的觀測(cè)實(shí)現(xiàn)銜接, 通過(guò)基于科學(xué)考察船的深遠(yuǎn)海全水深綜合觀測(cè), 實(shí)現(xiàn)大洋上層與深海生態(tài)系統(tǒng)觀測(cè)的銜接, 充分體現(xiàn)“海洋系統(tǒng)”觀測(cè)的理念。

圖2　大洋觀測(cè)網(wǎng)Fig.2 The oceanic observation network

1.3　對(duì)近海生態(tài)系統(tǒng)演變與生態(tài)災(zāi)害研究發(fā)揮重要支撐作用

圖3　西太深海觀測(cè)網(wǎng)Fig.3 The western Pacific deep sea observation network

基于海洋觀測(cè)網(wǎng)的綜合觀測(cè), 深入揭示了黑潮對(duì)我國(guó)近海典型海域生態(tài)系統(tǒng)的影響及其關(guān)鍵過(guò)程,深化了對(duì)我國(guó)近海生態(tài)災(zāi)害成因與過(guò)程的科學(xué)認(rèn)識(shí)。通過(guò)對(duì)黑潮和我國(guó)近海環(huán)境的協(xié)同研究, 構(gòu)建的數(shù)值模式準(zhǔn)確模擬了黑潮分支對(duì)長(zhǎng)江口鄰近海域生態(tài)災(zāi)害多發(fā)區(qū)的影響, 表現(xiàn)出了目前其他模式所不具有的模擬能力(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所, 2016)。首次確證臺(tái)灣東北部黑潮入侵近岸底部(NKBC)分支是向東海近岸區(qū)物質(zhì)能量輸入的主要途徑, 發(fā)現(xiàn) NKBC存在多時(shí)空尺度變化。發(fā)現(xiàn)黑潮東海底層分支存在顯著的年際和季節(jié)變異(圖 4), 為進(jìn)一步分析其對(duì)黃、東海生態(tài)系統(tǒng)與生態(tài)災(zāi)害的影響奠定了基礎(chǔ)。基于觀測(cè)估算了黑潮向東海顆粒態(tài)生源要素的輸入通量及東海顆粒態(tài)氮磷的收支, 發(fā)現(xiàn)黑潮輸入東海的顆粒態(tài)氮、磷分別是河流輸入的 2.13和 0.37倍, 顆粒態(tài)氮磷的再礦化占初級(jí)生產(chǎn)產(chǎn)生顆粒態(tài)氮、磷的87.7%和60.1%, 且顆粒態(tài)磷較顆粒態(tài)氮更易在礦化過(guò)程中被優(yōu)先分解, 東海海域如此強(qiáng)烈的礦化再生對(duì)維持該海域的初級(jí)生產(chǎn)至關(guān)重要。圍繞近年來(lái)對(duì)我國(guó)近海有嚴(yán)重影響的生態(tài)災(zāi)害, 發(fā)現(xiàn)磷酸鹽的限制作用對(duì)東海硅藻赤潮具有顯著影響, 硝酸鹽對(duì)甲藻赤潮規(guī)模具有重要的調(diào)控作用。對(duì)比長(zhǎng)江徑流和黑潮水入侵,前者對(duì)硅藻赤潮影響更大, 而后者對(duì)甲藻赤潮具有重要調(diào)控作用。廣西防城港核電冷源取水海域的赤潮生物應(yīng)急處置, 保障了該核電站順利并網(wǎng)發(fā)電和安全運(yùn)行。在綠潮發(fā)生機(jī)理與防控方面, 通過(guò)全方位聯(lián)動(dòng)觀測(cè), 揭示了南黃海綠潮的來(lái)源與早期發(fā)展過(guò)程,提出了“提早打撈, 防控靠前”的綠潮應(yīng)對(duì)防控策略;在對(duì)綠潮形成機(jī)理認(rèn)知的基礎(chǔ)上, 提出了基于“滸苔微觀繁殖體數(shù)量”、“筏架滸苔生物量”和“淺灘區(qū)漂浮滸苔生物量”預(yù)測(cè)綠潮規(guī)模的思路, 并成功預(yù)測(cè) 2017年黃海綠潮發(fā)生趨勢(shì)。

圖4　黑潮東海底層分支年際變異示意圖Fig.4 Schematic diagram of the interannual variation of the East China Sea Bottom Branch of the Kuroshio

2　深海綜合探測(cè)與研究平臺(tái)

我國(guó)海洋戰(zhàn)略的一個(gè)重要方面是走向深海, 但是對(duì)于我國(guó)大部分的海洋研究團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō), 在深海研究領(lǐng)域長(zhǎng)期處于“望洋興嘆”的狀態(tài), 因?yàn)槿狈ι詈Ｌ綔y(cè)與研究的必要手段與裝備。在深海研究中, 我們的首要任務(wù)是獲取海底地形圖, 否則我們無(wú)法開展海山、熱液、冷泉和海底平原的探測(cè), 海底地形圖能夠?yàn)槲覀兲峁┖芏嗟男畔? 沒(méi)有這些信息我們對(duì)一些研究就無(wú)法開展。例如對(duì)于熱液噴口和冷泉口的尋找、對(duì)海山的探測(cè)等, 這方面的信息本來(lái)就少, 加上在軍事方面的敏感性, 要獲得已有的資料非常困難,只能基于深海探測(cè)獲得。

2.1　深海綜合探測(cè)與研究平臺(tái)建設(shè)

海洋專項(xiàng)通過(guò)自主研發(fā)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和突破核心技術(shù), 形成系統(tǒng)級(jí)解決方案, 高效運(yùn)行國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“科學(xué)”號(hào)海洋綜合考察船, 集成 4500米水下纜控潛器(ROV)等多套先進(jìn)儀器設(shè)備, 構(gòu)建了國(guó)際最先進(jìn)的深海環(huán)境綜合探測(cè)研究平臺(tái), 顯著提高了我國(guó)深海探測(cè)與研究能力, 引領(lǐng)了國(guó)內(nèi)深海科學(xué)與技術(shù)融合。基于該平臺(tái), 首次成功實(shí)施我國(guó)在沖繩海槽熱液活動(dòng)區(qū)綜合探測(cè), 對(duì)雅浦海山區(qū)和馬努斯海盆熱液系統(tǒng)開展深海環(huán)境綜合調(diào)查, 獲得了高分辨率海底地形圖和海底影像資料及大量生物和地質(zhì)樣品,組建了一支優(yōu)秀的深海探測(cè)技術(shù)隊(duì)伍。Nature雜志兩次報(bào)道認(rèn)為“中國(guó)已經(jīng)完全具備開展深海研究能力”,獲得國(guó)際學(xué)術(shù)界廣泛關(guān)注。

截止目前, 基于“科學(xué)”號(hào)的深海探測(cè)與研究平臺(tái)海上工作超過(guò)900天, 航行125657海里, 回收布放深海潛標(biāo)73套次, “發(fā)現(xiàn)”號(hào)ROV下潛126次, 獲取冷泉-熱液-海山等深海極端環(huán)境調(diào)查數(shù)據(jù)已逾 5.2Tb,深海地質(zhì)樣品3余噸, 大型生物樣品3000余號(hào), 綜合調(diào)查站位已逾450個(gè)。基于深海綜合探測(cè)平臺(tái)已觀測(cè)的主要區(qū)域如圖5所示。在國(guó)際上率先開展熱液噴口流體溫度梯度原位探測(cè), 在馬努斯熱液區(qū)探明 20余個(gè)熱液噴口(最高溫度 344°C), 使用自主研發(fā)的深海熱液噴口流體溫度梯度儀和拉曼光譜儀獲得了熱液噴口周圍的溫度梯度分布和物質(zhì)組成數(shù)據(jù)。

2.2　深海取樣、原位探測(cè)與試驗(yàn)技術(shù)

深海技術(shù)從盲取到精準(zhǔn)至保真。2013年及以前,中國(guó)科學(xué)院深海取樣停留在國(guó)際上20世紀(jì)80年代水平, 落后國(guó)際 30年。2014年, 使用自研設(shè)備進(jìn)行可視化可控沉積物精準(zhǔn)取樣和現(xiàn)場(chǎng)處理。2014—2015年, 基于“科學(xué)”號(hào)和“發(fā)現(xiàn)”號(hào) ROV, 在南海冷泉、沖繩海槽熱液區(qū)、雅浦海山、馬努斯熱液區(qū)可視化精確采集到大量生物和地質(zhì)樣品。2015年, 在馬努斯熱液區(qū)首次實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)熱液噴口流體樣品的保壓取樣, 并在南海冷泉區(qū)首次實(shí)現(xiàn)冷泉噴口流體收集和保壓取樣(圖 6)。2016年 9月, 轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)取樣方式, 實(shí)現(xiàn)冷泉水合物原位合成、長(zhǎng)期存儲(chǔ)、保真回收。

自主研發(fā)深海原位探測(cè)技術(shù)。在國(guó)際上率先開展了高溫?zé)嵋毫黧w的原位拉曼光譜探測(cè)(圖 7), 在南海冷泉-馬努斯熱液航次, 完成了深海原位激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)在馬努斯海盆熱液區(qū)的海上測(cè)試, 測(cè)試海域深度接近2000米, 熱液噴口溫度高達(dá)344°C, 系統(tǒng)整體工作穩(wěn)定, 設(shè)計(jì)的熱液噴口原位探針工作正常穩(wěn)定, 數(shù)據(jù)獲得可靠高效。

2017年9月, 通過(guò)“發(fā)現(xiàn)”號(hào)無(wú)人潛水器攜帶的深海激光拉曼光譜探針, 在我國(guó)南海約 1100米的深海海底, 探測(cè)到兩個(gè)站點(diǎn)存在裸露在海底的天然氣水合物, 這也是科學(xué)家在我國(guó)南海海域首次發(fā)現(xiàn)裸露在海底的“可燃冰”(圖8)。

深海海底原位試驗(yàn)及深海大型生物的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)。把實(shí)驗(yàn)室搬到海底, 進(jìn)行深海的原位試驗(yàn), 開辟新的研究方向(圖9)。在南海冷泉的甲烷滲漏區(qū)域, 原位合成天然氣水合物, 并在海底進(jìn)行長(zhǎng)期原位存儲(chǔ)和物質(zhì)交換試驗(yàn)。布放一年之后, 進(jìn)行水合物結(jié)構(gòu)和成分現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。首次在國(guó)內(nèi) 1800—2000米的熱液區(qū)開展深海大型生物的原位培養(yǎng)、環(huán)境脅迫、深海生物的水族培養(yǎng)等試驗(yàn)。在馬努斯海盆1700米的深海熱液區(qū), 獲得大量的生物樣品, 主要包括貽貝、管蟲、阿爾文蝦、螺、潛凱蝦、藤壺、小螺等, 實(shí)現(xiàn)了深海熱液大型生物的實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng), 成為繼日本和德國(guó)之后, 第三個(gè)可以在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行深海熱液大型生物培養(yǎng)的國(guó)家, 并且打破了傳統(tǒng)認(rèn)為超過(guò) 1500米的深海大型生物不可培養(yǎng)的觀點(diǎn)。

2.3　極大提升深海地形探測(cè)能力

圖5　海洋專項(xiàng)基于深海綜合探測(cè)平臺(tái)已開展的主要研究區(qū)域Fig.5 The main research area of Project WPOS (Western Pacific Ocean System: Structure, Dynamics and Consequences) based on the deep sea integrated detection platform

圖6　深海可視化精準(zhǔn)取樣技術(shù)Fig.6 Deep sea visualized precision sampling technique

圖7　使用深海原位激光拉曼光譜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)黑煙囪(280°C)噴出流體開展原位探測(cè)Fig.7 The use of deep-sea in situ laser Raman spectrum detection system for a black chimney (280°C)

圖8　深海激光拉曼光譜探針探測(cè)到裸露在海底的“可燃冰”Fig.8 The gas hydrate outcrop on the seabed detected by the deep-sea laser Raman spectroscopy probe

圖9　深海貽貝的原位培養(yǎng)研究Fig.9 Study on the in situ culture of mussel in deep-sea bottom

基于深海綜合探測(cè)與研究平臺(tái), 深海地形探測(cè)實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有至精的跨越式發(fā)展, 中國(guó)科學(xué)院在2013年及以前深海地形探測(cè)能力空白, 2014年完成國(guó)內(nèi)首個(gè)沖繩海槽熱液區(qū) 50×50公里船載全海深多波束地形探測(cè), 2015年獲得了馬努斯海盆熱液區(qū)域1米分辨率的高精度深海地形圖(圖10), 目前地形探測(cè)精度已由亞米分辨率進(jìn)一步提高到厘米分辨率, 可獲得熱帶西太平洋迄今最精密的海底三維地質(zhì)和地球物理系列圖(圖 11), 同時(shí)拼接水下高清圖像, 技術(shù)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

圖10　馬努斯熱液區(qū)深海高分辨地形圖Fig.10 The high-resolution topographic map of Manus deep sea hydrothermal area

圖11　深海高分辨影像Fig.11 Deep-sea high-resolution image

2.4　實(shí)現(xiàn)深遠(yuǎn)海環(huán)境和生物多樣性新認(rèn)知

基于深海綜合探測(cè)平臺(tái), 顯著提升對(duì)熱帶西太平洋深海生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)的新認(rèn)知。截止2016年底, 已發(fā)現(xiàn)深海大型生物1新科、3新屬、23個(gè)新種, 其中在甲殼動(dòng)物圍胸總目鎧茗荷目 Scalpelliforms中新建1新科: 原深茗荷科Probathylepadidae Ren &Sha, 2015, 這是在甲殼動(dòng)物圍胸類中首次以中國(guó)人發(fā)現(xiàn)并定名的科級(jí)分類單元(中國(guó)科學(xué)院海洋研究所,2016)。其中在沖繩海槽熱液區(qū), 發(fā)現(xiàn)大型生物1新科1新屬6新種, 包括甲殼動(dòng)物1新科、1新屬、3新種。在卡羅琳海山-雅浦海溝區(qū), 發(fā)現(xiàn)大型生物 1新屬 7新種, 其中海綿1新屬2新種:cf. Sericolophus n.g.,n.sp., 906米;Pseudoplectellan. sp., 1113米。海葵3新種, 甲殼動(dòng)物2新種。在2017年8月探測(cè)的卡羅琳海山區(qū), 獲取巨型和大型底棲生物樣品近400個(gè), 涉及柳珊瑚、海葵、海綿、海膽、海星、蛇尾、甲殼動(dòng)物和軟體動(dòng)物等170多種生物(圖12), 包括許多未知的新物種, 有待于進(jìn)一步的分析研究。從海山區(qū)分離培養(yǎng)海洋細(xì)菌2300多株, 發(fā)現(xiàn)疑似新物種23個(gè)。除深海生物多樣性的新認(rèn)知外, 在深海化能合成生態(tài)系統(tǒng)生物環(huán)境適應(yīng)機(jī)制、海山生態(tài)系統(tǒng)假說(shuō)的提出與驗(yàn)證等發(fā)面亦取得重要進(jìn)展, 揭示了沖繩海槽熱液區(qū)微生物適應(yīng)環(huán)境相關(guān)的功能基因和代謝通路, 并初步揭示了深海微生物適應(yīng)低溫環(huán)境的機(jī)制。

圖12　海山生物多樣性Fig.12 Marine biodiversity of Caroline seamount

綜上所述, 海洋專項(xiàng)通過(guò)深海探測(cè)與研究平臺(tái)的建設(shè), 在國(guó)內(nèi)首次建立了宏觀與微觀、走航與定點(diǎn)、梯度與原位相結(jié)合的深遠(yuǎn)海環(huán)境探測(cè)技術(shù)體系,突破了 10000米深海定點(diǎn)探測(cè)、6000米深海探測(cè)與采樣、4500米深海精準(zhǔn)探測(cè)與取樣、1000米水體剖面走航探測(cè)、深海30米長(zhǎng)沉積物取芯和20米長(zhǎng)巖石取芯等關(guān)鍵技術(shù)(李超倫等, 2016)。具備立體同步精準(zhǔn)開展深海地形地貌、海底環(huán)境、水體環(huán)境的綜合探測(cè)和樣品采集的能力, 深海近海底地形探測(cè)分辨率達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先的厘米級(jí), 實(shí)現(xiàn)“室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)→海洋移動(dòng)實(shí)驗(yàn)室→深海原位實(shí)驗(yàn)室”的跨越, 在深海理化環(huán)境原位探測(cè)、生物多樣性和特殊生命過(guò)程、板塊構(gòu)造和地質(zhì)過(guò)程等領(lǐng)域取得新認(rèn)知和創(chuàng)新突破, 奠定了我國(guó)在深海大洋研究的國(guó)際地位。實(shí)現(xiàn)了深海探測(cè)“下得去, 看得清, 采得上, 測(cè)得準(zhǔn), 功能全, 用得起”的目標(biāo), 顯著提高了我國(guó)深遠(yuǎn)海探測(cè)與研究能力。

3　海洋探測(cè)設(shè)備研發(fā)

海洋探測(cè)裝備的研發(fā), 不僅僅是經(jīng)費(fèi)的問(wèn)題, 而是必須突破一些探測(cè)設(shè)備進(jìn)口受到限制的瓶頸。我國(guó)在海洋領(lǐng)域已經(jīng)和正在部署很多研究計(jì)劃和設(shè)備研發(fā)計(jì)劃, 涉及到深海探測(cè)、海洋資源開發(fā)利用、海洋環(huán)境安全等各個(gè)方面, 當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)是如何發(fā)揮綜合優(yōu)勢(shì), 體現(xiàn)“先導(dǎo)”作用, 為解決和科學(xué)分析海洋科學(xué)問(wèn)題及海洋現(xiàn)象提供技術(shù)手段, 形成自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的裝備, 推動(dòng)我國(guó)深海探測(cè)與作業(yè)技術(shù)的發(fā)展。海洋專項(xiàng)面向當(dāng)前的科學(xué)需求, 重點(diǎn)開展了三類海洋技術(shù)裝備的研制與應(yīng)用工作(李碩等, 2016)。其中自主式觀測(cè)系統(tǒng)技術(shù)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先, 解決了專項(xiàng)對(duì)敏感水域觀測(cè)技術(shù)的瓶頸問(wèn)題。

3.1　水下滑翔自主觀測(cè)系統(tǒng)

水下滑翔自主觀測(cè)系統(tǒng)率先創(chuàng)造了我國(guó)深海滑翔機(jī)海上作業(yè)航程最遠(yuǎn)、作業(yè)時(shí)間最長(zhǎng)的新紀(jì)錄(圖13)。在提高單臺(tái)套水下滑翔機(jī)可靠性的基礎(chǔ)上, 重點(diǎn)提升多滑翔機(jī)自主觀測(cè)能力、數(shù)據(jù)處理和無(wú)人值守能力, 便于現(xiàn)場(chǎng)操作使用。海洋專項(xiàng)已完成 6套水下滑翔機(jī)系統(tǒng)研制和技術(shù)升級(jí), 全面提升了系統(tǒng)的可靠性, 開展了多次海上試驗(yàn)和試用工作。三臺(tái)“海翼”水下滑翔機(jī)在西北太平洋強(qiáng)流區(qū)海域成功完成高精度觀測(cè)應(yīng)用, 累計(jì)海上工作 49天, 累計(jì)觀測(cè)路徑航程1337公里, 獲得了343個(gè)垂直剖面多參數(shù)觀測(cè)數(shù)據(jù)。

圖13　長(zhǎng)航程試驗(yàn)水下滑翔機(jī)及航行軌跡圖Fig.13 Long-range test of underwater glider and the navigation tracks

3.2　長(zhǎng)期定點(diǎn)剖面觀測(cè)型自主水下機(jī)器人(AUV)系統(tǒng)

長(zhǎng)期定點(diǎn)剖面觀測(cè)型AUV系統(tǒng)(探索1000 AUV)是我國(guó)首型自航式長(zhǎng)期定點(diǎn)垂直剖面連續(xù)觀測(cè)系統(tǒng)(圖 14), 針對(duì)敏感海域長(zhǎng)期定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)的需求, 利用自主水下機(jī)器人和水下滑翔機(jī)技術(shù), 經(jīng)過(guò)多年的技術(shù)攻關(guān)和試驗(yàn)驗(yàn)證, 突破了雙向高精度浮力調(diào)節(jié)、超低功耗控制系統(tǒng)研制、最優(yōu)航行控制以及系統(tǒng)整機(jī)可靠性設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)(李碩等, 2016)。在千島湖的湖上試驗(yàn)中, 驗(yàn)證了主要關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。湖上試驗(yàn)證明設(shè)計(jì)合理, 實(shí)現(xiàn)了自航與潛浮的控制功能, 實(shí)現(xiàn)了零攻角自主航行, 有效降低了系統(tǒng)功耗。通過(guò)長(zhǎng)航程模擬測(cè)試, 可以達(dá)到為期30天的海上連續(xù)觀測(cè)需求。目前探索1000 AUV已完成海上連續(xù)工作7天, 航程達(dá)到517公里, 連續(xù)完成43個(gè)潛浮剖面觀測(cè), 最大工作水深超過(guò)800米, 創(chuàng)造了我國(guó)AUV水下連續(xù)工作時(shí)間最長(zhǎng)新記錄, 達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

3.3　深海熱液探測(cè)AUV系統(tǒng)

深海熱液探測(cè)AUV系統(tǒng)(探索4500 AUV)采用國(guó)內(nèi)最先進(jìn) AUV技術(shù)與海洋科學(xué)觀測(cè)需求緊密結(jié)合,實(shí)現(xiàn)大深度海底地形地貌大范圍精細(xì)聲光探測(cè)(圖15)。在前期工作的基礎(chǔ)上, 重點(diǎn)突破復(fù)雜海底地形環(huán)境條件下的環(huán)境自適應(yīng)技術(shù)和尋找深海熱液噴口的自主探測(cè)方法, 提高系統(tǒng)的可靠性和安全性, 達(dá)到實(shí)用化程度, 充分提高大范圍精細(xì)探測(cè)效率。目前探索4500 AUV已在南海進(jìn)行了8次下潛作業(yè), 獲取了大面積冷泉區(qū)精細(xì)地形地貌圖和數(shù)千張海底高清影像照片(圖 16, 17)。

圖14　長(zhǎng)期定點(diǎn)剖面觀測(cè)型AUV系統(tǒng)湖試現(xiàn)場(chǎng)Fig.14 A lake trial of long-term profile observation by an AUV system

圖15　探索4500 AUV全貌Fig.15 The full view of the Exploration 4500 AUV

圖16　探索4500 AUV于2017年7月探測(cè)的南海冷泉區(qū)精細(xì)地形地貌圖Fig.16 The fine topography map of the South China Sea cold seep detected by the Exploration 4500 AUV in July, 2017

3.4　深海科考型ROV系統(tǒng)

深海科考型ROV系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)第一臺(tái)自主研發(fā)的6000米深海科考型電動(dòng)ROV系統(tǒng)(圖18)。該系統(tǒng)重點(diǎn)突破大深度、長(zhǎng)距離動(dòng)力傳輸技術(shù)以及潛水器的收放技術(shù)。圍繞海洋專項(xiàng)的科學(xué)需求, 設(shè)計(jì)開放標(biāo)準(zhǔn)電氣接口適于搭載多種科學(xué)載荷和作業(yè)工具; 加裝浮力調(diào)節(jié)功能, 減少水下推進(jìn)系統(tǒng)對(duì)水下觀測(cè)環(huán)境的擾動(dòng); 通過(guò)水下升降運(yùn)載平臺(tái), 提高 ROV系統(tǒng)海底采樣能力。體積小、重量輕的ROV系統(tǒng)與深海熱液探測(cè) AUV系統(tǒng)可以同時(shí)搭載在“科學(xué)”號(hào)考察船上,構(gòu)建我國(guó)深海科學(xué)探測(cè)與作業(yè)體系, 進(jìn)一步提升“科學(xué)”船深海科考作業(yè)能力。

圖18　深海科考型ROV系統(tǒng)Fig.18 The ROV system designed for deep-sea scientific research

4　結(jié)語(yǔ)

在海洋探測(cè)中, 只有確切知道現(xiàn)在, 才可能有效預(yù)測(cè)未來(lái)。海洋觀測(cè)系統(tǒng)建立的目的就是要掌握現(xiàn)在,探明對(duì)海洋變化至關(guān)重要的關(guān)鍵因子(essential ocean variables, EOVs)。通過(guò)科學(xué)目標(biāo)與技術(shù)研發(fā)的有機(jī)結(jié)合、國(guó)家海洋戰(zhàn)略目標(biāo)與基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展的有機(jī)結(jié)合、海洋科學(xué)與經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展有機(jī)結(jié)合的實(shí)踐, 海洋先導(dǎo)專項(xiàng)全面提升了我國(guó)海洋綜合探測(cè)與研究的能力,為深入認(rèn)知、預(yù)測(cè)、預(yù)警預(yù)報(bào)、綜合管控、開發(fā)和保護(hù)海洋奠定了基礎(chǔ), 推動(dòng)我國(guó)海洋科技向縱深發(fā)展,從陸架邊緣海走向廣袤的深海大洋, 從中國(guó)近海所面臨的資源環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題到探索全球海洋運(yùn)作機(jī)制與未來(lái)海洋發(fā)展戰(zhàn)略。

中國(guó)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(guó)科學(xué)院院刊, 31(增刊): 74—79

李碩, 唐元貴, 黃琰等, 2016. 深海技術(shù)裝備研制現(xiàn)狀與展望.中國(guó)科學(xué)院院刊, 31(12): 1316—1325

李超倫, 李富超, 2016. 深海極端環(huán)境與生命過(guò)程研究現(xiàn)狀與對(duì)策. 中國(guó)科學(xué)院院刊, 31 (12): 1302—1307