柴扉：把脈海洋 預測未來

本刊記者 褚 焱

柴扉：把脈海洋 預測未來

本刊記者 褚 焱

孕育地球生命的海洋，正因人類的活動而發生著改變。

近年來，赤潮、綠潮、極端缺氧等有害生態現象頻繁出現在我國近海。海洋生態環境的破壞，已為人類敲響警鐘。而生態環境的任何改變，都極有可能導致海洋生態系統、生物多樣性、漁業資源的變化，進而影響人類社會的可持續發展。

柴扉現任國家海洋局第二研究所衛星海洋環境動力學國家重點實驗室主任，20余年來一直從事著物理—生物地球化學模型的研究工作，并在海洋生態環境模擬與預測、生態環境演變機制和碳循環等方面做出了國際一流的成果和突出的貢獻。

他說：“我們迫切需要減少科學上的不確定性，摸清和掌握整個生態系統、尤其是地球上最大的碳庫——海洋的碳收支清單，以及海洋酸化對海洋生態系統的影響。”

聚焦海洋生態環境

上世紀80年代，柴扉就讀于中國海洋大學（原山東海洋學院）物理海洋學專業，開啟了一段海洋探索之旅，從此再也沒有離開過。

他的研究內容包括許多：營養鹽在海洋中的輸送，對初級生產力和碳循環的影響；鐵對全球生產力和碳循環的影響；人類活動對全球氣候和邊緣海環境的影響；海洋生態系統預測……總的來說，弄清海洋如何調控全球碳循環以及海洋生態環境的演變機制是他關注的兩大研究方向。

他告訴記者，由于人類過度使用化石燃料，大量的二氧化碳被釋放到整個地球系統中，其中26%的二氧化碳被海洋吸收，44%的二氧化碳停在了大氣當中。日積月累，如今大氣中的二氧化碳濃度超過400PPM，這是過去一百萬年以來從未出現過的現象。

“這個濃度，依照目前的趨勢，還會繼續增長。而且二氧化碳作為溫室氣體，肯定會造成全球變暖。如今全球變暖的溫度已經超過了1.2℃，而2015年是0.9℃。過多的熱量集中到海洋里面，這是否會導致海洋吸收二氧化碳的能力改變，這一切還有很多未知和不確定。”

柴扉坦言，海洋碳循環是全球碳循環的重要組成部分，但人類目前對其了解甚少，更是難以預測未來的變化趨勢。如果海洋吸收二氧化碳的能力降低，將會導致更多的二氧化碳停留在大氣當中，加重溫室效應。因此，利用物理和生物化學模型及觀測資料、弄清海洋吸收二氧化碳能力的控制因子，是他和許多科學家致力要解決的問題。

另一方面，全球變暖導致了氣候環境的變化，不僅使得海水溫度升高，還將伴隨海水酸化。而海洋生態環境作為有機的統一體，任何海域某一要素的變化，都有可能對鄰近海域或者其他要素產生直接或間接的影響和作用。

更為嚴重的是，人類的某些活動也在影響著海洋生態環境。例如，過度捕撈魚類，使得海洋中的漁業資源急速下降，導致海洋生態結構的改變；過多使用化肥，導致海水富營養化，產生一系列生態災害性事件，包括赤潮的發生。

生物依賴環境，環境影響生物的生存和繁衍。當占據地球表面積71%的海洋生態環境遭受破壞，尤其是可能帶來我們不可預知的后果時，弄清海洋生態系統的演變機理及其預測就變得格外重要，這也一直是國際海洋科學的重大前沿問題。

“海洋生態系統的演變包含了非常復雜的物理與生物化學過程，一方面，生態系統的結構、功能及時空演變受物理、化學和生物過程的控制；另一方面，生態系統變化也會影響碳循環及全球氣候變化等物理、化學過程。”

面對如此復雜的系統，柴扉首先建立了生物化學系統模型（簡稱“CoSiNE”），該模型描述了多種浮游植物和浮游動物受環境因素（如溫度、光、流場等）以及各種營養鹽（如氮、磷、硅和鐵等）的影響，以及海洋中的碳循環。

通過將該模式與區域動力學模型（簡稱“ROMS”）耦合，他建立了ROMS-CoSiNE耦合模式。該耦合模式已被成功用來研究北太平洋初級生產力的年代際變化，赤道太平洋海域營養鹽的時空變化，鐵元素以及硅元素在高營養鹽低葉綠素海域對浮游植物以及整個生態系統的影響，以及中國南海初級生產力受環境因素的影響等。

緊接著，他又將ROMS-CoSiNE同漁業模式耦合，來分析以及預報漁業資源（如金槍魚和鳀魚）的種群和數量分布，以及溫度和初級生產力對魚類分布及生長過程的影響。

這些模型的建立和完善，為研究和預測海洋生物動力學演變過程提供了關鍵手段和方法。目前，他已成功將該些模型應用于中國近海，揭示了氣候變化對太平洋及邊緣海碳循環的影響過程，并量化了邊緣海碳的過程和收支平衡的變化規律。

雖然取得了一些成果，但在柴扉看來，他還有很長的路要走。每當談起海洋生態環境變化趨勢，他的心情總是沉重的。“在人類活動和全球變化雙重壓力影響下，我國近海生態環境持續惡化，生態環境安全和海洋經濟可持續發展受到嚴重威脅。我們亟需從科學的角度闡明我國近海生態環境變化的核心機制，并發展物理—生態耦合數值預報技術，提升我國海洋環境安全保障能力。”

為此，2016年，由他負責的國家重點研發計劃“海洋環境安全保障”重點專項——中國近海與太平洋高分辨率生態環境數值預報系統已經開始啟動。該項目擬針對我國近海與鄰近太平洋，建立能融合多源觀測的高分辨率物理—生態耦合模式，自主研發海洋生態環境業務化數值預報系統。

“通過項目研究，我們不僅能了解和認識生態環境變化的規律，更重要的一點是為中國近海的經濟發展提供一些科學的建議。”柴扉總結道。

走進學科交叉

多年來，柴扉一直圍繞著學科交叉探索海洋的秘密。在他看來，多學科的交叉背景能使自己更加宏觀、多角度地看待復雜的海洋生態系統。而當初使他走上這條交叉研究之路的，則是一次偶然的相遇。

在普林斯頓大學攻讀碩士期間，柴扉得到了杜克大學Richard T. Barber教授的賞識，并鼓勵他畢業后到杜克大學跟隨他從事生物海洋學研究。而在此之前的10余年，柴扉一直從事著海洋動力學方面的研究，并打下了良好的基礎。在碩士畢業之際，他選擇了到杜克大學嘗試新的研究方向——生物海洋學。

轉向一個新的研究方向，對他來說是一次大膽的嘗試。不過，仔細權衡之下，他還是愿意抓住這個機會。畢竟，到新的研究領域闖蕩一番，也是他的興趣所在。而長期以來積累的數理基礎，讓他在生物海洋學開辟了另一片天地——除了做海洋現場觀測，他還可以將一些收集的數據量化起來。

博士畢業后，他很自然地選擇了美國緬因大學。事實上，在杜克大學攻讀博士期間，他就成為了美國緬因大學海洋系的研究助理教授。20多年來，盡管其他單位對他提出不少邀請，他仍然不為所動，從未離開。2012年，他開始擔任該校海洋學院的院長。

相對來說，緬因大學海洋學院的學科比較綜合，涉及海洋生物、海洋政策管理、漁業資源等各個不同的方向。在美國所有大學中，緬因大學的海洋本科教育排在全國前列，海洋科學研究也在全國25名以內。

“美國緬因大學比較小，但這也正是它的特色所在。大家都很團結，相處和睦，而且更有利于學科交叉。”他告訴記者，整個學校，特別是同一個學院的人會有更多的機會在一起交流，雖然大家做不同的方向，但是很有可能相互啟發，做一些交叉性的項目。在做院長期間，柴扉更是體會到學科交叉的重要性。“我知道同事發表了什么文章，做了什么項目，通過了解他們的研究內容，讓我能從一個比較宏觀、多學科的角度來更好地認識海洋。”

在美國期間，他先后主持和參加了美國國家科學基金委、美國國家航空航天局和美國國家海洋與大氣總署25項研究項目，曾經被聘為美國、中國等多家基金委和重大項目評審專家。在國際著名學術刊物上發表論文和專著120余篇，其中在Science上發表論文2篇。論文已被引用4400余次。

致力交流合作

當記者問及取得這些成果背后的秘訣是什么時，他笑著說：“學科交叉是一個很重要的方面。我們的項目涉及物理海洋、生物海洋以及生態動力學，我們的觀察資料也來自多個方面，如衛星遙感、歷史和現場的觀測資料，它們可以驗證和改進我們建立的數值模型。而一旦有了數值模型，就像天氣預報一樣，我們可以做不同時間尺度的海洋環境要素預測。”

相比之下，柴扉覺得在交叉研究方面，我國海洋學發展空間還很大，尤其是在從宏觀角度把握整個海洋學的研究。“近年來，中國對整個海洋科學研究的投入幾乎呈指數級增長。可以說，我國迎來了一個很好的海洋研究時代，但同時也存在一些問題。比如在資助方面的布局，不需要都集中于深海和大洋的探測，近岸的環境也有許多問題需要我們去考慮。”在他看來，整個海洋觀測系統也需要將物理、生物、化學、氣候、氣象等方面結合起來，而不是只關注某一個方面。此外，缺乏多方面人才的交流和資料信息共享也是阻礙中國海洋發展的一個很大的瓶頸。

為了改變這一局面，柴扉打算從項目開始做起，通過項目攻關，組建起一個注重多學科交叉的團隊，培養一批具有新思維的海洋學家以及未來海洋界的領軍人物。他說：“中國需要跨學科的思考方法和跨學科人才的培養。”

布局新的藍圖

目前，我國科技部僅有5個海洋類國家重點實驗室，分別在浙江、上海、福建和廣東。衛星海洋環境動力學國家重點實驗室是浙江唯一一個海洋類國家重點實驗室。2016年3月，柴扉正式就任該實驗室新一屆主任。他說：“我的任務就是讓實驗室的3個大方向有更好的交叉與交流。”

衛星海洋環境動力學國家重點實驗室于2006年7月由科技部批準建設，2009年12月通過驗收。實驗室是在國家海洋局海洋動力過程與衛星海洋學重點實驗室的基礎上重新組建，聚集了國家海洋局第二海洋研究所在物理海洋、海洋遙感和海洋生態環境等傳統優勢學科的優秀人才。

閑暇游湖

該實驗室有3個主要研究方向：海洋衛星遙感技術與應用、海洋動力過程與生態環境、大洋環流與氣候變化；同時設有4大公共支撐平臺，即衛星地面站、Argo數據中心、海洋調查設備部和數值計算中心。

柴扉告訴記者，該實驗室以衛星海洋學、海洋環流動力學和近海環境關鍵過程為重點研究內容，以國家海洋環境安全和海洋生態系統產出與服務中的重大需求為牽引，以衛星遙感和Argo浮標等海洋觀測新技術為重要手段，開展多學科交叉與整合研究，重點解決在中國近海及鄰近洋區中所面臨的海洋環境科學問題。

為了更好地促進不同方向之間的交叉，柴扉首先從團隊文化建設著手。他認為，“一個和諧的文化氛圍能夠讓每一個人都能感受到溫暖，形成一種歸屬感，同時也促進大家相互交流”。在硬件設施方面，柴扉特意打造了一個溫馨的公共空間，團隊活動的許多照片也被貼到了墻上。在這里，大家可以隨意喝茶、聊天。“平時大家都很忙，但是我希望在吃午飯的時候，大家可以坐下來聊一聊，而不是在電腦桌上吃。當然，主要還是讓大家有這個意識。一般我在研究所里，也會經常來這泡杯咖啡或茶，看誰在這里就找誰聊天。”

提升實驗室的學術氣氛也是柴扉的期望之一。他說：“一個好的學術氣氛能夠讓大家主動去了解新的東西，比如今天有一個講座，雖然和你做的不是直接相關的，但是你要看它是不是帶來新的信息，要考慮人家是如何做的。”

一直以來，實驗室都比較注重國際交流與合作。這在柴扉看來，是一個很好的傳統。不同學科背景的人“碰撞”在一起，才能擦出更多的火花。目前，實驗室通過訪問學者、開放課題、星火系列學術論壇等多種平臺，讓國內外知名科學家和青年學者來實驗室訪問和交流，并開展實質性的合作研究工作。

此外，他們每年還通過暑期夏令營、海洋開放日、科技活動周等多種形式，面向社會公眾和高校學生開放，傳播海洋科學知識，吸引學生來實驗室繼續深造。實驗室還多次舉辦國內外學術會議和培訓班，提升其國內外影響力。

在實驗室團隊建設方面，柴扉也十分注重人員組成的多樣性。他認為，組建任何團隊首先要以人為本，要讓每一個團隊成員感受到自己的價值，然后給他們創造一個平等交流的環境，沒有高低之分，讓他們的思維相互碰撞，產生出其不意的想法。

“我正在有意識地發展團隊。比如，一個小團隊是3到5人，過一段時間，我會讓他們重新組隊，再去研究其他的問題。每一個團隊里的學術交流都是平等，可能有時候我也會錯，我希望他們能夠挑戰我。”

在繁忙的工作之余，柴扉會找一個安靜的地方“發幾天呆”。過去，他常常去的地方是緬因州一個未經開發的湖邊。他說，那里仿佛與世隔絕一般，沒有手機信號、沒有網絡、沒有電視，也沒有電話。他會去湖邊釣魚，然后做一頓大餐。晚上睡覺的時候，他習慣想想過去發生的一些事情，并為今后的事情做打算。

為了將更多的時間放在重點實驗室上，柴扉去年辭掉了美國緬因大學海洋研究院院長的職位。在接下來的2～3年里，他將花大部分時間在國內重點實驗室。他說，等自己將緬因大學剩下的工作做完之后，他便要全身心投入進去。

從事海洋科學研究，柴扉仿佛走上了一條“不歸路”。只要海洋生態環境的問題沒有得到解決，他就不能停止腳步。“到2050年，中國近海的生態環境將發生怎樣的變化？整個生物的生產力是高了還是低了？溶解氧是多還是少？海洋的酸化有多嚴重……”這些都是他將要用畢生所學去回答的問題。