關于美國觀測技術創新和應用的借鑒和思考

朱曉陽 王項南 路寬 高艷波 霍建玲 王花梅 石建軍 劉松堂

摘要：海洋觀測技術是有效管理海洋事務、行使國家主權的重要手段。海洋觀測技術的自主與可控對我國具有十分重要的意義。創新與應用是實現海洋觀測技術自主與可控的核心，海洋觀測網是實現海洋觀測技術創新與應用的載體。文章梳理美國三大觀測網（全球海洋觀測系統、綜合海洋觀測系統和海洋觀測倡議）的發展歷史，提出政府在以觀測網為代表的海洋觀測技術發展的組織、實施和管理方面發揮主導作用;根據我國海洋觀測的現狀，借鑒美國海洋觀測網的發展經驗，對我國基于創新與應用的海洋觀測網的組織、實施、管理和發展提出建議。

關鍵詞：海洋觀測技術;海洋觀測網;技術創新;技術應用;主導地位

中圖分類號：P71 文獻標志碼：A 文章編號：1005-9857（2023）10-0089-06

0 引言

我國是海洋大國，無論是行政領域的經略海洋，或是經濟民生領域的保護和利用海洋，還是防務領域的建設強大海防，都需要海洋數據信息的支撐，而海洋觀測技術是獲取海洋數據信息的主要手段。海洋觀測技術創新和應用是廣大海洋工作者的追求目標，同時是當前國際形勢下實現我國海洋技術自主可控的首選途徑。我國是世界上工業門類最齊全的國家，老一輩海洋工作者在20世紀已研發出幾乎所有種類的海洋觀測設備，從客觀上滿足時代發展的需求，基本實現海洋觀測技術的自給自足。改革開放以來，各種社會活動對于海洋觀測技術的需求日益多樣化、精細化，對于觀測質量和效率的要求不斷提高。國外海洋觀測技術更新速度的不斷加快，對我國海洋觀測技術市場產生極大的沖擊。據行業內的保守估計，目前我國海洋觀測設備中約有80%為進口設備，既難滿足我國海洋高質量發展的現實需求，也與我國海洋大國的地位不相匹配。

美 國三大觀測網包括全球海洋觀測系統（GOOS）、綜合海洋觀測系統（IOOS）和海洋觀測倡議（OOI）。其中，GOOS的Argo計劃已成為全球最成功的創新合作項目之一[1];IOOS已實現多平臺實時在線觀測，并采用多觀測手段聯合觀測的創新設計提高觀測的質量和效率[2-5];OOI實現從需求到設計的科學可追溯性創新，包括自適應采樣在內的多種采樣策略和觀測方法為科學研究和人才培養提供更為自由的平臺[6-7]。

我國觀測技術就單一設備指標而言已趕上或接近國際先進水平，但在實海況觀測應用和多設備協同觀測的系統性等方面與美國觀測技術相比仍存在巨大差距。國內學者對于美國觀測技術創新和應用已有大量的研究，但著重于其成就而不太重視其發展歷程。本研究認為應在歷史維度追本溯源，尤其應對其組織和實施等方面進行研究。

1 美國觀測技術發展的組織和實施

在經歷“二戰”和“冷戰”之后，美國開始在聯合國推動發展GOOS，后提出發展美國版GOOSIOOS，再后又推出OOI，這些項目組織和實施的復雜程度都是難以想象且無先例可言的，其路徑具有很好的借鑒價值。由于美國在全球占據強勢地位，GOOS受美國監督[1]并通過IOOS影響其發展方向和任務[2]。

國內學者對GOOS、IOOS、OOI多有研究，大多對其任務和技術的先進性、合理性進行解讀，并以其推動海洋行業發展來說明科研機構的重要性，但對其領導、組織和實施的研究較少。事實上，自1991年GOOS建立以來，美國就考慮政府將以何種角色來組織和實施海洋觀測工作。1996年美國通過主題為“改善聯邦海洋學計劃協調”的HR3537法案，確定由商務部制定國家海洋學伙伴計劃（NOPP），成立以國家海洋與大氣管理局（NOAA）、海軍、國家自然科學基金委員會（NSF）、能源部等10余個部門領導為成員的國家海洋研究領導委員會（NORLC），并決定由國防部陸續撥款3000萬美元用于NOPP。NOPP資助的項目涵蓋廣泛的海洋學研究主題，包括環境監測、海洋勘探、地球系統建模、技術開發和海洋資源管理等。根據NOAA 官網的數據統計，1997年至2022年5月NOPP共資助200余個項目，涉及海洋和氣候科學、氣候適應變化、教育、經濟發展、生活質量以及國家安全等領域。

NORLC成立后，在其召集和研究下提出并確定7個社會效益領域，解決國家對持續性海洋觀測的需求問題。根據NORLC的建議，2000年跨機構計劃辦公室（Ocean.US）成立以領導IOOS的組織和實施，此后Ocean.US在國會專項資金的資助下完成區域系統的建設和實施工作，使之成為國家區域系統網絡的基礎。2002—2007 年Ocean.US 共發布18個報告，為IOOS的戰略框架奠定基礎，直至現在IOOS依然保留當初大多數的原始系統設計結構、組件和控制，說明IOOS初始設計的合理性和實施工作的扎實性。Ocean.US的成功之處在于通過組織海洋研討會形成業界共識，最早提出并確定海洋觀測的20個核心變量（后陸續增加至34個），基于國情認識到需要建立區域化觀測系統，通過成立區域協會協調成員之間的活動以及促進與聯邦機構的合作，支持海洋觀測的需求。2007年Ocean.US與NOAA 進行交接，完成其領導IOOS的歷史使命。2009年IOOS正式獲得美國國會的認可并進入新的發展時期，同時受到全球學者的更廣泛關注，并形成眾多文獻資料。

OOI和IOOS具有相似的基本海洋觀測目標，其組織和實施可追溯至1998年。當時NOPP資助華盛頓大學等3所大學開展水下電纜組件工程研究，證實建立海底有纜觀測站的可行性，隨后該項目成為重大研究設備和設施建設（MREFC）賬戶項目，也就有了海洋研究交互式觀測站網絡（ORION）。2004年聯合海洋研究所（JOI）通過與NSF海洋科學部的合作協議成立ORION 項目辦公室，以協調進一步的OOI規劃。ORION 項目辦公室隨后成立大型科學技術咨詢委員會（STAC），由超過85名來自海洋界的成員組成，包括科學家、工程師和教育工作者，以協助指導OOI的發展。2007年JOI與海洋學研究和教育聯盟（CORE）合并組成海洋領導聯盟（COL），ORION 項目辦公室仍隸屬于這個非營利的華盛頓組織。2009年NSF與COL 簽署合作協議，開始OOI的建設階段。COL在運營初期一直領導OOI，直到2018年NSF與伍茲霍爾海洋研究所（WHOI）簽署合作協議，目前的實施組織包括華盛頓大學、俄勒岡州立大學、羅格斯大學和WHOI[8-9]。

2 借鑒與思考

GOOS、IOOS和OOI三大觀測網的發展主題看似不同，但事實上GOOS在技術和理念上深受IOOS的影響（領導），OOI的存在則更多是彌補IOOS在采樣能力上的不足。IOOS和OOI之間存在重要區別[4]：IOOS由社會目標驅動，必須定期和持續地為決策者提供數據和產品;依靠高度可靠的觀測工具和數據遙測確保關鍵數據流不被中斷，可在已知不確定度水平下進行預測;主要是靜止的操作系統，設計用于提供已知質量的可靠操作數據流。OOI由研究界牽頭，以近乎實時的方式提供跨學科觀測數據，以提高海洋過程的可預測性，滿足社會需求;具有提供核心傳感器以及測試實驗性傳感器的能力，在IOOS建立可靠性后提供可能采用的新觀測策略;具有高度自適應性，幫助科學家對海洋事件做出反應，控制和調整觀測站的資產流和數據流以應對新事件[6，10]。

近年來，我國觀測技術在工程領域快速發展，多種無人水上/水下航行器、深海浮標、實時潛標、海底實驗系統以及海洋觀測傳感器等都實現創新和提升。在設備方面，天津大學研制的“海燕”水下滑翔機實現萬米水深的突破，西北工業大學研制的仿蝠鲼柔體潛水器成功完成1025m 深度海試，國家海洋技術中心成功布放和運行西風帶海洋環境監測浮標，中國科學院深海科學與工程研究所等10家單位通過“探索二號”科考船攜“深海勇士”號載人潛水器完成大深度原位科學實驗站布設試驗;在觀測網方面，中國海洋大學在南海潛標觀測網的基礎上拓展南海立體觀測網并建設南海海洋大數據中心，同濟大學建設國家海底科學觀測網。從眾多項目中可以發現，我國海洋觀測領域的發展側重于特色而非系統，在技術層面側重于新而非用，因此缺乏系統化和全局性的應用能力，這與文獻描述的20世紀90年代美國觀測領域的發展情況相似。業界不斷提出要從創新走向應用，如“產學研”模式和技術成果轉化[11-15];作為海洋觀測技術創新和應用的集合體，海洋觀測系統近年來呼聲較高，但缺乏應用進展。

“聯合國海洋科學促進可持續發展十年”[16-17]（以下簡稱“海洋十年”）實施計劃提出后，2022年“海洋十年”中國委員會在北京成立，這對于我國海洋觀測領域而言是重大且影響深遠的事件，標志著我國海洋觀測領域將在科學、業務、基礎設施、數據和標準等方面全方位參與全球治理和提供中國方案，同時在聯合國框架下開展該領域的技術性競爭以及提高影響力和話語權。在海洋治理全球化的背景下，我國必須擁有科學、合理和先進的海洋觀測設備，海洋觀測技術發展由單一創新走向創新和應用并舉變得愈發急迫，建設業務化和科學性海洋觀測系統的重要性愈發凸顯。

通過梳理美國海洋觀測系統從無到有的歷史過程，我國海洋觀測技術要想真正實現創新與應用，就必須關注這一歷史過程，在認識到美國成功實現技術創新和應用的同時，更應認識到政府在其中發揮不可否認和無可替代的領導作用。在此前提下，有必要從觀測網的領導和實施、運行管理、技術未來發展3個角度借鑒與思考美國的成功經驗。

2.1 觀測網的領導和實施

美國觀測網的成功建設與政府的領導是分不開的。美國通過最高權力機關———國會批準設立NORLC，高規格突出其權威性和意志力;設立NOPP并規定由國防部提供資金，有效引導技術創新向圍繞國家重大需求的應用方向發展;NORLC建議并設立Ocean.US來解決應用需求實現過程中的困難，形成行業共識，有效解決技術系統性應用問題[18];Ocean.US通過區域性建設突出區域特色和核心需求，通過區域協會幫助成員增加溝通和交流，促進區域系統與國家系統之間的合作，讓各區域觀測網向國家需求方向發展。綜上所述初步實現IOOS。OOI最初也由NOPP支持，其組織形式與IOOS相似，但其領導和實施則以研究界為主、政府為輔，除資金外享有更大的自主權;OOI的實施過程一波三折，由于種種原因直至2016年才實現運行。

“海洋十年”中國委員會負責組織實施和協調推動“海洋十年”相關工作，對于海洋觀測事業而言是難得的機遇。本研究借鑒美國的經驗，從觀測技術創新和應用的角度，針對我國海洋觀測系統建設提出6項建議。①對標GOOS和IOOS，以國家管理、社會公益和國防安全的需求為主，有針對性地確定我國“海洋十年”的任務目標;②圍繞任務目標，建立穩定而連續的專項資金;③根據任務目標，建立高規格的協調部門，以做好觀測基礎設施建設布局全國“一盤棋”的相關工作為職責，確定海洋觀測發展方向，協調地方及行業海洋觀測事務，制定和實施相關計劃及其要求，并向社會發布相關信息;④根據我國國情和海洋區域性特點，建立高規格的地區行業研討和磋商機制;⑤根據任務目標，在頂層設計到底層實施的細化過程中，建立專業化技術監管機制;⑥根據國內國際形勢，確定各海區任務層級和周期，以此制定任務預算和撥付資金，并建立專項審計制度。

2.2 觀測網的運行管理

觀測網投入使用后的運行管理并不意味著觀測網技術狀態完全固化，但可認為是相對穩定的。因此，在運行管理的同時應考慮后期有計劃的升級、改造和擴展等因素，確保觀測能力的實現。

美國綜合海岸和海洋觀測系統（ICOSS）法案于2009年在國會通過后，指定NOAA 為官方（聯邦機構）負責人，同時建立機構間海洋觀察委員會（IOOC）來管理預算、標志和協議以及協調官方活動。目前IOOS包括17個聯邦機構（政府）、11個區域協會（非政府）以及1個技術驗證和示范驗證組織即海岸技術聯盟（ACT）。IOOS建設至今雖已運行但并未完善，在傳感器能力、自主運行和人工智能等方面仍存在應用空白和不足，因此仍處于快速成長期，屬于系統運行、系統更新和升級以及系統擴展三者并行的階段。IOOS的具體運行管理部門包括運營部門（OPS）以及區域、預算及政策部門（RB&P），負責實施政策、協議和標準，并監督系統的日常運營和協調。

我國海洋觀測已形成以國家和沿海地區為主、科研院所及高校為輔的發展模式，如隸屬于自然資源部等部委的國家級海洋站，隸屬于沿海地區的省市級海洋站，隸屬于科研院所或高校的試驗網和野外站。據此設想，未來我國海洋觀測網可采取國家級主干網、地方級區域網和其他特色網相結合的建設模式，在運行管理方面亦可借鑒美國的經驗。①分級建立觀測系統入網標準，同時建立入網審批制度;②在各級觀測網內部建立高規格的溝通協調部門，負責監督、協調、規范以及統一各級觀測網的活動，突出政治性、業務性和學術性;③各級觀測網的內部運行組織應接受主管部門和所在地上級觀測網主管部門的指導;④建立基礎性和發展性的資金預算、撥付和審計機制，滿足觀測網基礎運行維護和提升的需求;⑤ 建立與IOOS 的OPS 與RB & P相似職責的部門;⑥建立傳感器測試評價計劃，并制定傳感器入網準入清單。

2.3 觀測網的技術未來發展

觀測技術進步被普遍認為是觀測網發展的關鍵。為推動觀測網觀測能力的提高，美國三大觀測網根據各自的特點、以各自的方式在積累技術和經驗的同時尋求新技術和新應用，這些資源最終也將匯聚于美國。其中，GOOS提出最佳實踐項目，在世界范圍內征集創新性的海洋觀測技術和方法，并進行實踐驗證來支持新技術和新方法的轉化和應用;IOOS為新的傳感器、平臺和數據管理服務系統提供示范應用場所，其合作伙伴ACT[18]通過績效評估和演示促進新技術的開發和應用，其海洋技術轉讓計劃以及沿海和海洋模擬試驗臺競爭性計劃為有前景的觀測和計算技術提供資金。

傳感器、平臺、數據采集與信息處理以及數值建模等技術鏈構成傳統意義上的觀測技術，尤其是以數值建模研究為基礎的建模開發被應用于海洋預報預警、海洋資源開發以及海洋生態修復等工作，從而得到更多的重視[13-14]。而從美國三大觀測網的發展歷程中可以發現一些不同于傳統技術的技術內容：① GOOS 提出推廣基本海洋變量（EOV），有利于加強區域協作，同時能減少同一觀測區域內觀測基礎能力建設的重復投入[1，19-20]。②IOOS通過多平臺復雜網絡（系統）環境下的數據質量控制與評估，為觀測網的故障預警、維修維護以及數據可用性提供支持[3，21-23]。③OOI于2007年公布科學需求可追溯性矩陣圖并于2018年進行修訂，可為海洋探索提供更好的需求解決方案和可追溯性服務，以解決經驗認識與實踐結果之間可能存在的偏差問題;OOI引入系統分級設計可追溯性的模式，可及時發現任意系統節點出現問題或變更對整個系統的影響;OOI提出的采樣策略和方法可提高系統觀測的科學性和經濟性[6，10，24]。這些都是有利于海洋觀測技術創新和應用的重要實踐，也是我國海洋觀測技術發展中易被忽視、有所欠缺的環節，同樣值得借鑒，應得到充分重視。

3 結語

GOOS、IOOS和OOI分別在全球化領域、業務化領域和海洋探索領域代表世界上最為先進的觀測系統，相比于GOOS的全球參與（美國主導）理念而言，IOOS與OOI則基本由美國獨立設計、建設和運營，在技術方面的表現更為亮眼[7，24]，其建設、運營、使用以及維護等都須有強大國力作為支撐。總體而言，IOOS的運營資金需求隨其業務化觀測需求的增加而不斷增加，其資金規劃和成本控制等方面較為科學合理，故NOAA 有計劃地為其增加預算;OOI則更具開放性，其運營資金需求隨其科學研究需求的增加而不斷增加，且運營成本較高，故2017年后NSF對其預算進行消減，并重新招標和確定新的運營管理方即WHOI。海洋觀測網建設在推動海洋觀測技術創新與應用方面已形成廣泛共識，GOOS、IOOS和OOI三大觀測網實際引領當今國際海洋觀測技術產業的變革和發展，其經驗非常值得借鑒和學習。然而也要關注和認識到，三大觀測網的存在和發展既有業界需求的因素，又有美國從其自身利益出發構建其全球戰略的因素，表現為三大觀測網相互之間在技術實現方面具有一定的獨立性，而在戰略方面則具有協同性。因此，我國對其既要借鑒和學習，也要保持必要的警覺。

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