随着我国综合国力的提高, 国际化是一个重要的趋势。全球90%的贸易是通过海上运输进行的, 全球信息传输的主要通道也是通过海底电缆完成的, 对资源与能源的需求、海洋权益的维护日益严峻, 海洋环境安全日趋重要。海洋环境变化对全球气候变化具有重要影响, 海洋热量的微弱变化就会引起气候的剧烈变化, 大部分的台风都来自海上, 海洋的变化对极端气候的形成具有重要的驱动作用, 从防灾减灾的角度我们越来越清晰地认识到必须了解海洋的现状与未来变化趋势。海洋对我们如此重要但是我们却对她如此陌生, 我们对海洋的了解不足5%, 或者说我们对95%的海洋缺乏了解。海洋覆盖了全球71%的区域, 水深超过200米的区域达95%, 水深超过1000米的区域达90%, 我们对深海的了解非常有限。随着全球气候变化加剧、海洋酸化增强、海洋低氧区扩大、海洋生物多样性减少、海洋有害藻类增多、海洋渔业资源衰退以及海洋生态灾害增加, 有必要进一步加强对海洋的认知, 以提高对未来海洋变化的预测能力。由于海洋观测的困难性、复杂性和对观测仪器依赖、巨额资金的需求等, 加上海洋在军事和资源开发等方面的敏感性, 我们能够获得的海洋观测数据非常有限。没有大量的观测数据就谈不上有效信息, 没有信息就谈不上知识和认知, 也就谈不上对海洋现状的了解, 更不用说对未来的预测。所以建立一套海洋信息的获取、传输、处理和应用体系对认知海洋、开发和保护海洋是至关重要的。尽管我们在海洋领域的各个方面都开展过研究和探索, 但已有研究和探索往往都是针对某一个区域、某一个过程、某一种现象开展的特定研究, 缺少真正意义上的系统研究, 所以建立一套系统的海洋综合探索与研究体系是至关重要和十分必要的。中国科学院海洋先导专项的主要任务就是针对国家对海洋的需求, 瞄准海洋领域国际前沿问题, 建立海洋综合探测与研究体系, 从海洋系统的角度研究海洋的各种现象、发现规律、提出相应的应对措施。能力建设是实现海洋先导专项科学目标的前提和基础。本文将重点介绍中国科学院海洋先导专项实施以来在近海与深远海观测网建设、深海综合探测与研究平台体系建设、海洋装备研发等方面所取得的重要进展, 以期为我国海洋综合探测与研究能力的提升发挥“先导”作用。

1 海洋信息系统建设

人类社会正在进入信息时代, 数据的获取、传输、处理和应用是信息技术发展的重要方向, 在海洋科学领域也是如此。我们对海洋的状态、变动缺乏了解, 一个非常关键的因素就是海洋信息的获取能力太弱。尽管我们已经建立了海洋观测系统, 但是与海洋可持续利用、防灾减灾、海洋环境安全和人类福祉的需求相比相差甚远。海洋科学具有大科学的特点, 涵盖范围极其广泛, 从学科上来讲包括物理、化学、生物和地质等, 海洋领域的很多研究是跨学科的、需要多学科交叉研究才能进行。从地域上我们可以将其划分为近岸、近海、陆架、深海、大洋, 但是从根本上来说海水是连在一起的, 各个部分之间是相互作用的, 同时我们还要充分考虑陆海相互作用、海气相互作用、近海与大洋的相互作用、表层与深层相互作用以及人类活动对海洋的影响等。基于此, 海洋先导专项从“海洋系统”角度进行海洋观测网的建设, 结合浮标、潜标、卫星、滑翔器与科学考察船综合断面观测, 形成涵盖海岸带-近海-大洋-深海、针对整个海洋系统的全方位综合观测网络。从另一方面来说, 海洋先导专项所进行的海洋观测又是针对相关科学问题、在一些海洋环境敏感区域进行的目的性很强的观测, 这与业务化、网格式的观测网是不同的。

1.1 近海海洋观测研究网络建设

基于浮标-潜标-科考船-卫星的近海观测研究网络, 致力于近海生态系统的长期、连续、综合观测能力的建设, 通过构建长期观测数据中心, 服务于近海生态系统演变、近海生态灾害与生态安全、近海生态系统评估以及基于生态系统的海洋管理等不同方面的科学研究与管理需求。通过对黑潮的观测与大洋观测网进行衔接, 研究邻近大洋变动与近海生态环境变化之间的关系。近海观测系统的建立是在已有的浮标观测、海洋生态站和科考船走航观测的基础上, 建立潜标观测网、强化船基观测、增加观测频率和观测站位, 并搭建了近海潜标观测系统和环渤海大气、河流采样系统。在黄东海典型海域和渤海海峡搭建起了潜标观测系统, 获得了宝贵的连续观测资料。结合浮标观测网络与渤、黄、东、南海多船联动综合断面调查, 形成了涵盖海岸带到近海的多学科综合观测系统(图 1), 为海洋专项工作的顺利实施奠定了重要基础。在针对近海生态灾害的观测方面, 针对关键区域通过现场调查、卫星遥感、无人机等综合观测, 对绿潮等生态灾害的动态发展情况进行高频跟踪监测, 及时掌握灾害发生海域的第一手资料, 准确把握生态灾害发生态势并作出有效预测。近海观测网的建设对海洋生态系统健康、海洋生态灾害预警预报、海洋生态系统承载力评估和近海资源环境可持续发展起到重要的支撑作用。近海观测网建设的重点区域是莱州湾、北黄海、黄海冷水团、苏北浅滩、长江口和南海北部以及黑潮到陆架的分支区域。针对的关键科学问题是海洋牧场建设、海洋生态系统承载力、海洋生态灾害和近海环境演变。

1.2 深远海观测网建设

在针对大洋全水深的观测方面, 构建国际最大规模西太潜标观测网, 奠定我国在全世界对该海域观测研究的核心地位, 填补了国际西太深层环流观测网的空白。构建了包含18套全水深潜标的国际大规模西太平洋边界流和赤道流系观测网, 获取的水文定点长期数据为西太环流三维结构及其气候效应的研究提供了基础数据, 同时为环境安全保障、气候模式验证和国家大洋观测网示范提供了支撑作用。初步建成印度洋-南海-印尼关键海峡通道潜标观测网, 整个观测网络由19套潜标系统组成:印度洋观测阵列6套, 印尼观测阵列2套, 西沙观测阵列6套、东沙观测阵列5套。二者结合, 形成西太-印尼-东印观测网(图 2)。

通过全水深深海潜标和主流系潜标中深层典型深度的单点海流计组成了深层环流潜标观测网(图 3)。深层环流是海洋系统研究中不可忽略的一环, 深层与上中层海洋之间物质能量交换影响甚至决定长期气候变化、深海极端环境, 迄今国际上对其知之甚少, 理论和模式发展严重滞后, 通过深层环流潜标观测网的数据将突破认知局限。截止目前, 由海洋专项布放的深海实时传输潜标观测数据已成功连续实时回传230余天, 包括上层1000米的海水流速、流向和回声强度等详细数据信息, 创造了国内外有明确文献记录的实时获取深海数据的最长工作时间, 标志着深海数据的实时化传输已经进入稳定运行阶段。

与此同时, 通过针对大洋生态系统的生态大断面的部署, 将大洋与近海的观测实现衔接, 通过基于科学考察船的深远海全水深综合观测, 实现大洋上层与深海生态系统观测的衔接, 充分体现“海洋系统”观测的理念。

1.3 对近海生态系统演变与生态灾害研究发挥重要支撑作用

基于海洋观测网的综合观测, 深入揭示了黑潮对我国近海典型海域生态系统的影响及其关键过程, 深化了对我国近海生态灾害成因与过程的科学认识。

通过对黑潮和我国近海环境的协同研究, 构建的数值模式准确模拟了黑潮分支对长江口邻近海域生态灾害多发区的影响, 表现出了目前其他模式所不具有的模拟能力(中国科学院海洋研究所, 2016)。首次确证台湾东北部黑潮入侵近岸底部(NKBC)分支是向东海近岸区物质能量输入的主要途径, 发现NKBC存在多时空尺度变化。发现黑潮东海底层分支存在显著的年际和季节变异(图 4), 为进一步分析其对黄、东海生态系统与生态灾害的影响奠定了基础。基于观测估算了黑潮向东海颗粒态生源要素的输入通量及东海颗粒态氮磷的收支, 发现黑潮输入东海的颗粒态氮、磷分别是河流输入的2.13和0.37倍, 颗粒态氮磷的再矿化占初级生产产生颗粒态氮、磷的87.7%和60.1%, 且颗粒态磷较颗粒态氮更易在矿化过程中被优先分解, 东海海域如此强烈的矿化再生对维持该海域的初级生产至关重要。围绕近年来对我国近海有严重影响的生态灾害, 发现磷酸盐的限制作用对东海硅藻赤潮具有显著影响, 硝酸盐对甲藻赤潮规模具有重要的调控作用。对比长江径流和黑潮水入侵, 前者对硅藻赤潮影响更大, 而后者对甲藻赤潮具有重要调控作用。广西防城港核电冷源取水海域的赤潮生物应急处置, 保障了该核电站顺利并网发电和安全运行。在绿潮发生机理与防控方面, 通过全方位联动观测, 揭示了南黄海绿潮的来源与早期发展过程, 提出了“提早打捞, 防控靠前”的绿潮应对防控策略; 在对绿潮形成机理认知的基础上, 提出了基于“浒苔微观繁殖体数量”、“筏架浒苔生物量”和“浅滩区漂浮浒苔生物量”预测绿潮规模的思路, 并成功预测2017年黄海绿潮发生趋势。

2 深海综合探测与研究平台

我国海洋战略的一个重要方面是走向深海, 但是对于我国大部分的海洋研究团队来说, 在深海研究领域长期处于“望洋兴叹”的状态, 因为缺乏深海探测与研究的必要手段与装备。在深海研究中, 我们的首要任务是获取海底地形图, 否则我们无法开展海山、热液、冷泉和海底平原的探测, 海底地形图能够为我们提供很多的信息, 没有这些信息我们对一些研究就无法开展。例如对于热液喷口和冷泉口的寻找、对海山的探测等, 这方面的信息本来就少, 加上在军事方面的敏感性, 要获得已有的资料非常困难, 只能基于深海探测获得。

2.1 深海综合探测与研究平台建设

海洋专项通过自主研发、优化设计和突破核心技术, 形成系统级解决方案, 高效运行国家重大科技基础设施“科学”号海洋综合考察船, 集成4500米水下缆控潜器(ROV)等多套先进仪器设备, 构建了国际最先进的深海环境综合探测研究平台, 显著提高了我国深海探测与研究能力, 引领了国内深海科学与技术融合。基于该平台, 首次成功实施我国在冲绳海槽热液活动区综合探测, 对雅浦海山区和马努斯海盆热液系统开展深海环境综合调查, 获得了高分辨率海底地形图和海底影像资料及大量生物和地质样品, 组建了一支优秀的深海探测技术队伍。Nature杂志两次报道认为“中国已经完全具备开展深海研究能力”, 获得国际学术界广泛关注。

截止目前, 基于“科学”号的深海探测与研究平台海上工作超过900天, 航行125657海里, 回收布放深海潜标73套次, “发现”号ROV下潜126次, 获取冷泉-热液-海山等深海极端环境调查数据已逾5.2Tb, 深海地质样品3余吨, 大型生物样品3000余号, 综合调查站位已逾450个。基于深海综合探测平台已观测的主要区域如图 5所示。在国际上率先开展热液喷口流体温度梯度原位探测, 在马努斯热液区探明20余个热液喷口(最高温度344℃), 使用自主研发的深海热液喷口流体温度梯度仪和拉曼光谱仪获得了热液喷口周围的温度梯度分布和物质组成数据。

2.2 深海取样、原位探测与试验技术

深海技术从盲取到精准至保真。2013年及以前, 中国科学院深海取样停留在国际上20世纪80年代水平, 落后国际30年。2014年, 使用自研设备进行可视化可控沉积物精准取样和现场处理。2014—2015年, 基于“科学”号和“发现”号ROV, 在南海冷泉、冲绳海槽热液区、雅浦海山、马努斯热液区可视化精确采集到大量生物和地质样品。2015年, 在马努斯热液区首次实现多点热液喷口流体样品的保压取样, 并在南海冷泉区首次实现冷泉喷口流体收集和保压取样(图 6)。2016年9月, 转变传统取样方式, 实现冷泉水合物原位合成、长期存储、保真回收。

自主研发深海原位探测技术。在国际上率先开展了高温热液流体的原位拉曼光谱探测(图 7), 在南海冷泉-马努斯热液航次, 完成了深海原位激光拉曼光谱探测系统在马努斯海盆热液区的海上测试, 测试海域深度接近2000米, 热液喷口温度高达344℃, 系统整体工作稳定, 设计的热液喷口原位探针工作正常稳定, 数据获得可靠高效。

2017年9月, 通过“发现”号无人潜水器携带的深海激光拉曼光谱探针, 在我国南海约1100米的深海海底, 探测到两个站点存在裸露在海底的天然气水合物, 这也是科学家在我国南海海域首次发现裸露在海底的“可燃冰”(图 8)。

深海海底原位试验及深海大型生物的实验室培养。把实验室搬到海底, 进行深海的原位试验, 开辟新的研究方向(图 9)。在南海冷泉的甲烷渗漏区域, 原位合成天然气水合物, 并在海底进行长期原位存储和物质交换试验。布放一年之后, 进行水合物结构和成分现场测量。首次在国内1800—2000米的热液区开展深海大型生物的原位培养、环境胁迫、深海生物的水族培养等试验。在马努斯海盆1700米的深海热液区, 获得大量的生物样品, 主要包括贻贝、管虫、阿尔文虾、螺、潜凯虾、藤壶、小螺等, 实现了深海热液大型生物的实验室培养, 成为继日本和德国之后, 第三个可以在实验室进行深海热液大型生物培养的国家, 并且打破了传统认为超过1500米的深海大型生物不可培养的观点。

2.3 极大提升深海地形探测能力

基于深海综合探测与研究平台, 深海地形探测实现了从无到有至精的跨越式发展, 中国科学院在2013年及以前深海地形探测能力空白, 2014年完成国内首个冲绳海槽热液区50×50公里船载全海深多波束地形探测, 2015年获得了马努斯海盆热液区域1米分辨率的高精度深海地形图(图 10), 目前地形探测精度已由亚米分辨率进一步提高到厘米分辨率, 可获得热带西太平洋迄今最精密的海底三维地质和地球物理系列图(图 11), 同时拼接水下高清图像, 技术达到国际领先水平。

2.4 实现深远海环境和生物多样性新认知

基于深海综合探测平台, 显著提升对热带西太平洋深海生物多样性与生态系统的新认知。截止2016年底, 已发现深海大型生物1新科、3新属、23个新种, 其中在甲壳动物围胸总目铠茗荷目Scalpelliforms中新建1新科:原深茗荷科Probathylepadidae Ren & Sha, 2015, 这是在甲壳动物围胸类中首次以中国人发现并定名的科级分类单元(中国科学院海洋研究所, 2016)。其中在冲绳海槽热液区, 发现大型生物1新科1新属6新种, 包括甲壳动物1新科、1新属、3新种。在卡罗琳海山-雅浦海沟区, 发现大型生物1新属7新种, 其中海绵1新属2新种: cf. Sericolophus n.g., n. sp., 906米; Pseudoplectellan. sp., 1113米。海葵3新种, 甲壳动物2新种。在2017年8月探测的卡罗琳海山区, 获取巨型和大型底栖生物样品近400个, 涉及柳珊瑚、海葵、海绵、海胆、海星、蛇尾、甲壳动物和软体动物等170多种生物(图 12), 包括许多未知的新物种, 有待于进一步的分析研究。从海山区分离培养海洋细菌2300多株, 发现疑似新物种23个。除深海生物多样性的新认知外, 在深海化能合成生态系统生物环境适应机制、海山生态系统假说的提出与验证等发面亦取得重要进展, 揭示了冲绳海槽热液区微生物适应环境相关的功能基因和代谢通路, 并初步揭示了深海微生物适应低温环境的机制。

综上所述, 海洋专项通过深海探测与研究平台的建设, 在国内首次建立了宏观与微观、走航与定点、梯度与原位相结合的深远海环境探测技术体系, 突破了10000米深海定点探测、6000米深海探测与采样、4500米深海精准探测与取样、1000米水体剖面走航探测、深海30米长沉积物取芯和20米长岩石取芯等关键技术(李超伦等, 2016)。具备立体同步精准开展深海地形地貌、海底环境、水体环境的综合探测和样品采集的能力, 深海近海底地形探测分辨率达到国际领先的厘米级, 实现“室内模拟实验→海洋移动实验室→深海原位实验室”的跨越, 在深海理化环境原位探测、生物多样性和特殊生命过程、板块构造和地质过程等领域取得新认知和创新突破, 奠定了我国在深海大洋研究的国际地位。实现了深海探测“下得去, 看得清, 采得上, 测得准, 功能全, 用得起”的目标, 显著提高了我国深远海探测与研究能力。

3 海洋探测设备研发

海洋探测装备的研发, 不仅仅是经费的问题, 而是必须突破一些探测设备进口受到限制的瓶颈。我国在海洋领域已经和正在部署很多研究计划和设备研发计划, 涉及到深海探测、海洋资源开发利用、海洋环境安全等各个方面, 当前面临的挑战是如何发挥综合优势, 体现“先导”作用, 为解决和科学分析海洋科学问题及海洋现象提供技术手段, 形成自主知识产权的装备, 推动我国深海探测与作业技术的发展。海洋专项面向当前的科学需求, 重点开展了三类海洋技术装备的研制与应用工作(李硕等, 2016)。其中自主式观测系统技术国内领先, 解决了专项对敏感水域观测技术的瓶颈问题。

3.1 水下滑翔自主观测系统

水下滑翔自主观测系统率先创造了我国深海滑翔机海上作业航程最远、作业时间最长的新纪录(图 13)。在提高单台套水下滑翔机可靠性的基础上, 重点提升多滑翔机自主观测能力、数据处理和无人值守能力, 便于现场操作使用。海洋专项已完成6套水下滑翔机系统研制和技术升级, 全面提升了系统的可靠性, 开展了多次海上试验和试用工作。三台“海翼”水下滑翔机在西北太平洋强流区海域成功完成高精度观测应用, 累计海上工作49天, 累计观测路径航程1337公里, 获得了343个垂直剖面多参数观测数据。

3.2 长期定点剖面观测型自主水下机器人(AUV)系统

长期定点剖面观测型AUV系统(探索1000 AUV)是我国首型自航式长期定点垂直剖面连续观测系统(图 14), 针对敏感海域长期定点连续观测的需求, 利用自主水下机器人和水下滑翔机技术, 经过多年的技术攻关和试验验证, 突破了双向高精度浮力调节、超低功耗控制系统研制、最优航行控制以及系统整机可靠性设计等关键技术(李硕等, 2016)。在千岛湖的湖上试验中, 验证了主要关键技术指标。湖上试验证明设计合理, 实现了自航与潜浮的控制功能, 实现了零攻角自主航行, 有效降低了系统功耗。通过长航程模拟测试, 可以达到为期30天的海上连续观测需求。目前探索1000 AUV已完成海上连续工作7天, 航程达到517公里, 连续完成43个潜浮剖面观测, 最大工作水深超过800米, 创造了我国AUV水下连续工作时间最长新记录, 达到了国际先进水平。

3.3 深海热液探测AUV系统

深海热液探测AUV系统(探索4500 AUV)采用国内最先进AUV技术与海洋科学观测需求紧密结合, 实现大深度海底地形地貌大范围精细声光探测(图 15)。在前期工作的基础上, 重点突破复杂海底地形环境条件下的环境自适应技术和寻找深海热液喷口的自主探测方法, 提高系统的可靠性和安全性, 达到实用化程度, 充分提高大范围精细探测效率。目前探索4500 AUV已在南海进行了8次下潜作业, 获取了大面积冷泉区精细地形地貌图和数千张海底高清影像照片(图 16, 17)。

3.4 深海科考型ROV系统

深海科考型ROV系统是国内第一台自主研发的6000米深海科考型电动ROV系统(图 18)。该系统重点突破大深度、长距离动力传输技术以及潜水器的收放技术。围绕海洋专项的科学需求, 设计开放标准电气接口适于搭载多种科学载荷和作业工具; 加装浮力调节功能, 减少水下推进系统对水下观测环境的扰动; 通过水下升降运载平台, 提高ROV系统海底采样能力。体积小、重量轻的ROV系统与深海热液探测AUV系统可以同时搭载在“科学”号考察船上, 构建我国深海科学探测与作业体系, 进一步提升“科学”船深海科考作业能力。

4 结语

在海洋探测中, 只有确切知道现在, 才可能有效预测未来。海洋观测系统建立的目的就是要掌握现在, 探明对海洋变化至关重要的关键因子(essential ocean variables, EOVs)。通过科学目标与技术研发的有机结合、国家海洋战略目标与基础科学发展的有机结合、海洋科学与经济社会发展有机结合的实践, 海洋先导专项全面提升了我国海洋综合探测与研究的能力, 为深入认知、预测、预警预报、综合管控、开发和保护海洋奠定了基础, 推动我国海洋科技向纵深发展, 从陆架边缘海走向广袤的深海大洋, 从中国近海所面临的资源环境与可持续发展问题到探索全球海洋运作机制与未来海洋发展战略。