青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室主任吳立新院士：“透明海洋”立體觀測網(wǎng)構(gòu)建
作者：吳立新 1,2*, 陳朝暉 1,2, 林霄沛1,2, 劉永正 1,2 （1.中國海洋大學物理海洋教育部重點實驗室/海洋高等研究院/深海圈層與地球系統(tǒng)前沿科學中心, 青島 266100; 2. 青島海洋科學與技術(shù)試點國家實驗室, 青島 266237）
吳立新 教授, 中國科學院院士、美國地球物理學會會士、 發(fā)展中國家科學院院士. 長期致力于大洋環(huán)流與氣候研究, 在多尺度海洋動力過程及海氣相互作用領(lǐng)域取得了系統(tǒng)性創(chuàng)新成果.
1 全球海洋觀測網(wǎng)絡構(gòu)建狀況淺析
海洋是人類生存發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ), 是高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略要地. 隨著陸地資源減少甚至枯竭, 海洋已經(jīng)成為拓展人類生存與發(fā)展空間的主要領(lǐng)域, 世界各國都把維護國家海洋權(quán)益、發(fā)展海洋經(jīng)濟、保護海洋環(huán)境、開發(fā)海洋資源列為重大發(fā)展戰(zhàn)略. 海洋觀測是認識海洋的基本手段, 是海洋經(jīng)濟開發(fā)、環(huán)境保護和權(quán)益維護的基礎(chǔ). 實施 “透明海洋”戰(zhàn)略, 加強海洋觀測技術(shù)裝備研發(fā), 建設海洋綜合立體觀測體系, 已經(jīng)成為我國海洋科技創(chuàng)新的一個重要方向[1].
所謂“透明海洋”, 是指集成和發(fā)展現(xiàn)代海洋觀測與探測技術(shù), 面向全球大洋和特定海區(qū), 以移動平臺為核心, 依托人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù), 實時或準實時獲取多圈層、 全海深、高時空分辨率的海洋綜合環(huán)境與目標信息, 并在此基礎(chǔ)上, 預測未來特定時間內(nèi)海洋環(huán)境變化, 實現(xiàn)海洋的狀態(tài)透明、過程透明、變化透明、目標透明, 為國家海上活動安全、海洋經(jīng)濟發(fā)展和權(quán)益維護等提供全面精準的海洋信息技術(shù)支撐與服務.
實現(xiàn)“透明海洋”, 首先要實現(xiàn)海洋的狀態(tài)透明,即具備全球范圍、全水深、多時空分辨率的海洋信息實時獲取能力. “經(jīng)略海洋”集中體現(xiàn)在對海洋環(huán)境的感知、認知及預測能力、海洋資源的開發(fā)能力、海洋權(quán)益的維護能力、海洋生態(tài)環(huán)境的保護能力上, 而感知海洋是后幾種能力建設的基礎(chǔ). 實施“透明海洋”計劃, 構(gòu)建新一代全球海洋高時空分辨率立體觀測網(wǎng), 將極大提升我國“經(jīng)略海洋”的能力.
隨著“一帶一路”倡議開始在世界政經(jīng)版圖上快速鋪展, 其所面臨的海洋權(quán)益和安全保障問題也不容忽視. 實施“透明海洋”計劃, 構(gòu)建全球海洋高時空分辨率實時觀測網(wǎng), 提升全球海洋尤其是“兩洋一?！?西太平洋-南海-印度 洋)和極區(qū)海洋環(huán)境信息獲取能力, 在此基礎(chǔ)上形成我國核心戰(zhàn)略海域的環(huán)境安全保障能力, 可為國家實施“一帶一路”倡議保駕護航, 同時也造福海上絲路沿線國家的減災防災和海洋生態(tài)保護等.
針對我國海洋裝備核心技術(shù)受制于人等問題, 圍繞海洋科技發(fā)展前沿技術(shù), 依托全球海洋立體觀測網(wǎng)構(gòu)建, 努力打造海洋高端裝備研發(fā)高地, 實現(xiàn)系列新型海洋觀測裝備的產(chǎn)品化, 加速高端海洋裝備制造業(yè)發(fā)展, 輻射帶動周邊產(chǎn)業(yè)鏈建設, 是實現(xiàn)海洋科技創(chuàng)新從“跟跑”向“并跑”甚至“領(lǐng)跑”轉(zhuǎn)變的實質(zhì)性舉措.
當前, 隨著衛(wèi)星遙感、大型潛/浮標、海洋次表層剖面浮標、無人移動潛器等海洋技術(shù)和裝備的發(fā)展, 發(fā)達國家尤其是美國和歐盟, 已經(jīng)基本形成了對全球上層海洋大尺度(百千米級)信息實時獲取能力. 20世紀末聯(lián)合國政府間海洋學委員會(Intergovernmental Oceanographic Commission, IOC)、世界氣象組織(World Meteorological Organization, WMO)、聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署(United Nations Environment Programme, UNEP)等聯(lián)合發(fā)起了全球海洋觀測系統(tǒng) (Global Ocean Observing System, GOOS)計劃[2], 初步形成了由海洋衛(wèi)星、浮標和沿海臺站組成的全球業(yè)務化海洋觀測系統(tǒng), 這也是目前全球最大、綜合性最強的海洋觀測系統(tǒng), 并圍繞深海研究啟動了若干觀測實驗和國際研究計劃.
在深海動力環(huán)境觀測方面, 20 世紀 80 年代末開始實施的全球熱帶大洋錨系浮標觀測陣(global tropical moored buoy array, GTMBA)[3~5], 圍繞太平洋、大西洋、印度洋熱帶海氣相互作用研究構(gòu)建了跨洋盆的熱帶海區(qū)長期連續(xù)觀測陣, 特別是熱帶海洋全球大氣(tropical ocean globalatmosphere, TOGA)計劃[6]為人類監(jiān)測和預測厄爾尼諾事件奠定了重要的觀測基礎(chǔ). 20 世紀 90 年代的世界大洋環(huán)流實驗(world ocean circulation experiment, WOCE)[7,8], 圍繞全球深海大洋開展了大量高分辨率斷面觀測、化學痕量綜合觀測、衛(wèi)星觀測、潛標長期連續(xù)觀測、表層和次表層漂流浮標觀測. 1998 年開始實施的地轉(zhuǎn)海洋學實時觀測陣 (array for real-time geostrophic oceanography, Argo)[9],基于 Argo 浮標實現(xiàn)了全球上層海洋的水文要素準實時觀測, 目前已經(jīng)建成一個由 4000 枚 Argo 剖面浮標組成的覆蓋水域更深厚、涉及領(lǐng)域更寬廣、觀測時域更長遠的真正意義上的全球 Argo 實時海洋觀測網(wǎng).
在深海生態(tài)系統(tǒng)和地質(zhì)觀測方面, 20 世紀中葉發(fā)起的國際大洋鉆探計劃及其后的國際大洋發(fā)現(xiàn)計劃(International Ocean Drilling Program, IODP)[10]、20 世紀 90 年代發(fā)起至今的國際大洋中脊計劃 (International Cooperation in Ridge-Crest Studies, InterRidge)[11]和 21 世紀初發(fā)起了海洋生物地球化學和海洋生態(tài)系統(tǒng)研究計劃(IntegratedMarine Biosphere Research Project, IMBER)[12], 以大洋鉆探、深部取樣、海底生態(tài)系統(tǒng)連續(xù)監(jiān)測等為主要手段, 研究地球起源、地質(zhì)演化和多圈層相互作用. 近年來美國實施的海洋觀測先導計劃(Ocean Observatories Initiative, OOI)[13], 基于實時潛/浮標, 自主式水下航行器(autonomousunderwater vehicle, AUV)和水下滑翔機(underwater glider)等多平臺觀測裝備實現(xiàn)其重點監(jiān)測海域的立體組網(wǎng)觀測. 在極區(qū)動力環(huán)境觀測方面, 2009~2014 年美英聯(lián)合實施了南大洋混合試驗 (the diapycnal and isopycnal mixing experiment, DIMES)[14],基于潛標、斷面觀測、漂流浮標和示蹤物追蹤等手段, 對南大洋混合過程及其對大洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流的調(diào)控進行了組網(wǎng)觀測.
通過上述觀測計劃的實施, 極大地提高了全球海洋觀測水平, 促進了海洋觀測儀器及其傳感器的研發(fā)水平, 提高了數(shù)據(jù)傳輸手段的多樣性和時效性. 在這些大型全球和區(qū)域觀測計劃的支撐下, 海洋科學領(lǐng)域開展了一系列研究計劃, 包括國際氣候變化與可預測性研究計劃(Climate Variability andPredictability, CLIVAR)[15]、全球海洋通量 聯(lián)合研究計劃(JointGlobal Ocean Flux Study, JGOFS)[16]、上層海洋-低層大氣研究計劃(Surface Ocean-Lower Atmosphere Study, SOLAS)[17]、全球有害藻華生態(tài)學與海洋學研究計劃(Marine Geological & Biological Habitat Mapping, GEOHAB)[18]等. 這些研究計劃極大地推動了海洋科學發(fā)展成為一門獨立學科, 促進了海洋科學與其他學科的相互交叉.
我國也在積極拓展全球海洋觀測能力, 依托國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 (“863 計 劃 ”)等發(fā)展了溫鹽深剖面儀 (conductivity temperature depth, CTD)和聲學多普勒流速剖面儀(acoustic Doppler current profiler, ADCP)等數(shù)十種傳感器、觀測裝備和各種固定、移動、空投、拖曳等觀測平臺, 發(fā)射了 HY 系列自主業(yè)務化海洋衛(wèi)星,并通過國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(“973 計劃”)、重點研發(fā)計劃和一批專項, 在我國近海、南海、西太平洋、東印度洋、南北極等關(guān)鍵海區(qū)和通道, 建設了岸站、常規(guī)斷面、水體及海底的區(qū)域觀測網(wǎng).
然而,我國在南海和西太平洋等核心海區(qū)初步構(gòu)建的海洋觀測網(wǎng)主要以潛標陣列為主, 對研究大尺度環(huán)流具有一定的幫助, 但對于中小尺度過程的觀測仍遠遠不夠, 且 數(shù)據(jù)無法實時傳輸. 此外, 核心設備依賴于進口, 自主知識產(chǎn)權(quán)率較低. 涵蓋海面、水體和海底的立體化海洋觀測網(wǎng)建設尚在探索階段, 且以傳統(tǒng)的觀測手段與技術(shù)為主, 多數(shù)設備不具有“智能”性. 空間布局上以區(qū)域內(nèi)的點、線為主, 存在數(shù)據(jù)孤島, 2000 m 以下的深海觀測幾乎是空白, 缺乏全水深、一體化、實時、高時空分辨的觀測能力. 目前, 我國自主獲取的全球海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)總量不到美國、日本等國的 2%, 即使是東海和南海數(shù)據(jù), 也只有美國、日本等國的5%. 在大數(shù)據(jù)及人工智能信息化的新時代, 上述對海洋信息感知能力的缺乏, 導致對諸多海洋重大科學問題的認識較膚淺, 難以取得重大原創(chuàng)性成果.
總體來講, 當前我國的海洋觀測網(wǎng)雖有一定規(guī)模,但存在著區(qū)域碎片化、信息單一化、時空分辨低質(zhì)化、數(shù)據(jù)傳輸延滯化等制約, 尚未形成對全球及核心海區(qū)海洋環(huán)境信息的實時、立體、高分辨率、多要素的整體同步獲取能力, 與國際海洋強國仍有較大差距. 特別是最近幾次革命性的海洋觀測技術(shù)計劃, 我國貢獻明顯不足, 這與我們對經(jīng)略海洋的需求和國際大國的地位極不相稱, 也使我國在國際上牽頭組織并發(fā)起海洋科學計劃方面失去主動權(quán).
2 海洋科學重大前沿問題牽引下的海洋觀測
海洋占地球表面的 71%, 其平均水深超過 3800 m. 海洋巨大的熱容量和碳儲存量是地球氣候系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器, 對地球系統(tǒng)的生物地球化學循環(huán)和水循環(huán)有重要的調(diào)控作用. 對氣候系統(tǒng)各尺度變化的預測能力與水平在很大程度上依賴于對全球海洋多學科、長期連續(xù)、實時或準實時的綜合立體觀測, 但是目前的觀測能力無法滿足當前重大的海洋科學前沿的需求.
(1) 海氣多尺度相互作用及氣候效應. 海氣系統(tǒng)的相互作用是海洋與大氣之間物質(zhì)與能量交換的橋梁, 過去傳統(tǒng)認為海氣相互作用主要在大尺度[19~23], 然而近年來的觀測發(fā)現(xiàn)中小尺度(十千米到千米級)的海氣相互作用, 對大尺度大氣環(huán)流和氣候變化具有重要影響, 缺乏上述物理過程也是目前地球系統(tǒng)模式模擬誤差的重要來源[24~26]. 現(xiàn)有衛(wèi)星遙感只能通過對海面要素的觀測間接反演海氣通量, 對調(diào)控海氣交換的海洋混合層沒有觀測能力; 大型錨系浮標在全球海洋的數(shù)量稀少且分布不均, 岸基觀測站、地波雷達等受限于近海區(qū)域, 船基觀測成本高且覆蓋范圍有限. 上述手段均無法滿足大范圍、高時空分辨率、高精度的觀測要求, 因此, 需要研發(fā)低成本、智能化的移動式平臺, 可以大批量在海面布放, 同時結(jié)合傳統(tǒng)大型錨定浮標以及新 一代高分辨率衛(wèi)星觀測, 尤其是可以穿透海面的衛(wèi)星遙感技術(shù), 實現(xiàn)對全球海氣界面的觀測“透明”.
(2)海洋多尺度動力過程變異的機理及預測. 海洋運動具有多尺度的特征, 不同尺度的動力過程之間發(fā)生復雜的能量串級, 決定了海洋的能量與物質(zhì)輸送, 同時影響著 海洋動力環(huán)境[27,28]. 目前雖然對單一動力過程已經(jīng)有一定的認識, 但由于缺乏觀測, 對于不同運動尺度之間的相互作用過程及機理認識非常有限[29~32], 制約著海洋環(huán)境與氣候的預測能力及保障能力. 海洋多尺度運動對觀測技術(shù)提出了巨大的挑戰(zhàn), 不僅需要在垂向?qū)崿F(xiàn)高分辨率的長期持續(xù)觀測, 并能對中小尺度運動過程開展智能自適應加密觀測, 如海洋渦旋、鋒面、臺風誘導的海洋過程等[33]. 潛標和水下滑翔機等觀測手段只適用于點、面采樣觀測, Argo 浮標雖然面向全球大洋, 但缺乏機動性難以對中小尺度過程進行三維高分辨智能觀測[34~37]. 因此, 需要新型觀測手段, 既具有垂向高分辨的長期觀測能力, 又具備區(qū)域精細觀測能力, 甚至能夠在極端條件下(如極端天氣、臺風和戰(zhàn) 場環(huán)境等)實現(xiàn)快速、集中的應急機動部署, 以滿足我們對海洋多尺度過程的長期、連續(xù)觀測需求.
(3) 深海大洋熱與碳吸收的關(guān)鍵過程與機制. 深海大洋的長期觀測目前幾乎是空白, 對深海的變化了解甚少. 20 世紀 90 年代末以來盡管全球CO2 含量持續(xù)增加, 但全球地表平均溫度出現(xiàn)增溫停滯現(xiàn)象(global warming hiatus). 最近研究指出, 這種增溫停滯現(xiàn)象與深海大洋熱量吸收密切相關(guān)[38,39]. 這些熱量在深海如何進行再分配? 對深海動力和生物地球化學環(huán)境造成什么影響? 深海對熱和碳的吸收能力是否會達到飽和? 回答這些重大問題都需要我們有能力對深海尤其是 2000 m 以下的海洋有更加清晰的認識. 但是目前 Argo 陣列只具有對淺于2000 m 的海洋進行觀測的能力[40], 因此我們需要具備長期、連續(xù)和高精度觀測能力的儀器裝備對全球 2000 m 以下深海大洋進行系統(tǒng)性觀測, 以更好地認識和評估深海熱和碳的吸收能力.
(4) 深海物理與地球化學環(huán)境變化對資源和氣候的影響. 海洋是一個物理、生物地球化學和地質(zhì)過程相互交織的系統(tǒng), 但受研究手段的局限, 對大洋深海生物地球化學 環(huán)境及生物資源的研究相對匱乏. 第二屆全球海洋觀測大會明確提出未來海洋觀測必須向多學科綜合同步觀測的方向發(fā)展, 以解決人類活動和氣候變化雙重脅迫下海洋所面臨的壓力[41]. 因此, 基于海洋科學的多學科交叉特性, 對觀測手段和平臺綜合性提出很高的要求, 需要發(fā)展基于水下機動載體、低功耗、高精度、低漂移多傳感器為特征的新型海洋觀測集成技術(shù), 以滿足我們對全球深海大洋的長期綜合觀測的現(xiàn)實需求.
(5) 探索洋底過程、觀測深海資源-能源-災害分布規(guī)律和異常. 目前對海底成藏、成礦的認識還極其低下, 海底通過何種方式和何種機制影響海洋水體也停留在表面認識上, 需要盡快實施多技術(shù)綜合海底觀探測, 發(fā)展快速海底物質(zhì)調(diào)查、移動與原位相結(jié)合的探測技術(shù)、海底地球物理場長時間觀探測與實時監(jiān)測追蹤關(guān)鍵技術(shù)等核心技術(shù)體系研究, 推動海底科學的發(fā)展[42,43]. 我國海底天然氣 水合物即將工業(yè)化開采, 對海底穩(wěn)定性監(jiān)測、海底環(huán)境保護迫在眉睫; 海底洋中脊金屬礦產(chǎn)開采區(qū)塊確定也迫切需要從科學上精選成礦富集區(qū)帶, 以滿足《聯(lián)合國海洋法公約》規(guī)定的勘探權(quán)區(qū)塊要求, 因此發(fā)展海底科學觀探測技術(shù)是非常必要、非常緊迫的.
綜上, 多尺度、多學科交叉下的海洋物質(zhì)能量循環(huán)和深海大洋動力過程及氣候資源效應是目前全球海洋研究的重大科學問題, 因此構(gòu)建“透明海洋”立體觀測網(wǎng)絡, 支撐上述科學問題的解決, 是推動科技創(chuàng)新的重要舉措, 將極大提升我國在全球海洋科技的地位.
3 構(gòu)建“透明海洋”立體觀測網(wǎng)絡的舉措
“透明海洋”立體觀測網(wǎng)將聚焦海洋與氣候變化、健康海洋、海洋生命過程、跨圈層流固耦合、快速變化的極地系統(tǒng)等重大前沿海洋科學問題, 通過海洋觀探測技術(shù)研發(fā) 和平臺整合, 建設面向深遠?？茖W前沿的精細化、多要素空中-水面-水下-海底的立體觀測網(wǎng), 提升全球海洋尤其是 “兩洋一?！钡暮Ｑ蟓h(huán)境信息綜合、實時、高分辨率的獲取和信息服務能力, 為推動海洋跨尺度和跨圈層多學科交叉的原始創(chuàng)新、構(gòu)建新一代海洋模擬和預測系統(tǒng)、組織并發(fā) 起我國主導的國際海洋科學計劃提供重要基礎(chǔ).
基于我國當前在深遠海立體觀測系統(tǒng)初期建設的基礎(chǔ), 以相對成熟的潛標、浮標等固定觀測平臺為骨架, 以科考船隊聯(lián)合開展斷面觀測為補充, 以新型海洋觀測技術(shù) 手段和新型衛(wèi)星等為突破口, 通過整合現(xiàn)有資源和成果, 研發(fā)一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)及裝備, 布局建設海洋三維高分衛(wèi)星遙感(天空)、海氣界面觀測系統(tǒng)(水面)、深海觀探測系統(tǒng)(水下)和海底觀探測系統(tǒng)(海底)4個立體層次的觀測網(wǎng)絡, 建立海洋觀測數(shù)據(jù)智能分析處理中樞系統(tǒng).
概括來講, “透明海洋”立體觀測網(wǎng)的建設內(nèi)容要分為三方面: 觀探測技術(shù)研發(fā)、立體觀測網(wǎng)絡構(gòu)建、智能分析處理中樞系統(tǒng).
3.1 觀探測技術(shù)研發(fā)
發(fā)展海洋觀測新概念、新原理和新方法, 自主研發(fā)小型化、智能化、高精度的動力環(huán)境、生物地球化學要素、生物基因、聲場、電磁和重力等方面的新型多學科傳感器, 打破美國和歐洲相關(guān)國家等海洋強國在傳統(tǒng)海洋傳感器方面的壟斷地位; 開展新概念、新體制海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)研發(fā), 構(gòu)建深遠海遙感標定實驗場, 實現(xiàn)衛(wèi)星海洋遙感從中尺度到亞中尺度再到小尺度、從二維海面到三維上層海洋、從海洋標量場到向量場的遙感觀測.
圍繞全海深觀測能力建設, 突破耐壓、功耗、導航、平臺穩(wěn)定性、傳感器搭載能力等多方面限制, 研發(fā)新一代多參數(shù)跨學科自主式水下航行器、遙控無人潛水器、水下滑翔機及新體制移動基觀測設備; 突破大流量、全天候、全海深、安全可靠實時傳輸, 水下實時通訊, 傳感器協(xié)同觀測, 能源補給等多方面關(guān)鍵技術(shù), 研發(fā)譜系化實時浮、潛標及新概念固定基觀測設備.
研發(fā)界面過程直接觀測設備, 形成海氣和水固界面長期連續(xù)觀測能力; 發(fā)展船載高精度地磁儀和重力儀, 拖曳式高精度三分量地磁儀和萬米級海底地震儀等地球物理勘探儀器; 形成對多圈層現(xiàn)場觀測和地球物理探測聯(lián)合觀測能力, 加速界面互作過程與跨圈層氣流固耦合機制研究步伐.
發(fā)展深海生命過程(微生物等)DNA、RNA、代謝和酶催化等生理學原位觀測技術(shù), 研發(fā)超高分辨率微生物結(jié)構(gòu)顯微成像等形態(tài)學原位觀測技術(shù), 實現(xiàn)深海極端環(huán)境下生命生理學與形態(tài)學同步原位觀測, 研制深海生命過程研究微型實驗站, 形成深海原位觀測與室內(nèi)分析測試互補一體化檢測能力.
3.2 立體觀測網(wǎng)構(gòu)建
“透明海洋”立體觀測網(wǎng)分為 4 個層次的網(wǎng)絡,包括: 天基觀測網(wǎng)、全球海氣界面觀測網(wǎng)、深遠海水體觀測網(wǎng)和深遠海海底觀測網(wǎng)(圖1).
圖 1 “透明海洋”立體觀測網(wǎng)概念圖
(1) 天基觀測網(wǎng)(“海洋星簇”計劃). 針對亞中尺度海洋現(xiàn)象、海洋近溫躍層垂直剖面信息缺乏、極地大洋探測等需求, 開展新機制衛(wèi)星遙感載荷關(guān)鍵技術(shù)研究, 實現(xiàn)中尺度到亞中尺度、二維到三維、微波與光學獨立觀測到聯(lián)合同步的觀測. 同海洋水色衛(wèi)星、海洋動力衛(wèi)星組網(wǎng)觀測, 建立全天候、全譜段、多參數(shù)的海洋綜合信息探測能力.
“海洋星簇”計劃將在國際上首次實現(xiàn)同步搭載干涉成像高度計和海洋激光雷達的衛(wèi)星觀測新體制, 填補海洋衛(wèi)星遙感從中尺度識別(約10~100 km)到亞中尺度分辨(1~10 km)的觀測空白; 另外, 該計劃將首次實現(xiàn)從海表二維遙感觀測到水體垂直剖面探測的重大突破.
(2) 全球海氣界面觀測網(wǎng)(“海氣交互”計劃). 發(fā)展海面智能移動和定點錨系平臺互連觀測與探測技術(shù), 構(gòu)建一體化的海氣交互觀測技術(shù)系統(tǒng), 實現(xiàn)對海-氣界面物質(zhì)能量交換的實時觀測和水下移動觀測平臺的通訊中繼. 綜合利用大型錨系海氣觀測浮標、漂流式海氣界面浮標和波浪滑翔器等固定和移動觀測平臺, 構(gòu)建多手段、多源、協(xié)同組網(wǎng)、高時空辨率網(wǎng)格化觀測、數(shù)據(jù)實時通訊等功能于一 體的海氣界面觀測網(wǎng).
“海氣交互”計劃將完成新一代無人智能移動式海氣界面觀測設備研發(fā)與全球應用, 結(jié)合大型錨定浮標構(gòu)建高時空分辨率全球海氣交互觀測網(wǎng). 特別地, 在完善海氣交 互組網(wǎng)觀測技術(shù)的基礎(chǔ)上, 引領(lǐng)新一輪國際海氣通量觀測計劃, 在我國海上利益攸關(guān)區(qū)(南海和西太平洋第二“島鏈” 以內(nèi))建立海氣交互智能觀測示范網(wǎng)絡, 為今后的業(yè)務運行提供技術(shù)支撐.
(3) 深遠海水體觀測網(wǎng)(“深海星空”計劃). 實現(xiàn)深海多參數(shù) Argo 浮標、多參數(shù)水下滑翔機、長航程 AUV 等深海觀探測裝備自主研發(fā)以及實時通信潛標等固定平臺的國產(chǎn)化, 系統(tǒng)融合長期定點實時觀測平臺和移動觀測平臺, 建設涵蓋全球深海大洋特別是“兩洋一海”區(qū)域的先進可靠、互聯(lián)共享的一體化綜合觀測網(wǎng)絡.
“深海星空”計劃通過研發(fā)新一代移動式深海觀測設備, 拓展深海設備水下連續(xù)自主工作的時間、深度和航程, 結(jié)合大型實時潛標構(gòu)建高時空分辨率全球深海觀測網(wǎng). 進一步, 水下固定和移動節(jié)點實現(xiàn)智能優(yōu)化配置、互聯(lián)和雙向?qū)崟r通信, 提高移動節(jié)點定位導航精度, 拓展固定節(jié)點通信中繼、移動節(jié)點接駁等功能. 在深海觀測技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上, 以深海多尺度物質(zhì)能量循環(huán)及其資源環(huán)境效應重大科學問題和國家水下環(huán)境安全保障需求為牽引,構(gòu)建先進、可靠、互聯(lián)、共享的水下一體化深海多學科觀測網(wǎng)絡. 最終融合“海洋星簇”計劃和“海氣交互”計劃, 實現(xiàn)對全球百千米級、“兩洋一?！笔准?、關(guān)鍵通道百米級海洋環(huán)境信息實時獲取.
(4) 深遠海海底觀測網(wǎng)(“海底透視”計劃). 發(fā)展對海底環(huán)境及海底物質(zhì)成分識別、海底背景和異常地球物理場探測等重大前沿技術(shù)體系, 形成海底觀測探測技術(shù)能力, 發(fā)展海底自主高精度定位、新一代接駁技術(shù)和數(shù)據(jù)傳輸技術(shù), 建設以勘測海底過程、重塑海底環(huán)境、探測深海目標為目的海底觀測技術(shù)示范系統(tǒng).
“海底透視”計劃包括五大重點任務, 分別為高精度多 尺度多要素地球物理探測系統(tǒng)、海底地質(zhì)災害監(jiān)測預警系統(tǒng)、海底邊界層綜合探測系統(tǒng)、深海鉆探系統(tǒng)和海底礦產(chǎn)資源勘探與評價系統(tǒng). 上述任務通過建立重/磁/電/震/聲的背景和異常地球物理場探測重大前沿技術(shù)體系, 揭示水體和海底邊界層結(jié)構(gòu)和物質(zhì)組成, 為環(huán)境和目標的立體監(jiān)測體系提供海底基平臺和技術(shù)系統(tǒng), 提升我國海底長時間、全海深、高分辨、多物理場覆蓋的海底綜合信息探測系統(tǒng)技術(shù)能力.
3.3 觀測數(shù)據(jù)智能分析處理中樞系統(tǒng)
研發(fā)機器智能、邊緣計算和大數(shù)據(jù)分析等前沿技術(shù), 建立具有自主智能、自動發(fā)現(xiàn)、自演進的深藍大腦, 形成面向超大規(guī)模、超高維度、超復雜海洋大數(shù)據(jù)的可高速處理的自主智能與協(xié)同控制體系.構(gòu)建基于深藍大腦的深遠海立體觀測網(wǎng)絡中樞系統(tǒng), 實現(xiàn)空間精細、時空連續(xù)、分量完備的海洋大數(shù)據(jù)的智能感知與多網(wǎng)立體協(xié)同觀測體系.
該系統(tǒng)以機器智能為核心的“海洋物聯(lián)網(wǎng)”為中樞神經(jīng) (“深藍大腦”計劃), 實現(xiàn)海洋物聯(lián)網(wǎng)和觀測設備智能管控, 海洋大數(shù)據(jù)智能分析與同化. 在此基礎(chǔ)上, 建設全球十千米級、區(qū)域千米到百米級數(shù)值預報能力的超高精度自驅(qū)動、自發(fā)現(xiàn)和自演進海洋智能模擬器, 解決重大科學任務驅(qū)動下空天地海一體化海洋物聯(lián)網(wǎng)的實時協(xié)同和智能計算. 進一步, 通過建設以機器智能為核心的“海洋物聯(lián)網(wǎng)”中樞系統(tǒng), 自主智能發(fā)現(xiàn)并監(jiān)測海洋現(xiàn)象和海洋過程, 實現(xiàn)任務驅(qū)動的海洋觀測物聯(lián)網(wǎng)智能管控及觀測設備協(xié)同調(diào)度.
目前, “透明海洋”立體觀測網(wǎng)建設初見成效, 特別是深海實時觀測能力實現(xiàn)跨越式發(fā)展. 圍繞全球及核心海區(qū)海洋環(huán)境信息感知能力提升, 聚焦“兩洋一?！? 突破了潛 標數(shù)據(jù)實時可靠傳輸、萬米深淵綜合觀測、多尺度動力環(huán)境同步觀測、極地海區(qū)氣-冰-海邊界層長期實時監(jiān)測等系列技術(shù)難題, 自主研發(fā)了深海潛/浮標、冰基拖曳式海洋剖面浮標及系列深海移動觀測裝備, 建成并推動全球最大的區(qū)域海洋定點觀測網(wǎng)——“兩洋一?！庇^測網(wǎng)進入實時化時代, 大幅提升了高分辨率海-氣耦合預測能力與水平.
經(jīng)過近 10 年建設, 我國構(gòu)建了世界上最大規(guī)模的區(qū)域海洋潛標觀測網(wǎng)——南海潛標觀測網(wǎng), 國際上首次實現(xiàn)蘊含豐富多尺度動力過程的南海深海盆全覆蓋及完整監(jiān) 測觀測; 西太平洋科學觀測網(wǎng)建設持續(xù)推進, 實現(xiàn)大洋上層和中深層的全覆蓋, 并建立了實時觀測數(shù)據(jù)的自動分析和應用平臺, 深海連續(xù)和實時觀測能力穩(wěn)步提升. 迄今, 在“兩洋一?！标P(guān)鍵海域已布放回收超過 500 套深海浮、潛標觀測系統(tǒng), 目前有 108 套深海潛、浮標在位穩(wěn)定運行, 其中深海潛標 100 套(含 25 套深海實時潛標)、大型觀測浮標8 套.
在海洋觀測探測前沿技術(shù)與裝備方面, 自主研發(fā)的 “海燕-X”水下滑翔機工作深度達到 10619 m, 萬米深海研究邁入無人持續(xù)斷面觀測新時代; “海燕-L”長航程水下滑 翔機無故障運行超過 300 d, 航程超過了 4000 km, 刷新國產(chǎn)水下滑翔機連續(xù)工作時間最長、續(xù)航里程最遠紀錄; 深海 4000 m 自持式浮標填補了國內(nèi)空白; 新一代“觀瀾號” 海洋科學衛(wèi)星研制穩(wěn)步推進; 自主研制的新一代深海氣候觀測浮標系統(tǒng)實現(xiàn)準業(yè)務化應用. 上述海洋觀測探測技術(shù) 的迅速發(fā)展為下一步全面構(gòu)建“透明海洋”立體觀測網(wǎng)提供了重要的技術(shù)示范支撐.
4 結(jié)語
圍繞海洋科學認知、氣候變化、資源開發(fā)與權(quán)益維護等國家重大科學與應用需求, 通過布局亞中尺度和次表層主動遙感新體制衛(wèi)星遙感、海氣界面智能定點與移動組網(wǎng)觀測、水下無人智能移動平臺及組網(wǎng)觀測和海底觀探測 4 個立體層次的觀測探測網(wǎng)絡, 建設面向全球的“透明海洋” 立體觀測網(wǎng)絡. 實現(xiàn)“透明海洋”的狀態(tài)透明, 使海洋環(huán)境的觀測感知能力從百千米的大尺度提升到千米級的亞中尺度, 觀探測參數(shù)從物理海洋為主拓展到多學科主要參數(shù), 提升我國在海洋環(huán)境變化、海洋環(huán)境保障和海洋權(quán)益維護等方面的科技能力和水平, 支撐海洋強國建設. 進一步, 我們能夠在國際上引領(lǐng)以多尺度多學科海洋物質(zhì)能量循環(huán)和深海大洋動力過程及其氣候資源效應等若干個重大科學問題的研究, 真正體現(xiàn)海洋強國地位.
致謝 感謝國家自然科學基金委員會海洋科學發(fā)展戰(zhàn)略研究: 2021~2035(L1924024)、海洋數(shù)據(jù)科學發(fā)展戰(zhàn)略研究(L1824025)和西太平洋地球系統(tǒng)多圈層相互作用學術(shù)活動和戰(zhàn)略研究(91858000)資助.
來源｜科學通報
