热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响

2017-06-08

中国科学院战略性先导科技专项（A类）“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响（Western Pacific Ocean System：Structure, Dynamics and Consequences，WPOS）”，面向国家重大战略需求和国际海洋科技前沿，从“海洋系统”的角度，以系统内上-中-深层水体、海洋-大气、近海-大洋等多界面的物质能量交换和输运过程为主线，开展热带西太平洋及其邻近海域物理过程、化学过程和生物过程的多时空尺度、多学科综合探测与研究，推动我国深海大洋理论与技术体系的构建和发展，提升我国在国际海洋科学研究中的地位，增强我国探索和认知海洋的能力。

一、主流系与西太平洋暖池变异机制及其气候效应

国际大规模西太潜标观测网初步构建完成。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集，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。以该专项西太潜标观测网为主要支撑的NPOCE国际计划被誉为CLIVAR计划实施20年来西太平洋的成功范例，奠定了我国在全世界对该海域观测研究的核心地位，填补了国际上西太深层环流观测网的空白。

南海数据平台为业务部门提供技术保障。建立的“南海海洋环境数值预报试验平台”（Experimental Platform of Marine Environment Forecasting，EPMEF）成为了相关海域业务预报、相关水文气象保障的主要参考产品。

西边界流动力过程取得重要研究进展。由专项核心专家胡敦欣研究员领衔17位国内外海洋学家和气候学家合作撰写的Pacific western boundary currents and their roles in climate（太平洋西边界流及其气候效应）评述文章在Nature杂志正式发表（图3）。文章系统阐述了有关太平洋环流与气候研究的已有发现和成果，提出了新的假设，指明了该领域今后的研究方向。

自主研制ENSO实时预测模式（IOCASICM）在国际上发声。中国科学院海洋研究所ENSO实时预测模式（IOCASICM）研制成功，开始在http://iri.columbia.edu网站为国际社会定期发布ENSO预报。

二、黑潮及其变异对中国近海生态系统的影响

基本阐明了黑潮影响中国近海的途径与机理。基本查清了黑潮流系的季节变动与长期变化状况、黑潮主干区与东海的多时空尺度水交换过程、大洋中尺度涡旋对黑潮与东海水交换的影响；分析了黑潮入侵南海东北部的路径及时空变化规律；估算了黑潮向东海输入的生源要素通量，初步分析评估多种化学要素和生物物种对黑潮水入侵的指示作用。相关研究成果能够从全水层认识黑潮对中国近海的入侵途径以及水交换通量的长期变化。

初步揭示了中国近海生态系统在人类活动与大洋输入双重作用下的演变机制。科学分析了近海生态灾害状况及其与黑潮输入的潜在联系，基本掌握了长江口邻近海域生态灾害发生情况及其分布状况；建立了涵盖邻近大洋与中国近海的环流模式，提出了黑潮分支影响长江口邻近海域的看法并得到观测资料验证；通过多种方法交叉验证，指出了黑潮次表层水进入东海的入侵通道；发现黑潮区浮游植物可以被输入长江口邻近海域藻华区；建立了较高精度的黄、东海物理-生物耦合的三维生态模型，分析了黑潮入侵东海分支的变化情况及其潜在的生态效应。相关成果确认了黑潮水入侵对长江口外生态灾害多发区的影响，其年际变动对长江口邻近海域生态灾害的发生具有重要的调控作用。

近海灾害评估防控方法与资源修复措施获得广泛应用。（1）改性粘土技术。在北戴河建立了改性粘土消除有害藻华专用基地，组建了应急消除队伍，储备了改性粘土材料，研发、制造了改性粘土专用喷洒设施设备，可以满足现场大面积有害藻华应急消除作业过程中高效、自动化和连续作业等需求，并成功应用于秦皇岛北戴河近海敏感水域暑期有害藻华防控工作中，保障了该海域的水环境安全，产生了重要的社会效益。这一技术已于2015年应用于防城港核电站取水海域球形棕囊藻赤潮的暴发应急治理，为核电站商业化运转时冷却水的取水安全提供保障。（2）近海资源恢复技术与海洋牧场建设。专项依托单位中国科学院海洋研究所联合山东半岛重要海洋农业企业，研发集成了海洋牧场生态安全与环境保障技术，构建了陆海统筹的海洋生态牧场，为山东“海上粮仓”建设提供了有力的科技支撑。獐子岛海洋牧场、莱州湾海洋牧场、牟平海洋牧场、海州湾海洋牧场获批国家级海洋牧场。形成了《关于构建中国特色海洋牧场的建议》专报，被国家有关部门采纳，建议大力推进海洋牧场科学研究、示范建设和产业化推广，推动近海海洋生物资源利用向绿色、循环、低碳发展方向转变，构建中国特色的海洋牧场。围绕近海生境修复和资源恢复等方向的研究工作获得了2014年度山东省科技进步一等奖。

 三、深海海洋环境与生态系统

突破关键技术，建设系统深海探测平台。引领了国内深海科学与技术融合，构建并完善深海环境探测技术与实验研究体系，通过自主研发、优化设计和核心技术突破，形成系统级解决方案，高效运行了国家重大科技基础设施“科学”号海洋综合考察船，集成4 500米水下缆控潜器（ROV）等多套先进仪器设备，构建了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，精准获得了珍贵影像资料和样品，实现了深海取样技术从盲取到精准至保真。把实验室搬到海底，在国际上率先开展高温热液流体的原位拉曼光谱探测，实现了深海大型生物的实验室培养，开辟新的研究方向。

提出光滑俯冲带更易引发大地震的成因机理。传统观点认为“粗糙板块（如海山）俯冲会造成强断层并引发大地震”，研究团队系统利用热流实测数据研究俯冲带大断层的强度，发现有大地震发生的俯冲断层相对于蠕变滑动（无大地震发生）的俯冲断层生成更少的摩擦热，说明有大地震发生的俯冲断层强度更弱，创新性地提出俯冲洋壳的粗糙程度控制着俯冲断层的强度及地震活动性，光滑的俯冲洋壳导致更弱的断层可产生更大的地震。这项颠覆性的理论突破为认识大地震发生的地质条件提供了一条崭新的思路，对地震和海啸的防灾减灾工作有着及其重要作用。该项研究工作2014年8月29日发表于Science杂志。

发现深海新的热液区和新生物物种。2015年度马努斯海盆热液航次，发现两个国际上未报道的热液新区，单个面积约为200米×100米，热液喷口流体以白烟囱和热液溢流为主，最高温度达到120摄氏度（图8）。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。

四、深海探测设备研发

自主式观测系统技术解决了敏感水域观测技术的瓶颈问题。（1）水下滑翔自主观测系统。提高了单台套水下滑翔机的可靠性，重点提升了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。在2014年9—10月的长航程试验中，研制的1 000米级深海滑翔机无故障连续工作了30天，完成了229个1 000米深剖面观测，水平航行距离达到1 022.5公里。（2）长期定点剖面观测型AUV系统。针对敏感海域长期定点连续观测的需求，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，实现了零攻角自主航行与潜浮的控制功能，有效降低了系统功耗，可以达到为期30天的海上连续观测需求。（3）深海热液探测AUV系统实现大深度海底地形地貌大范围精细声光探测。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。

海洋连续观测系统解决了专项急需的观测和作业手段。（1）船载拖曳式光纤温深剖面连续测量系统。该系统是物理海洋领域获取海量“大数据”的新型装备，目前完成了专用温度和压力传感器和高稳态解调仪的研制，突破了任意长度接续和叠加的成链技术，并完成两次50米拖曳海试，为后续研制200米及500米拖曳链提供了技术保障。（2）深海通量与混合观测系统。完成了快速、高精、小型化温度探头的研制，集成了深海通量与混合观测系统并开展了深海试验等工作，验证了潜标式通量与混合观测系统整体设计的可靠性，潜标布放深度达4 300米。（3）深海生态过程长期定点观测系统。创新性地将ROV技术与长期定点观测技术相结合，充分发挥ROV水下作业优势，研究海底生态系统的年际变化规律。可设定采样周期，在能源约束条件下，最大限度采集高质量同步科学数据。（4）6 000米深海科考型电动ROV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”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。

新型海洋系列传感器与采样系统。（1）基于深海ROV的拉曼光谱原位定量探测系统。该系统可为深海科学研究提供一种原位获得深海沉积物和热液喷口流体中溶解的甲烷、硫化氢、二氧化碳、硫酸根的原位浓度以及原位pH值的新技术方法，已经成为深海环境现场观测的发展趋势。2015年突破深海激光拉曼光谱仪及探针等关键器件的技术攻关后，对马努斯热液区的黑烟囱（280℃）、白烟囱（120℃）和热液溢流区（60℃）的热液流体，南海冷泉流体、沉积物孔隙水开展了原位探测研究，取得了标志性成果。（2）深水可视化可控轻型沉积物柱样系统。3 500米级深水可视化可控超长重力活塞式取样系统已经完成多次深海测试及应用作业，获得了热液区沉积物柱状样品，为海洋科学研究提供了丰富的数据资源。目前6 000米级“深水可视化可控轻型沉积物柱样系统技术研究”已完成详细设计。

后记

中国科学院战略性先导科技专项（A类）“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”面向国家重大战略需求和国际海洋科技前沿，以热带西太平洋海洋系统为主要研究对象，从“海洋系统”的视角开展综合性协同调查与研究，在西太暖池对东亚及我国气候的影响机制、邻近大洋影响下的近海生态系统演变规律、西太平洋深海环境和资源分布特征等领域取得了突破性、原创性成果，促进了我国深海研究探测装备的研发与应用，显著提升了我国深海大洋理论研究水平，为我国海洋环境信息保障、战略性资源开发、海洋综合管理、防灾减灾提供了科学依据。与此同时，打造了一支国际先进水平的深海科学研究与技术研发创新团队，促进了我国深海高新技术进步，为实现海洋科技跨越发展，建设“海洋强国”提供了科技支撑。