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(guó)都把維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益、發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、保護(hù)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(cè)是認(rèn)識(shí)海洋的基本手段, 是海洋經(jīng)濟(jì)開發(fā)、環(huán)境保護(hù)和權(quán)益維護(hù)的基礎(chǔ). 實(shí)施 “透明海洋”戰(zhàn)略, 加強(qiáng)海洋觀測(cè)技術(shù)裝備研發(fā), 建設(shè)海洋綜合立體觀測(cè)體系, 已經(jīng)成為我國(guó)海洋科技創(chuàng)新的一個(gè)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(cè)與探測(cè)技術(shù), 面向全球大洋和特定海區(qū), 以移動(dòng)平臺(tái)為核心, 依托人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù), 實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取多圈層、全海深、高時(shí)空分辨率的海洋綜合環(huán)境與目標(biāo)信息, 并在此基礎(chǔ)上, 預(yù)測(cè)未來特定時(shí)間內(nèi)海洋環(huán)境變化, 實(shí)現(xiàn)海洋的狀態(tài)透明、過程透明、變化透明、目標(biāo)透明, 為國(guó)家海上活動(dòng)安全、海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展和權(quán)益維護(hù)等提供全面精準(zhǔn)的海洋信息技術(shù)支撐與服務(wù).

實(shí)現(xiàn)“透明海洋”, 首先要實(shí)現(xiàn)海洋的狀態(tài)透明, 即具備全球范圍、全水深、多時(shí)空分辨率的海洋信息實(shí)時(shí)獲取能力. “經(jīng)略海洋”集中體現(xiàn)在對(duì)海洋環(huán)境的感知、認(rèn)知及預(yù)測(cè)能力、海洋資源的開發(fā)能力、海洋權(quán)益的維護(hù)能力、海洋生態(tài)環(huán)境的保護(hù)能力上, 而感知海洋是后幾種能力建設(shè)的基礎(chǔ). 實(shí)施“透明海洋”計(jì)劃, 構(gòu)建新一代全球海洋高時(shí)空分辨率立體觀測(cè)網(wǎng), 將極大提升我國(guó)“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(shí)施“透明海洋”計(jì)劃, 構(gòu)建全球海洋高時(shí)空分辨率實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng), 提升全球海洋尤其是“兩洋一海”(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(guó)核心戰(zhàn)略海域的環(huán)境安全保障能力, 可為國(guó)家實(shí)施“一帶一路”倡議保駕護(hù)航, 同時(shí)也造福海上絲路沿線國(guó)家的減災(zāi)防災(zāi)和海洋生態(tài)保護(hù)等.

針對(duì)我國(guó)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(cè)網(wǎng)構(gòu)建, 努力打造海洋高端裝備研發(fā)高地, 實(shí)現(xiàn)系列新型海洋觀測(cè)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(dòng)周邊產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè), 是實(shí)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(shí)質(zhì)性舉措.

當(dāng)前, 隨著衛(wèi)星遙感、大型潛/浮標(biāo)、海洋次表層剖面浮標(biāo)、無人移動(dòng)潛器等海洋技術(shù)和裝備的發(fā)展, 發(fā)達(dá)國(guó)家尤其是美國(guó)和歐盟, 已經(jīng)基本形成了對(duì)全球上層海洋大尺度(百千米級(jí))信息實(shí)時(shí)獲取能力. 20 世紀(jì)末聯(lián)合國(guó)政府間海洋學(xué)委員會(huì)(IOC)、世界氣象組織( WMO)、聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署( UNEP)等聯(lián)合發(fā)起了全球海洋觀測(cè)系統(tǒng) (GOOS)計(jì)劃[2], 初步形成了由海洋衛(wèi)星、浮標(biāo)和沿海臺(tái)站組成的全球業(yè)務(wù)化海洋觀測(cè)系統(tǒng), 這也是目前全球最大、綜合性最強(qiáng)的海洋觀測(cè)系統(tǒng), 并圍繞深海研究啟動(dòng)了若干觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和國(guó)際研究計(jì)劃.

在深海動(dòng)力環(huán)境觀測(cè)方面, 20 世紀(jì)80年代末開始實(shí)施的全球熱帶大洋錨系浮標(biāo)觀測(cè)陣(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(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)陣, 特別是熱帶海洋全球大氣(TOGA)計(jì)劃[6]為人類監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)厄爾尼諾事件奠定了重要的觀測(cè)基礎(chǔ). 20 世紀(jì) 90 年代的世界大洋環(huán)流 實(shí)驗(yàn)(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(cè)、化學(xué)痕量綜合觀測(cè)、衛(wèi)星觀測(cè)、潛標(biāo)長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)、表層和次表層漂流浮標(biāo)觀測(cè). 1998 年開始實(shí)施的地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實(shí)時(shí)觀測(cè)陣 (Argo)[9], 基于 Argo 浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)了全球上層海洋的水文要素準(zhǔn)實(shí)時(shí)觀測(cè), 目前已經(jīng)建成一個(gè)由 4000 枚 Argo 剖面浮標(biāo)組成的覆蓋水域更深厚、涉及領(lǐng)域更寬廣、觀測(cè)時(shí)域更長(zhǎng)遠(yuǎn)的真正意義上的全球 Argo 實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng).

在深海生態(tài)系統(tǒng)和地質(zhì)觀測(cè)方面, 20 世紀(jì)中葉發(fā)起的國(guó)際大洋鉆探計(jì)劃及其后的國(guó)際大洋發(fā)現(xiàn)計(jì)劃(IODP)[10]、20 世紀(jì) 90 年代發(fā)起至今的國(guó)際大洋中脊計(jì)劃 (InterRidge)[11]和 21 世紀(jì)初發(fā)起了海洋生物地球化學(xué)和海洋生態(tài)系統(tǒng)研究計(jì)劃( 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(cè)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(guó)實(shí)施的海洋觀測(cè)先導(dǎo)計(jì)劃(OOI)[13], 基于實(shí)時(shí)潛/浮標(biāo), 自主式水下航行器(AUV)和水下滑翔機(jī)(underwater glider)等多平臺(tái)觀測(cè)裝備實(shí)現(xiàn)其重點(diǎn)監(jiān)測(cè)海域的立體組網(wǎng)觀測(cè).在極區(qū)動(dòng)力環(huán)境觀測(cè)方面, 2009~2014 年美英聯(lián)合實(shí)施了南大洋混合試驗(yàn) ( DIMES)[14], 基于潛標(biāo)、斷面觀測(cè)、漂流浮標(biāo)和示蹤物追蹤等手段, 對(duì)南大洋混合過程及其對(duì)大洋翻轉(zhuǎn)環(huán)流的調(diào)控進(jìn)行了組網(wǎng)觀測(cè).

通過上述觀測(cè)計(jì)劃的實(shí)施, 極大地提高了全球海洋觀測(cè)水平, 促進(jìn)了海洋觀測(cè)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(shí)效性. 在這些大型全球和區(qū)域觀測(cè)計(jì)劃的支撐下, 海洋科學(xué)領(lǐng)域開展了一系列研究計(jì)劃, 包括國(guó)際氣候變化與可預(yù)測(cè)性研究計(jì)劃(CLIVAR)[15]、全球海洋通量聯(lián)合研究計(jì)劃(JGOFS)[16]、上層海洋-低層大氣研究計(jì)劃(SOLAS)[17]、全球有害藻華生態(tài)學(xué)與海洋學(xué)研究計(jì)劃(GEOHAB)[18]等. 這些研究計(jì)劃極大地推動(dòng)了海洋科學(xué)發(fā)展成為一門獨(dú)立學(xué)科, 促進(jìn)了海洋科學(xué)與其他學(xué)科的相互交叉.

我國(guó)也在積極拓展全球海洋觀測(cè)能力, 依托國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃 (“863 計(jì)劃 ”)等發(fā)展了溫鹽深剖面儀 (CTD)和聲學(xué)多普勒流速剖 面儀(拖曳等觀測(cè)平 臺(tái), 發(fā)射了 HY 系列自主業(yè)務(wù)化海洋衛(wèi)星, 并通過國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(“973 計(jì)劃”)、重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和一批專 項(xiàng), 在我國(guó)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(shè)了岸站、常規(guī)斷面、水體及海底的 區(qū)域觀測(cè)網(wǎng).

然而, 我國(guó)在南海和西太平洋等核心海區(qū)初步構(gòu)建的海洋觀測(cè)網(wǎng)主要以潛標(biāo)陣列為主, 對(duì)研究大尺度環(huán)流具有一定的幫助, 但對(duì)于中小尺度過程的觀測(cè)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠, 且數(shù)據(jù)無法實(shí)時(shí)傳輸. 此外, 核心設(shè)備依賴于進(jìn)口, 自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)率較低. 涵蓋海面、水體和海底的立體化海洋觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)尚在探索階段, 且以傳統(tǒng)的觀測(cè)手段與技術(shù)為主, 多數(shù)設(shè)備不具有“智能”性. 空間布局上以區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)、線為主, 存在數(shù)據(jù)孤島, 2000m 以下的深海觀測(cè)幾乎是空白, 缺乏全水深、一體化、實(shí)時(shí)、高時(shí)空分辨的觀測(cè)能力. 目前, 我國(guó)自主獲取的全球海洋環(huán)境信息數(shù)據(jù)總量不到美 國(guó)、日本等國(guó)的 2%, 即使是東海和南海數(shù)據(jù), 也只有美國(guó)、日本等國(guó)的 5%. 在大數(shù)據(jù)及人工智能信息化的新時(shí)代, 上述對(duì)海洋信息感知能力的缺乏, 導(dǎo)致對(duì)諸多海洋重大科學(xué)問題的認(rèn)識(shí)較膚淺, 難以取得重大原創(chuàng)性成果.

總體來講, 當(dāng)前我國(guó)的海洋觀測(cè)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(shí)空分辨低質(zhì)化、數(shù)據(jù)傳輸延滯化等制約, 尚未形成對(duì)全球及核心海區(qū)海洋環(huán)境信息的實(shí)時(shí)、立體、高分辨率、多要素的整體同步獲取能力, 與國(guó)際海洋強(qiáng)國(guó)仍有較大差距. 特別是最近幾次革命性的海洋觀測(cè)技術(shù)計(jì)劃, 我國(guó)貢獻(xiàn)明顯不足, 這與我們對(duì)經(jīng)略海洋的需求和國(guó)際大國(guó)的地位極不相稱, 也使我國(guó)在國(guó)際上牽頭組織并發(fā)起海洋科學(xué)計(jì)劃方面失去主動(dòng)權(quán).

02 海洋科學(xué)重大前沿問題牽引下的海洋觀測(cè)

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(chǔ)存量是地球氣候系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器, 對(duì)地球系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)和水循環(huán)有重要的調(diào)控作用. 對(duì)氣候系統(tǒng)各尺度變化的預(yù)測(cè)能力與水平在很大程度上依賴于對(duì)全球海洋多學(xué)科、長(zhǎng)期連續(xù)、實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)的綜合立體觀測(cè), 但是目前的觀測(cè)能力無法滿足當(dāng)前重大的海洋科學(xué)前沿的需求.

(1) 海氣多尺度相互作用及氣候效應(yīng).

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(rèn)為海氣相互作用主要在大尺度[19~23], 然而近年來的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)中小尺度(十千米到千米級(jí))的海氣相互作用, 對(duì)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(duì)海面要素的觀測(cè)間接反演海氣通量, 對(duì)調(diào)控海氣交換的海洋混合層沒有觀測(cè)能力; 大型錨系浮標(biāo)在全球海洋的數(shù)量稀少且分布不均, 岸基觀測(cè)站、地波雷達(dá)等受限于近海區(qū)域, 船基觀測(cè)成本高且覆蓋范圍有限. 上述手段均無法滿足大范圍、高時(shí)空分辨率、高精度的觀測(cè)要求, 因此, 需要研發(fā)低成本、智能化的移動(dòng)式平臺(tái), 可以大批量在海面布放, 同時(shí)結(jié)合傳統(tǒng)大型錨定浮標(biāo)以及新一代高分辨率衛(wèi)星觀測(cè), 尤其是可以穿透海面的衛(wèi)星遙感技術(shù), 實(shí)現(xiàn)對(duì)全球海氣界面的觀測(cè)“透明”.

(2) 海洋多尺度動(dòng)力過程變異的機(jī)理及預(yù)測(cè).

海洋運(yùn)動(dòng)具有多尺度的特征, 不同尺度的動(dòng)力過程之間發(fā)生復(fù)雜 的能量串級(jí), 決定了海洋的能量與物質(zhì)輸送, 同時(shí)影響著 海洋動(dòng)力環(huán)境[27,28]. 目前雖然對(duì)單一動(dòng)力過程已經(jīng)有一定的認(rèn)識(shí), 但由于缺乏觀測(cè), 對(duì)于不同運(yùn)動(dòng)尺度之間的相互作用過程及機(jī)理認(rèn)識(shí)非常有限[29~32], 制約著海洋環(huán)境與氣候的預(yù)測(cè)能力及保障能力. 海洋多尺度運(yùn)動(dòng)對(duì)觀測(cè)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(zhǎng)期持續(xù)觀測(cè), 并能對(duì)中小尺度運(yùn)動(dòng)過程開展智能自適應(yīng)加密觀測(cè), 如海洋渦旋、鋒面、臺(tái)風(fēng)誘導(dǎo)的海洋過程等[33]. 潛標(biāo)和水下滑翔機(jī)等觀測(cè)手段只適用于點(diǎn)、面采樣觀測(cè), Argo 浮標(biāo)雖然面向全球大洋, 但缺乏機(jī)動(dòng)性難以對(duì)中小尺度過程進(jìn)行三維高分辨智能觀測(cè)[34~37]. 因此, 需要新型觀測(cè)手段, 既具有垂向高分辨的長(zhǎng)期觀測(cè)能力, 又具備區(qū)域精細(xì)觀測(cè)能力, 甚至能夠在極端條件下(如極端天氣、臺(tái)風(fēng)和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境等)實(shí)現(xiàn)快速、集中的應(yīng)急機(jī)動(dòng)部署, 以滿足我們對(duì) 海洋多尺度過程的長(zhǎng)期、連續(xù)觀測(cè)需求.

(3) 深海大洋熱與碳吸收的關(guān)鍵過程與機(jī)制 .

深海大洋的長(zhǎng)期觀測(cè)目前幾乎是空白, 對(duì)深海的變化了解甚少. 20 世紀(jì) 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(jìn)行再分配? 對(duì)深海動(dòng)力和生物地球化學(xué)環(huán)境造成什么影響? 深海對(duì)熱和碳的吸收能力是否會(huì)達(dá)到飽和? 回答這些重大問題都需要我們有能力對(duì)深海尤其是2000m 以下的海洋有更加清晰的認(rèn)識(shí). 但是目前 Argo 陣列只具有對(duì)淺于2000 m 的海洋進(jìn)行觀測(cè)的能力[40], 因此我們需要具備長(zhǎng)期、連續(xù)和高精度觀測(cè)能力的儀器裝備對(duì)全球 2000m 以下深海大洋進(jìn)行系統(tǒng)性觀測(cè), 以更好地認(rèn)識(shí)和評(píng)估深海熱和碳的吸收能力.

(4) 深海物理與地球化學(xué)環(huán)境變化對(duì)資源和氣候的影響.

海洋是一個(gè)物理、生物地球化學(xué)和地質(zhì)過程相互交織的系統(tǒng), 但受研究手段的局限, 對(duì)大洋深海生物地球化學(xué)環(huán)境及生物資源的研究相對(duì)匱乏. 第二屆全球海洋觀測(cè)大會(huì)明確提出未來海洋觀測(cè)必須向多學(xué)科綜合同步觀測(cè)的方向發(fā)展, 以解決人類活動(dòng)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(xué)的多學(xué)科交叉特性, 對(duì)觀測(cè)手段和平臺(tái)綜合性提出很高的要求, 需要發(fā)展基于水下機(jī)動(dòng)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(cè)集成技術(shù), 以滿足我們對(duì)全球深海大洋的 長(zhǎng)期綜合觀測(cè)的現(xiàn)實(shí)需求.

(5) 探索洋底過程、觀測(cè)深海資源-能源-災(zāi)害分布規(guī)律和異常.

目前對(duì)海底成藏、成礦的認(rèn)識(shí)還極其低下, 海底通過何種方式和何種機(jī)制影響海洋水體也停留在表面認(rèn)識(shí)上, 需要盡快實(shí)施多技術(shù)綜合海底觀探測(cè), 發(fā)展快速海底物質(zhì)調(diào)查、移動(dòng)與原位相結(jié)合的探測(cè)技術(shù)、海底地球物理場(chǎng)長(zhǎng)時(shí)間觀探測(cè)與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)追蹤關(guān)鍵技術(shù)等核心技術(shù)體系研究, 推動(dòng)海底科學(xué)的發(fā)展[42,43]. 我國(guó)海底天然氣水合物即將工業(yè)化開采, 對(duì)海底穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)、海底環(huán)境保護(hù)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(xué)上精選成礦富集區(qū)帶, 以滿足《聯(lián)合國(guó)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(xué)觀探測(cè)技術(shù)是非常必要、非常緊迫的.

綜上, 多尺度、多學(xué)科交叉下的海洋物質(zhì)能量循環(huán)和深海大洋動(dòng)力過程及氣候資源效應(yīng)是目前全球海洋研究的重大科學(xué)問題, 因此構(gòu)建“透明海洋”立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò), 支撐上述科學(xué)問題的解決, 是推動(dòng)科技創(chuàng)新的重要舉措, 將極大提升我國(guó)在全球海洋科技的地位.

03 構(gòu)建“透明海洋”立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)的舉措

“透明海洋”立體觀測(cè)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(xué)問題, 通過海洋觀探測(cè)技術(shù)研發(fā)和平臺(tái)整合, 建設(shè)面向深遠(yuǎn)?？茖W(xué)前沿的精細(xì)化、多要素空中-水面-水下-海底的立體觀測(cè)網(wǎng), 提升全球海洋尤其是“兩洋一海”的海洋環(huán)境信息綜合、實(shí)時(shí)、高分辨率的獲取和信息服務(wù)能力, 為推動(dòng)海洋跨尺度和跨圈層多學(xué)科交叉的原始創(chuàng)新、構(gòu)建新一代海洋模擬和預(yù)測(cè)系統(tǒng)、組織并發(fā)起我國(guó)主導(dǎo)的國(guó)際海洋科學(xué)計(jì)劃提供重要基礎(chǔ).

基于我國(guó)當(dāng)前在深遠(yuǎn)海立體觀測(cè)系統(tǒng)初期建設(shè)的基 礎(chǔ), 以相對(duì)成熟的潛標(biāo)、浮標(biāo)等固定觀測(cè)平臺(tái)為骨架, 以科考船隊(duì)聯(lián)合開展斷面觀測(cè)為補(bǔ)充, 以新型海洋觀測(cè)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(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)及裝備, 布局建設(shè)海洋三維高分衛(wèi)星遙感(天空)、海氣界面觀測(cè)系統(tǒng)(水面)、 深海觀探測(cè)系統(tǒng)(水下)和海底觀探測(cè)系統(tǒng)(海底)4 個(gè)立體層次的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò), 建立海洋觀測(cè)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(cè)網(wǎng)的建設(shè)內(nèi)容要分為三方面: 觀探測(cè)技術(shù)研發(fā)、立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建、智能分析處理中樞系統(tǒng).

3.1 觀探測(cè)技術(shù)研發(fā)

發(fā)展海洋觀測(cè)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(dòng)力環(huán)境、生物地球化學(xué)要素、生物基因、聲場(chǎng)、電磁和重力等方面的新型多學(xué)科傳感器, 打破美國(guó)和歐洲相關(guān)國(guó)家等海洋強(qiáng)國(guó)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(yuǎn)海遙感標(biāo)定實(shí)驗(yàn)場(chǎng), 實(shí)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(biāo)量場(chǎng)到向量場(chǎng)的遙感觀測(cè).

圍繞全海深觀測(cè)能力建設(shè), 突破耐壓、功耗、導(dǎo)航、平臺(tái)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(xué)科自主式水下航行器、遙控?zé)o人潛水器、水下滑翔機(jī)及新體制移動(dòng)基觀測(cè)設(shè)備; 突破大流量、全天候、全海深、安全可靠實(shí)時(shí)傳輸, 水下實(shí)時(shí)通訊, 傳感器協(xié)同觀測(cè), 能源補(bǔ)給等多方面關(guān)鍵技術(shù), 研發(fā)譜系化實(shí)時(shí)浮、潛標(biāo)及新概念固定基觀測(cè)設(shè)備.

研發(fā)界面過程直接觀測(cè)設(shè)備, 形成海氣和水固界面長(zhǎng)期連續(xù)觀測(cè)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(jí)海底地震儀等地球物理勘探儀器; 形成對(duì)多圈層現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)和地球物理探測(cè)聯(lián)合觀測(cè)能力, 加速界面互作過程與跨圈層氣流固耦合機(jī)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(xué)原位觀測(cè)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(xué)原位觀測(cè)技術(shù), 實(shí)現(xiàn)深海極端環(huán)境下生命生理學(xué)與形態(tài)學(xué)同步原位觀測(cè), 研制深海生命過程研究微型實(shí)驗(yàn)站, 形成深海原位觀測(cè)與室內(nèi)分析測(cè)試互補(bǔ)一體化檢測(cè)能力.

3.2 立體觀測(cè)網(wǎng)構(gòu)建

“透明海洋”立體觀測(cè)網(wǎng)分為 4 個(gè)層次的網(wǎng)絡(luò), 包括: 天基觀測(cè)網(wǎng)、全球海氣界面觀測(cè)網(wǎng)、深遠(yuǎn)海水體觀測(cè)網(wǎng)和深遠(yuǎn)海海底觀測(cè)網(wǎng)(圖 1).

▲“透明海洋”立體觀測(cè)網(wǎng)概念圖

(1) 天基觀測(cè)網(wǎng)(“海洋星簇”計(jì)劃) . 針對(duì)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(cè)等需求, 開展新機(jī)制衛(wèi)星遙感載荷關(guān)鍵技術(shù)研究, 實(shí)現(xiàn)中尺度到亞中尺度、二維到三維、微波與光學(xué)獨(dú)立觀測(cè)到聯(lián)合同步的觀測(cè). 同海洋水色衛(wèi)星、海洋動(dòng)力衛(wèi)星組網(wǎng)觀測(cè), 建立全天候、全譜段、多參數(shù)的海洋綜合信息探測(cè)能力.

“海洋星簇”計(jì)劃將在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)同步搭載干涉成像高度計(jì)和海洋激光雷達(dá)的衛(wèi)星觀測(cè)新體制, 填補(bǔ)海洋 衛(wèi)星遙感從中尺度識(shí)別(約10~100 km)到亞中尺度分辨(1~ 10 km)的觀測(cè)空白; 另外, 該計(jì)劃將首次實(shí)現(xiàn)從海表二維遙感觀測(cè)到水體垂直剖面探測(cè)的重大突破.

(2) 全球海氣界面觀測(cè)網(wǎng)(“海氣交互”計(jì)劃). 發(fā)展海面智能移動(dòng)和定點(diǎn)錨系平臺(tái)互連觀測(cè)與探測(cè)技術(shù), 構(gòu)建一體化的海氣交互觀測(cè)技術(shù)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)對(duì)海-氣界面物質(zhì)能量交換的實(shí)時(shí)觀測(cè)和水下移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái)的通訊中繼. 綜合利用大型錨系海氣觀測(cè)浮標(biāo)、漂流式海氣界面浮標(biāo)和波浪滑翔器等固定和移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái), 構(gòu)建多手段、多源、協(xié)同組網(wǎng)、高時(shí)空辨率網(wǎng)格化觀測(cè)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通訊等功能于一體的海氣界面觀測(cè)網(wǎng).

“海氣交互”計(jì)劃將完成新一代無人智能移動(dòng)式海氣界面觀測(cè)設(shè)備研發(fā)與全球應(yīng)用, 結(jié)合大型錨定浮標(biāo)構(gòu)建高時(shí)空分辨率全球海氣交互觀測(cè)網(wǎng). 特別地, 在完善海氣交互組網(wǎng)觀測(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上, 引領(lǐng)新一輪國(guó)際海氣通量觀測(cè)計(jì)劃, 在我國(guó)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(cè)示范網(wǎng)絡(luò), 為今后的業(yè)務(wù)運(yùn) 行提供技術(shù)支撐.

(3) 深遠(yuǎn)海水體觀測(cè)網(wǎng)(“深海星空”計(jì)劃). 實(shí)現(xiàn)深海多參數(shù) Argo浮標(biāo)、多參數(shù)水下滑翔機(jī)、長(zhǎng)航程AUV 等深海觀探測(cè)裝備自主研發(fā)以及實(shí)時(shí)通信潛標(biāo)等固定平臺(tái)的國(guó)產(chǎn)化, 系統(tǒng)融合長(zhǎng)期定點(diǎn)實(shí)時(shí)觀測(cè)平臺(tái)和移動(dòng)觀測(cè)平臺(tái), 建設(shè)涵蓋全球深海大洋特別是“兩洋一海”區(qū)域的先進(jìn)可靠、互聯(lián)共享的一體化綜合觀測(cè)網(wǎng)絡(luò).

“深海星空”計(jì)劃通過研發(fā)新一代移動(dòng)式深海觀測(cè)設(shè)備, 拓展深海設(shè)備水下連續(xù)自主工作的時(shí)間、深度和航程, 結(jié)合大型實(shí)時(shí)潛標(biāo)構(gòu)建高時(shí)空分辨率全球深海觀測(cè)網(wǎng). 進(jìn)一步, 水下固定和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)智能優(yōu)化配置、互聯(lián)和雙向?qū)崟r(shí)通信, 提高移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位導(dǎo)航精度, 拓展固定節(jié)點(diǎn)通信中繼、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接駁等功能. 在深海觀測(cè)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(yīng)重大科學(xué)問題和國(guó)家水下環(huán)境安全保障需求為牽引, 構(gòu)建先 進(jìn)、可靠、互聯(lián)、共享的水下一體化深海多學(xué)科觀測(cè)網(wǎng)絡(luò). 最終融合“海洋星簇”計(jì)劃和“海氣交互”計(jì)劃, 實(shí)現(xiàn)對(duì)全球 百千米級(jí)、“兩洋一海”十千米級(jí)、關(guān)鍵通道百米級(jí)海洋環(huán) 境信息實(shí)時(shí)獲取.

(4) 深遠(yuǎn)海海底觀測(cè)網(wǎng)(“海底透視”計(jì)劃). 發(fā)展對(duì)海底環(huán)境及海底物質(zhì)成分識(shí)別、海底背景和異常地球物理場(chǎng)探測(cè)等重大前沿技術(shù)體系, 形成海底觀測(cè)探測(cè)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(shè)以勘測(cè)海底過程、重塑海底環(huán)境、探測(cè)深海目標(biāo) 為目的海底觀測(cè)技術(shù)示范系統(tǒng).

“海底透視”計(jì)劃包括五大重點(diǎn)任務(wù), 分別為高精度多尺度多要素地球物理探測(cè)系統(tǒng)、海底地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)、海底邊界層綜合探測(cè)系統(tǒng)、深海鉆探系統(tǒng)和海底礦產(chǎn)資源勘探與評(píng)價(jià)系統(tǒng). 上述任務(wù)通過建立重/磁/電/震/聲的背景和異常地球物理場(chǎng)探測(cè)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(biāo)的立體監(jiān)測(cè)體系提供海底基平臺(tái)和技術(shù)系統(tǒng), 提升我國(guó)海底長(zhǎng)時(shí)間、全海深、高分辨、多物理場(chǎng)覆蓋的海底綜合信息探測(cè)系統(tǒng)技術(shù)能力.

03 觀測(cè)數(shù)據(jù)智能分析處理中樞系統(tǒng)

研發(fā)機(jī)器智能、邊緣計(jì)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(dòng)發(fā)現(xiàn)、自演進(jìn)的深藍(lán)大腦, 形成面向超大規(guī)模、超高維度、超復(fù)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(lán)大腦的深遠(yuǎn) 海立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)中樞系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)空間精細(xì)、時(shí)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(cè)體系.

該系統(tǒng)以機(jī)器智能為核心的“海洋物聯(lián)網(wǎng)”為中樞神經(jīng)(“深藍(lán)大腦”計(jì)劃), 實(shí)現(xiàn)海洋物聯(lián)網(wǎng)和觀測(cè)設(shè)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(shè)全球十千米級(jí)、區(qū)域千米到百米級(jí)數(shù)值預(yù)報(bào)能力的超高精度自驅(qū)動(dòng)、自發(fā)現(xiàn)和自演進(jìn)海洋智能模擬器, 解決重大科學(xué)任務(wù)驅(qū)動(dòng)下空天地海一體化海洋物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)時(shí)協(xié)同和智能計(jì)算. 進(jìn)一步, 通過建設(shè)以機(jī)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(cè)海洋現(xiàn)象和海洋過程, 實(shí)現(xiàn)任務(wù)驅(qū)動(dòng)的海洋觀測(cè)物聯(lián)網(wǎng)智能管控及觀測(cè)設(shè)備協(xié)同調(diào)度.

目前, “透明海洋”立體觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)初見成效, 特別是深海實(shí)時(shí)觀測(cè)能力實(shí)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“兩洋一海”, 突破了潛 標(biāo)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠傳輸、萬米深淵綜合觀測(cè)、多尺度動(dòng)力環(huán) 境同步觀測(cè)、極地海區(qū)氣-冰-海邊界層長(zhǎng)期實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等系 列技術(shù)難題, 自主研發(fā)了深海潛/浮標(biāo)、冰基拖曳式海洋剖 面浮標(biāo)及系列深海移動(dòng)觀測(cè)裝備, 建成并推動(dòng)全球最大的 區(qū)域海洋定點(diǎn)觀測(cè)網(wǎng)——“兩洋一海”觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)入實(shí)時(shí)化時(shí)代, 大幅提升了高分辨率海-氣耦合預(yù)測(cè)能力與水平.

經(jīng)過近 10 年建設(shè), 我國(guó)構(gòu)建了世界上最大規(guī)模的區(qū)域海洋潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng)——南海潛標(biāo)觀測(cè)網(wǎng), 國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)蘊(yùn)含豐富多尺度動(dòng)力過程的南海深海盆全覆蓋及完整監(jiān)測(cè)觀測(cè); 西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)持續(xù)推進(jìn), 實(shí)現(xiàn)大洋上層和中深層的全覆蓋, 并建立了實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析和應(yīng)用平臺(tái), 深海連續(xù)和實(shí)時(shí)觀測(cè)能力穩(wěn)步提升. 迄今, 在“兩洋一海”關(guān)鍵海域已布放回收超過500 套深海浮、潛標(biāo)觀測(cè)系統(tǒng), 目前有108套深海潛、浮標(biāo)在位穩(wěn)定運(yùn)行, 其 中深海潛標(biāo)100套(含 25 套深海實(shí)時(shí)潛標(biāo))、大型觀測(cè)浮標(biāo) 8 套.

在海洋觀測(cè)探測(cè)前沿技術(shù)與裝備方面, 自主研發(fā)的“海燕-X”水下滑翔機(jī)工作深度達(dá)到10619 m, 萬米深海研究邁入無人持續(xù)斷面觀測(cè)新時(shí)代; “海燕-L”長(zhǎng)航程水下滑翔機(jī)無故障運(yùn)行超過300d, 航程超過了 4000 km, 刷新國(guó)產(chǎn)水下滑翔機(jī)連續(xù)工作時(shí)間最長(zhǎng)、續(xù)航里程最遠(yuǎn)紀(jì)錄; 深海 4000 m 自持式浮標(biāo)填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白; 新一代“觀瀾號(hào)” 海洋科學(xué)衛(wèi)星研制穩(wěn)步推進(jìn); 自主研制的新一代深海氣候觀測(cè)浮標(biāo)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)業(yè)務(wù)化應(yīng)用. 上述海洋觀測(cè)探測(cè)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(cè)網(wǎng)提供 了重要的技術(shù)示范支撐.

04 結(jié)語(yǔ)

圍繞海洋科學(xué)認(rèn)知、氣候變化、資源開發(fā)與權(quán)益維護(hù)等國(guó)家重大科學(xué)與應(yīng)用需求, 通過布局亞中尺度和次表層主動(dòng)遙感新體制衛(wèi)星遙感、海氣界面智能定點(diǎn)與移動(dòng)組網(wǎng)觀測(cè)、水下無人智能移動(dòng)平臺(tái)及組網(wǎng)觀測(cè)和海底觀探測(cè) 4 個(gè)立體層次的觀測(cè)探測(cè)網(wǎng)絡(luò), 建設(shè)面向全球的“透明海洋”立體觀測(cè)網(wǎng)絡(luò). 實(shí)現(xiàn)“透明海洋”的狀態(tài)透明, 使海洋環(huán)境的觀測(cè)感知能力從百千米的大尺度提升到千米級(jí)的亞中尺度, 觀探測(cè)參數(shù)從物理海洋為主拓展到多學(xué)科主要參數(shù), 提升我國(guó)在海洋環(huán)境變化、海洋環(huán)境保障和海洋權(quán)益維護(hù)等方面的科技能力和水平, 支撐海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè). 進(jìn)一步, 我們能夠在國(guó)際上引領(lǐng)以多尺度多學(xué)科海洋物質(zhì)能量循環(huán)和深海大洋動(dòng)力過程及其氣候資源效應(yīng)等若干個(gè)重大科學(xué)問題的研究, 真正體現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)地位.