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科学“织网” 认知南海——中国海洋大学专家

作者:信息发布中心  时间:2019-03-19 17:15  点击数:

导读:

  南海,位于中国大陆的南方,连接太平洋和印度洋,南北纵跨约2000公里,东西横越约1000公里,是西太平洋最大的边缘海。南海是“21世纪海上丝绸之路”的重要海域,对我国海洋环境安全保障、海洋权益维护、资源开发利用、气候变化应对和防灾减灾都具有重要科学及社会意义,是我国建设海洋强国的核心战略海区。
  
  然而,由于技术条件有限等多种原因,针对南海的长期连续观测资料极为匮乏,难以满足当前南海环境安全保障、资源开发利用、生态环境保护、气候变化应对等提出的迫切需求。
  
  在国家863计划、国家海洋局专项、国家自然科学基金、中国海洋大学专项经费等项目支持下,中国海洋大学专家团队首次在南海构建了国际上规模最大的区域海洋潜标观测网,实现了恶劣海况下潜标观测数据的实时传输,有效提高了观测数据的时效性,取得诸多在国际上具有重要显示度的科技创新成果,为推进“透明海洋”工程提供了强大助力,奠定了我国在“两洋一海”(即太平洋、印度洋和南海)动力环境观测领域的国际地位。

  攻坚:突破技术瓶颈,自主研发潜标

  潜标整体位于水下,可架装不同深度的海洋传感器,实现全海深海洋动力环境的定点、长期、连续、多层次、多要素同步观测,并具有隐蔽性好、不易被破坏等优点。目前,海洋动力过程观测潜标大多针对某一动力过程设计,集成传感器种类单一,难以满足日益突出的多尺度动力过程观测需求。针对上述不足,中国海洋大学专家团队突破了沿缆往复稳定可靠运动控制、水下沿缆剖面测量等关键技术,集成多尺度动力过程海洋观测仪器,自主研发了“海洋多尺度动力过程观测潜标”等适合深海多尺度观测的系列潜标系统,实现了环流、中尺度涡、内波、混合等多尺度海洋动力过程长期连续观测。
  
  此外,海洋动力环境长期观测尚以自容观测为主,需回收潜标后方能获取观测数据,数据时效性低,难以满足海洋环境保障及预报对观测数据时效性的迫切需求。当前,国内外准实时潜标观测所采用的主要方式分为两类:一类为卫星通信浮子长期位于海面;一类为通过绞车实现通信浮子的自升降。其中,前者浮子易受恶劣海况破坏,后者机械结构复杂可靠性差。针对上述不足,中国海洋大学专家团队突破了深海可靠的电缆破断与电控释放等卫星通信单元发射关键技术,自主研发了“海洋动力过程定时通讯潜标”,有效提高了潜标观测数据的时效性。
  

  中国海洋大学专家团队自主研发以上适合深海长期连续观测的系列深海潜标,并开展了大量长期海上应用检验,性能可靠、工作稳定,相关研发成果获4项国际发明专利及8项国家发明专利授权,大幅提升了我国海洋多尺度动力过程长期观测水平,有力推动了我国海洋深远海定点连续观测技术的发展。
  
  组网:构建区域潜标观测网,形成长期连续观测能力

  为获取南海动力环境长期连续观测数据,国内相关涉海单位在南海相继进行了潜标观测,但布放的潜标数量少、区域有限、时空连续性差、回收成功率低,不能实现对南海多尺度动力过程的全面系统观测。为解决国家对南海动力环境系统长期连续观测数据的迫切需求,自2009年以来,中国海洋大学专家团队基于自主研发的系列深海潜标,在南海开展潜标布放回收航次20余次,总航时826天,组织开展潜标作业累计达12000余人天,累计布放各类潜标350套次,目前同时在位观测潜标42套星空棋牌,实现了南海海域多尺度动力过程长期连续观测;观测海域横跨吕宋海峡、南海深海盆、南海东北部与西北部陆坡陆架区,最长工作时间已接近10年,为世界上规模最大的区域潜标观测网,规模上远超南太平洋环流与气候实验(SPICE)、黑潮延伸体系统研究计划(KESS)、努沙登加拉层结及输运国际联合观测计划(INSTANT)等国际大型区域海洋观测网。
  
  由于长期处于高盐、强流以及内波等极端动力过程等复杂海洋环境下,潜标观测的风险极高,潜标设计、研制、布放及回收等任何一个环节出现差错均有可能导致高价值的观测仪器设备及宝贵观测数据的丢失。国际上大范围开展潜标观测已有数十年的历史,虽然潜标相关技术水平已有显著的提升,但即使是美国、日本等海洋强国,其潜标回收成功率也仅有90%左右。基于多年海上作业经验,中国海洋大学专家团队总结出一套安全高效的规范化、标准化的潜标布放回收作业流程,布放自主研发的各类深海潜标350套次,回收成功率达到100%。在这一国际领先的作业成功率保障下,南海潜标观测网获取了系统完整的南海全海深动力环境长期连续观测数据。
  

         南海潜标观测网构建作业现场 (刘邦华 摄)
  
  中国科学院院士、海洋地质学家汪品先对南海潜标观测网的成功构建给予了高度评价,他说:“南海潜标观测网的成功构建,不仅为实现南海动力环境系统长期连续观测奠定了基础,为研究其水文动力过程时空变异机理提供了宝贵数据,同时也为探讨南海深部沉积搬运过程以及太平洋水体演变、再造边缘海生命史创造了宝贵的条件,是我国海洋科学近年来一项值得表彰的重要进展。”
  
  助力:推动自主海洋仪器产品化,加速海洋跨学科交叉研究

  自“九五”以来,在国家“863计划”的支持下,我国自主研发了技术指标接近或达到国外水平的系列海洋仪器设备,但由于缺乏海洋观测技术成果的深海长期连续检验这一关键环节的外海平台,难以实施海洋仪器设备的稳定性、可靠性等工作性能指标的真实海洋环境下的长期连续检验,极大地制约了国产海洋仪器产品化进程。南海潜标观测网的成功构建打通了国产海洋仪器研发的深海长期连续检验这一关键环节,也为开展南海多学科长期连续观测提供了良好的平台。
  
  借助于南海潜标观测网,中科院声学所、中船重工第七一〇所、中船重工第七一五所等多家海洋仪器设备研发单位,对其自主研发的声学多普勒流速剖面仪、温盐流剖面观测仪等海洋观测仪器设备进行了系列长期海试检验工作,极大地推动了其仪器设备的产品化进程,打破了相关海洋仪器国外产品垄断的局面。
  
  南海是全球多尺度海洋动力过程最为活跃的海域之一,导致其水声特性、生物地球化学过程呈现复杂的空间分布和时间变异特征。然而,由于缺乏多学科长期连续同步观测资料,制约了对南海交叉学科认知水平的提升。南海潜标观测网观测动力过程涵盖深层环流、黑潮、中尺度涡、内波及混合等多尺度动力过程,为开展南海海洋动力与其它学科交叉研究提供了一个理想的跨学科长期同步观测平台。西北工业大学、中科院声学研究所、国家海洋局第三海洋研究所于2016年将十余台水听器架装于南海潜标观测网之上,对南海东北部内波、中尺度涡高发区水下声学特性开展大范围系统观测,并于2017年顺利回收,获取1年左右的水下背景噪声长期连续观测数据,对开展南海东北部背景噪声时空分布及变异机理研究具有重大意义。
  

        国产海洋观测仪器设备海试现场(赵小龙、许行 摄)
  
  中国工程院院士、西北工业大学马远良教授评价说:“南海潜标观测网的构建实现了南海复杂海洋水文动力过程的长期系统监测,为揭示南海海洋水文动力环境时空特征及变化规律提供了宝贵的数据支撑;还为全面剖析南海声场、流场等物理场特征及其调控机理,提供了关键的水文动力环境保障;并为实现水文动力环境场与物理场同步监测奠定了坚实的基础。此项成果十分难得,它对南海水下预警体系的建设、海洋声学研究和装备建设、以及南海水域的航行安全和资源开发,都具有重要的应用价值和推动作用。”
  
  支撑:丰富海洋观测数据库,推动数值模拟与预报模式

  发展南海海洋观测数据库的构建、海洋环境预报的发展及南海海洋科学认知水平的提升等系列工作都需要南海多尺度动力过程长期连续观测数据的支撑。然而,由于长期连续组网观测的缺失,导致南海多尺度动力过程长期连续观测数据极为匮乏,制约了上述工作的开展。南海潜标观测网的成功构建,获取了大量宝贵的长期连续观测数据,极大丰富了我国海洋观测数据库,支撑了系列海洋动力环境要素产品制作,有效推动了我国海洋数值模拟与预报模式的发展,在预报系统的模式检验与优化过程中发挥了关键作用,取得了若干重要科学发现,深化了南海多尺度动力过程生消演变机理与相互作用机制认知水平,有力支撑了南海环流、中尺度涡、内波、混合等多尺度动力过程观测研究的系统开展。
  
  南海潜标观测网自2009年运行以来,获取了大量南海温度、盐度及海流等多尺度动力过程长期连续观测数据,并分批次向国家海洋信息中心汇交,目前已汇交数据占信息中心南海潜标观测数据总比例超过80%,是信息中心海洋长期连续观测数据库的重要组成部分,支撑了海水温度、盐度、海流等关键海洋动力环境要素产品的制作,具有极其重要的科学及社会意义。
  
  潜标长期连续观测数据是海洋数值与预报模式的研发、验证及评估工作不可或缺的重要支撑。南海潜标观测网针对南海多尺度动力过程获取的大量海水温度、盐度及海流等关键要素连续观测数据,成功应用到国家海洋环境预报中心“南中国海业务化数值预报系统”的验证和评估工作中,在预报系统的模式检验与优化过程中发挥了关键作用,有效提升了预报中心对南中国海温度、盐度、海流等关键海洋动力环境要素的预报准确度。
  

       即将被布放至海中的国产海洋观测仪器设备 (刘邦华摄)

  扬帆:科学观测认知南海,助力海洋强国建设

  21世纪是海洋的世纪。党的十九大报告中明确要求“坚持陆海统筹,加快建设海洋强国”。壮大海洋经济、加强海洋资源环境保护、维护海洋权益事关国家安全和长远发展。作为中国近海中面积最大、水最深的海区,南海从经济、军事和政治上考量,都具有极其重要的地位。
  
  “南海是开展海洋多尺度动力过程非线性相互作用和能量级联研究的理想天然试验场。过去,由于种种原因,南海长期连续观测资料匮乏,多尺度动力过程研究面临困难,进展缓慢,其相互耦合作用机制了解甚少。为扭转上述局面,中国海洋大学田纪伟、赵玮教授科研团队构建了国际上规模最大的区域潜标观测网——南海潜标观测网,支撑了南海多尺度动力过程及其相互作用的一些科学发现,从而深化了南海海洋动力学的认知水平。”中国科学院院士、中国科学院海洋研究所研究员胡敦欣教授对于南海在海洋科研领域的独特作用给予了充分肯定。
  
  南海潜标观测网获取的长期连续观测数据,有力支撑了南海环流、中尺度涡、内波、混合等多尺度动力过程科学研究的系统开展:在海洋环流方面,刻画了南海北部环流时间变异特征,探明了南海与太平洋水体交换的时空结构,揭示了太平洋西传中尺度涡对南海北部环流的影响机制;在中尺度涡方面,首次发现了南海中尺度涡的“全水深三维倾斜结构”,剖析了南海北部中尺度涡的生成机制及环流在其中的作用,阐明了能量正级串至亚中尺度过程是中尺度涡消亡的主导机制;在内波方面,系统建立了南海东北部内孤立波的生成、传播、演变及消亡全过程的统计规律,捕捉到了迄今为止全球海洋最大振幅(240米)的内孤立波,探究了ENSO、黑潮入侵、中尺度涡对内孤立波的调控机制,发现了超强台风“鲶鱼”下的海洋弱近惯性响应,揭示了内潮—近惯性内波非线性相互作用对台风下近惯性响应的调控机理;在混合方面,发现了南海北部混合的时间变化规律,指出了内潮和中尺度涡对南海北部混合时间变异的调控机理,揭示了南海深层强混合及其季节变化是调控吕宋海峡深层流季节变异的主要机制。中国海洋大学专家团队上述科学研究成果提升了南海多尺度动力过程及其相互作用的认知水平。自2013年以来,中国海洋大学专家团队基于南海潜标观测网取得的相关成果在国际一流学术期刊发表高水平论文13篇,在国际上取得广泛关注和高度评价。
  
  南海潜标观测网是我国正在实施的“透明海洋”工程的重要组成部分,中国科学院院士、中国海洋大学副校长、青岛海洋科学与技术试点国家实验室主任吴立新指出:“建设海洋强国,离不开海洋科技”,“国家海洋利益拓展到哪里,‘透明海洋’工程就建设到哪里。”(作者:李华昌)
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