记海洋动力与生态环境的监测和预测基础理论与技术研究

作者:记者陈佳邑  来源:中国海洋报   发布时间:2018-10-22 09:19:47   [打印本页] [关闭窗口]

  海洋经济在我国经济发展中占据重要地位。然而,由台风引起的灾害性风暴潮、海浪,以及赤潮、绿潮等海洋灾害给沿海地区带来了重大损失,日益威胁我国海洋经济的发展。做好海洋环境监测与预测,及时发布海洋灾害预警报,有效开展灾后应急处理,关系到国民经济的健康稳定和人民福祉。

  为此,自然资源部第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室(SOED)开展了一系列以应用基础研究为主、瞄准国家重大需求的海洋环境动力学研究,在我国近海大洋布放“眼线”,通过海洋环境立体监测和预测理论与技术的发展,为我国海洋防灾减灾与环境监测保驾护航。

  直面海洋灾害挑战

  海洋环境监测及防灾减灾具有相当的复杂性,因为全球海洋面积广大,并且海洋现象往往是多圈层(海洋、大气、地壳和生物)共同作用的结果,可以说,海洋是各种极端天气和气候异常的发动机。

  海洋灾害发生,近海首当其冲。近海是台风、风暴潮等灾害性天气传递到陆地的主要路径,也是陆地营养物、污染物的主要注入场所。近岸地区面积虽小,但人口密集、产业密集。一旦遇到气候异常,或受台风等灾害性天气影响,近海及沿岸地区的生态环境及社会经济将遭受巨大损失。

  在合理利用海洋的同时,必须注重对它的研究与保护。其中,有关海洋灾害的基础调查与机理研究更应放在优先地位。

  2011年,日本发生里氏9级特大地震,导致福岛核电站发生泄漏事故,引发了日本周边乃至大洋彼岸的美国恐慌,因为核电站泄漏出的物质会通过海洋环流,到达美国海域,受核辐射影响的海洋生物有可能会摆放在民众的餐桌上。

  电影《后天》中,北极冰川融化导致海水盐度、密度降低,驱动海洋深层环流的原动力变弱,进而阻止大洋的温盐环流向亚极地输送热量,造成全球气候系统剧烈变化。

  这些都说明,不同圈层之间相互作用、相互影响的密切联系。因此,要系统研究海洋、了解海洋灾害发生机制,就要研究与海洋相关的其他几个关键圈层,以及它们之间的相互关系,掌握其中的物质与能量交换规律。

  实现海洋经济的可持续发展,需要科学有效的管理,做好海洋环境预测预警是应对海洋的基础,而观测又是预警预报的前提。然而,我国海洋环境监测还处于起步阶段,环境预报能力建设较为滞后,动力环境预报准确度也不高。

  发展海洋环境预报,要从以下几个方面着手:一是建立长期观测站,在近海建立一批类似气象观测站的海洋长期观测站,进行水体综合环境监测。二是实现数据共享和分发,建立区域性数据共享中心,形成竞争格局;在国内海洋科研院校之间实现数据共享。三是发展预报模式和技术,在资料共享的情况下,开展不同预报模式、技术的研发,寻找改善预报能力的方法。四是建立产品发布和信息反馈机制。

  从海面到海底  海洋环境全掌控

  服务于海洋环境安全的国家需求,既需要在科学理论上能够创新发展,也需要在学科建设上交叉合作。作为国家创新引领发展的重要平台,卫星海洋环境动力学国家重点实验室长期致力于研究海洋灾害的关键机理过程,通过建立海洋环境立体观测和预测技术与理论体系,推动我国海洋环境观测与防灾减灾能力的发展。

布放近海底层水体缺氧监测综合浮标

  目前,该实验室共设立了海洋卫星遥感技术与应用、海洋动力过程与生态环境、大洋环流与气候变化3个主要研究方向,以及卫星地面站、Argo数据中心、海洋调查设备部和数值计算中心等四大技术支撑平台,针对台风、近海生态等方面的研究需求,施展“十八般武艺”。

  一、布放“浮标阵”捕捉台风全过程

  近年来,全球台风路径的预报技巧明显提升,但强度预报技巧依然滞后,其中一个重要原因就是在台风过程中,难以获得海洋-大气的现场观测数据,使得海洋-台风相互作用过程不清晰,从而限制了台风预报模式的改进。

  在国家重点基础研究发展计划和原国家海洋局全球变化与海气相互作用专项的资助下,实验室于2014年起在我国南海北部先后布放多轮浮标/潜标观测阵列,以及若干Argo浮标,捕捉到多个热带气旋(台风)过程,并连续获取大量可靠数据,填补了台风期间观测资料不足的空白,助推了相关学术研究的大步前进。

  二、多位一体  实现水底缺氧全观测

  近海是支撑海洋经济发展、开展海洋科学研究的前沿阵地。但经济的高速发展和海洋资源的过度开发利用导致各类生态灾害频发,水体缺氧就是其中一种。缺氧会导致有较大经济价值的鱼类逃逸或者死亡,并使生物多样性降低,可能导致缺氧的海域变为“死亡区”。

  在国家科技支撑计划、一系列海洋公益项目和国家基金的资助下,实验室研制出国内首套集气象、物理海洋学、化学和生态观测于一体,上层海洋和底层水体同步观测的缺氧浮标实时监测系统,弥补了我国在连续实时监测水体缺氧状态的技术空白。2009年~2014年夏季,该系统在长江口缺氧区开展实时连续监测;2011年,该系统经受住超强台风梅花的正面冲击,首次获取长江口与缺氧相关的重要水质参数数据。

  此外,该监测系统获取的长时间序列、多学科参数数据,也实现了国内首次对长江口缺氧情况的过程研究。与此同时,实验室也在国内率先开发出了集连续监测和数值预测为一体的长江口缺氧预警系统。这些技术的发展,大大提高了对缺氧的认识水平并加强了预测其发展过程的能力。

  三、从表至底  大范围海域尽收眼底

  传统的海洋调查方法,很难在大范围海域内连续获取同步观测资料,此外,沿海地区繁忙的船舶航运、渔业捕捞等也极大限制了海洋观测活动的开展,而沿海声层析技术可以弥补以上不足,通过利用声学原理及遥感技术,在宽阔的海域测量海洋动力特性。


  2010年,实验室研制出我国第一对沿海声层析仪样机,标志我国突破了在沿海高噪声环境下,单一伪随机声信号的发送、接收、信号处理和沿海声层析仪器异地时钟同步等关键技术,并获得专利。

  2013年,实验室在琼州海峡开展了声层析组网观测实验,并取得成功,标志我国的沿海声层析仪器研发技术达到国际先进水平。同样利用声学原理,实验室还研制出一种锚系于海底的海洋观测仪器——倒置式回声仪(PIES),用于观测海底压强、温度和流速等。

  2012年10月~2014年7月,实验室在南海西北部成功开展国内首次PIES观测,并首次利用实测数据对南海海底压力开展相关研究。

  实验室还将PIES观测研究延伸至日韩等国,并先后在多个重要海区获得第一手资料,极大提高了我国的海洋观测和研究水平,提升了我国PIES观测的全球影响力。

  四、跨尺度模型  海洋环境状况早知道

  推动海洋生态环境、气象灾害机理研究及预测预报技术发展,是实验室的又一重点工作。

  围绕陆海统筹发展的战略思维,实验室引入一套非结构网格SCHISM模型,建立起东中国海高分辨率多尺度模型系统。该模型系统能将河流、河口、近海、大洋等多个尺度的动力系统有机结合,在同一个模型中实现高效的跨尺度水动力学过程模拟和生态动力学过程耦合。未来,该模型将以东中国海主要河流上游的经济发达城市为关注重点,模拟并评估城市污染物随径流入海对中国近海生态环境的影响。

  立足应用  成果丰硕

  自卫星海洋环境动力学国家重点实验室成立以来,实验室汇集了二所在各优势学科上的人才,重点在海洋动力过程与生态环境、大洋环流与气候变化等学科领域开展科研攻关。

  20世纪90年代初,中国科学院院士苏纪兰领衔开启了国内对于海洋生态系统动力学的研究先河。他曾先后两次担任中方首席科学家,与日本开展大规模黑潮及副热带海域联合调查研究,大大提升了我国对黑潮的认识和研究水平,论证了南海暖流与台湾暖流的关系,推动了我国生态系统动力学的发展。

  随后,实验室牵头多个重大研究课题,特别是围绕赤潮、浒苔、水体缺氧等海洋灾害,开展了一系列科学研究,并取得丰硕成果。


  一、突破厄尔尼诺-南方涛动预测瓶颈

  厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)是仅次于季节变化的最强年际变化,它虽然发生于热带太平洋,但通过大气遥相关过程,会对全球气候产生重大影响。然而,由于其发生和发展多受随机过程控制,预测ENSO一直是一道世界性难题。

  作为厄尔尼诺研究的资深专家,中国科学院院士陈大可带领团队长期致力于ENSO机制研究。系统开发了预测模式,突破了限制预测水平和可预测性评估的关键瓶颈,推动了研究进程;系统阐释了海洋混合的物理机制,创建了一个新颖有效的垂向混合模型,为攻克湍流混合这一物理海洋学重大难题提供了新的理论和方法。

  相关研究成果发表在《自然地球科学》等多家国际一流学术刊物上。

  陈大可还带领团队在海洋涡旋、南海环流、黑潮变异、台风与海洋的相互作用等方面开展了一系列研究,获得了前所未有的台风过境时的海气耦合立体观测资料。

  二、致力赤潮监测与预警

  随着我国沿海地区经济不断发展,近岸海域富营养化程度日益加剧,海洋赤潮呈现出发生时间早、时间跨度长、持续时间久、赤潮原因复杂多变、有毒赤潮增多等特点。大规模海洋赤潮的发生加剧了我国近岸海域生态系统的退化,给沿海水产养殖和旅游业带来巨大损失。

  对此,实验室启动863计划“重大海洋赤潮灾害实时监测与预警系统”重点项目,开展了“赤潮遥感监测技术”和“赤潮预警预报、应急及损害评估技术”研究。

  在“赤潮遥感监测技术”研究方面,实验室完成了东海赤潮与水体环境的光谱特征、适合东海赤潮监测的卫星和航空遥感反演算法、多源多时相遥感数据在赤潮监测中的应用研究,并研发出东海遥感赤潮监测服务技术系统。特别是在赤潮提取算法和东海赤潮主要藻种遥感识别技术等方面,取得多项创新性成果,提高了我国近海高浑浊水体复杂条件下自动识别赤潮的准确度。

  三、追根溯源查浒苔

  从2007年开始,每年夏季我国海域都会遭受绿潮侵袭。大量浒苔漂浮聚集到岸边,阻塞航道,破坏海洋生态,严重威胁沿海渔业、旅游业发展。

  苏北浅滩被认为是绿潮的发源地。每到紫菜收割季节,浒苔就会从筏架上剥落,随着潮水进入浑浊的海水。绿潮通常发生于3月~8月之间。3月底便能在江苏近岸监测到零星浒苔,而大规模的浒苔通常会于6月上、中旬抵达青岛。不同年份,绿潮在江苏北部或登陆岸滩,或聚而不登。而此处的浒苔能否离开苏北浅滩,继续向北到达山东近海,一直缺乏直接的动力学证据。

  实验室课题组与兄弟单位紧密合作,并采用漂流瓶和漂流浮标进行拉格朗日粒子追踪,通过海洋动力模式模拟了不同情况下苏北浅滩物质输送的路径。结果显示,只有在南风或者偏南风的帮助下,位于苏北浅滩的物质才能离开该区域并向北移动。

  研究团队还发现,当浒苔到达苏北北部较深海域,逐日上升的海温以及较清澈的海水都有利于浒苔生长,因此一路向北只要有足够的营养盐,就可能导致浒苔的暴发。

  这一系列研究为浒苔由苏北浅滩向北漂移至青岛沿岸等区域首次提供了直接的动力学证据,并很好地解释了浒苔源于苏北浅滩,而成灾于青岛附近海域的异常现象。

  四、长江口生态灾害机理

  近海生态灾害不仅受人类活动的影响,在气候异常条件下,也会突然变得严重。

  实验室近期研究发现,厄尔尼诺-南方涛动也能通过复杂的大气环流,影响中国近海的水文和生态环境。特别是在厄尔尼诺-南方涛动事件的次年夏季,长江口及其毗邻海域藻华暴发的可能性更高,底层缺氧程度更深、面积更大。

  该研究明确了热带大尺度海气信号会对我国近海生态环境造成影响,丰富和提高了人们对近海生态灾害发生机理的认识,未来的生态灾害预报,难度更高,任重道远。