”透明海洋”大科学计划——五大科学计划：“海洋星簇”、“海气界面”、“深海星空”、“海底透视”、“深蓝大脑”
从远古神话到宇宙飞船，人类从未停止对星辰大海的追寻。随着科技水平的不断提高，人类逐渐揭开了星空的神秘面纱，可我们却对近在身边的大海所知甚少。海洋深处究竟有着怎样神秘的世界？我们能不能让黑暗无边的大海变得透明？
由全国人大常委、海洋试点国家实验室主任委员会主任、中科院院士吴立新及其团队提出的“透明海洋”大科学计划将为我们揭秘深海谜团，让深海不再神秘。
“透明海洋”大科学计划概念图
“透明海洋”大科学计划
——全面提升海洋观测探测能力
随着卫星遥感、大型潜浮标等海洋技术装备的发展，发达国家目前已形成了对全球上层海洋大尺度的信息实时获取能力，并开发出了业务化的海洋预测预报系统。
目前，在我国部分近海，借助岸站、浮标和区域海底实验观测网等观测平台，初步实现了海洋的“状态透明”，但是在开阔大洋区，仅有少量的船测及潜浮标观测，且大部分数据不能实时回传，无法做到“状态透明”（观测），也使得对海洋“过程透明”（机理）认识不足。
“透明海洋”大科学计划是围绕我国海洋环境综合感知与认知、资源开发与权益维护等国家重大需求，以“海洋物联网”技术为核心，面向全球海洋及重点海区的海洋环境与目标信息感知，实施“海洋星簇”、“海气界面”、“深海星空”、“海底透视”、“深蓝大脑”五大计划，提升我国在海洋环境观测预测、海洋权益维护等方面的科研能力和水平，支撑“海洋强国建设”。“透明海洋”大科学计划将为我国在海洋观测探测领域从跟跑、并跑到领跑的转变提供助力。
“海洋星簇”计划
“海洋星簇”计划的目标是通过研发具有自主知识产权的“观澜号”卫星，创新卫星遥感和组网技术，在国际上首次实现将主动微波扫描成像高度计+激光雷达水体剖面同步观测相结合的新体系，构建海洋从中尺度（10-100km）到亚中尺度（1-10km）、表面到海洋上层(500m)的天基观测系统，实现从空中将海洋看透明。
海气界面计划
海气界面计划的目标是发展海面智能移动和定点锚系平台的互连观测与探测技术，利用大型锚系海气观测浮标和漂流式海气观测浮标、滑翔器及无人船等移动观测平台，构建多手段、协同组网、高时空分辨率、网格化观测、数据实时通讯等功能于一体的海气交互观测试验系统，实现对海-气界面关键要素的高时空分辨率、高精度感知；具有水面/水下目标智能探测和自主潜器的操控能力。
波浪滑翔器、白龙浮标
“深海星空”计划
“深海星空”计划的目标是通过研发深海智能浮标、深海Argo、长航程、大深度水下滑翔机、智能水下无人高速航行器等新型深海观测装备，构建智能通信、智能组网、智能探测的海洋物联网核心技术体系，使深海水体变透明。
漂流浮标、大型浮标阵列
“海底透视”计划
“海底透视”计划的目标是发展对海底环境及海底物质成分识别、海底背景和异常地球物理场探测重大前沿技术体系，形成海底观探测技术能力，建设以勘测海底过程、重塑海底环境、探测深海目标为目的的海底观测技术示范系统，为环境和目标的立体监测提供基础平台和技术系统。融合海底观测网、水下通讯、导航定位、智能充电、海底接驳等技术，构建从海底向水体的智能探测网。
“深蓝大脑”计划
“深蓝大脑”计划的目标是发展海洋高分辨率模拟器、人工智能与大数据技术，建设“海洋物联网”中枢系统，完成“海洋物联网”技术体系构架；研发智能超算与控制平台，建设全球亚公里级透明海洋智能模拟器，实现对未来透明海洋系统的智能自驱动、自发现和自演进。
“透明海洋”成果显著
未来可期
“透明海洋”大科学计划实施4年来，成果显著。初步构建了对世界上最大规模的区域海洋潜标观测网——“两洋一海”潜标观测网，突破了潜标实时传输这一全球性难题，首次实现深海数据长周期稳定实时传输并共享应用；“白龙”浮标成功布放印度洋，数据上传GTS实现全球实时共享；国内最大规模海洋智能装备立体组网观测在南海成功进行；高分辨率“两洋一海”海洋-大气耦合预报系统研制成功并进入常态化预报。
吴立新这样描述“透明海洋”工程的未来：“科学家在实验室就能知道全球海洋正在发生的事情以及未来将要发生的事情，如海洋的温度变化、水声通道的变化、鱼群的变化等，并能做出预测，国家海洋利益拓展到哪里，‘透明海洋’工程就建设到哪里。”
揭秘“透明海洋”工程：
何为“透明海洋”？有何建设规划？产生哪些社会价值？
工作人员正在下放温盐深仪，用于探测海水温度、盐度和深度。 资料图片
为何实施“透明海洋”工程？
海洋占地球表面的71%，84%的海洋水深超过2000米。深海巨大的热容量和碳储存量是地球气候系统的调节器，对地球系统的生物地球化学循环和水循环有重要的调控作用。可以说，对气候系统中长期变化的预测能力与水平，在很大程度上取决于对深海大洋的巨大热容量及热输送能力变化的观测、机理认识以及预测能力。
海洋科学研究中的重大发现和科学问题，如大洋环流、中尺度涡旋、厄尔尼诺现象等，往往都是气候长期预测所关注的内容。海洋与气候是今天的一个“超级科学”，它几乎包含了各个学科层面的问题。
我们现在关心碳排放与全球变暖问题，实际上超过三分之一的人类活动所排放的碳被海洋吸收，超过90%的由于温室气体增加所造成的盈余热量被海洋吸收。因此海洋既是碳汇，也是热汇；海洋蒸发是大气中水汽的主要来源，也是大气环流的重要驱动力；海洋与大气的热量交换，是地球气候系统能量流最重要的部分之一，可以调控气候的长期变化。
我国地处东亚季风区。水汽主要来自西太平洋、南海和印度洋，只要这些海域的海温有变化，就会影响东亚地区水汽输送通道的变化。研究不透这些水汽输送大动脉的变化，就没有办法预测东亚气候变化。比如20世纪70年代中期在西北太平洋发生海温从暖到冷的突变，即所谓的70年中期气候突变。最早发现这一现象的不是海洋与气候学家，而是渔业学家。渔业学家在北太平洋发现一些三文鱼的种类及数量在这个时期发生很大的变化，而且在大西洋乃至全球都能监测到。搞清楚未来西北太平洋这种海温突变的频率以及持续时间会发生怎样的变化，能为预测气候变化以及海洋渔业资源管理等提供重要的科学指导。
这些都需要我们加强海洋与气候研究。大洋西边界流、深海混合与经向翻转环流、热带及中纬度海-气相互作用等都是非常关键的，特别是深海大洋对气候的年际到长期变化具有重要的调解作用。因为有比较好的海洋观测支撑，目前我们对热带的海-气相互作用的理论相对较为成熟；但我们对中纬度的海-气相互作用的认识非常有限。其中一个非常关键的过程是大洋副热带西边界流，它承担着海洋热带到中高纬度的热量输送。西边界流沿其路径向大气释放的热量，可以穿越大气边界层到达对流层顶，同时沿其路径不断形成的中尺度涡旋可以改变中纬度大气风暴轴的路径及强度，从而对中纬度天气及气候系统产生重要影响。然而遗憾的是，目前我们非常缺乏对大洋西边界流的长期观测。
因此，要解决海洋科学对气候预测影响这一重大科学问题，我们需要加强海洋观测、变异机理以及预测的协同研究，使其状态、过程、变化透明，从而将海洋变成“透明海洋”。
何为“透明海洋”工程？
“透明海洋”是指针对特定海区，实时或准实时获取和评估不同空间尺度海洋环境信息，研究其多尺度变化及其气候资源效应机理，并以此为基础，预测未来特定一段时间内海洋环境、气候及资源的时空变化。它是一个大科学计划，需要分步骤、有序推进，要从透明陆架海、透明南海，向透明西太平洋-印度洋以及南大洋和两极推进。通俗讲“透明海洋”就是通过建立海洋立体观测系统，获取海洋环境综合信息，建立预测系统，掌握海洋环境变化，实现目标海域“看得清、查得明、报得准”
目前，国际上已经建立了覆盖全球的海洋Argo计划浮标观测网，这对海洋资料的获取提供了重要的平台。科学家在自己的办公室就可以知道全球海洋水深2000米以上发生的变化。Argo计划浮标观测网在全球布放了约4000个浮标，其中大部分来自发达国家，我国的贡献大约为200个。现在的Argo计划只能观测到海平面下2000米，因此国际上正在酝酿第二轮Argo计划，向2000米以下的深海拓展。这不仅是挑战，更是一次难得的机遇。我国应抓住机遇，发展深海观测技术特别是面向全球深海大洋的移动观测技术，以抢占深海大洋研究的制高点，实现我国深海大洋研究跨越式发展。
气候长期预测是长期而艰巨的任务，离不开海洋科学的支撑。我国的深海大洋研究起步晚，基础较为薄弱，有很长的路要走，要将其融入国家发展战略，融入“一带一路”规划中，推进我国海洋强国建设，提高气候预测能力，增强我国在气候国际谈判中的话语权。
鉴于人类对2000米以下的海洋的了解多局限于“点和线”，不够全面和立体。希望通过“透明海洋”工程，可以把2000米以下海洋看通看透。
“透明海洋”从哪方面进行了规划？
一是技术突破。着重加强深海观测系统关键设备与技术研发，特别是水下浮力平台观测技术，形成核心自主产品，提升观测能力，突破国外封锁。
二是观测网拓展。着力提高观测网的时空分辨率，从单一观测拓展为多要素综合观测，形成立体、实时、多学科的观测网。
三是理论创新。深入开展西太平洋—中国海—印度洋与极地环境、气候、资源的协同研究，力争在海洋环境多尺度变化机理及气候资源效应等方面取得重大原始创新。
四是预测系统构建。逐步有序构建起西太平洋—中国海—印度洋气候预测系统以及针对国家具体要求的区域预测系统，形成多层次、多学科、多目标的预测体系。
想把海洋看通透，需要稳定的全球观测系统。为此，青岛国家海洋实验室联合中国海洋大学等科研机构，成功研制出4000米深海自沉浮式剖面探测观测浮标，使我国具备了对全球海洋4000米持续观测能力。项目组还成功完成对世界上最大规模的区域海洋潜标观测网——南海、西太平洋潜标观测网的维护及扩充，在国际上首次实现了对蕴含丰富多尺度动力过程的南海深海盆的全面覆盖及完整监测。这些研发加速了观测装备国产化，有的子项目甚至可以做到所用设备均为自主研发。
根据吴立新的构想，“透明海洋”工程共分为海洋星簇、海气表面、深海星空、海底透视、海洋模拟器5个子计划，分别通过卫星遥感、水下机器人、超算等技术，实现对海洋表层、海洋深处、海底等的立体观测，建立可靠准确的模拟系统，实现真正意义上的透视。
“这是一项复杂的大科学工程，需要诸多学科的协同创新，这绝不是一个省份、一所科技机构所能支撑的。”
以深海星空计划为例，吴立新希望能制造出综合多种传感器、智能可控的几千个水下机器人，可以实现水下组网与导航。这项工作不仅难度大、花费高，更需要材料、能源、自动控制、通信等多个学科的协同研发。在海洋深处，如何完成大数据高速传输、如何实现超长续航、智能观测等技术，都是吴立新团队目前正在攻关的难题。
2017年底，美国国防部高级研究计划局公布了“海基物联网”构想，根据该构想，美国海军可以通过部署数量众多的小型低成本浮标传感器来形成分布式网络，从而在广阔的海洋上实现持久的态势感知。这一构想与我国“透明海洋”工程大致相似，“我们提出时间更早，并已经成功开展前期研究工作，我们已经走在了前面。”吴立新说。
吴立新这样描述“透明海洋”工程的未来：“科学家在实验室就能知道全球海洋正在发生的事情，如海洋的温度变化、水声通道的变化、鱼群的变化等，并能做出预测，国家海洋利益拓展到哪里，‘透明海洋’工程就建设到哪里。”
产生哪些社会价值？
降低海洋灾害强度，带动工程装备等产业转型升级
据青岛海洋国家实验室不完全统计，“透明海洋”工程相关课题目前已获得了超过6亿元科技资金支持。除了加深对海洋的认识，还有一项重要功能就是开展海洋科技基础性、公益性的关键技术研究和突破，影响和改善民生。
青岛海洋国家实验室教授陈显尧介绍，近年来，由大型绿藻浒苔形成的绿潮在南黄海连年暴发，长达10年之久，对山东、江苏沿岸的旅游业和海水养殖业造成了巨大危害。每年夏季，受绿潮影响的地区，政府部门都需要投入大量人力、物力，对沿海一线绿藻进行收集、打捞和处理。“透明海洋”工程构建了渤黄东海高分辨率精细化短期预报系统，根据卫星遥感反演的浒苔生物量和其他观测数据，建立了浒苔漂移的短期预报，可以实现对一周内浒苔的漂移路径及覆盖范围的定量预报。2017年系统进一步应用到黄海浒苔的预警预测中，基于系统预报的浒苔漂移路径及覆盖范围影响，有关单位向青岛市政府提出在浒苔漂移过程中对关键区域进行先期打捞拦截，减缓了浒苔大范围侵入青岛沿海，从而降低了灾害强度。
徐茂波表示，近几年，美国、加拿大、日本、欧盟等国家和地区，都在加快制订并实施全球海洋立体观测系统计划，因此建设中国的全球海洋立体观测网的需求十分迫切。这不仅对国家海洋国土安全、海洋资源利用和海洋保护开发具有重大意义，对山东省发展海洋经济同样具有推动作用。
山东省科技厅海洋科技处处长孙高祚认为，“透明海洋”工程可以及时反映近海以及远洋海洋资源开发状况和开发潜力信息，为实现海水养殖、远洋渔业等合理有序开发提供科学依据；可以及时提供海洋的环境和气候信息，为港口运输、海上捕捞、海上油气开发等作业活动提供安全生产保障。还可以通过对海洋资源环境信息的综合运用，对海洋经济发展前景作出预测。对于山东来说，“透明海洋”工程产生新技术、形成新动能，将会带动山东省海洋观测、海洋工程装备、海洋油气资源开发等产业转型升级。
信息来源：综合自海洋国家实验室官方微信平台 、环球网、经济日报等
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