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专家视点 | 我国海洋灾害防治的关键性和基础性科学问题
作者：齐庆华
我国海洋灾害防治的关键性和基础性科学问题
全球气候变化与区域海洋的响应和反馈
全球气候变化与区域海洋的响应和反馈具有时空非一致性和非均一性。尤其是由于能量物质流的输运具有方向性, 当能量物质增加时, 相关要素梯度大值区 (常为灾害源区) 等区域将产生对外源胁迫 (如全球变暖) 响应的放大器效应, 进而对区域海洋环境变化和变率、气候变迁 (方向、速度或幅度) 以及物候演进和迁移产生影响。
调控我国近海区域海洋的重要气候系统环境包括南北两极、青藏高原 (第三极) 、暖池 (第四极) 和黑潮等强西边界流以及副热带高压和季风等。基于对区域海洋内部自然变率以及外部线性和非线性胁迫的深刻理解, 重点围绕海-陆-气分布格局、热动力差异以及相应的要素梯度和旋度分配, 揭示气候系统环境以及气压或环流系统、遥相关型等区域性气候变率的交互影响;其关键在于, 基于滤波和降噪等信号处理技术的提升以及纯粹性指标和指数的建立, 探求其内在关联。同时, 对简单问题关注因果关系, 而对复杂问题关注相关关系及其稳定性, 主要与影响因子调控和节律的时空层次性、主控占优的阶段性和选择性的相互作用有关。应以大气和海洋变异为主线, 从有效位能等不同能量形式以及热量、蒸发散、动量、涡量和水分等的交换、传输、阻塞、转换和配置等角度, 结合能量物质循环和热动力学, 尤其是有关耦合波、瞬变波、流、势、涡度和散度等的波动和环流动力学理论, 系统和深入地阐释全球气候变化与我国近海区域海洋响应和反馈的层次、关系和作用机制。深入认识和理解全球气候变化背景下二元选择范式或时空密度流转窗口等扰动胁迫配置方式, 多圈层能量和物质集中累积的分配格局、耗散变化和通道过程, 以及不同 (特定) 时空层次尺度的功能和作用主体之间互馈的线性和非线性关键过程与形式;掌握海洋灾害复杂关联网络的相关作用体系, 即功能主体、作用关联以及多维元辐射路径的作用主线和动态关系, 进而为全球气候变化背景下我国海洋灾害孕灾环境和灾害生发趋势的变化研究提供重要依据。
本研究提出以群-环-域为主体的体系架构:群为陆地、大气、大洋和近海相互作用的立体格局;环为海-陆-气之间不同时空层次的功能主体之间的互馈作用关系以及相关的涡、波、流等稳态和非稳态的热动力过程与形式;域为研究的系统区域, 可作为全球气候变化等外源胁迫的多维元临界 (图1) 。
图1 全球气候变化与我国近海区域海洋的群-环-域体系架构
该研究思路建立以功能主体为基本结构单元的体系架构, 尤其明确时空层次和尺度, 注重结构与通道过程的结合, 以能量和物质扰动胁迫与功能主体之间的响应和互馈作用关系为主线, 综合线性与非线性的形式, 关注对相关要素可预测性和不确定性的分析以及对扰动-响应-反馈及其维持、循环或螺旋式增长和转换等动态关系的分析与机制研究。此外, 哲学、逻辑结构、时空层次和语义学表达等相关科学思维以及系统论、控制论、耗散结构论、突变论和模糊 (灰色) 系统论等非线性系统理论和技术方法体系尚需深入应用和完善。
全球气候变化背景下海洋灾害风险的特征和规律
基于对外源和内部变率胁迫以及区域气候与海洋系统内的体系架构、互馈作用机制和关键热动力过程的深入认识, 从能量和物质累积、耗散和循环的角度, 关注不同层次和尺度的孕灾方式 (分布不均、破坏协调、多因强化和通道诱导等) , 尤其关注极端过度传输通道和异常集中再配置, 阐释全球气候变化背景下的关键热动力过程和形式 (环境要素梯度大值区的环流形势变化、辐射、锋面、切变、涡旋或涡动热输送、湍流扩散、 (内) 潮波传播以及波流相互作用等) 对海洋灾害生发的通道过程、影响机理和作用贡献。基于全球气候变化与区域海洋的内在关联和归因分析, 结合孕灾环境的渐变性和海洋灾害的突发性, 揭示气候变化下各种海洋灾害的成灾机理、历史演变和未来危险性, 尤其是联合 (触发、协同或互斥) 致灾的新特征和新规律 (图2) 。
图2 全球气候变化背景下海洋灾害致灾危险性的特征和规律
此外, 从非线性科学角度, 逐步发展全球气候变化背景下海洋环境和灾害的混沌学 (扰动机制) 研究以及灾害风险的模糊和动态分析, 结合耗散结构理论和熵理论, 探析海洋灾害演化及其风险, 重点加强对全球气候变化影响下各灾种尤其是巨灾以及链式触发、并发和叠加等联合致灾的可预测性和灾害风险的不确定性研究, 加速提高对未来气候情景下海洋灾害预估和危险性区划的能力。
综合海洋灾害风险评估和海洋灾害防治
定量分析全球气候变化导致的海洋环境异常对海洋生物生态的胁迫和影响机理, 根据海洋生物生态的动态性和多元性, 加强其结构和功能对全球气候变化方向和速率的敏感性研究, 尤其是系统灾害性异常发生的环境阈值测试和分析。
基于对海洋灾害成灾机理和内部过程等的全面认知, 建立和完善相应的多维元 (圈层) 耦合预测模型, 并结合风险管理理论, 关注多致灾因子的协同和叠加效应以及自然生态和社会经济等多承灾体功能构件的暴露度和脆弱性, 考虑人工干预和灾害防范等适应度的提升, 通过多元且合理的评价指标体系和标 (测) 度、适当的综合评价技术方法以及规范的分类和等级表达, 加快推进我国沿海地区自然生态和社会经济系统承灾体的综合风险分布、区划和评估。
加强海洋灾害风险实证研究, 在充分认知海洋灾害系统、灾害损失和灾害风险综合评估的基础上, 兼顾海洋开发利用活动、海洋生态环境保护以及人工干预措施和效能等, 建立海洋灾害应急响应机制。同时, 完善配套措施, 加强对海洋灾害防治策略和政策的系统研究, 创建海洋灾害防治核心技术体系, 强化海洋灾害风险的过程分析和区别管理, 最终构建完善的海洋灾害防治体系。
文章来源：节选自《基于国家海洋治理和全球气候变化的我国海洋灾害防治》，原刊于《海洋开发与管理》2019年2月
作者：齐庆华，自然资源部第三海洋研究所海洋环境管理与可持续发展研究中心