用“人類的眼睛”透視海底

文／肖寒

靜水流深，在廣袤神秘的深海，海水的運(yùn)動(dòng)有著怎樣的規(guī)律？海溫變化如何影響氣候？如何更加清晰地觀測海洋的動(dòng)態(tài)并進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)？一系列未解的謎題，牽動(dòng)著山東科技工作者們的根根神經(jīng)，2014年山東“透明海洋”科技創(chuàng)新工程浮出水面，讓他們?cè)诓恍柑剿髦蝎@得了一雙又一雙透視深海的“眼睛”。

“科幻小說之父”凡爾納的一部《海底兩萬里》風(fēng)行世界百余年，承載著人們年少時(shí)關(guān)于科幻和航海冒險(xiǎn)的所有夢(mèng)想。而今雖然書中的一些預(yù)言已成現(xiàn)實(shí)，但人類對(duì)海洋深處的探索卻從未止步。靜水流深，在廣袤神秘的深海，海水的運(yùn)動(dòng)有著怎樣的規(guī)律？海溫變化如何影響氣候？如何更加清晰地觀測海洋的動(dòng)態(tài)并進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)？一系列未解的謎題，牽動(dòng)著山東科技工作者們的根根神經(jīng)，2014年山東“透明海洋”科技創(chuàng)新工程浮出水面，讓他們?cè)诓恍柑剿髦蝎@得了一雙又一雙透視深海的“眼睛”。

看透“海底兩萬里”

海洋占地球表面的71%，84%的海洋水深超過2000米，但遺憾的是，人類對(duì)2000米以下的海洋知之甚少，目前覆蓋全球的海洋Argo計(jì)劃浮標(biāo)觀測網(wǎng)，也僅能獲取全球海洋水深2000米以上發(fā)生的信息。

青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室由中國海洋大學(xué)等5家駐山東高校和科研單位共同發(fā)起籌建，也是目前“透明海洋”工程的實(shí)施者。“我們正在開展‘透明海洋’科技創(chuàng)新工程，讓2000米以下的海洋變得更透明?！敝锌圃涸菏?、青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室主任吳立新說，“透明海洋”是指針對(duì)特定海區(qū)，實(shí)時(shí)或準(zhǔn)實(shí)時(shí)獲取、評(píng)估海洋環(huán)境信息，通過深入研究，預(yù)測未來一段時(shí)間內(nèi)海洋環(huán)境、氣候及資源的變化，使所觀測的海域?qū)崿F(xiàn)狀態(tài)透明、過程透明和變化透明。

這樣一來，“不用親自潛入海底就能知道海洋里的魚群游向，了解海洋深處的最新情況，預(yù)測未來的變化。”吳立新說，這對(duì)科學(xué)利用海洋，有效保護(hù)海洋，服務(wù)21世紀(jì)“海上絲綢之路”建設(shè)具有重要意義。

馬里亞納海溝是目前世界上已知的最深海溝，位于菲律賓東北、馬里亞納群島附近的太平洋洋底，最深處深度約為1.1萬米，堪稱地球第四極。這里歷來是世界深海研究的焦點(diǎn)，更是難點(diǎn)。海溝的特殊性質(zhì)使其海洋動(dòng)力過程、生物地球化學(xué)過程、生物種群分布及起源、地球深部碳循環(huán)與開闊大洋相比具有不同的特性。馬里亞納海溝是探索海洋動(dòng)力過程、物質(zhì)與能量輸運(yùn)、生物地球化學(xué)過程、殼幔結(jié)構(gòu)及極端環(huán)境下物種起源的最佳天然窗口，也是研究深?？茖W(xué)與技術(shù)的最佳場所。

作為“透明海洋”工程的重要成果之一，科學(xué)家們正是在這里實(shí)現(xiàn)了首次將“人類的眼睛”放入萬米深?！麄儤?gòu)建起全球第一個(gè)馬里亞納海溝海洋科學(xué)綜合觀測網(wǎng)，成功回收了世界首套萬米綜合潛標(biāo)，使深海狀態(tài)變化不再神秘，還成功研發(fā)了三項(xiàng)世界首創(chuàng)性技術(shù)，研制出兩項(xiàng)填補(bǔ)國內(nèi)空白的技術(shù)，并有兩項(xiàng)技術(shù)打破國外壟斷。

想把海洋看通透，需要穩(wěn)定的全球觀測系統(tǒng)。為此，青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合中國海洋大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)，成功研制出4000米深海自沉浮式剖面探測觀測浮標(biāo)，使中國具備了對(duì)全球海洋4000米持續(xù)觀測能力。項(xiàng)目組還成功完成對(duì)世界上最大規(guī)模的區(qū)域海洋潛標(biāo)觀測網(wǎng)——南海、西太平洋潛標(biāo)觀測網(wǎng)的維護(hù)及擴(kuò)充，在國際上首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)蘊(yùn)含豐富多尺度動(dòng)力過程的南海深海盆的全面覆蓋及完整監(jiān)測。這些研發(fā)加速了觀測裝備國產(chǎn)化，有的子項(xiàng)目甚至可以做到所用設(shè)備均為自主研發(fā)。

啟動(dòng)全球最快的海洋“大腦”

“我們將盡快啟動(dòng)E級(jí)超算整機(jī)系統(tǒng)建設(shè)，距離2020年的建設(shè)目標(biāo)只有兩年多的時(shí)間了。”提到“E級(jí)超算”，吳立新非常振奮，“被全世界公認(rèn)為超級(jí)計(jì)算機(jī)界的下一頂皇冠的E級(jí)超算，已成為各國競相爭奪的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。希望能夠通過在海洋領(lǐng)域的應(yīng)用，進(jìn)一步推動(dòng)我們國家在超算領(lǐng)域的發(fā)展?！?/p>

○海洋高端裝備聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的新一代水下滑翔機(jī)——海燕（Petrel-Ⅱ），用于溫度、鹽度、深度參數(shù)采集，生物、地震、海嘯等聲音信息采集等。圖／何延海The new-generation underwater glider – Petrel II independently developed by the United Laboratory for High-End Marine Equipment is used for acquisition of such parameters as temperature, salinity and depth, and the acquisition of sound information concerning living beings, earthquakes and tsunami.

海洋科研的發(fā)展離不開超級(jí)計(jì)算機(jī)。全球歷代最快超算都率先用于以海洋為核心的地球科學(xué)。青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室已擁有目前全球海洋科研領(lǐng)域運(yùn)算速度最快的P級(jí)超級(jí)計(jì)算機(jī)，每秒運(yùn)算速度最快可達(dá)2600萬億次，構(gòu)建了目前全球速度最快的千公里級(jí)超遠(yuǎn)距離、百G毫米級(jí)超低延時(shí)超算互聯(lián)網(wǎng)。

2018年7月，在青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室超算平臺(tái)舉行的全球海洋院所領(lǐng)導(dǎo)人會(huì)議上，海洋天然產(chǎn)物三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫正式啟用，3萬余個(gè)海洋天然產(chǎn)物的準(zhǔn)確三維結(jié)構(gòu)等重要數(shù)據(jù)向全球開放共享。就在日前，依托這個(gè)數(shù)據(jù)庫，青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室的專家們針對(duì)非洲豬瘟的病原體特征，通過超算進(jìn)行虛擬篩選，迅速從陸生和海洋天然產(chǎn)物數(shù)據(jù)庫中，鎖定了16種陸生天然產(chǎn)物和59種海洋天然產(chǎn)物，用于研發(fā)控制疫情。

“這也進(jìn)一步證實(shí)，利用超算建立的智能超算海洋創(chuàng)新藥物篩選技術(shù)體系，在應(yīng)對(duì)突發(fā)性傳染疾病時(shí)具有重要作用，而海洋天然產(chǎn)物，也為應(yīng)對(duì)突發(fā)性傳染疾病提供了無限可能。”超算平臺(tái)專家說。自2016年12月投入應(yīng)用至今，超算平臺(tái)在青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室面向全球發(fā)起的透明海洋、深海極地、藍(lán)色生命等大科學(xué)計(jì)劃中發(fā)揮著不可或缺的重要作用。其中，啟用了海洋天然產(chǎn)物三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，共享3萬余個(gè)海洋天然產(chǎn)物的準(zhǔn)確三維結(jié)構(gòu)等藥物智能篩選重要數(shù)據(jù)信息。

“海洋天然產(chǎn)物三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫是‘藍(lán)色藥庫’的基礎(chǔ)，有了三維結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫，才能對(duì)藥物進(jìn)行一系列深化研究。這個(gè)數(shù)據(jù)庫的建立在很多藥物研究過程中起基礎(chǔ)性作用?！鼻鄭u海洋國家實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)主任、中國工程院院士管華詩表示，運(yùn)用超算，他們正在構(gòu)建顛覆性的海洋藥物研發(fā)體系，兩年完成了過去20年的海洋藥物苗頭分子發(fā)掘，極大地提升了海洋藥物開發(fā)的速度與效率。

○青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室聚集了一批國際領(lǐng)軍科學(xué)家。圖／何延海The Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao) has brought together a number of world-leading scientists.

○海洋腐蝕與防護(hù)開放工作室，為開發(fā)利用海洋資源的工程提供技術(shù)支持和保障。圖／何延海The Open Studio for Marine Corrosion and Prevention provides support and guarantee for projects developing and utilizing marine resources.

因?yàn)槌悖Ｑ笳兊迷絹碓健巴该鳌?。在青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室高性能科學(xué)計(jì)算與系統(tǒng)仿真平臺(tái)主任魏志強(qiáng)看來，超算平臺(tái)已成為海洋人工智能和大數(shù)據(jù)公共支撐平臺(tái)。同時(shí)，青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室構(gòu)建的全球速度最快的千公里級(jí)超遠(yuǎn)距離百G超算互聯(lián)網(wǎng)，能匯集有效計(jì)算資源達(dá)130P，其計(jì)算能力目前是國際海洋領(lǐng)域最快，全球屈居第二。

將建立準(zhǔn)確的海洋模擬系統(tǒng)

據(jù)青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室不完全統(tǒng)計(jì)，“透明海洋”工程相關(guān)課題目前已獲得了超過6億元科技資金支持。除了加深對(duì)海洋的認(rèn)識(shí)，還有一項(xiàng)重要功能就是開展海洋科技基礎(chǔ)性、公益性的關(guān)鍵技術(shù)研究和突破，影響和改善民生。

青島海洋國家實(shí)驗(yàn)室教授陳顯堯介紹，由大型綠藻滸苔形成的綠潮在南黃海連年暴發(fā)，長達(dá)10年之久，對(duì)山東、江蘇沿岸的旅游業(yè)和海水養(yǎng)殖業(yè)造成了巨大危害。每年夏季，受綠潮影響的地區(qū)，政府部門都需要投入大量人力、物力，對(duì)沿海一線綠藻進(jìn)行收集、打撈和處理?！巴该骱Ｑ蟆惫こ虡?gòu)建了渤黃東海高分辨率精細(xì)化短期預(yù)報(bào)系統(tǒng)，根據(jù)衛(wèi)星遙感反演的滸苔生物量和其他觀測數(shù)據(jù)，建立了滸苔漂移的短期預(yù)報(bào)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一周內(nèi)滸苔的漂移路徑及覆蓋范圍的定量預(yù)報(bào)。

“近幾年，美國、加拿大、日本、歐盟等國家和地區(qū)，都在加快制訂并實(shí)施全球海洋立體觀測系統(tǒng)計(jì)劃，因此建設(shè)中國的全球海洋立體觀測網(wǎng)的需求十分迫切?！鄙綎|省科技廳海洋科技處相關(guān)負(fù)責(zé)人認(rèn)為，“透明海洋”工程可以通過對(duì)海洋資源環(huán)境信息的綜合運(yùn)用，對(duì)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展前景作出預(yù)測。對(duì)于山東來說，“透明海洋”工程產(chǎn)生新技術(shù)、形成新動(dòng)能，將會(huì)帶動(dòng)山東省海洋觀測、海洋工程裝備、海洋油氣資源開發(fā)等產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

○最大工作深度1500米的基于聲吶和水下視覺的深海復(fù)雜環(huán)境下AVU組合導(dǎo)航系統(tǒng)。圖／何延海An AVU integrated navigation system based on sonar and underwater vision in a complicated deep sea environment,with the maximum operating depth of 1,500m.

根據(jù)吳立新的構(gòu)想，“透明海洋”工程共分為海洋星簇、海氣表面、深海星空、海底透視、海洋模擬器5個(gè)子計(jì)劃，分別通過衛(wèi)星遙感、水下機(jī)器人、超算等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋表層、海洋深處、海底等的立體觀測，建立可靠準(zhǔn)確的模擬系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)真正意義上的透視。

“這是一項(xiàng)復(fù)雜的大科學(xué)工程，需要諸多學(xué)科的協(xié)同創(chuàng)新?！眳橇⑿抡f，這絕不是一個(gè)省份、一所科技機(jī)構(gòu)所能支撐的。

以深海星空計(jì)劃為例，吳立新希望能制造出綜合多種傳感器、智能可控的幾千個(gè)水下機(jī)器人，可以實(shí)現(xiàn)水下組網(wǎng)與導(dǎo)航。這項(xiàng)工作不僅難度大、花費(fèi)高，更需要材料、能源、自動(dòng)控制、通信等多個(gè)學(xué)科的協(xié)同研發(fā)。在海洋深處，如何完成大數(shù)據(jù)高速傳輸、如何實(shí)現(xiàn)超長續(xù)航、智能觀測等技術(shù)，都是吳立新團(tuán)隊(duì)目前正在攻關(guān)的難題。

吳立新這樣描述“透明海洋”工程的未來：“科學(xué)家在實(shí)驗(yàn)室就能知道全球海洋正在發(fā)生的事情，如海洋的溫度變化、水聲通道的變化、魚群的變化等，并能做出預(yù)測，國家海洋利益拓展到哪里，‘透明海洋’工程就建設(shè)到哪里?！?/p>

編輯／欒小惠

The Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao) was jointly initiated and built by five universities and R&D institutes in Shandong. It is also the means of implementing the“Transparent Ocean” Project. “We are carrying out a ‘Transparent Ocean’scientific and technological innovation project that allows the ocean below 2,000m to be more transparent,”said Wu Lixin, an academician of CAS and director of the laboratory.“Transparent Ocean” means acquiring and evaluating marine environmental information on specific sea areas in real time or near real time, predicting the changes in marine environments,climate and resources in a future period of time by further studies, and enabling the observed sea areas to achieve a transparent state regarding processes and changes.

According to Wu’s conception,the “Transparent Ocean” Project can achieve the 3D observation on the surface, depths, or bottom of the ocean by means of satellite remote sensing, underwater robotics and supercomputing respectively, and establish a reliable and accurate simulation system to realize perspective effect in a real sense. “This is complicated big science engineering,which needs the collaborative innovation of numerous disciplines,”said Wu Lixin. It cannot be supported by a province or a scientific institute alone.