構建自立自強的海洋科學觀測探測技術體系的思考

吳園濤 任小波 段曉男 文質彬 董丹宏 殷建平 沙忠利 趙宏宇 蔣 磊 江麗霞 沈 剛

1 中國科學院 重大科技任務局 北京 100864

2 中國科學院 科技促進發(fā)展局 北京 100864

3 中國科學院 前沿科學與教育局 北京 100864

4 中國科學院大氣物理研究所 北京 100029

5 中國科學院南海海洋研究所 廣州 510301

6 中國科學院海洋研究所 青島 266071

7 中國科學院沈陽自動化研究所 沈陽 110169

8 中國科學院深?？茖W與工程研究所 三亞 572000

21 世紀，人類進入了大規(guī)模開發(fā)利用海洋的時期，海洋在國際政治、經濟、軍事、科技競爭中的戰(zhàn)略地位不斷提升。海洋強國是指在開發(fā)海洋、利用海洋、保護海洋、管控海洋方面擁有強大綜合實力的國家。美國、歐盟、英國、日本、俄羅斯等相繼推出海洋新戰(zhàn)略和新計劃，力圖搶占海洋科技的制高點[1,2]。2012 年黨的十八大報告中首次提出海洋強國戰(zhàn)略，要求提高海洋資源開發(fā)能力，發(fā)展海洋經濟，保護海洋生態(tài)環(huán)境，堅決維護國家海洋權益。海洋觀測探測是認識海洋的基本手段，是海洋資源開發(fā)、環(huán)境保護和權益維護的重要基礎；構建自立自強的海洋科學觀測探測技術體系，對建設海洋強國具有重要意義。中國科學院作為國家戰(zhàn)略科技力量主力軍，在充分借鑒全球海洋觀測探測技術和網絡建設先進經驗的基礎上，經過十幾年的探索和實踐，初步構建了中國科學院海洋科學觀測探測技術體系，建成了海洋科學綜合觀測探測網絡，對我國構建自立自強的海洋科學觀測探測技術體系發(fā)揮了重要的“先導”作用。

1 全球海洋觀測探測技術發(fā)展和觀測網絡建設淺析

海洋觀測探測技術是以觀測海洋現(xiàn)象、探測海洋目標為主要目的，利用聲、光、電、磁等傳感器及其平臺，對海洋環(huán)境的物理、化學、生物等參數進行感知和分析的一系列技術的統(tǒng)稱[3]。海洋觀測探測技術主要包括海洋遙感技術（航空、航天遙感）、海洋船載觀測技術、海洋浮標潛標技術（錨泊浮標、漂流浮標、潛標等）、海底觀測網技術、海洋機器人技術（載人潛水器、無人潛水器）等。

面向世界海洋科技發(fā)展趨勢、國家海洋安全、經濟社會發(fā)展對海洋科技創(chuàng)新的強烈需求，全球海洋強國紛紛推出海洋戰(zhàn)略計劃，加大對海洋觀測探測的投入力度，組織實施長期或者階段性的海洋觀測探測研究計劃，開展系統(tǒng)科學研究。全球海洋觀測探測計劃，主要包括：熱帶海洋全球大氣計劃（TOGA）、世界大洋環(huán)流實驗（WOCE）、全球地轉海洋學實時觀測陣計劃（ARGO）、西北太平洋海洋環(huán)流與氣候實驗（NPOCE）、全球海洋觀測系統(tǒng)計劃（GOOS）、國際綜合大洋鉆探計劃（IODP）等[4]。全球海洋觀測探測網絡，主要包括：美國海洋觀測網（OOI）、加拿大海底觀測網（ONC）、歐洲海底觀測網（EMOS）、日本海底觀測網（DONET 和 S-net）、中國國家海底科學觀測網等[5]。全球海洋觀測探測網絡呈現(xiàn)區(qū)域與全球相結合，持久性業(yè)務化觀測系統(tǒng)與科學觀測試驗計劃相結合，科學考察船、沿岸臺站、浮標、潛標、海床基、海底有纜網絡、遙感衛(wèi)星和通信網絡等多種觀測通信技術手段相結合的特點。通過統(tǒng)一、通用的數據標準整合各種觀測手段進行協(xié)同工作，形成覆蓋近岸、區(qū)域、全球海域的空天海地一體化觀測探測網絡。目前，建立多學科、分布式、網絡化、互動式、綜合性的智能立體觀測網成為發(fā)展趨勢。

我國的海洋觀測探測是在充分參與、借鑒國際先進經驗的基礎上發(fā)展起來的。20 世紀 50 年代以來，在國家有關部門的大力支持下，我國的科學考察船隊伍不斷擴大，形成了“向陽紅”“東方紅”“雪龍”“實驗”“科學”“探索”“創(chuàng)新”等系列科學考察船體系，組建了國家海洋調查船隊；建立了面向科學研究和業(yè)務化應用的海洋野外臺站網絡，構建了海洋水色、海洋動力和海洋監(jiān)視監(jiān)測三大系列海洋衛(wèi)星，初步形成了以中國自主衛(wèi)星為主導的海洋空間監(jiān)測網，構建了衛(wèi)星海洋遙感業(yè)務化應用體系；發(fā)展了溫鹽深剖面儀、聲學多普勒流速剖面儀、大型浮標等傳感器、觀測設備和觀測平臺，構建了載人潛水器、遙控水下機器人和自主水下機器人的譜系化裝備體系；針對中國近海、西太平洋、東印度洋、南北極等，組織實施了中國近海資源環(huán)境綜合調查與評價、全球變化與海氣相互作用、服務于“21 世紀海上絲綢之路”建設、大洋資源環(huán)境調查專項，以及極地科學考察等；積極參與海洋國際合作，積極推進構建全球海洋命運共同體，取得了一批重要科技進展[6-11]?！笆奈濉逼陂g，我國將組織實施“海洋環(huán)境安全保障與島礁可持續(xù)發(fā)展”“深海和極地關鍵技術與裝備”國家重點研發(fā)計劃專項，建設“國家海底科學觀測網”“冷泉生態(tài)系統(tǒng)研究裝置”等國家重大科技基礎設施；我國科學家提出的“智慧海洋”“透明海洋”“健康海洋”等重大科學計劃正在穩(wěn)步推進[12,13]。這些重大計劃、項目與裝置的順利實施和建設，將對推動我國海洋觀測探測領域從“跟跑”“并跑”到“領跑”的轉變發(fā)揮重要作用。

2 中國科學院海洋科學觀測探測技術體系構建

面向加快建設海洋強國的重大戰(zhàn)略需求，聚焦海洋科技高水平自立自強，中國科學院構建了由海洋科學考察船、海洋觀測野外臺站網絡、海洋機器人技術裝備、海洋綜合基地平臺、海洋國際合作網絡等組成的海洋科學觀測探測技術體系；通過組織航次斷面觀測、站點觀測、機動觀測等，充分利用我國自主構建的全球海洋衛(wèi)星觀測網絡體系，形成了衛(wèi)星、航次、浮標、潛標相結合，多學科、多要素、全水深測量，兼有綜合調查與專項研究功能的海洋科學綜合觀測探測網絡（圖 1）；觀測海域覆蓋中國近海、西太平洋、東印度洋等，實現(xiàn)了監(jiān)測、觀測、實驗、研究與示范的有機結合，對構建中國特色的海洋科學觀測探測技術體系發(fā)揮了重要的“先導”作用。

圖1 中國科學院海洋科學綜合觀測探測網絡示意圖Figure 1 Schematic diagram of marine scientific comprehensive observation and exploration network of CAS

2.1 海洋科學考察船體系

中國科學院海洋科學考察船隊由中國科學院海洋研究所、南海海洋研究所、深?？茖W與工程研究所、煙臺海岸帶研究所、聲學研究所等單位共同組建；擁有從海岸帶、近海到深海大洋的“科學”“實驗”“探索”“創(chuàng)新”4 個系列 11 艘科學考察船（圖 2），以及青島、廣州、三亞 3 個岸基支撐平臺；實行文化理念、管理標準、任務調度、發(fā)展規(guī)劃“四統(tǒng)一”管理體系，船時、裝備、人員等科考資源“三統(tǒng)籌”調配機制，以及船時和數據樣品“雙閉環(huán)”分配機制，以實現(xiàn)科考資源運行效益的最大化。依托海洋科學考察船隊，中國科學院組織實施了中國近海、熱帶西太平洋、東印度洋、馬里亞納海溝深淵等海洋環(huán)境綜合調查航次，組織完成了“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質能量交換及其影響”“南海環(huán)境變化”“深海/深淵智能技術及海底原位科學實驗站”等中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金共享航次項目及相關專項調查任務等。

圖2 中國科學院海洋科學考察船F(xiàn)igure 2 Marine scientific expedition fleet of CAS

2.2 海洋觀測野外臺站網絡體系

中國科學院海洋觀測野外臺站網絡主要面向國家重大戰(zhàn)略和經濟社會發(fā)展需求，針對濱海濕地、海灣、河口、海岸帶、近海、島礁、深海大洋等典型海洋環(huán)境開展長期定點觀測。截至目前，已經建成了黃河三角洲濱海濕地生態(tài)試驗站（以下簡稱“黃河三角洲站”）、牟平海岸帶環(huán)境綜合試驗站（以下簡稱“牟平站”）、黃海海洋觀測研究站（以下簡稱“黃海站”）、膠州灣海洋生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站（以下簡稱“膠州灣站”）、長江口生態(tài)系統(tǒng)研究站（以下簡稱“長江口站”）、東海海洋觀測研究站（以下簡稱“東海站”）、粵東上升流區(qū)海洋生態(tài)系統(tǒng)綜合觀測研究站（以下簡稱“汕頭站”）、廣東大亞灣海洋生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站（以下簡稱“大亞灣站”）、湛江海洋經濟動物實驗站（以下簡稱“湛江站”）、海南三亞海洋生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學觀測研究站（以下簡稱“三亞站”）、西沙海洋環(huán)境觀測研究站（以下簡稱“西沙站”）、南沙海洋生態(tài)環(huán)境實驗站（以下簡稱“南沙站”）等 12 個海洋觀測站，其中膠州灣站、大亞灣站、三亞站和西沙站是國家野外科學觀測研究站。海洋觀測野外臺站、航次斷面調查（開放航次）、區(qū)域觀測網（南海海底觀測網、西太平洋潛標觀測網）等，共同組成了中國科學院海洋科學綜合觀測網絡體系（表 1）。

2.3 海洋機器人技術裝備體系

中國科學院海洋機器人技術裝備體系主要面向海洋科學觀測探測和深海礦產資源勘查的實際需要，構建了我國具有全部自主知識產權的海洋機器人技術體系；形成了以“海翼”系列水下滑翔機，“潛龍”“探索”系列自主水下機器人，“海斗”系列自主/遙控水下機器人，“海星”系列遙控水下機器人，以及“深海勇士”號 4 500 米載人潛水器和“奮斗者”號全海深載人潛水器等裝備為代表的系列深海裝備（圖3）；正在推進深海/深淵海底原位科學實驗站建設；打造了“載人和無人相結合、有纜和無纜相結合、固定和移動相結合”的海洋機器人機動觀測探測體系，使我國擁有了深海/深淵、大洋、極地的探測能力。在單體技術成熟的基礎上，中國科學院在國內率先開展了系列多海洋機器人集群組網立體觀測，在國內率先開展空海一體化協(xié)同觀測試驗，刷新中國載人和無人深潛新深度，實現(xiàn)了綜合觀測、探測和作業(yè)能力跨越式提升。

圖3 中國科學院海洋機器人技術裝備體系Figure 3 Marine robot technology and equipment system of CAS

2.4 海洋綜合基地平臺體系

中國科學院海洋綜合基地平臺體系主要由綜合性中心和示范基地組成，其在若干重要領域發(fā)揮牽頭總體的作用。例如：中國科學院海洋科學數據中心主要基于海洋科考及觀測網絡，整合現(xiàn)有數據資源，實現(xiàn)數據與計算的耦合，建設標準規(guī)范、系統(tǒng)集成、高效共享、綜合展示的海洋科學大數據中心，服務于海洋科學發(fā)現(xiàn)和管理決策。中國科學院南海海洋技術與系統(tǒng)試驗基地主要開展南海特定海區(qū)環(huán)境特性與聲場規(guī)律研究、海洋環(huán)境觀測信息獲取、集成與應用技術、海洋裝備與系統(tǒng)試驗技術等，建立科學、高效的海上試驗保障體系，為我國海洋環(huán)境保障等提供重要的科技支撐。中國科學院島礁綜合研究中心是我國深遠海重要的島礁科研民事平臺，形成了“以美濟園區(qū)為主，永暑、渚碧兩站為輔”的平臺布局，聚焦南海關鍵海區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)演變、地質環(huán)境變化、生態(tài)環(huán)境安全和立體觀測等方面開展協(xié)同研究，為中國及南海周邊國家提供相關海洋科技支撐服務。

2.5 海洋國際合作網絡體系

中國科學院海洋觀測國際合作體系主要由海外聯(lián)合觀測平臺等組成，并在國際合作方面發(fā)揮引領帶動作用。中國科學院與俄羅斯、美國、法國、葡萄牙、斯里蘭卡、巴基斯坦等國家相關機構保持密切戰(zhàn)略合作。例如：中國-斯里蘭卡聯(lián)合科教中心開展了印度洋海洋氣候變化、海洋氣象防災減災技術研究，設立了實體性海洋觀測定點站，初步建成了熱帶印度洋海洋氣象立體觀測網絡。中國-巴基斯坦地球科學研究中心開展了印度洋海洋生物多樣性、海洋災害風險評估技術等研究，建設了首套北印度洋海嘯監(jiān)測與預警系統(tǒng)。中國-葡萄牙星海聯(lián)合實驗室面向全球海洋、氣候等重大科學問題，打造空海網絡化立體監(jiān)測系統(tǒng)，開展深海環(huán)境過程研究，構建特殊生態(tài)系統(tǒng)模型，推動空間與海洋的一體化、智能化研究。此外，中國科學院為中法海洋衛(wèi)星研制的微波散射計在軌工作正常，由其采集的全球海面風場和海浪譜等監(jiān)測數據質量達到國際先進水平。

在海洋科學觀測探測技術體系和綜合觀測探測網絡的支撐下，中國科學院強化國家戰(zhàn)略科技力量的使命擔當，積極組織承擔國家重大任務，組織實施了熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質能量變化及其影響、海斗深淵前沿科技問題研究與攻關、南海環(huán)境變化、深海智能技術與海底原位科考站等戰(zhàn)略性先導科技專項，強化“三重大”產出導向，形成“1（1 個戰(zhàn)略科學家指引方向）+X（若干重大科技任務提供保障）+N（多個全國優(yōu)勢力量集智攻關）”的新時代海洋科技創(chuàng)新模式[14]。中國科學院“入南海、出兩洋、下深淵、拓兩極”，組建了海洋科學考察船隊，建設國際一流的深遠海綜合觀測探測技術體系，顯著提升我國深遠海觀測探測與研究能力；持續(xù)開展中國近海和臨近大洋綜合科學考察，建設了西太平洋實時觀測網、島礁綜合中心、海外聯(lián)合觀測站等，為推動全球海洋治理提供有效科技支撐；構建了世界先進的縱貫海面—水體—深淵—海底的海洋技術裝備體系，使我國具備了深海/深淵、大洋和極地探測與作業(yè)能力，引領我國的深?？瓶歼M入萬米時代；帶動了我國海洋科學和技術的全面提升，為我國經略海洋和建設海洋強國提供了重要科技支撐。

3 思考與展望

建設海洋強國是實現(xiàn)中華民族偉大復興的重大戰(zhàn)略任務，需要加快推動海洋科技實現(xiàn)高水平自立自強。在肯定成績的同時，我們也要清醒地認識到，與高水平科技自立自強的要求相比，我國的海洋科學觀測探測技術還存在制約發(fā)展的若干問題，主要表現(xiàn)在原創(chuàng)性、引領性創(chuàng)新能力不強，大洋中深層等關鍵區(qū)域海洋數據匱乏，核心裝備智能化水平不高，關鍵核心技術攻關能力不足，以及國家戰(zhàn)略科技力量布局需要強化等，亟待在以下 3 個方面加強布局。

（1）加強頂層設計，推動國家戰(zhàn)略需求和科技前沿問題“雙引擎”。加強戰(zhàn)略謀劃和頂層布局，圍繞海洋資源開發(fā)、海洋經濟開發(fā)、海洋生態(tài)環(huán)境保護、海洋權益維護等明確的國家戰(zhàn)略需求進行體系化頂層設計；同時，要高度重視面向世界科技前沿的基礎性、理論性、原創(chuàng)性重大科學問題研究，組織發(fā)起以我為主的全球海洋觀測探測大科學計劃，推動實現(xiàn)滿足國家重大戰(zhàn)略需求和引領世界科技前沿“雙引擎”。

（2）強化科技攻關，瞄準最緊急、最緊迫的關鍵問題持續(xù)發(fā)力。堅持需求導向、問題導向、目標導向，從國家急迫需要和長遠需求出發(fā)，瞄準海底科學觀測探測網絡技術、島礁綜合立體觀測技術、極地觀測探測技術、深海載人和無人智能技術、深海極端環(huán)境探測技術、深海大型科考站能源供給技術等戰(zhàn)略急需方向持續(xù)攻關，加強原創(chuàng)性、引領性科技攻關，加強學科和領域深度交叉，攻克一批“卡脖子”關鍵核心技術，解決一批制約我國海洋強國建設的“瓶頸”問題。

（3）創(chuàng)新體制機制，充分發(fā)揮海洋領域國家戰(zhàn)略科技力量作用。發(fā)揮國家作為重大科技創(chuàng)新組織者的作用，充分發(fā)揮海洋領域國家實驗室、全國重點實驗室等國家戰(zhàn)略科技力量作用，充分調動戰(zhàn)略科技人才積極性，組織實施好國家海底科學觀測網、冷泉生態(tài)系統(tǒng)裝置、海底原位科學實驗站、全球海洋立體觀測網等國家重大科技任務，推動海洋科學觀測探測與業(yè)務化預報體系的有機銜接，推動海洋強國標志性重大創(chuàng)新成果產出。

中國的海洋觀測探測已經站在新的、更高的起點上，正在邁向高水平科技自立自強的征程中。構建自立自強的海洋科學觀測探測技術體系，需要加強頂層設計、強化科技攻關、創(chuàng)新體制機制，加快打造原始創(chuàng)新策源地，加快突破關鍵核心技術，為我國加快海洋強國建設提供強有力的科技支撐。