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专家视点 | 我国海洋科学未来展望

leejiafu 发布于 2022-11-7 10:36 356 0

分类专栏:海洋杂谈

作者:吴立新,荆钊,陈显尧,李才文,张国良,王师,董波,庄光超我国未来的海洋科学研究应瞄准海洋多尺度相互作用与气候变化、跨圈层流固耦合、海洋生命过程、健康海洋与海岸带可持续发展、快速变化的极地系统等重 ...


作者吴立新,荆钊,陈显尧,李才文,张国良,王师,董波,庄光超


我国未来的海洋科学研究应瞄准海洋多尺度相互作用与气候变化、跨圈层流固耦合、海洋生命过程、健康海洋与海岸带可持续发展、快速变化的极地系统等重大科学前沿,凝练关键科学问题,在国内启动一批重大专项,在国际上聚焦“两洋一海”(西太平洋-南海-印度洋)和极地等关键海区,组织并发起我国主导的国际大科学计划,布局依托物联网技术的太空-海气界面-深海-海底的多要素立体观测网,进行前沿核心技术研发以及技术平台整合,开展跨尺度、跨圈层的多学科交叉研究,构建基于人工智能和大数据的多圈层耦合的高分辨率海洋观测与模拟预测系统,抢占海洋科学研究的国际制高点。为实现以上战略目标,结合目前国内外研究现状和发展趋势,提出以下发展方向和具体目标。

海洋能量物质循环及其气候效应

关键科学问题:阐明海洋能量串级和物质循环机理,建立多尺度海气相互作用理论体系,大幅提升海洋和气候变化的预测预报精度,揭示海洋对全球气候变化的响应、反馈和调控机制,为应对极端天气和气候变化提供科学方案,显著提升我国在海洋管理、科学部署地球工程、维系地球宜居性等热点问题的话语权。
关键核心技术:需要发展大型深海超高速运载平台共用技术、水下智能装备平台通信、导航与定位技术、小型核能及新型海洋能源利用技术、四维高分卫星遥感技术以及测量生物地球化学要素和湍流交换过程的新型传感器技术,建立垂向上从海气界面到海底、水平上公里级分辨率,多要素协同观测的海洋观测物联网。另需突破海洋多圈层数据耦合同化、非结构化网格优化等关键技术,完善关键过程参数化方案,发展基于异构众核的高效算法,发展机器学习和人工智能,建立公里级超高分辨率全球及百米级甚高分辨率区域大气-海洋-生态耦合地球系统模拟及预报预测系统,融合多源数据,构架海洋大数据。

海底多圈层耦合与宜居地球

关键科学问题:揭示板块运动驱动和影响机制,阐明地表圈层与地球深部圈层之间的物质循环机理,将地球系统科学从地表圈层拓展到地球深部,建立并完善跨流-固界面和固体多圈层的地球系统科学的理论框架;恢复亚洲大陆边缘高分辨率古气候古环境演化历史,认识海洋记录的海洋和全球气候变化及其规律;认识海底流体活动规律和规模,揭示板块俯冲过程对元素运移和成矿作用的控制规律,阐明海洋资源形成规律,提高资源安全保障;认识海底环境变化规律,揭示天然气水合物分解、海底滑坡和地震活动等地质灾害的机制和影响,提高海底减灾防灾能力,为合理评估海底灾害风险提供科学支撑。
关键核心技术:为了研究海洋流固耦合和深部过程,除常规地球物理探测和海底采样平台外,尚需大洋钻探原位取芯技术,获得深海沉积物和基岩样本;可视化超长岩心水下钻机,与大洋钻探深水作业互补,获得全水深环境沉积物和基岩岩心;岩心高精度扫描技术,原位获得岩心矿物、探测岩心物理性质和化学组成;海底电磁探测技术,揭示海底多界面物质组成;海上无人机海底磁测技术,认识海底磁异常结构;研制具有实时或准实时监测能力的固定式海底地震采集站,获取高分辨率的地震记录,提高对活动断层的监测和预警能力。

蓝色生命过程及其适应演化机制

关键科学问题:利用现代生物学理论和先进技术,通过多学科交叉和协同攻关,建立海洋模式生物研究体系,从遗传、发育、免疫和进化等多维度,分子、细胞、个体等多层次解码蓝色生命现象与演化规律,突破海洋生物学认知的瓶颈与极限,回答海洋生命过程的关键科学问题,形成系统性原创重大成果,引领国际学科前沿。同时,通过前沿尖端技术研发以及技术平台整合,抢占国际海洋生物研究制高点,建立海洋生物资源开发和利用高水平基地和技术平台,为海洋生物资源精准高效利用和绿色发展提供科技支撑。
关键核心技术:海洋生命领域的研究缺乏前沿和多学科交叉技术,且系统性集成不足。利用高新技术开发海洋生物资源,是精准、高效利用海洋生物资源,支撑产业绿色可持续发展的重大需求。开发高通量低成本全基因组分析技术,重要海洋生物转基因与基因编辑技术和光遗传学操作,海洋生物空间单细胞组学与单病毒检测示踪技术,生物大分子结构观测及功能解析技术,重要海洋生物活性物质的合成生物学技术。开发、设计、建造用于海洋生物资源调查、评估和开发的静音科考船,搭载各种物理、化学、生物传感器的全海深水下滑翔机以及无人缆控潜器(ROV)、载人深潜器(HOV)、和自主式水下潜器(AUV)等水下观测平台,建立我国主导的大洋钻探平台以及岩心库。构建“船基-潜器-原位-长期”高精度-多尺度深海探测技术体系,发展包括海底原位观测、基于流式细胞术和拉曼光谱等技术的单细胞高通量分离、深海难培养微生物培养、深海生物多光谱人工智能自动识别、深海大型生物的原位智能发现和识别系统、水下精准保真采样、深海生态模拟原位培养系统、深海模式生物研究等技术体系和装备体系,建立深海难培养微生物菌种和基因资源库。

健康海洋与海岸带可持续发展

关键科学问题:揭示主要营养盐、重金属、持久性有机污染物、微塑料等新型污染物在海洋环境中的迁移-转化机制和生态效应,建立陆海统筹污染物管控模式和治理体系;揭示全球气候变化和人类活动影响下的典型海洋生态系统稳态转换机制和生态灾害发生机理;揭示海洋生态系统关键生物功能群存续和环境适应机制,揭示生物毒素、病原微生物的致灾致害机理,构建生态阈值和预警体系,保障海洋食品安全和人类健康;全面评估近海生态系统健康状况和环境承载力,科学预测典型海域生态系统演变趋势。
关键核心技术:健康海洋研究任务实施与海洋环境保护技术密切相关,需要海洋环境观测和信息系统、海洋生态环境技术、全球海洋气候变化与防灾减灾技术等体系支撑,需研发和集成海洋化学和生物生态要素实时/智能监测技术体系、海洋环境污染风险评估技术及与污染物管控模式,建立和完善海洋健康指标体系和评估技术、海洋生态系统演变数值模拟和生态海洋预警预测技术,建立和完善海洋食品安全、人类健康风险评估技术和管控体系,系统化海洋环境污染防治技术、典型生境和生物资源修复技术、生态灾害防控及应急处置技术,构建防灾减灾救灾公共服务技术体系,保障海洋健康和近海海岸带可持续发展。

极地快速变化的机制、影响与适应

关键科学问题:揭示极地冰盖-海冰-海洋系统的形成与演变规律,明确极地系统对全球气候变化的响应机理与反馈作用,实现极地海洋与大气环境在小时、季节到年代际时间尺度的预测,明确极地物理系统、生态环境和资源与人类活动的耦合机制与效应。建立完备的极地观测-探测技术与装备体系,支撑极地基础科学研究及极地开发与治理。
关键核心技术:研发大洋钻探技术,水、冰定年技术,研发极地环境长期观测网建设所需核心技术,包括极地海洋、大气、冰盖、地球物理和生态环境综合观测探测技术、装备和系统的研制,研发适用于极地极端环境下的新材料与新能源,发展极地极端环境下无人观测台站技术,发展极地航运与资源勘探装备技术,研发极地天基遥感科学实验卫星星座并提高地面处理应用能力,建立我国对两极的全天时、全天候观测和数据通信能力。


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