柴扉：把脈海洋預測未來

褚焱

孕育地球生命的海洋，正因人類的活動而發(fā)生著改變。

近年來，赤潮、綠潮、極端缺氧等有害生態(tài)現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)在我國近海。海洋生態(tài)環(huán)境的破壞，已為人類敲響警鐘。而生態(tài)環(huán)境的任何改變，都極有可能導致海洋生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性、漁業(yè)資源的變化，進而影響人類社會的可持續(xù)發(fā)展。

柴扉現(xiàn)任國家海洋局第二研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室主任，20余年來一直從事著物理一生物地球化學模型的研究工作，并在海洋生態(tài)環(huán)境模擬與預測、生態(tài)環(huán)境演變機制和碳循環(huán)等方面做出了國際一流的成果和突出的貢獻。

他說：“我們迫切需要減少科學上的不確定性，摸清和掌握整個生態(tài)系統(tǒng)、尤其是地球上最大的碳庫——海洋的碳收支清單，以及海洋酸化對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響?！?/p>

聚焦海洋生態(tài)環(huán)境

上世紀80年代，柴扉就讀于中國海洋大學（原山東海洋學院）物理海洋學專業(yè)，開啟了一段海洋探索之旅，從此再也沒有離開過。

他的研究內容包括許多：營養(yǎng)鹽在海洋中的輸送，對初級生產力和碳循環(huán)的影響；鐵對全球生產力和碳循環(huán)的影響；人類活動對全球氣候和邊緣海環(huán)境的影響；海洋生態(tài)系統(tǒng)預測……總的來說，弄清海洋如何調控全球碳循環(huán)以及海洋生態(tài)環(huán)境的演變機制是他關注的兩大研究方向。

他告訴記者，由于人類過度使用化石燃料，大量的二氧化碳被釋放到整個地球系統(tǒng)中，其中26%的二氧化碳被海洋吸收，44%的二氧化碳停在了大氣當中。日積月累，如今大氣中的二氧化碳濃度超過400PPM，這是過去一百萬年以來從未出現(xiàn)過的現(xiàn)象。

“這個濃度，依照目前的趨勢，還會繼續(xù)增長。而且二氧化碳作為溫室氣體，肯定會造成全球變暖。如今全球變暖的溫度已經超過了1，2℃，而2015年是0.9℃。過多的熱量集中到海洋里面，這是否會導致海洋吸收二氧化碳的能力改變，這一切還有很多未知和不確定?！?/p>

柴扉坦言，海洋碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，但人類目前對其了解甚少，更是難以預測未來的變化趨勢。如果海洋吸收二氧化碳的能力降低，將會導致更多的二氧化碳停留在大氣當中，加重溫室效應。因此，利用物理和生物化學模型及觀測資料、弄清海洋吸收二氧化碳能力的控制因子，是他和許多科學家致力要解決的問題。

另一方面，全球變暖導致了氣候環(huán)境的變化，不僅使得海水溫度升高，還將伴隨海水酸化。而海洋生態(tài)環(huán)境作為有機的統(tǒng)一體，任何海域某一要素的變化，都有可能對鄰近海域或者其他要素產生直接或間接的影響和作用。

更為嚴重的是，人類的某些活動也在影響著海洋生態(tài)環(huán)境。例如，過度捕撈魚類，使得海洋中的漁業(yè)資源急速下降，導致海洋生態(tài)結構的改變；過多使用化肥，導致海水富營養(yǎng)化，產生一系列生態(tài)災害性事件，包括赤潮的發(fā)生。

生物依賴環(huán)境，環(huán)境影響生物的生存和繁衍。當占據地球表面積71%的海洋生態(tài)環(huán)境遭受破壞，尤其是可能帶來我們不可預知的后果時，弄清海洋生態(tài)系統(tǒng)的演變機理及其預測就變得格外重要，這也一直是國際海洋科學的重大前沿問題。

“海洋生態(tài)系統(tǒng)的演變包含了非常復雜的物理與生物化學過程，一方面，生態(tài)系統(tǒng)的結構、功能及時空演變受物理、化學和生物過程的控制；另一方面，生態(tài)系統(tǒng)變化也會影響碳循環(huán)及全球氣候變化等物理、化學過程。”

面對如此復雜的系統(tǒng)，柴扉首先建立了生物化學系統(tǒng)模型（簡稱“CoSiNE”），該模型描述了多種浮游植物和浮游動物受環(huán)境因素（如溫度、光、流場等）以及各種營養(yǎng)鹽（如氮、磷、硅和鐵等）的影響，以及海洋中的碳循環(huán)。

通過將該模式與區(qū)域動力學模型（簡稱“ROMS”）耦合，他建立了ROMS-CoSiNE耦合模式。該耦合模式已被成功用來研究北太平洋初級生產力的年代際變化，赤道太平洋海域營養(yǎng)鹽的時空變化，鐵元素以及硅元素在高營養(yǎng)鹽低葉綠素海域對浮游植物以及整個生態(tài)系統(tǒng)的影響，以及中國南海初級生產力受環(huán)境因素的影響等。

緊接著，他又將ROMS-CosiNE同漁業(yè)模式耦合，來分析以及預報漁業(yè)資源（如金槍魚和鳀魚）的種群和數量分布，以及溫度和初級生產力對魚類分布及生長過程的影響。

這些模型的建立和完善，為研究和預測海洋生物動力學演變過程提供了關鍵手段和方法。目前，他已成功將該些模型應用于中國近海，揭示了氣候變化對太平洋及邊緣海碳循環(huán)的影響過程，并量化了邊緣海碳的過程和收支平衡的變化規(guī)律。

雖然取得了一些成果，但在柴扉看來，他還有很長的路要走。每當談起海洋生態(tài)環(huán)境變化趨勢，他的心情總是沉重的?！霸谌祟惢顒雍腿蜃兓p重壓力影響下，我國近海生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，生態(tài)環(huán)境安全和海洋經濟可持續(xù)發(fā)展受到嚴重威脅。我們亟需從科學的角度闡明我國近海生態(tài)環(huán)境變化的核心機制，并發(fā)展物理一生態(tài)耦合數值預報技術，提升我國海洋環(huán)境安全保障能力?！?/p>

為此，2016年，由他負責的國家重點研發(fā)計劃“海洋環(huán)境安全保障”重點專項——中國近海與太平洋高分辨率生態(tài)環(huán)境數值預報系統(tǒng)已經開始啟動。該項目擬針對我國近海與鄰近太平洋，建立能融合多源觀測的高分辨率物理一生態(tài)耦合模式，自主研發(fā)海洋生態(tài)環(huán)境業(yè)務化數值預報系統(tǒng)。

“通過項目研究，我們不僅能了解和認識生態(tài)環(huán)境變化的規(guī)律，更重要的一點是為中國近海的經濟發(fā)展提供一些科學的建議?！辈耢榭偨Y道。

走進學科交叉

多年來，柴扉一直圍繞著學科交叉探索海洋的秘密。在他看來，多學科的交叉背景能使自己更加宏觀、多角度地看待復雜的海洋生態(tài)系統(tǒng)。而當初使他走上這條交叉研究之路的，則是一次偶然的相遇。

在普林斯頓大學攻讀碩士期間，柴扉得到了杜克大學Richard T，Barber教授的賞識，并鼓勵他畢業(yè)后到杜克大學跟隨他從事生物海洋學研究。而在此之前的10余年，柴扉一直從事著海洋動力學方面的研究，并打下了良好的基礎。在碩士畢業(yè)之際，他選擇了到杜克大學嘗試新的研究方向——生物海洋學。

轉向一個新的研究方向，對他來說是一次大膽的嘗試。不過，仔細權衡之下，他還是愿意抓住這個機會。畢竟，到新的研究領域闖蕩一番，也是他的興趣所在。而長期以來積累的數理基礎，讓他在生物海洋學開辟了另一片天地——除了做海洋現(xiàn)場觀測，他還可以將一些收集的數據量化起來。

博士畢業(yè)后，他很自然地選擇了美國緬因大學。事實上，在杜克大學攻讀博士期間，他就成為了美國緬因大學海洋系的研究助理教授。20多年來，盡管其他單位對他提出不少邀請，他仍然不為所動，從未離開。2012年，他開始擔任該校海洋學院的院長。

相對來說，緬因大學海洋學院的學科比較綜合，涉及海洋生物、海洋政策管理、漁業(yè)資源等各個不同的方向。在美國所有大學中，緬因大學的海洋本科教育排在全國前列，海洋科學研究也在全國25名以內。

“美國緬因大學比較小，但這也正是它的特色所在。大家都很團結，相處和睦，而且更有利于學科交叉?！彼嬖V記者，整個學校，特別是同一個學院的人會有更多的機會在一起交流，雖然大家做不同的方向，但是很有可能相互啟發(fā)，做一些交叉性的項目。在做院長期間，柴扉更是體會到學科交叉的重要性?！拔抑劳掳l(fā)表了什么文章，做了什么項目，通過了解他們的研究內容，讓我能從一個比較宏觀、多學科的角度來更好地認識海洋?！?/p>

在美國期間，他先后主持和參加了美國國家科學基金委、美國國家航空航天局和美國國家海洋與大氣總署25項研究項目，曾經被聘為美國、中國等多家基金委和重大項目評審專家。在國際著名學術刊物上發(fā)表論文和專著120余篇，其中在Science上發(fā)表論文2篇。論文已被引用4400余次。

當記者問及取得這些成果背后的秘訣是什么時，他笑著說：“學科交叉是一個很重要的方面。我們的項目涉及物理海洋、生物海洋以及生態(tài)動力學，我們的觀察資料也來自多個方面，如衛(wèi)星遙感、歷史和現(xiàn)場的觀測資料，它們可以驗證和改進我們建立的數值模型。而一旦有了數值模型，就像天氣預報一樣，我們可以做不同時間尺度的海洋環(huán)境要素預測?！?/p>

相比之下，柴扉覺得在交叉研究方面，我國海洋學發(fā)展空間還很大，尤其是在從宏觀角度把握整個海洋學的研究?！敖陙恚袊鴮φ麄€海洋科學研究的投入幾乎呈指數級增長?？梢哉f，我國迎來了一個很好的海洋研究時代，但同時也存在一些問題。比如在資助方面的布局，不需要都集中于深海和大洋的探測，近岸的環(huán)境也有許多問題需要我們去考慮?！痹谒磥恚麄€海洋觀測系統(tǒng)也需要將物理、生物、化學、氣候、氣象等方面結合起來，而不是只關注某一個方面。此外，缺乏多方面人才的交流和資料信息共享也是阻礙中國海洋發(fā)展的一個很大的瓶頸。

為了改變這一局面，柴扉打算從項目開始做起，通過項目攻關，組建起一個注重多學科交叉的團隊，培養(yǎng)一批具有新思維的海洋學家以及未來海洋界的領軍人物。他說：“中國需要跨學科的思考方法和跨學科人才的培養(yǎng)?！?/p>

布局新的藍圖

目前，我國科技部僅有5個海洋類國家重點實驗室，分別在浙江、上海、福建和廣東。衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室是浙江唯一一個海洋類國家重點實驗室。2016年3月，柴扉正式就任該實驗室新一屆主任。他說：“我的任務就是讓實驗室的3個大方向有更好的交叉與交流?！?/p>

衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室于2006年7月由科技部批準建設，2009年12月通過驗收。實驗室是在國家海洋局海洋動力過程與衛(wèi)星海洋學重點實驗室的基礎上重新組建，聚集了國家海洋局第二海洋研究所在物理海洋、海洋遙感和海洋生態(tài)環(huán)境等傳統(tǒng)優(yōu)勢學科的優(yōu)秀人才。

該實驗室有3個主要研究方向：海洋衛(wèi)星遙感技術與應用、海洋動力過程與生態(tài)環(huán)境、大洋環(huán)流與氣候變化：同時設有4大公共支撐平臺，即衛(wèi)星地面站、Argo數據中心、海洋調查設備部和數值計算中心。

柴扉告訴記者，該實驗室以衛(wèi)星海洋學、海洋環(huán)流動力學和近海環(huán)境關鍵過程為重點研究內容，以國家海洋環(huán)境安全和海洋生態(tài)系統(tǒng)產出與服務中的重大需求為牽引，以衛(wèi)星遙感和Argo浮標等海洋觀測新技術為重要手段，開展多學科交叉與整合研究，重點解決在中國近海及鄰近洋區(qū)中所面臨的海洋環(huán)境科學問題。

為了更好地促進不同方向之間的交叉，柴扉首先從團隊文化建設著手。他認為，“一個和諧的文化氛圍能夠讓每一個人都能感受到溫暖，形成一種歸屬感，同時也促進大家相互交流”。在硬件設施方面，柴扉特意打造了一個溫馨的公共空間，團隊活動的許多照片也被貼到了墻上。在這里，大家可以隨意喝茶、聊天?！捌綍r大家都很忙，但是我希望在吃午飯的時候，大家可以坐下來聊一聊，而不是在電腦桌上吃。當然，主要還是讓大家有這個意識。一般我在研究所里，也會經常來這泡杯咖啡或茶，看誰在這里就找誰聊天。”

提升實驗室的學術氣氛也是柴扉的期望之一。他說：“一個好的學術氣氛能夠讓大家主動去了解新的東西，比如今天有一個講座，雖然和你做的不是直接相關的，但是你要看它是不是帶來新的信息，要考慮人家是如何做的?！?/p>

一直以來，實驗室都比較注重國際交流與合作。這在柴扉看來，是一個很好的傳統(tǒng)。不同學科背景的人“碰撞”在一起，才能擦出更多的火花。目前，實驗室通過訪問學者、開放課題、星火系列學術論壇等多種平臺，讓國內外知名科學家和青年學者來實驗室訪問和交流，并開展實質性的合作研究工作。

此外，他們每年還通過暑期夏令營、海洋開放日、科技活動周等多種形式，面向社會公眾和高校學生開放，傳播海洋科學知識，吸引學生來實驗室繼續(xù)深造。實驗室還多次舉辦國內外學術會議和培訓班，提升其國內外影響力。

在實驗室團隊建設方面，柴扉也十分注重人員組成的多樣性。他認為，組建任何團隊首先要以人為本，要讓每一個團隊成員感受到自己的價值，然后給他們創(chuàng)造一個平等交流的環(huán)境，沒有高低之分，讓他們的思維相互碰撞，產生出其不意的想法。

“我正在有意識地發(fā)展團隊。比如，一個小團隊是3到5人，過一段時間，我會讓他們重新組隊，再去研究其他的問題。每一個團隊里的學術交流都是平等，可能有時候我也會錯，我希望他們能夠挑戰(zhàn)我?！?/p>

在繁忙的工作之余，柴扉會找一個安靜的地方“發(fā)幾天呆”。過去，他常常去的地方是緬因州一個未經開發(fā)的湖邊。他說，那里仿佛與世隔絕一般，沒有手機信號、沒有網絡、沒有電視，也沒有電話。他會去湖邊釣魚，然后做一頓大餐。晚上睡覺的時候，他習慣想想過去發(fā)生的一些事情，并為今后的事情做打算。

為了將更多的時間放在重點實驗室上，柴扉去年辭掉了美國緬因大學海洋研究院院長的職位。在接下來的2～3年里，他將花大部分時間在國內重點實驗室。他說，等自己將緬因大學剩下的工作做完之后，他便要全身心投入進去。

從事海洋科學研究，柴扉仿佛走上了一條“不歸路”。只要海洋生態(tài)環(huán)境的問題沒有得到解決，他就不能停止腳步。“到2050年，中國近海的生態(tài)環(huán)境將發(fā)生怎樣的變化？整個生物的生產力是高了還是低了？溶解氧是多還是少？海洋的酸化有多嚴重……”這些都是他將要用畢生所學去回答的問題。