山東省海洋牧場觀測網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展

翟方國, 顧艷鎮(zhèn), 李培良, 孫利元, 李 欣, 陳 棟, 李 琳, 劉子洲, 姜慶巖, 劉興傳, 劉鵬霞, 陳耀祖

山東省海洋牧場觀測網(wǎng)的建設(shè)與發(fā)展

翟方國1, 顧艷鎮(zhèn)1, 李培良2, 孫利元3, 李 欣1, 陳 棟2, 李 琳1, 劉子洲1, 姜慶巖2, 劉興傳1, 劉鵬霞1, 陳耀祖1

(1. 中國海洋大學(xué) 海洋與大氣學(xué)院, 山東 青島 266100; 2. 浙江大學(xué) 海洋學(xué)院, 浙江 舟山 316021; 3. 山東省水生生物資源養(yǎng)護管理中心, 山東 煙臺 264003)

在全球氣候變化的背景下, 現(xiàn)代化海洋牧場是我國應(yīng)對近海生態(tài)環(huán)境惡化和漁業(yè)資源衰退、實現(xiàn)海洋生態(tài)文明和海洋強國戰(zhàn)略的重要手段。而海洋牧場觀測網(wǎng)是科學(xué)指導(dǎo)現(xiàn)代化海洋牧場建設(shè), 并進行科學(xué)管理的重要基礎(chǔ)。為了保障現(xiàn)代化海洋牧場的可持續(xù)健康發(fā)展, 山東省于2015年底開始在各海洋牧場建設(shè)生態(tài)環(huán)境海底觀測站, 并組網(wǎng)建成世界先進的海洋牧場觀測網(wǎng), 目前已覆蓋23處海洋牧場。設(shè)立觀測網(wǎng)預(yù)警中心, 負(fù)責(zé)海洋牧場觀測網(wǎng)的日常運行和維護, 同時開展水域多學(xué)科耦合過程的基礎(chǔ)研究和業(yè)務(wù)化輔助決策的應(yīng)用服務(wù)。海洋牧場觀測網(wǎng)的建立和業(yè)務(wù)化運行初步實現(xiàn)了海洋牧場生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源的“可測”、“可視”、“可控”和“可預(yù)警”。目前, 我國現(xiàn)代化海洋牧場觀測網(wǎng)的科學(xué)發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn), 建議進一步增強觀測設(shè)備的自主研發(fā)能力和長期在線監(jiān)測的穩(wěn)定性, 跨介質(zhì)立體組網(wǎng)、實現(xiàn)海洋牧場的全方位立體監(jiān)測, 深化多學(xué)科耦合過程的基礎(chǔ)研究并提供多元業(yè)務(wù)化輔助決策應(yīng)用服務(wù), 為現(xiàn)代化海洋牧場的高質(zhì)量發(fā)展保駕護航。

海洋牧場; 觀測網(wǎng); 海底有纜在線監(jiān)測; 生態(tài)環(huán)境; 漁業(yè)資源; 山東省

隨著世界人口、糧食、資源和環(huán)境等問題的日益突出, 海洋已成為人類獲取高端食品和優(yōu)質(zhì)蛋白的“藍(lán)色糧倉”[1]。我國是海洋大國, 海岸線綿長, 海洋漁業(yè)資源豐富, 漁業(yè)產(chǎn)量連續(xù)多年居于世界首位[2-3]。目前, 海洋漁業(yè)已成為我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)和社會經(jīng)濟的重要組成部分, 亦是我國糧食安全的重要保障之一[3]。但是長期粗放型的傳統(tǒng)海洋漁業(yè)生產(chǎn)方式、陸源污染物的大量排放、海洋災(zāi)害頻發(fā)等因素使得我國近海漁業(yè)資源嚴(yán)重衰退、生態(tài)環(huán)境日益惡化、海洋荒漠化日趨明顯, 嚴(yán)重威脅我國海洋生物資源的保護和可持續(xù)利用[4]。面對這些問題, 我國海洋漁業(yè)產(chǎn)業(yè)模式亟待轉(zhuǎn)型升級, 而發(fā)展生態(tài)漁業(yè)、建設(shè)海洋牧場是其重要方向之一[5-6]。

國外的海洋牧場起源于19世紀(jì)開展的“海魚孵化運動”, 迄今已有一百多年的實踐和發(fā)展歷史[7]。而我國海洋牧場起步較晚, 真正意義上的海洋牧場(人工魚礁)建設(shè)開始于20世紀(jì)70年代, 發(fā)展至今已先后經(jīng)歷了建設(shè)實驗期(1979—2006)、建設(shè)推進期(2006—2015)和建設(shè)加速期(2015—至今)等三個階段[2]。隨著研究實踐的不斷深入, 人們對海洋牧場的理念和社會、經(jīng)濟、生態(tài)效應(yīng)的認(rèn)識亦不斷豐富[7]。在建設(shè)加速期的今天, 海洋牧場被定義為基于生態(tài)學(xué)原理, 充分利用自然生產(chǎn)力, 運用現(xiàn)代工程技術(shù)和管理模式, 通過生境修復(fù)和人工增殖, 在適宜海域構(gòu)建的兼具環(huán)境保護、資源養(yǎng)護和漁業(yè)持續(xù)產(chǎn)出功能的生態(tài)系統(tǒng)[2]。根據(jù)中華人民共和國農(nóng)業(yè)部2017年印發(fā)的《國家級海洋牧場示范區(qū)建設(shè)規(guī)劃(2017—2025)》, 截至2016年底, 我國投入海洋牧場建設(shè)資金共約55.8億元, 建成海洋牧場200多個, 涉及海域面積超過850 km2, 并產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益; 已建成的海洋牧場每年可產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益約為319億元、生態(tài)效益約為604億元、固碳量約為19萬噸、消減氮約為16 844噸、消減磷約為1 684噸。經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 海洋牧場已成為我國海洋經(jīng)濟新的增長點, 是實現(xiàn)海洋生物資源養(yǎng)護、水域生態(tài)環(huán)境修復(fù)和漁業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要手段。

1 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)的建設(shè)意義

山東省位于山東半島, 瀕臨黃海和渤海(圖1a), 海域廣闊, 海岸線總長達3 345 km, 占全國海岸線總長度的1/6, 海域總面積約為15.95萬 km2。在全國11個沿海省市中, 山東省的各項海洋資源均優(yōu)勢突出, 尤其是灘涂、水產(chǎn)和海洋油氣等資源。山東省附近海域魚蝦種類高達260多種, 淺海蝦、貝、藻類等生物量多年平均1 129噸/km2, 海洋捕撈和海水養(yǎng)殖等均位于全國前列, 其中對蝦、扇貝、鮑魚、刺參、海膽等海珍品的產(chǎn)量常年居全國首位[8]。

大規(guī)模的近海養(yǎng)殖和過度捕撈極大提高了山東省的海洋漁業(yè)產(chǎn)量和產(chǎn)值, 增加了漁民的經(jīng)濟收入, 但同時也導(dǎo)致海底“荒漠化”現(xiàn)象日益嚴(yán)重, 水域生態(tài)系統(tǒng)遭到嚴(yán)重破壞, 生物資源特別是部分珍貴水生野生動植物資源急劇衰退。因此, 為了改善海洋生態(tài)環(huán)境、養(yǎng)護漁業(yè)資源, 2005年山東省啟動實施了《山東省漁業(yè)資源修復(fù)行動計劃》, 通過采用工程和生物技術(shù), 大規(guī)模實施近岸經(jīng)濟型人工魚礁建設(shè)工程, 加大增殖放流力度, 有計劃、分階段培育和保護近海漁業(yè)資源, 恢復(fù)生態(tài)系統(tǒng)健康水平, 實現(xiàn)漁業(yè)資源的可持續(xù)開發(fā)利用。2014年, 山東省進一步實施“海上糧倉”發(fā)展戰(zhàn)略, 以海洋工程裝備為主導(dǎo)、以現(xiàn)代化信息技術(shù)為支撐, 努力打造全國優(yōu)質(zhì)高端水產(chǎn)品生產(chǎn)供應(yīng)區(qū)、漁業(yè)轉(zhuǎn)型升級先行區(qū)、漁業(yè)科技創(chuàng)新先導(dǎo)區(qū)、漁業(yè)生態(tài)文明示范區(qū), 為國家糧食安全保障做出積極貢獻。在“海上糧倉”發(fā)展戰(zhàn)略中, 海洋牧場是主戰(zhàn)場。據(jù)統(tǒng)計, 截至2017年底, 山東省累計投入省級以上財政資金約11.34億元, 扶持建設(shè)海洋牧場(含人工魚礁區(qū))138個, 創(chuàng)建省級以上海洋牧場示范區(qū)55個[9]。為了進一步加快現(xiàn)代化海洋牧場高質(zhì)量發(fā)展步伐、實施海洋強國戰(zhàn)略, 山東省于2017年制定實施了《山東省海洋牧場建設(shè)規(guī)劃(2017—2020年)》, 并給出了詳細(xì)的空間布局示意圖(圖1b)。為了更好地貫徹十九大提出的加快建設(shè)海洋強國戰(zhàn)略和國家生態(tài)文明戰(zhàn)略, 推動山東省新舊動能轉(zhuǎn)換、實現(xiàn)現(xiàn)代漁業(yè)轉(zhuǎn)型升級, 將山東省海洋牧場建設(shè)提升到一個新的水平, 原山東省海洋與漁業(yè)廳(現(xiàn)為山東省海洋局)于2018年3月進一步印發(fā)《山東省海洋牧場示范創(chuàng)建三年計劃(2018—2020年)》(魯海漁函[2018]89號), 提出“以高起點謀劃、高標(biāo)準(zhǔn)打造為出發(fā)點, 著力提升現(xiàn)代化海洋牧場的標(biāo)準(zhǔn)化、信息化、裝備化建設(shè)水平”。山東省的海洋牧場建設(shè)亦受到國家領(lǐng)導(dǎo)人的高度關(guān)注。2018年6月, 習(xí)近平總書記在山東考察時指出“海洋牧場是發(fā)展趨勢, 山東可以搞試點”。為了堅決落實習(xí)近平總書記的重要指示精神, 發(fā)揮山東省在全國現(xiàn)代化海洋牧場建設(shè)中的試點示范作用, 山東省人民政府于2019年1月印發(fā)《山東省現(xiàn)代化海洋牧場建設(shè)綜合試點方案》(魯政字[2019]12號), 提出進一步推動現(xiàn)代化海洋牧場的信息化和智能化建設(shè), 力爭經(jīng)過3年試點基本建立海洋牧場立體觀測體系, 實現(xiàn)試點區(qū)“可視、可測、可控、可預(yù)警”, 為全國探索海洋牧場信息化、自動化、智能化發(fā)展的新模式。在各種政策和財政資金的支持下, 山東省現(xiàn)代化海洋牧場發(fā)展迅速。截至2019年底, 我國已公布的110個國家級海洋牧場示范區(qū)中有44個在山東省。海洋牧場的建設(shè)和發(fā)展為山東省帶來了顯著的生態(tài)、經(jīng)濟和社會效益。

圖1 中國地圖(a)和山東省海洋牧場空間布局示意圖(b; 修改自《山東省海洋牧場建設(shè)規(guī)劃(2017—2020年)》)

隨著海洋牧場的大力建設(shè)發(fā)展, 海洋災(zāi)害造成的生態(tài)和經(jīng)濟損失也日益突出。例如, 2013年8月, 山東半島北部近海海域發(fā)生嚴(yán)重低氧災(zāi)害。當(dāng)海水溶解氧濃度低于2 mg/L時, 海洋生物將無法生存而大面積死亡, 稱為低氧災(zāi)害[10-11]。在近海海域, 低氧災(zāi)害多發(fā)生于夏季海洋底層[12]。據(jù)統(tǒng)計, 2013年山東半島北部近海發(fā)生的低氧災(zāi)害導(dǎo)致水生生物大面積死亡, 受災(zāi)海洋牧場面積達8萬多畝, 其中刺參、海螺、日本蟳及貝類等海珍品直接經(jīng)濟損失達4.5億元, 生態(tài)損失更是無法估量。此后, 該海域亦連續(xù)多年發(fā)生低氧災(zāi)害, 造成重大經(jīng)濟損失。與此同時, 山東省沿海地區(qū)還頻發(fā)風(fēng)暴潮、災(zāi)害性海浪、赤潮、綠潮等海洋動力和生態(tài)災(zāi)害[13-14]。隨著全球變暖和人類活動影響的加劇, 山東省近海海洋災(zāi)害的發(fā)生頻率、強度等可能呈逐年增加趨勢, 嚴(yán)重威脅現(xiàn)代化海洋牧場的快速健康發(fā)展。

因此, 依托現(xiàn)代海洋工程、信息技術(shù)裝備, 加強現(xiàn)代化海洋牧場的信息化建設(shè), 構(gòu)建世界先進的海洋牧場觀測網(wǎng), 實現(xiàn)海洋環(huán)境與生物資源的連續(xù)在線監(jiān)測, 為海洋牧場的科學(xué)管理與海洋災(zāi)害的預(yù)警預(yù)報等提供高質(zhì)量數(shù)據(jù)支撐, 保障海洋牧場的可持續(xù)健康發(fā)展, 是山東省實施海洋強省和“海上糧倉”戰(zhàn)略的重要舉措, 具有毋庸置疑的重要性和緊迫性。

2 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)的核心裝備與配套設(shè)施

為了實現(xiàn)海洋牧場水域環(huán)境和生物資源的原位、長期和連續(xù)在線監(jiān)測, 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)由各海洋牧場建設(shè)的生態(tài)環(huán)境海底觀測站組網(wǎng)構(gòu)建。大多數(shù)觀測站的主體設(shè)備為世界先進的海底有纜在線觀測系統(tǒng)(圖2a)[15]。伴隨海洋觀測技術(shù)的發(fā)展, 海底有纜觀測已成為地球觀測的第三個平臺[16]。在充分借鑒國內(nèi)外大型海底觀測網(wǎng)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上, 海底有纜在線觀測系統(tǒng)不但易于建設(shè)和維護, 而且以較低的經(jīng)濟成本實現(xiàn)了不同類型海洋觀測設(shè)備的水下集成、連續(xù)穩(wěn)定供電和多元數(shù)據(jù)信息的在線高速傳輸[15, 17-18]?，F(xiàn)階段所有海洋牧場布放的海底有纜在線觀測系統(tǒng)均集成安裝了多參數(shù)水質(zhì)儀或者溫鹽深儀(含溶解氧探頭)、水下高清攝像機和LED水下照明燈, 實現(xiàn)了海水溫度、鹽度、深度、溶解氧濃度和葉綠素濃度等水文生態(tài)參數(shù)和水下高清視頻的實時在線監(jiān)測。部分海洋牧場的海底有纜在線觀測系統(tǒng)還集成安裝了聲學(xué)多普勒水流剖面儀(Acoustic Doppler Current Profiler)或者聲學(xué)多普勒波浪水流剖面儀(Acoustic Wave and Current Profiler)(圖2b), 實現(xiàn)對海水剖面流速、流向(和海表面波浪)等參數(shù)的實時在線監(jiān)測。聲學(xué)多普勒水流剖面儀可以測量海水的剖面流速和流向, 而聲學(xué)多普勒波浪水流剖面儀除了測量海水的剖面流速和流向之外, 還能同時測量海表面波浪的相關(guān)參數(shù), 兩者均通過水下聲學(xué)進行測量。為了滿足科學(xué)研究和業(yè)務(wù)化應(yīng)用的需求, 多參數(shù)水質(zhì)儀和溫鹽深儀的采樣間隔為1分鐘, 聲學(xué)多普勒水流剖面儀和聲學(xué)多普勒波浪水流剖面儀的采樣間隔為1小時, 而水下攝像機則連續(xù)錄像。海底有纜在線觀測系統(tǒng)擴展性強, 可根據(jù)觀測需求增加、減少或者更換不同類型的水下觀測設(shè)備。在生態(tài)環(huán)境海底觀測站業(yè)務(wù)化運行的基礎(chǔ)上, 部分海洋牧場在陸上配套建設(shè)了“四個一”設(shè)施(圖2c和2d): 一室(監(jiān)控室)、一廳(展示廳)、一院(研究院)和一館(體驗館), 構(gòu)建了完整的海洋牧場智能監(jiān)測體系。生態(tài)環(huán)境海底觀測站及配套設(shè)施的建設(shè)真正實現(xiàn)了海洋牧場生態(tài)環(huán)境和水下生物活動的實時在線“可測”、“可視”、“可控”。

圖2 海底有纜在線觀測系統(tǒng)工作效果圖(a)、海底觀測子系統(tǒng)實物圖(b)、西霞口國家級海洋牧場展示廳(c)、威海長青國家級海洋牧場智慧監(jiān)控館(d)

3 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)的建設(shè)歷程

3.1 生態(tài)環(huán)境海底觀測站

為了有效解決海洋牧場快速發(fā)展過程中出現(xiàn)的生態(tài)環(huán)境及漁業(yè)資源“測不準(zhǔn)、看不見、不可控”等難題, 山東省于2015年啟動了“海洋牧場觀測網(wǎng)”建設(shè)項目, 擬在各個海洋牧場基于海底有纜在線觀測系統(tǒng)建設(shè)生態(tài)環(huán)境海底觀測站, 并組網(wǎng)集成構(gòu)建智能化監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。根據(jù)原山東省海洋與漁業(yè)廳的安排部署, 我們于2015年10月8日在西霞口國家級海洋牧場(圖3)建設(shè)完成山東省第一處海洋牧場生態(tài)環(huán)境海底觀測站, 首次實現(xiàn)了海洋牧場生態(tài)環(huán)境及水下生物活動實況的在線直播。同月18日, 時任國務(wù)院副總理汪洋視察了山東省的海洋牧場建設(shè)工作, 利用生態(tài)環(huán)境海底有纜在線觀測系統(tǒng)觀看了海洋牧場水下生物的高清在線直播并給予高度評價。西霞口國家級海洋牧場生態(tài)環(huán)境海底觀測站的建設(shè)與業(yè)務(wù)化運行開創(chuàng)了全國海洋牧場現(xiàn)代化信息建設(shè)的先河。21日, 原山東省海洋與漁業(yè)廳在威海市榮成市召開“山東省海洋牧場觀測網(wǎng)建設(shè)試點現(xiàn)場會暨運行管理培訓(xùn)班”, 正式宣布全面啟動海洋牧場觀測網(wǎng)建設(shè)項目。為了高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量地實施觀測網(wǎng)建設(shè)項目, 原山東省海洋與漁業(yè)廳于同年11月16日發(fā)布《關(guān)于科學(xué)規(guī)范推進海洋牧場觀測網(wǎng)建設(shè)工作的通知》(魯海漁函[2015]346號), 將海洋牧場觀測網(wǎng)建設(shè)項目作為“海上糧倉”建設(shè)的重要創(chuàng)新示范項目。

圖3 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)建設(shè)歷程及空間分布(截至2019年底)

2016年, 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)建設(shè)項目全面展開, 共完成煙臺市、威海市、青島市和日照市等地區(qū)18個海洋牧場生態(tài)環(huán)境海底觀測站的建設(shè)與業(yè)務(wù)化運行, 初步構(gòu)建具有世界先進水平的海洋牧場觀測網(wǎng)。2017年, 威海市好當(dāng)家海洋牧場完成生態(tài)環(huán)境海底觀測站及配套設(shè)施的建設(shè)及并網(wǎng)業(yè)務(wù)化運行。2018年, 新增3家海洋牧場完成生態(tài)環(huán)境海底觀測站的建設(shè)與并網(wǎng)業(yè)務(wù)化運行, 分別位于山東半島東北部近海和萊州灣海域。截至2019年底, 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)已覆蓋山東半島周邊海域23處海洋牧場(圖3)。

3.2 數(shù)據(jù)中心

在山東省海洋與漁業(yè)“一張圖”的總體框架下, 原山東省海洋與漁業(yè)廳提出建立觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)分析處理中心, 負(fù)責(zé)海洋牧場觀測網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集與分析, 并針對海洋牧場動力與生態(tài)環(huán)境開展災(zāi)害預(yù)警預(yù)報與輔助決策方面的研究。經(jīng)過多年的籌備工作, 山東省水生生物資源養(yǎng)護管理中心和浙江大學(xué)海洋學(xué)院于2018年10月簽訂全面戰(zhàn)略合作協(xié)議, 成立山東省海洋牧場觀測預(yù)警中心(以下簡稱觀測網(wǎng)預(yù)警中心)。圖4展示了海洋牧場觀測網(wǎng)自業(yè)務(wù)化運行以來, 各主要觀測設(shè)備所觀測數(shù)據(jù)量的時間序列。從圖可以看出, 各觀測設(shè)備所觀測的月數(shù)據(jù)量隨時間呈現(xiàn)較大波動, 主要有兩方面的原因: 第一, 近海海洋動力生物化學(xué)環(huán)境極其復(fù)雜, 海底觀測設(shè)備的部分探頭長期連續(xù)在線監(jiān)測的穩(wěn)定性較差; 第二, 海底觀測設(shè)備的維護不夠及時、陸上電力供應(yīng)偶有中斷。截至2019年底, 多參數(shù)水質(zhì)儀(含溫鹽深儀)和聲學(xué)多普勒水流剖面儀(含聲學(xué)多普勒波浪水流剖面儀)觀測得到的海洋環(huán)境參數(shù)累積數(shù)據(jù)量分別為4 314.31 MB和27.17 MB, 水下高清攝像機拍攝的水下生物高清視頻累積量為246.875 TB。

使用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)還有一個優(yōu)勢就是,在MATLAB軟件中有成熟的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱(NNTOOL),該工具箱提供了面向不同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型特別是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的豐富多彩的網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和訓(xùn)練函數(shù),為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、建模和仿真提供了極大的便利[15]。

圖4 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)多參數(shù)水質(zhì)儀(含溫鹽深儀; a), 聲學(xué)多普勒水流剖面儀(含聲學(xué)多普勒波浪水流剖面儀;b) 和水下高清攝像機 (c)觀測得到的月數(shù)據(jù)量及累積數(shù)據(jù)量的時間變化

為了進一步提高海洋牧場觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)服務(wù)的信息化和智能化水平, 觀測網(wǎng)預(yù)警中心開發(fā)了互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)站和手機應(yīng)用程序, 并為不同用戶提供差異化服務(wù)。根據(jù)不同權(quán)限, 用戶可查看全部海洋牧場或者部分海洋牧場的實時及歷史水文生態(tài)環(huán)境參數(shù)、動力環(huán)境參數(shù)、水下高清視頻、海底觀測設(shè)備工作狀態(tài)等(圖5), 真正實現(xiàn)了海洋牧場生態(tài)環(huán)境參數(shù)和漁業(yè)資源的實時“可測”和“可視”, 初步解決了海洋牧場經(jīng)濟物種“難覓蹤跡”的現(xiàn)狀。

自2016年開始, 觀測網(wǎng)預(yù)警中心每年均編寫海洋牧場觀測網(wǎng)年度運行報告(圖6), 詳細(xì)總結(jié)海洋牧場觀測網(wǎng)的建設(shè)進展, 不但包括本年度海洋牧場觀測網(wǎng)的運行、軟硬件建設(shè)、維護等情況, 而且還會對各類海洋環(huán)境參數(shù)的時間變化規(guī)律和空間分布特征進行系統(tǒng)分析診斷, 對海洋牧場的生態(tài)環(huán)境狀況進行客觀評估。

圖5 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)網(wǎng)站展示水文生態(tài)環(huán)境參數(shù)(a)、實時水下高清視頻(b)、歷史典型水下高清視頻(c)和手機應(yīng)用程序展示水文生態(tài)環(huán)境參數(shù)(d)

圖6 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)年度運行報告

4 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)的應(yīng)用

4.1 科學(xué)研究

海洋牧場大多位于近岸淺水區(qū)域, 受陸源輸入、大氣強迫、外海海流水團入侵等的影響, 動力、生態(tài)、化學(xué)和地質(zhì)等水域環(huán)境極其復(fù)雜。海洋牧場的科學(xué)管理和可持續(xù)健康發(fā)展亟需對海洋牧場及周邊海域的物理-生物-化學(xué)等多學(xué)科耦合特征及機理進行深入研究。為此, 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)的重要任務(wù)之一是提供原位、長期、連續(xù)的高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)。目前, 觀測預(yù)警中心已利用觀測網(wǎng)數(shù)據(jù)對海洋牧場區(qū)域的動力和生態(tài)環(huán)境特征進行了部分研究工作。陳耀祖等[19]利用水深觀測數(shù)據(jù)研究了15個海洋牧場區(qū)域的潮汐特征, 指出所有海洋牧場的潮汐均為顯著的正規(guī)半日潮類型, 且以M2分潮為主。他們同時給出了各個海洋牧場觀測時間段內(nèi)的平均潮差、最大可能潮差、潮汐不等現(xiàn)象及主要分潮的調(diào)和常數(shù)等潮汐基礎(chǔ)信息, 直接服務(wù)海洋牧場的日常生產(chǎn)活動。劉鵬霞等(2019)[20]利用青島市魯海豐海洋牧場約3個半月的流矢量觀測資料給出了該海洋牧場海水流動的時間變化特征和垂向結(jié)構(gòu), 并探討了影響因素。

同時, 我們還利用觀測資料研究了部分海洋牧場底層海水溶解氧濃度的時間變化特征和影響機制[21-23]。海水溶解氧濃度是衡量海洋生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要因子之一[22], 對各類海洋生物的成長均具有重要作用[11, 24-26]。當(dāng)海水溶解氧濃度低于2 mg/L時, 海洋低氧可導(dǎo)致海洋生物的大量死亡和海洋生態(tài)系統(tǒng)的嚴(yán)重破壞[27]。因此, 研究海水溶解氧濃度的時空變化特征及其影響機制對預(yù)報潛在的低氧災(zāi)害和其他海洋災(zāi)害、保護海洋環(huán)境等均具有非常重要的科學(xué)和實踐意義。初步研究表明海洋牧場底層海水溶解氧濃度呈現(xiàn)顯著的季節(jié)變化, 冬季高、夏季低。該季節(jié)變化主要受海水溫度的影響, 與底層海水溫度呈顯著負(fù)相關(guān), 相關(guān)系數(shù)約為–1.0~–0.7。海水溫度可影響氧氣在海水中的溶解度, 海水溫度越高、氧氣的溶解度越低, 反之亦然[28]。此外, 季節(jié)性溫躍層、潮流輸運過程、海面風(fēng)致混合、底層生物地球化學(xué)過程等也存在重要貢獻。尤其是在夏季, 強烈的季節(jié)性溫躍層和底層生物呼吸、有機物分解等可導(dǎo)致底層海水溶解氧濃度顯著降低, 甚至引發(fā)低氧災(zāi)害。在下一步的工作中, 我們將結(jié)合更多觀測數(shù)據(jù)和高分辨率數(shù)值模擬結(jié)果進一步研究山東半島海水溶解氧濃度的時空分布特征及其影響機制。

4.2 業(yè)務(wù)化輔助決策

山東省海洋牧場觀測網(wǎng)的另一個重要任務(wù)是通過對水域生態(tài)環(huán)境和生物資源進行連續(xù)實時在線監(jiān)測, 為海洋牧場的科學(xué)管理提供及時有效的輔助決策支持, 保障海洋牧場的可持續(xù)健康快速發(fā)展。目前, 業(yè)務(wù)化應(yīng)用的一個重要方面是對海洋生態(tài)災(zāi)害的監(jiān)測和預(yù)警。已有觀測表明山東半島東北部海域夏季易發(fā)生低氧災(zāi)害。2013年夏季, 該海域發(fā)生嚴(yán)重低氧災(zāi)害造成大量經(jīng)濟和生態(tài)損失。2015年和2017年夏季, Yang等[29-30]于該海域底層觀測到大面積低氧現(xiàn)象。2016年夏季, 威海市瑜泰海洋牧場生態(tài)環(huán)境海底觀測站亦觀測到顯著低氧現(xiàn)象(圖7)。該海洋牧場底層海水的溶解氧濃度從7月下旬即隨時間不斷減小。8月10日左右, 海水溶解氧濃度接近2.0 mg/L, 觀測預(yù)警中心向相關(guān)海洋牧場發(fā)布了低氧災(zāi)害的早期預(yù)警。8月12日, 低氧災(zāi)害發(fā)生, 小時平均海水溶解氧濃度最低可達1.0 mg/L。此后, 海水溶解氧濃度隨時間變化劇烈, 低氧災(zāi)害間歇發(fā)生。上述觀測表明山東半島東北部海域夏季底層海水的低氧現(xiàn)象基本上每年都會發(fā)生, 且具有顯著的年際變化和空間分布特征。海水溫度顯著升高是該海域底層海水夏季低氧現(xiàn)象形成的重要原因之一。受太陽輻射季節(jié)變化的影響, 該海域海水溫度于夏季顯著升高, 一方面極大降低了海水中氧氣的溶解度[28], 另一方面在海洋上層形成較強的季節(jié)性溫躍層[22-23], 從而強烈抑制海水溶解氧從表層向底層的垂向擴散。在對低氧災(zāi)害形成機理初步認(rèn)識的基礎(chǔ)上, 2018年7月海洋牧場觀測網(wǎng)預(yù)警中心根據(jù)監(jiān)測溫度的變化狀況提前兩周發(fā)布了高溫低氧災(zāi)害預(yù)警, 提醒相關(guān)海洋牧場做好防范措施, 以減少經(jīng)濟和生態(tài)損失。與此相反, 同期遼寧省沿岸養(yǎng)殖的海參因高溫天氣大面積死亡, 造成了重大經(jīng)濟損失。

圖7 山東威海市瑜泰海洋牧場位置示意圖(a)和2016年夏季底層海水小時平均溶解氧濃度(mg/L)的時間序列(b)

2017年6月份, 黃海海域出現(xiàn)滸苔綠潮、馬尾藻金潮和米氏凱倫藻赤潮等“三潮”災(zāi)害。據(jù)相關(guān)監(jiān)測部門和媒體報道, 綠潮于6月11日首次到達江蘇省連云港沿海, 然后分別于14日和16日前后到達山東省日照市沿海和青島市沿海海域。在綠潮影響期間, 日照市水產(chǎn)集團和國美海洋牧場的生態(tài)環(huán)境海底觀測站均觀測到海水葉綠素濃度顯著升高, 青島市魯海豐海洋牧場生態(tài)環(huán)境海底觀測站亦觀測到海水濁度異常增大。

2019年夏天, 臺風(fēng)“利奇馬”(超強臺風(fēng)級)曾兩次登陸我國。8月11日晚, “利奇馬”于山東省青島市第二次登陸, 并橫穿山東半島, 是1949年以來登陸我省的第三個超強臺風(fēng)。8月13日, “利奇馬”在渤海東部海面逐漸消亡。臺風(fēng)影響期間, 海洋牧場觀測網(wǎng)部分生態(tài)環(huán)境海底觀測站觀測到底層海水溫度于8月12日前后存在不同程度的急速下降(圖8), 其中山東半島東北部區(qū)域降溫最為顯著, 最大降溫幅度可達4.3°C, 最大降溫速率可達1.45°C/h。底層海水的急速降溫可能對海洋牧場的經(jīng)濟物種產(chǎn)生重要影響。目前, 觀測網(wǎng)預(yù)警中心正在就臺風(fēng)導(dǎo)致山東半島海洋牧場底層海水降溫的物理過程展開研究。

實踐表明, 山東省海洋牧場觀測網(wǎng)可有效監(jiān)測低氧、綠潮、臺風(fēng)等生態(tài)和動力災(zāi)害對海洋牧場海洋環(huán)境的影響, 一定程度上實現(xiàn)了海洋牧場海洋災(zāi)害的“可預(yù)警”, 為海洋牧場的防災(zāi)減災(zāi)等輔助決策提供強有力支撐。

圖8 2019年8月臺風(fēng)“利奇馬”過境山東半島時四個海洋牧場底層海水小時平均溫度(℃)的時間序列

5 總結(jié)與展望

現(xiàn)代化海洋牧場建設(shè)是我國應(yīng)對近海生態(tài)環(huán)境惡化和漁業(yè)資源衰退、實現(xiàn)海洋生態(tài)文明和海洋強國戰(zhàn)略的重要手段。而海洋牧場觀測網(wǎng)是科學(xué)認(rèn)識現(xiàn)代化海洋牧場建設(shè)原理, 并進行科學(xué)管理的重要基礎(chǔ)。通過在各海洋牧場建設(shè)生態(tài)環(huán)境海底觀測站并組網(wǎng), 山東省建成了世界先進水平的海洋牧場觀測網(wǎng), 初步實現(xiàn)了海洋生態(tài)環(huán)境和漁業(yè)資源的“可測”和“可視”。目前觀測網(wǎng)已用于海洋動力-生態(tài)耦合過程的基礎(chǔ)研究和災(zāi)害預(yù)警輔助決策, 為現(xiàn)代化海洋牧場的可持續(xù)健康發(fā)展提供支撐。

海洋觀測不但是海洋科學(xué)研究的基礎(chǔ), 而且是海洋資源開發(fā)、海洋防災(zāi)減災(zāi)等社會服務(wù)的重要支撐。隨著海洋科學(xué)與技術(shù)的不斷發(fā)展, 集成多元觀測技術(shù)與裝備的海洋觀測網(wǎng)已成為國內(nèi)外進行科學(xué)研究和社會服務(wù)的重要手段之一[31-34]。目前, 國內(nèi)外已建立了許多覆蓋不同空間尺度、具有不同科學(xué)或應(yīng)用目的的觀測網(wǎng), 例如覆蓋全球并融合?；涂栈榷嘣^測手段的全球海洋觀測系統(tǒng)(Global Ocean Observing System)[33]、聚焦全球熱帶海洋氣候觀測與預(yù)報的全球熱帶海洋錨系浮標(biāo)陣列(Global Tropical Moored Buoy Array)[35-36]、關(guān)注熱帶西太平洋環(huán)流及其全球氣候效應(yīng)研究的熱帶西太平洋潛標(biāo)科學(xué)觀測網(wǎng)(Western Pacific Scientific Observation Network)[37-38]、分布于全球不同海域的海底觀測網(wǎng)(Submarine Observation Network)[39]等等。山東省海洋牧場觀測網(wǎng)是我國第一個以海洋牧場生態(tài)環(huán)境安全保障為目的的海洋觀測網(wǎng), 是海洋科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域的最新成果與社會經(jīng)濟發(fā)展需求緊密結(jié)合的產(chǎn)物。但是由于我國現(xiàn)代化海洋牧場的建設(shè)剛剛起步, 其觀測網(wǎng)的科學(xué)發(fā)展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。隨著研究與實踐的不斷深入, 我們?nèi)孕杓訌娨韵聨追矫娴墓ぷ鳌?/p>

第一, 自主研發(fā)觀測設(shè)備, 增強長期穩(wěn)定在線監(jiān)測能力。海洋牧場區(qū)域普遍位于近海, 大氣-海洋-陸地相互作用、多學(xué)科耦合過程強烈, 水域環(huán)境極為復(fù)雜, 是對各海底觀測設(shè)備長期連續(xù)在線監(jiān)測的極大考驗。而在海洋觀測技術(shù)和裝備的研究方面, 我國起步較晚, 與國外仍有一定差距[40-41]。目前海洋牧場觀測網(wǎng)的海底觀測設(shè)備主要由國外進口, 不但價格昂貴, 而且在復(fù)雜海洋環(huán)境下進行長期連續(xù)在線監(jiān)測的穩(wěn)定性亦較差, 頻繁的觀測設(shè)備維護極大提高了海洋牧場觀測網(wǎng)的建設(shè)和維護成本。在多年技術(shù)研發(fā)和積累的基礎(chǔ)上, 觀測網(wǎng)預(yù)警中心正在開展海底觀測設(shè)備的自主研發(fā)。目前已為各生態(tài)環(huán)境海底觀測站配備自主研發(fā)的水下LED照明燈, 并為水下高清攝像機進行了“搭橋手術(shù)”, 更換安裝自主研發(fā)的視頻服務(wù)器。實踐表明, 這些自主研發(fā)設(shè)備性能高、能耗低, 極大延長使用壽命, 降低了觀測網(wǎng)建設(shè)和維護成本。未來應(yīng)進一步結(jié)合海洋牧場水域環(huán)境特點, 針對海洋動力、生態(tài)、化學(xué)等不同環(huán)境參數(shù)自主研發(fā)具有較高穩(wěn)定性的長期連續(xù)在線監(jiān)測技術(shù)和裝備, 提高觀測網(wǎng)技術(shù)與裝備的穩(wěn)定性、耐用性和國產(chǎn)化程度。

第二, 跨介質(zhì)立體組網(wǎng), 實現(xiàn)海洋牧場的全方位立體監(jiān)測。海洋生態(tài)環(huán)境海底觀測站的建設(shè)實現(xiàn)了水域環(huán)境參數(shù)與生物資源的原位長期連續(xù)在線監(jiān)測, 但是覆蓋范圍仍有限。例如, 2016年夏季, 威海市瑜泰海洋牧場生態(tài)環(huán)境海底觀測站雖然觀測到底層海水低氧災(zāi)害的時間變化特征, 但是不能給出該低氧災(zāi)害過程在整個山東半島東北部海域的形成時間、空間范圍、核心位置、最大強度、消亡時間等詳盡的時空演變信息。應(yīng)進一步綜合有纜在線、水下聲學(xué)、岸基雷達、衛(wèi)星遙感等最新觀測技術(shù), 研發(fā)適用于海洋牧場區(qū)域的跨介質(zhì)立體組網(wǎng)在線監(jiān)測技術(shù)與裝備, 打造海洋-陸地-空間全方位立體監(jiān)測體系, 真正實現(xiàn)海洋環(huán)境參數(shù)與生物資源的“可測”、“可視”和“可控”。

第三, 深化多學(xué)科耦合過程基礎(chǔ)研究, 提供多元業(yè)務(wù)化輔助決策應(yīng)用服務(wù)。經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 我國海洋學(xué)家最早提出了現(xiàn)代化海洋牧場的理念。2009年, 大連海洋大學(xué)陳勇教授在首屆全國人工魚礁與海洋牧場學(xué)術(shù)研討會上首次提出“現(xiàn)代化海洋牧場”的建設(shè)理念[3]。在全球氣候變化、人類活動對海洋影響不斷加劇的背景下, “現(xiàn)代化海洋牧場”的理念和內(nèi)涵符合我國海域生態(tài)環(huán)境惡化和漁業(yè)資源衰退的現(xiàn)狀。目前, 我國現(xiàn)代化海洋牧場建設(shè)剛剛起步, 其科學(xué)發(fā)展仍面臨諸多問題。在現(xiàn)代化海洋牧場觀測網(wǎng)構(gòu)建的基礎(chǔ)上, 我們應(yīng)進一步深化海洋牧場及周邊海域大氣-海洋-陸地相互作用、多學(xué)科耦合過程的基礎(chǔ)研究, 通過觀測資料分析、數(shù)值模擬和理論研究深入認(rèn)識海洋牧場的生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成與能量流動、海洋環(huán)境與生物資源的多尺度時空演變、經(jīng)濟物種對海洋環(huán)境和設(shè)施建設(shè)的行為響應(yīng)等重大科學(xué)問題。同時, 應(yīng)充分利用大數(shù)據(jù)、機器學(xué)習(xí)、5G網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)值預(yù)報等最新技術(shù), 開發(fā)水動力-生態(tài)耦合數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)、各類海洋災(zāi)害預(yù)警系統(tǒng)、漁業(yè)資源統(tǒng)計系統(tǒng)、生物承載力評估系統(tǒng)、漁業(yè)資源行為控制系統(tǒng)等, 為海洋牧場的科學(xué)管理提供多元業(yè)務(wù)化輔助決策應(yīng)用服務(wù), 真正為現(xiàn)代化海洋牧場的高質(zhì)量發(fā)展保駕護航。

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Construction and development of marine ranch observation network in Shandong Province

ZHAI Fang-guo1, GU Yan-zhen1, LI Pei-liang2, SUN Li-yuan3, LI Xin1, CHEN Dong2, LI Lin1, LIU Zi-zhou1, JIANG Qing-yan2, LIU Xing-chuan1, LIU Peng-xia1, CHEN Yao-zu1

(1. College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China; 3. Shandong Hydrobios Resources Conservation and Management Center, Yantai 264003, China)

marine ranch; observation network; submarine cable online observation; ecological environment; fishery resource; Shandong Province

In the context of global climate change, modern marine ranches have been considered an important means to cope with the deterioration of offshore ecological environments and decline of fishery resources, as well as to realize the strategy of marine ecological civilization and marine power. A marine ranch observation network is an important basis for scientifically guiding the construction and realizing the scientific management of modern marine ranches. To ensure a sustainable and healthy development of modern marine ranches, Shandong Province began constructing submarine observation stations to monitor the ecological environment in various marine ranches since the end of 2015, and it eventually built a world-leading marine ranch observation network. Currently, the observation network covers 23 marine ranches. An early warning center is set for the daily operation and maintenance of the marine ranch observation network. Moreover, it performs basic research on the multidisciplinary coupling processes in the marine ranching areas and provides operational services for auxiliary decision-making. The establishment and commercial operation of the marine ranch observation network has made the ecological environment and fishery resources in the marine ranching areas “measurable”, “visual”, “controllable”, and “pre-warnable”. At present, there are still many challenges in the scientific development of the observation networks of China’s modern marine ranches. In the future, it is recommended to further enhance the independent research and development capabilities of observation instruments and the stability of long-term online monitoring, realize all-round three-dimensional (3D) monitoring of marine ranches through cross-media 3D networking, deepen the basic research on multidisciplinary coupling processes in the marine ranching areas, and provide multiple business-assisted decision-making application services.

Jun. 23, 2020

National Science Foundation of China, No. 41776012; National Key Research & Development Program of China, No. 2019YFD0901305; Key Research & Development Project of Zhejiang Province, No. 2020C03012; Major Science and Technology Project of Sanya YZBSTC, No. YZ2019ZD0X]

P715

A

1000-3096(2020)12-0093-14

10.11759/hykx20200623002

2020-06-23;

2020-08-11

國家自然科學(xué)基金項目(41776012); 國家重點研發(fā)計劃 (2019YFD0901305); 浙江省重點研發(fā)計劃(2020C03012); 三亞崖州灣科技城管理局重大科技項目(YZ2019ZD0X)

翟方國(1984-), 男, 山東濰坊人, 副教授, 博士, 主要從事海洋動力與生態(tài)過程的研究, 電話: 15275209482, E-mail: gfzhai@ouc.edu.cn; 李培良, 通信作者, 教授, 主要從事近海水文生態(tài)環(huán)境動力學(xué)的觀測和數(shù)值預(yù)報研究, 電話: 15964239596, E-mail: lipeiliang@zju.edu.cn

(本文編輯: 楊 悅)