《2019年美國NOAA科學報告》對我國海洋觀測網(wǎng)建設與發(fā)展的啟示

吳亞楠，王 祎，姜 民，王 靜

（國家海洋技術中心，天津 300112）

海洋觀測網(wǎng)是服務海洋防災減災、海洋資源開發(fā)、海洋科學研究等的重要基礎設施。經(jīng)過多年的發(fā)展，我國已初步建立了由岸基海洋站、雷達站、浮標、潛標、海床基、衛(wèi)星等多手段組成的“岸-海-空-天”海洋立體觀測網(wǎng)，但仍不能充分滿足我國重大需求，較主要海洋發(fā)達國家還有一定差距。借鑒學習國外先進經(jīng)驗，對建設和發(fā)展我國海洋觀測網(wǎng)具有重要的指導意義。美國作為發(fā)達的海洋國家，所建設的綜合海洋觀測系統(tǒng)為其開展海洋科學研究、海洋資源開發(fā)、海洋災害預警等提供強有力的支撐。美國國家海洋和大氣管理局（National Oceanic and Atmospheric Administration，NOAA）會定期編制發(fā)布科學研究報告，用以展示其在海洋和大氣方面取得的研究成果和發(fā)揮的重要作用，其中海洋觀測是報告的主要組成部分。

本文通過梳理《2019年美國NOAA科學報告》中海洋觀測領域的主要成果，了解NOAA開展海洋科學研究和業(yè)務工作的發(fā)展方向，同時通過分析我國海洋觀測網(wǎng)發(fā)展中存在的不足，提出促進我國海洋觀測網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展的幾點建議。

1 NOAA報告的基本情況

2020年2月，《2019年美國NOAA科學報告》[1]（以下簡稱《NOAA報告》）發(fā)布，該報告強調(diào)了NOAA在海洋、天氣、五大湖和大氣方面的重要研究成果，以及保護人民生命和財產(chǎn)、支持國家經(jīng)濟和加強國家安全方面的成就，強調(diào)了其發(fā)現(xiàn)深海珊瑚棲息地、將機器學習應用于惡劣天氣預警和魚類調(diào)查、升級美國全球天氣預報模型等一系列最新科研成果。《NOAA報告》指出，NOAA不僅對包括NOAA實驗室和科學中心在內(nèi)的內(nèi)部研究和發(fā)展進行投資，還對大學、產(chǎn)業(yè)和其他研究機構(gòu)的合作伙伴的外部研究進行資助。

《NOAA報告》涵蓋了NOAA的全部研究任務，包括64個NOAA研究和發(fā)展的代表性成就案例，主要包括3方面。

（1）減少有害天氣和其他環(huán)境現(xiàn)象的社會影響方面：改進太空天氣預報，為宇航員探測做好準備；通過提高龍卷風登陸時間和移動路徑預測水平，拯救更多的生命和財產(chǎn)；利用NOAA新衛(wèi)星數(shù)據(jù)開展大湖區(qū)的暴風雪預測；整合先進的高性能計算機，改善颶風和其他高影響事件的預測；改善北美熱浪預報。

（2）海洋和沿海資源的可持續(xù)利用和管理方面：開發(fā)監(jiān)測有害藻華的新工具；開發(fā)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖選址的新工具；發(fā)布旅游業(yè)產(chǎn)生的社區(qū)海洋垃圾對經(jīng)濟的影響信息；利用無人機繪制海岸線和近岸水域地圖。

（3）強大而有效的研究和事業(yè)發(fā)展方面：美國Argo項目為了解和預測氣候變化提供全球海洋觀測信息；綜合衛(wèi)星信息提高了颶風預報能力；地球預報創(chuàng)新中心支持社區(qū)建模，改進州天氣和氣候模型；改進溢油模型和響應；利用大數(shù)據(jù)研究海洋漁業(yè)。

2 NOAA報告海洋觀測領域主要成果

2.1 “風帆”式無人船助力監(jiān)控漁業(yè)和海洋環(huán)境

NOAA使用一系列水面無人船收集環(huán)境數(shù)據(jù)，當前該項新技術正在擴大研究和應用范圍，以增進對天氣、氣候現(xiàn)象和環(huán)境過程的理解。NOAA漁業(yè)公司使用四艘“風帆”式無人船（圖1）進行了全海岸漁業(yè)聲學調(diào)查，并將結(jié)果與NOAA傳統(tǒng)調(diào)查船在相同斷面收集的結(jié)果進行了比較，用于評估新裝備獲得數(shù)據(jù)的質(zhì)量。通過使用無人船，NOAA能夠補充現(xiàn)有船只調(diào)查，并增進NOAA對生態(tài)系統(tǒng)的管理和對魚類種群的了解。

圖1 “風帆”式無人船

2019年8月，“風帆”式無人船完成了南極洲的首次自主航行，其攜帶了二氧化碳傳感器，用于收集海洋和大氣中的二氧化碳測量值?！帮L帆”式無人船完成了21 872 km的航程，收集的數(shù)據(jù)將使科學家更好地了解南大洋的二氧化碳循環(huán)過程。

2.2 機器人滑翔機收集數(shù)據(jù)以改善颶風預報

美國正在領導一項多邊計劃，以提高加勒比海和熱帶北大西洋區(qū)域颶風預報的能力。NOAA與波多黎各、多米尼加共和國、美屬維爾京群島和巴哈馬的美國大學以及學術和地區(qū)政府機構(gòu)合作，建立了持久性業(yè)務化的水下滑翔機觀測網(wǎng)。2019年，NOAA共部署了7部水下滑翔機，分別在加勒比海2部、熱帶北大西洋2部（圖2）、多米尼加共和國外1部、美屬維爾京群島以南1部、巴哈馬以東1部。這些水下滑翔機主要配備溫鹽傳感器，在水下移動測量達800 m深度的溫鹽剖面。由于較溫暖的水域會導致更強的颶風，而鹽度含量會影響海面溫度，因此科學家希望這些水下滑翔機獲得的數(shù)據(jù)能夠提高颶風預報模型的準確性。

圖2 一架大西洋海洋和氣象實驗室滑翔機

2.3 監(jiān)測有害藻華的新工具

有害藻華（HABs）對西佛羅里達州居民健康以及生態(tài)和經(jīng)濟構(gòu)成越來越大的威脅。2018年，該地區(qū)發(fā)生了大規(guī)模的HABs，造成魚類和野生動植物大量死亡。HABs產(chǎn)生的毒素給居民健康帶來了危害。

NOAA一直在開發(fā)基于衛(wèi)星的海上監(jiān)視功能，用來監(jiān)測、跟蹤和預測HABs。利用衛(wèi)星將及時更新的健康警告和沿海狀況信息提供給地方政府和社區(qū)。據(jù)衛(wèi)星產(chǎn)品顯示，2018年7月HABs高密度區(qū)域及爆發(fā)增長區(qū)域，覆蓋了佛羅里達州海岸超過160 km。此外，NOAA利用水下滑翔機搭載傳感器獲取多維廣泛的觀測數(shù)據(jù)，輔助計算機建模，如在克利爾沃特海灘近海底處附近發(fā)現(xiàn)了藻類斑塊，模型結(jié)果表明藻類斑塊已經(jīng)向陸地擴散，HABs風險加大。研究也證明，上述方法對于檢測短小克雷伯氏菌HABs也是可行的，將有效提升NOAA的HABs監(jiān)測和預報能力。

2.4 先進的視頻和分析技術調(diào)查魚類種群、保護棲息地

NOAA正在開發(fā)水下視頻新技術和新方法，以更好地在一些無法實施拖網(wǎng)調(diào)查的棲息地，開展海洋生態(tài)種群長期調(diào)查。由于傳統(tǒng)水下相機視野受限，只能對一小部分環(huán)境成像，從而導致數(shù)據(jù)偏差。當前，NOAA已開發(fā)出具有360°視野的球面相機系統(tǒng)（Spherical Camera system，SphereCam），該系統(tǒng)通過對更大面積的影像進行成像，記錄棲息地數(shù)據(jù)，并利用視頻數(shù)據(jù)來解決統(tǒng)計偏差，從而提高對大型魚類等的了解。

同時也正在改進相機傳感器，并使其具有計算功能，用以處理大量視頻流。如NOAA與學術界和企業(yè)合作開發(fā)了一種模塊化軟件工具箱，該工具箱使用機器學習和計算機視覺來優(yōu)化圖像數(shù)據(jù)，解決攝像機圖像和視頻的大數(shù)據(jù)流問題。此外，海洋環(huán)境視頻和圖像分析（Video and Image Analytics for a Marine Environment，VIAME）系統(tǒng)是一種開源軟件系統(tǒng)，可客觀地處理水下和航測圖像。NOAA目前正使用VIAME來識別和測量角膜白斑鱈魚、處理扇貝調(diào)查數(shù)據(jù)、開展墨西哥灣珊瑚礁魚視頻調(diào)查、協(xié)助夏威夷海底魚視頻調(diào)查等。

2.5 美國Argo計劃——用于了解和預測氣候變化的全球海洋觀測

美國目前為Argo計劃貢獻了約1 800個浮標，約占全球陣列的一半。截至2019年底，Argo計劃在全球擁有3 883個Argo浮標，并達到了測量兩百萬個剖面的重要里程碑。NOAA正在投入更多資源，利用Argo進行生物地球化學觀測任務（其傳感器除了測量溫度和鹽度之外，還測量pH、硝酸鹽、反向散射、熒光和溶解氧等），這將提高NOAA和美國利用新技術的能力，從而更好地觀測并最終預測海洋和海洋生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況。Argo計劃將有助于實現(xiàn)新型海洋預報、海洋基礎研究、全球氣候評估，乃至“藍色經(jīng)濟”和海洋健康評價。

2.6 新型便攜式浮標用于近岸觀測

NOAA開發(fā)了便攜式浮標（圖3），開展近岸定點實時觀測，可用于海上突發(fā)事件響應（如，預測海上漂流污染物的軌跡），還可用于評估潮流變化。該系統(tǒng)于2019年7月首次部署業(yè)務運行，測量結(jié)果將改善現(xiàn)有的NOAA下屬美國國家海洋局（National Ocean Service，NOS）的潮流預測和相關導航支持產(chǎn)品。2020年部署地點包括佛羅里達州邁阿密港、佛羅里達州墨西哥灣沿岸和弗吉尼亞州南切薩皮克灣等。

圖3 首次現(xiàn)場應用的新型實時觀測浮標（美國德拉瓦河，2019年7月）

2.7 在研發(fā)成果部署前利用試驗平臺或試驗場進行測試

NOAA的研發(fā)成果在部署前需進行詳細測試，逐步推進研發(fā)成果從研究、發(fā)展階段向示范、部署階段轉(zhuǎn)變（圖4 ），促進向預測、警告、產(chǎn)品、服務和決策支持的過渡。這些測試主要在NOAA的12個試驗平臺和試驗場進行，包括：裝備開發(fā)測試平臺、北極試驗平臺、航空天氣試驗平臺（圖5）、氣候試驗平臺、沿海和海洋模擬試驗平臺、運營試驗場、靜止環(huán)境觀測衛(wèi)星試驗場、危險天氣試驗平臺、水文氣象試驗平臺、衛(wèi)星數(shù)據(jù)同化聯(lián)合中心、聯(lián)合颶風試驗平臺、太空天氣預報試驗平臺等。

圖4 研究流程和成熟度等級（研究、發(fā)展、示范、部署）

圖5 在航空天氣中心的航空天氣試驗平臺開展試驗

3 與NOAA報告對比分析我國海洋觀測網(wǎng)需關注的幾個問題

我國海洋觀測能力大幅提升，綜合服務水平不斷增強[2]，但仍存在不少有待提升之處，需關注的幾個問題主要包括：

3.1 海洋觀測新裝備進入業(yè)務體系的機制有待健全

隨著5G通信、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術變革，海洋觀測技術向自動化、機動化、智能化、小型化、免維護等方向發(fā)展，“海燕”“海翼”水下滑翔機、“藍鯨”“海哨兵”波浪滑翔器、C-Argo、水下航行器（AUV）等移動自主觀測裝備[3]大量涌現(xiàn)，這些科技成果應盡快實現(xiàn)轉(zhuǎn)化應用，納入觀測業(yè)務體系，發(fā)揮新裝備觀測效能。如氣象部門制定了《科技成果業(yè)務準入辦法》[4]，推動科技成果轉(zhuǎn)化應用，規(guī)范氣象科技成果業(yè)務準入管理。但是海洋觀測領域尚未建立科技創(chuàng)新成果進入觀測業(yè)務體系應用的機制，海洋觀測網(wǎng)中自動化、機動化、智能化的新技術裝備應用水平不高，未形成成熟的業(yè)務應用模式及相關配套管理制度。

3.2 海洋生態(tài)在線監(jiān)測預警體系尚未建立

我國已經(jīng)設置了600余個海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測點，基本上每年開展一次調(diào)查，主要以現(xiàn)場采樣加實驗室化驗分析為主，總體上監(jiān)測手段存在不足，衛(wèi)星遙感、水下探測、視頻、原位在線等技術手段應用水平偏低，難以整體呈現(xiàn)自然生態(tài)的系統(tǒng)性和完整性，同時缺乏生態(tài)系統(tǒng)功能評價、生態(tài)風險評估預警技術指標和方法體系，生態(tài)預警監(jiān)測體系尚未建立。

3.3 海洋觀測部分關鍵和核心技術仍然受制于人

近年來我國海洋觀測和生態(tài)監(jiān)測技術不斷進步，大部分觀測設備均可實現(xiàn)自主集成，但部分核心和關鍵技術仍然尚未突破，其可靠性和穩(wěn)定性尚未得到市場的廣泛認可。觀測方面，海洋站（點）中的大氣溫度濕度傳感器、氣壓傳感器大多為進口設備、國產(chǎn)占有率較低，浮標的風速風向、溫濕、海流計、溫鹽、氣壓、能見度、海水壓力等傳感器國產(chǎn)占有率也較低，急需加強能適應海洋惡劣環(huán)境的國產(chǎn)傳感器研發(fā)和生產(chǎn)，提高傳感器的國產(chǎn)化率。生態(tài)監(jiān)測方面，多參數(shù)、營養(yǎng)鹽、總磷總氮等大多傳感器主要依賴進口，國產(chǎn)設備占有率較低。

4 建 議

4.1 利用新技術裝備不斷創(chuàng)新海洋觀測業(yè)務

按照新技術裝備業(yè)務應用要求，對新技術裝備進行測試評估，保證新技術裝備穩(wěn)定可靠；開展新技術裝備業(yè)務試點運行，逐步建立新技術裝備業(yè)務應用模式與業(yè)務規(guī)程，建立新技術裝備業(yè)務化觀測的管理運行機制，完善新技術裝備維護、校準等的技術保障流程和體系。當前觀測技術向自動化、機動化、自主化方向發(fā)展[3,5]，應持續(xù)加大海洋無人智能技術裝備應用力度，積極利用水下滑翔機、波浪滑翔機、水下潛航器、無人機和無人船等開展海洋觀測，加大智能海洋觀測裝備在觀測網(wǎng)中的示范與業(yè)務應用力度，推動海洋觀測網(wǎng)向自動化、智能化、網(wǎng)絡化方向發(fā)展，比如利用水下滑翔機開展海洋斷面調(diào)查、利用船載在線監(jiān)測系統(tǒng)開展生態(tài)監(jiān)測業(yè)務、利用無人艇和無人機開展生態(tài)災害應急監(jiān)測或淺水灘涂區(qū)域生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、利用水下視頻監(jiān)視系統(tǒng)開展珊瑚礁和魚類等實時監(jiān)測。以下從海洋觀測和生態(tài)監(jiān)測方面各列舉一個應用實例。

4.1.1 基于水下滑翔機的海洋斷面調(diào)查業(yè)務 利用水下滑翔機開展斷面調(diào)查，作為常規(guī)船載斷面調(diào)查的補充，實現(xiàn)高密度、大范圍、精細化區(qū)域調(diào)查。此項工作的開展可有效降低斷面調(diào)查成本、提高作業(yè)效率，隨著水下滑翔機技術的進一步發(fā)展，能夠?qū)崿F(xiàn)全天候、實時、自主機動調(diào)查。美國已經(jīng)率先在加利福尼亞沿岸海域設置了多個斷面，開展水下滑翔機觀測業(yè)務化試運行[6]，制定了相關操作規(guī)程和質(zhì)量控制手冊[7]，積累了長達十年的觀測數(shù)據(jù)，在厄爾尼諾事件中發(fā)揮了重要作用[8-9]。

4.1.2 基于船載在線監(jiān)測系統(tǒng)的生態(tài)監(jiān)測業(yè)務 船載在線監(jiān)測系統(tǒng)是適用于船舶，具有自動水樣采集、在線測量、數(shù)據(jù)存儲和傳輸?shù)裙δ?，實現(xiàn)對水溫、鹽度、pH、溶解氧、濁度、葉綠素、營養(yǎng)鹽等海洋生態(tài)在線監(jiān)測的系統(tǒng)，機動性強、監(jiān)測范圍廣。利用船載在線監(jiān)測系統(tǒng)，定期開展海洋生態(tài)基礎監(jiān)測或生態(tài)災害應急監(jiān)測，能夠提高生態(tài)監(jiān)測自動化水平和應急響應能力，增強海洋生態(tài)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)管業(yè)務的調(diào)查能力。2002年歐盟發(fā)起實施了FerryBox計劃[10]，截至2019年11月，已有近40個組織或船舶參與了這一計劃，包括貨船、客船、調(diào)查船、巡邏船等多種船舶，航線遍布英國東岸北海、北大西洋、挪威海、波羅的海和地中海等海域。

4.2 將海洋生態(tài)系統(tǒng)作為海洋觀測網(wǎng)服務的重要對象

2018年，新一輪國務院機構(gòu)改革后，生態(tài)保護與修復工作重視程度提升到新高度。隨著黨中央建設海洋生態(tài)文明、構(gòu)建海洋命運共同體的戰(zhàn)略實施，珊瑚礁、紅樹林、海草床、濕地鹽沼等典型生態(tài)系統(tǒng)，魚類、底棲生物、微生物、基因等生物資源，作為海洋生態(tài)重要組成部分，都迫切需要海洋觀測網(wǎng)為其開發(fā)或保護提供直接支撐，急需從生態(tài)系統(tǒng)的角度出發(fā)建立健全海洋生態(tài)預警監(jiān)測體系。此外，海洋生物多樣性不僅是海洋生態(tài)系統(tǒng)的重要維持者，也為人類的生存與發(fā)展提供了更為廣闊的空間。將海洋生態(tài)系統(tǒng)作為海洋觀測網(wǎng)服務的重要對象，加強生態(tài)預警監(jiān)測能力建設，建立生態(tài)預警監(jiān)測體系，服務國家戰(zhàn)略實施、服務構(gòu)建海洋命運共同體。

4.3 編制發(fā)布年度國家全球海洋立體觀測網(wǎng)服務報告

為有效宣傳我國海洋觀測網(wǎng)服務成果、擴大海洋觀測網(wǎng)影響、提高公眾認知，建議編制年度國家全球海洋立體觀測網(wǎng)服務報告，體系化梳理我國海洋觀測網(wǎng)在海洋防災減災、海洋生態(tài)保護、海洋資源開發(fā)保障、海洋重大工程建設、海洋科學研究等方面取得的重要成果，進一步提高國家對海洋觀測業(yè)務的重視程度，同時通過與公眾的公開互動，促進我國海洋觀測業(yè)務體系改革創(chuàng)新，提質(zhì)增效。

4.4 業(yè)務應用前開展海洋觀測技術裝備測試評估

隨著海洋觀測網(wǎng)需求裝備種類、數(shù)量規(guī)模增大，對觀測裝備質(zhì)量及運維要求更高。為此，開展海洋觀測網(wǎng)儀器裝備業(yè)務化應用測試與評估，急需補強海洋觀測裝備應用管理的薄弱環(huán)節(jié)，主要是開展海洋觀測、監(jiān)測及監(jiān)視儀器設備室內(nèi)和海上性能測試、實海況試運行等，依據(jù)《海洋觀測預報管理條例》第十五條“海洋觀測使用的儀器設備應當符合國家有關產(chǎn)品標準、規(guī)范和海洋觀測技術要求”的有關規(guī)定，驗證其標準符合性、接口規(guī)范性、數(shù)據(jù)一致性和有效性，以及穩(wěn)定性、環(huán)境適應性、可靠性等性能，評價其能否達到業(yè)務化應用技術要求。同時，為推動海洋觀測新技術、新裝備的業(yè)務應用，加快推進國家海洋綜合試驗場等觀測網(wǎng)技術保障能力建設，加強新型海洋觀測裝備研發(fā)以及業(yè)務應用過程中的技術驗證、測試和評估，支撐海洋觀測網(wǎng)穩(wěn)定運行。

4.5 加大自主設備應用力度，逐步提高國產(chǎn)設備占有率

鼓勵使用單位采購國產(chǎn)設備或備件（尤其是單價高、消耗量大且成本降低空間較大的，制定國產(chǎn)化替代采購方案），并出臺相關優(yōu)惠政策，不斷提高國產(chǎn)設備或備件業(yè)務應用比例；同時做好國產(chǎn)設備或備件的使用情況跟蹤和綜合評估，并及時將信息反饋設備廠商，逐步提高國產(chǎn)設備水平，提升國產(chǎn)設備占有率，有效保障觀測網(wǎng)自主可控，同時為有效應對“卡脖子”情況做好準備。另外，以業(yè)務引領帶動科技創(chuàng)新，在重大工程和項目中應適當安排新技術新手段試應用與試運行的工作任務，引進消化吸收國際先進技術與自主創(chuàng)新雙線并行，逐步建立符合我國海洋觀監(jiān)測業(yè)務發(fā)展的裝備體系。