國際海洋科技領域研究熱點及未來布局

王金平 , 吳秀平 曲建升 , 宋姍姍 , 黨敏文

(1. 中國科學院西北生態環境資源研究院, 甘肅 蘭州 730000; 2. 中國科學院大學, 北京 100035)

21 世紀以來, 隨著技術的進步和需求的增長,全球海洋資源開發和科技創新進入新的發展時期。近年來, 世界格局發生深刻變革, 海洋在地緣政治、國家安全和經濟發展中的作用愈加明顯, 海洋科學研究和技術創新的重要基礎作用也愈加受到重視?！昂Ｑ髲妵睉鹇缘奶岢? 為我國的海洋事業發展指明了方向, 同時對海洋科學研究和技術創新提出了更高的要求。我國海洋科技水平近年來取得了較顯著的提升, 但與傳統海洋強國差距依舊明顯。全面深入了解全球海洋科技發展態勢及重要海洋強國的發展布局, 對把握海洋科技前沿具有重要參考價值,對我國涉海科技戰略制定具有重要支撐意義。本文對近年來國際海洋科技領域的相關研究熱點進行了分析, 結合對美國、英國、日本和俄羅斯的海洋科技發展方向的分析, 闡述了全球海洋科技發展的幾個趨勢特點和啟示。

1 重要熱點前沿問題

基于對近年來國際海洋科技領域的研究進展的監測和分析, 我們遴選出6 個方面較為突出的研究熱點: 海洋物理環境變化研究、海洋塑料污染研究、海洋酸化研究、極地研究、印度洋研究以及海洋技術開發。這些研究之間存在一定的內在邏輯: 在全球變化的大背景下, 海洋物理環境正在發生全方位的變化; 物理環境的變化與人類活動的影響引發一系列全球性海洋問題, 其中最受關注的是海洋酸化研究和海洋塑料污染問題; 科學價值和地緣政治的影響促使重點區域(如北極)相關研究受到關注; 作為關鍵支撐的海洋新技術的開發和應用受到全球普遍重視。見圖1。

1.1 海洋物理環境變化

全球氣候變化對海洋的直接影響是引發了海洋的物理環境變化。氣候變化問題在海洋中拓展延伸,導致海洋溫度升高、熱含量增加, 同時海水受熱膨脹和冰川融化引發全球海平面上升。物理環境的變化是多種海洋環境問題的主要誘因。

(1) 海洋升溫

海洋溫度的升高在科學界已有廣泛共識。海洋溫度升高的定量化評估和未來升溫趨勢研究是近年來主要關注方向。2019 年發表在《科學》(Science)上的一項研究成果表明, 溫室氣體捕獲的太陽能有93%都累積在海洋中, 溫室氣體捕獲的熱量導致海洋變暖的速度比之前預想的更快[1]。在熱含量估算方面, 英美科學家重建了全球和全深度范圍的海洋溫度變化, 提供了首個自1871 年以來全球海洋升溫的估計: 自1871 年以來, 全球海洋熱含量大幅增加(增加了436×1 021 J)[2]。近年來海洋熱量的增加速度也越來越快, 1987—2019 年的增加速度比1955—1986 年快了4 倍多[3]。

(2) 海平面上升

海平面上升對沿海地區產生潛在影響。英美德科學家聯合研究指出, 自1960 年以來全球海平面一直在加速上升, 主要源于陸冰融化和海洋吸熱引起的熱膨脹[4]。2018 年, 英國科學家研究指出, 如果將全球氣溫上升保持在工業化前2℃以內的目標無法實現, 到2100 年全球海平面上升每年將造成14 萬億美元的損失[5]。此外, 近年來南極冰的不穩定性增加了海平面上升預測的不確定性[6]。

圖1 國際海洋研究熱點及內在關系Fig. 1 International ocean research hotspots and internal relations

1.2 海洋塑料污染

相對于其他海洋污染問題, 海洋塑料污染的影響廣度、研究難度和治理難度較大[7]。海洋塑料污染已被列為與臭氧耗竭、海洋酸化、氣候變化等并列的全球性環境問題。

海洋塑料污染的嚴重程度超過預期, 并有向生態系統、深遠海滲透的趨勢[8]。太平洋大型垃圾帶漂浮著超過7.9 萬噸海洋塑料, 比之前估計的多近16倍[9]。智利和德國的研究人員在世界上最偏遠的地區——復活節島和南美洲之間南太平洋發現近100 種不同物種受到塑料污染的影響。馬里亞納海溝10 898 m深處也受到了塑料污染的影響[10]。

海洋塑料污染引發了國際社會普遍關注: 歐盟、英國和加拿大相繼發布塑料污染的相關戰略及科學議程, 主要從資源利用價值最大化、廢棄物及其對環境的影響最小化、實現循環經濟等方面加以考慮。2018 年1 月, 歐洲委員會發布《歐洲循環經濟中的塑料戰略》, 到2030 年消除不可回收的塑料, 削減一次性塑料和限制微塑料, 實現塑料循環經濟[11]。2018 年6 月, 多國聯合簽署《海洋塑料憲章》, 承諾采取五項總體行動來解決海洋塑料問題[12]。2018 年11 月, 加拿大發布《零塑料廢物戰略》, 利用循環經濟的方法在整個生命周期中解決塑料問題[13]。2018 年12 月, 英國發布《廢物處理與資源利用戰略》, 到2042 年消除所有可避免的塑料垃圾[14]。

從研究現狀來看, 海洋塑料污染的分布、來源、遷移和歸宿等研究是近年來科學家關注的幾個重要方面。在未來研究重點方面, 主要將圍繞環境中塑料的量化檢測、對人類健康的影響機理等方面[15]。闡明顆粒大小對風化和生物降解性的影響、揭示微塑料與環境相互作用的機理、利用實驗室研究評估環境中塑料的毒性差異也將成為重要關注方向[16]。

1.3 海洋酸化

海洋pH 值降低對多數甲殼類生物造成不利影響。海洋酸化的趨勢若得不到充分遏制, 可能引發整體海洋生態結構發生調整。從全球來看, 海洋酸化的研究主要關注3 個方面: 海洋酸化問題的來源研究、海洋酸化的影響以及海洋酸化的適應和減緩研究。在海洋酸化問題來源研究方面, 主要關注不同區域海洋酸化的評估。比利時和美國等國科學家發現, 沿海地區的海水吸收了更多的CO2[17], 是引發海洋酸化問題重點區域。挪威科學家研究發現, 未來北大西洋碳吸收速度比先前預期的要慢[18]。海洋酸化的影響研究方面, 主要關注方向為酸化對海洋生物、生態系統和漁業資源的不利影響, 如美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)的模型研究顯示, 隨著大氣中CO2的增加, 在最壞的情況下, 未來30 到80 年內海扇貝數量將減少50%以上[19]。在海洋酸化減緩和適應研究方面, 2018 年1 月, 美國生態學家發文指出, 淺水海岸生態系統中的海洋植物和海藻在降低海洋酸化影響方面發揮了關鍵作用, 這對未來解決海洋酸化問題具有重要意義[20]。

海洋酸化對于漁業的不利影響逐步顯現, 對海洋生態的影響不容忽視, 相關問題引起普遍重視。以美國為例, 2019 年4 月, 美國國會發布了若干海洋酸化相關法案[21], 加強聯邦政府對監測和研究海洋狀況方面的投資, 對美國沿海社區進行脆弱性評估。

1.4 極地研究

南極研究主要關注冰川消融的影響方面。南極冰川加速消融, 增加了南極環境變化預測的不確定性。2018 年, 美國科學家研究發現, 南極冰融化一方面減緩了大氣變暖, 另一方面加速了海平面上升,并將會改變區域降水分布[22]。美國科學家利用數學技術和大量最新的冰蓋模擬數據, 發現冰蓋的崩塌擴大了未來海平面上升的可能情景范圍[23]。美國和德國聯合研究指出, 由于氣候變化而快速消融的南極登曼冰川可能釋放數十億噸的冰, 足以使全球海平面上升近5 英尺[24]。未來南極冰川融化的影響研究將持續成為科學界關注的焦點, 同時南極生物資源研究或將成為新興的研究焦點。

北極變暖和海冰融化使北極生態環境變化研究成為重要熱點。北極研究的熱點方向主要圍繞生態環境和資源開發研究兩方面。在生態環境研究方面,英國國家海洋學中心(NOC)研究發現, 北極變暖造成冰下甲烷加速釋放, 其造成的溫室效應有待評估[25]。英國和以色列科學家研究指出, 夏季海冰對于多年凍土的穩定性至關重要[26]。美國和德國科學家聯合研究發現, 極地冰區的海洋魚類物種形成率約為熱帶海洋的兩倍[27]。挪威科學家研究指出, 太平洋偏暖可能導致北極冬季氣溫升高[28]。在資源開發研究方面, 美國國家科學基金會(NSF)研究指出, 北極地質變遷史研究可能導致資源和權益格局變化[29]。多項研究表明, 北極多年凍土融化對俄羅斯油氣和礦業帶來潛在風險[30]。芬蘭研究機構指出, 采礦業帶來極大利益的同時, 對環境具有長遠不利影響[31]。

北極變暖促使其資源稟賦、航道價值、科學價值和地緣政治更加突出。未來該區域將長期成為研究熱點區域。

1.5 印度洋研究

印度洋在全球海洋和大氣循環中的角色受到重視。美國和法國科學家聯合研究指出, 變暖的印度洋強化大西洋徑向翻轉流, 使歐洲的氣候更加溫和[32]。2018 年12 月, 美國國家科學基金會(NSF)資助的一項研究發現, 最近的冰川期, 印度洋在推動氣候變化方面發揮的作用比之前認為的要大得多。該研究的結果可能會改寫有關熱帶氣候變化是以太平洋為中心的理論[33]。巴西、澳大利亞等國科學家聯合研究發現,來自印度洋對流的大氣波對南美和南大西洋的氣候條件產生了巨大影響, 所導致的干旱和海洋熱浪可能持續發生[34]。美國伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)一項新研究發現, 印度洋的表面溫度發生了顯著變化, 使澳大利亞東南部的氣候變得越來越炎熱干燥[35]。

此外, 2017 年, 美國提出“印太戰略”構想, 對印度洋及其周邊國家的地緣政治產生新的影響。中國提出的“21 世紀海上絲綢之路”倡議中, 印度洋是其中重要的區域之一。在戰略地位凸顯和科學價值提升的雙重因素下, 印度洋相關研究在未來預計會持續升溫。

1.6 海洋技術開發

海洋觀測探測技術是海洋研究的基礎, 也是全球科技競爭的重要前沿[36]。近年來, 國際海洋技術呈現兩方面熱點, 一是傳統海洋儀器裝備的智能化改造, 二是AUV 技術的研發應用。

在傳統海洋儀器的智能化改造提升性能方面。美國斯克里普斯海洋研究所(SIO)利用視覺和聽覺技術升級改造傳統物理海洋學儀器, 使其能夠在海底滑行時直接對周圍的浮游生物成像[37]。美國麻省理工學院(MIT)利用水下“物聯網”技術解決水下設備供電問題[38]。英國普利茅斯海洋實驗室(PML)的科研人員建立漂浮碎片指數, 采用地球觀測衛星來探測海洋垃圾分布熱點, 這種新的方法可以區分海洋塑料等漂浮物的自然源和人為源[39]。來自俄勒岡州立大學的研究人員成功地使用水聽器記錄了俄勒岡州海岸附近海底的甲烷氣泡聲, 打開了使用聲學來鑒別分析海洋中甲烷氣體的大門[40]。

在AUV 的研發應用方面。2018 年, 英國國家海洋學中心(NOC)設計建造的水下自動潛航器 Boaty McBoatface 號在南極洲西部的菲爾希納冰架(Filchner Ice Shelf)下完成了第一次冰下任務后成功出海。對魚類活動以及對海洋保護區的監測工作也逐漸轉向由AUV 開展[41]。

人工智能等新技術逐漸在海洋裝備中得到應用。德國科學家基于人工智能技術, 開發了一套全新的用于海底圖像分析的全自動工作系統, 使得潛水器能夠在深海中獨立開展工作。英國國家海洋學中心(NOC)與微軟合作共同開發可用于海洋研究的人工智能工具, 以模擬波浪關鍵特征。

2 重點國家未來布局

2.1 美國

(1) 國家層面布局

美國國家科學技術委員會(NSTC)是美國最高級別科技委員會, 通過協調相關部門的科技政策, 促進美國科技發展。2018 年11 月, 該委員會發布題為《美國國家海洋科技發展: 未來十年愿景》的報告[42],確定了2018—2028 年間海洋科技發展的迫切研究需求與發展機遇以及未來10 年推進美國國家海洋科技發展的目標與優先事項: ①了解地球系統中的海洋:現代化的基礎設施研發; 大數據利用; 開發地球系統的模型; 促進運營研究。②促進經濟繁榮: 擴大國內海產品生產; 勘探潛在的能源; 評估海洋關鍵礦物; 平衡經濟和生態效益; 培養藍色勞動力。③確保海上安全: 提高海洋事務感知能力; 了解北極的變化; 維護和加強海上運輸。④保障人類健康: 防止和減少塑料污染; 改進對海洋污染物和病原體的預測;減少有害藻華; 開發天然產品。⑤發展具有恢復力的沿海社區: 為自然災害和天氣事件做好準備; 降低風險和脆弱性; 賦予地方和區域決策權力。研究優先事項涵蓋了海洋科學認知、社會經濟服務、海洋安全和人類福祉等多方面內容, 反映了美國未來海洋科技的全方位布局。

(2) 職能機構布局

美國國家大氣與海洋管理局(NOAA)隸屬于美國商務部, 是美國海洋事務的重要管理機構和研究機構, 負責落實聯邦政府相關海洋戰略, 在美國海洋科技規劃布局中發揮著主導作用。2019 年7 月,NOAA 發布《2020—2026 年研究與發展計劃》[43]。提出未來7 年優先發展的3 個愿景及關鍵問題。愿景一對應NOAA 的大氣領域相關研究, 主題為“減少惡劣天氣及其他環境現象對社會的影響”。關鍵問題包括: ①如何改善惡劣天氣及其他環境現象的預測及預警？②全球氣候狀況如何影響當地天氣、增加環境危害、影響水質和可利用水量？③如何提高空間天氣產品和服務的效用？ ④NOAA 如何加強溝通、產品和服務, 使決策更明智？愿景二對應NOAA 的海洋領域, 主題為“海洋和沿海資源的可持續利用和管理”。關鍵問題包括: ①如何利用知識、工具和技術更好地理解、保護和恢復生態系統？②如何在滿足土著、娛樂和商業漁業社區需要的同時維持健康和多樣化的生態系統？③如何加速美國可持續水產養殖的發展？④海岸及海洋資源、生境及康樂設施的保育等如何與旅游及康樂活動的增長相平衡？⑤在日益增加的海上交通和更大的船舶尺寸下, 如何最大限度地提高海上交通效率和安全性？⑥在海洋的未開發地區存在著什么？ ⑦NOAA 如何利用和改善社會經濟信息, 以增強生態系統服務、公共參與實踐和經濟效益的可持續性？愿景三對應能力建設, 主題為“一個強大而有效的研究、開發和轉型事業”。關鍵問題包括: ①如何集成和改進統一建模, 使其在技能、效率和對涉眾服務的適應性方面得到改進？②如何優化地球觀測及其相關平臺, 以滿足NOAA 的需要？③如何利用和改進大數據和信息技術, 加快和轉變研發工作, 形成新的業務和經濟增長點？ ④NOAA 如何確保其投資得到可靠的社會科學研究的支持？

未了進一步提升新興科學技術在海洋領域的應用能力, 2019 年11 月開始, NOAA 發布一系列新技術戰略[44], 主要聚焦5 個方面, 分別為: 無人系統、人工智能、生物組學、云戰略和大數據。文件指出, 將在NOAA 內進行強有力的協調, 并確保NOAA 高級領導層為這些新興的科學和技術重點領域的應用提供強有力的支持, 以指導NOAA 的科學、產品和服務的質量與效率的轉型。

(3) 專題性研究布局

針對重要的海洋問題, 美國也積極開展相關研究布局。比如, 2018 年7 月, 美國國家研究理事會(NRC)發布《對耦合的自然—人類沿海系統長期演化的了解: 美國墨西哥灣沿岸的未來》[45], 促進建立沿海社區和生態系統的恢復能力, 支持政府決策。2019 年2 月, 美國國會發布《沿海和海洋酸化的壓力與威脅研究法案》[46], 加強聯邦政府在研究和監測方面的投資, 幫助沿海社區更好地了解和應對環境壓力因素對海洋和河口的影響。2019 年3 月, 美國白宮科技政策辦公室(OSTP)發布《以加強水安全為目標的海水淡化統籌戰略規劃》[47], 確定了支持美國海水淡化工作的3 個首要目標: 減少風險并簡化當地規劃, 以支持海水淡化; 減少技術和經濟障礙, 使海水淡化技術得以應用; 鼓勵國際合作, 發展海水淡化技術。2019 年3 月, 美國國家海洋漁業局、美國海洋能源管理局(BOEM)和近海開發責任聯盟(RODA)發布《近海風能研發諒解備忘錄》[48], 確定了共同利益的四個領域: 可靠的離岸風能規劃、風能項目選址、風能開發以及與漁業行業合作。

2.2 英國

早在2010 年2 月, 英國政府發布《英國海洋科學戰略(2010—2025 年)》, 明確了其海洋愿景: 清潔、健康、安全、富饒、生物多樣化的海洋。明確了3 個高級優先領域: 理解海洋生態系統運行機制、對氣候變化及與海洋環境的相互作用做出反應、維持和提升生態系統帶來的利益。

為了進一步對未來海洋發展指明方向, 英國政府科學管理辦公室(GOS)于2018 年3 月發布《預見未來海洋》報告[49], 從海洋經濟發展、海洋環境保護、全球海洋合作、海洋科學等4 個方面分析闡述了英國海洋戰略的現狀和未來需求。指出, 海洋科學方面關鍵研究需求包括: 提高海平面上升和沿海洪水的模擬水平, 以便優化基礎設施建設, 降低沿海社區的不確定性; 研究現代海洋通訊技術, 提升數據傳輸和電池技術; 研究海洋變暖和海洋酸化及其對海洋環境的累積影響; 研究海洋生態系統在可預見的威脅下崩潰“臨界點”; 推進大數據成為創新的驅動力, 確保英國有足夠的存儲能力和分析能力, 協調政府內部在大數據方面的合作。

英國近年來十分重視海上運輸的綠色低碳發展。2019 年1 月, 英國交通部發布《海事2050 戰略》, 詳細闡述了到2050 年實現零排放航運的愿景。2019 年7 月, 英國交通部發布《清潔海事計劃》[50], 提出《海事2050 年戰略》的環境路線圖, 確定了同時解決空氣污染物和溫室氣體排放的方法, 并確保英國的清潔增長機遇。

2.3 日本

日本是全球重要的海洋強國?！逗Ｑ蠡居媱潯肥侨毡就七M海洋事業發展的重要依據[51]。2018年5月, 日本發布新版《海洋基本計劃》, 為日本在未來五年間實施海洋政策和處理涉海事務提供指導。與前兩期相比, 其核心內容由海洋資源開發利用轉向海洋權益維護和海洋安全保障[52]。該計劃指出, 將確保領海和海洋權益。關注海上通道并加強國際海洋秩序的安全和發展, 提升海上自衛隊及海上保安廳的飛機及艦艇的數量和海巡力度, 推進海洋調查和研究開發。加強國際合作, 利用海洋資源, 管理水產資源,促進海洋產業發展。加強收集和共享信息的體制, 完善海洋產業, 確保海洋可持續性開放、利用和環境保護, 實施最先進的海洋技術創新性研發。

海洋資源的利用一直是日本關注的焦點。2019 年2 月, 日本發布《海洋能源和礦產資源開發計劃》, 圍繞具體海洋能源和礦產資源的勘查開發與技術研發等方面, 確定了未來5 年的工作方向, 涉及天然氣水合物、石油和天然氣以及海洋礦產資源[53]。

2.4 俄羅斯

俄羅斯海洋科技具有良好的積淀, 其深潛器技術和極地破冰船、核動力破冰船等特殊科考船技術具有顯著優勢。為了維護俄羅斯海洋利益特別是北極利益, 俄羅斯于2015 年7 月發布新版《海洋學說》,首次將南北極海域列入了利益范圍, 并詳細規定了俄羅斯在北極地區的任務[54]。2020 年初, 俄羅斯相繼發布《北方航道計劃》、《2035 年前國家北極基本政策》, 重點布局科學考察船建設、北極多年凍土融化對油氣設施的影響、自然資源勘探以及國土安全相關技術。俄羅斯計劃到2035 年至少建造40 艘北極船只, 進一步加強其北極科考能力。

3 啟示

(1) 氣候變化問題在海洋中的延伸效應將持續受到關注

全球氣候變化引起廣泛的環境效應, 對海洋的影響也不容忽視。海洋作為全球氣候的調節器, 吸收了溫室氣體所捕獲的大部分的熱量, 引起的一系列海洋環境影響正逐漸顯現。隨著人類活動導致的碳排放量進一步增加, 海水對CO2的吸收量也不斷累積, 持續改變著海洋的化學環境, 對甲殼類動物造成較大影響的同時對整體海洋生態系統也構成潛在威脅。此外, 全球海洋物理環境正發生不可逆轉的深刻改變: 氣候變暖引起了極地冰川的融化, 海水的受熱膨脹效應加速了海平面的上升速度。在全球氣候變暖趨勢短期內難以得到緩解的情況下, 海洋物理環境變化的相關問題將在未來持續成為科學界研究的重要方向。

(2) 全球性海洋環境問題的導向作用更加明顯

海洋環境健康是進一步實現海洋價值、促進海洋可持續發展的重要前提。工業革命以來, 隨著人類海洋開發活動的不斷加劇以及人類陸地活動帶來的持續影響, 海洋生態環境狀況呈現出逐漸惡化的趨勢。在全球范圍內, 海洋富營養化、海洋缺氧、海上溢油等所造成的經濟損失越來越大, 海洋塑料污染、重金屬污染等問題長期存在且有逐漸向深遠海以及南北極擴展的趨勢。由于影響到人類健康和海洋相關產業發展, 海洋生態環境污染問題近年來受到廣泛關注。海洋微塑料污染機理、重金屬污染治理、海洋溢油監測、深遠海和南北極海洋生態環境變化等將成為研究的重點方向。

(3) 海洋技術向智能化方向發展

近年來, 海洋探測監測技術進步為海洋科學的長足發展提供了技術保障。未來隨著研究問題的不斷深入和研究范圍的不斷擴展, 海洋研究對技術能力將有更高的要求, 一方面對數據規模的需求和對數據精度和傳輸速度的要求進一步提升, 另一方面對深海、極地等極端環境數據的需求也不斷增長。近年來, 海洋技術開發逐步向智能化方向發展: 一方面是傳統海洋設備的智能化升級, 另一方面是新興技術在海洋領域的應用。未來隨著相關技術的不斷升級, 特別是人工智能技術、大數據技術和云計算技術等不斷在海洋科學中應用, 海洋技術創新將迎來重要發展機遇。我國海洋技術裝備技術水平總體與歐美存在一定的差距, 應對關鍵核心技術研發給予充足和穩定的支持, 并重視大數據和人工智能等新興技術在海洋監測探測技術方面的應用研發。

(4) 海洋戰略規劃的引領作用日漸加強

海洋科技發展受到全球普遍重視, 主要海洋強國紛紛加強海洋科技規劃布局。美國密集出臺相關戰略和研究計劃, 從各個層面加強對海洋科技研究的未來規劃。英國、日本和俄羅斯等國也根據各自國情和長遠需求, 制定相關的海洋發展戰略和科技規劃。國家自上而下的系統性戰略規劃布局對于海洋科技發展具有重要的指導意義。當前我國正值建設“海洋強國”的歷史機遇期, 建立和完善與國家戰略需求相適應的海洋科技規劃體系, 對于優化整合資源、協同提升海洋科技實力、實現海洋科技長足發展具有重要意義。