内刊访谈

[特别策划] 海洋科学的六大前沿问题

发表时间:2019-08-16 11:29:42

文/荆钊 庄光超 林霄沛

 

  荆钊:中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室教授、博士生导师

  庄光超:中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室副教授、硕士生导师

  林霄沛:中国海洋大学物理海洋教育部重点实验室副主任、教授、博士生导师,青岛海洋科学与技术试点国家实验室海洋动力过程与气候功能实验室主任


 

  提话:海洋科学研究正在由过去的大尺度向多尺度、由上层海洋向深层海洋、由单一圈层向多圈层耦合的方向发展。以地球系统科学理念为指导,大气圈、水圈、生物圈、冰冻圈、岩石圈多圈层相互作用正在成为学科关注的前沿。


 

  海洋科学是研究海洋的自然现象、性质及其变化规律,以及与开发利用海洋有关的知识体系,是地球科学的重要组成部分。它的研究对象是占地球表面71%的海洋,包括海水的运动、溶解和悬浮于海水中的物质、生活于海洋中的生物、海底沉积和海底岩石圈,以及海面上的大气边界层和河口海岸带。

  受制于观测手段的限制,传统的海洋学研究主要关注海洋中的大尺度现象(如大洋环流)。此外,由于揭示出的海洋现象越来越多,学科的划分也就越来越细,但是各个学科往往过多地强调本学科的独立性、重要性,而忽视学科之间的内在联系。近20年来对海洋现象和过程的深入研究发现:海洋中存在着各种尺度的运动,不同尺度的运动之间并非相互独立而是存在着强烈的相互作用,因此必须开展海洋多尺度动力过程的综合研究,才有可能充分理解海洋中的物质能量循环;海洋动力过程和生物地球化学过程之间存在显著的耦合效应,因此各分支学科之间是彼此依存、相互交叉、相互渗透的,而每一门分支学科只有在整个海洋科学体系的相互联系中才能得到重大发展。当前海洋学研究的前沿科学问题如下。

 

  海洋多尺度相互作用和能量串级
 

  海洋中包含着各种空间尺度的运动,大至海盆尺度的大洋环流,下至微尺度上的湍流运动。海洋运动的能量来源于风和潮汐,而能量耗散则依靠湍流中的粘性作用。为了维持海洋的平衡态,能量必须从强迫尺度传递到湍流尺度(即能量串级)。能量向小尺度的串级过程,涉及能量在不同运动形式间(包括海洋环流、中尺度涡、亚中尺度运动、内波、湍流等)的交换,对于驱动深海大洋跨等密度面湍流混合有着重要作用。后者通过控制海水中热量和物质的垂向输运,又反过来调制大洋环流的强度,进而影响到整个气候系统。上述多尺度相互作用和能量串级过程是贯穿整个海洋学研究的核心科学问题。在过去60年的研究中,大洋环流理论已经取得了长足的进步。然而对中小尺度过程和混合的变异机理还缺乏深入的认识。海洋中小尺度过程占据了海洋中超过70%的动能,其能量如何耗散?深海大洋混合的时空分布特征和驱动机理是什么?在数值模式中如何参数化混合对环流和气候的影响?这些都是当前海洋学研究的基础前沿问题。

 

  多尺度海气相互作用及其气候效应
 

  海洋和大气是一个高度耦合的系统。海气间的相互作用在整个气候系统中起着至关重要的作用。传统的研究聚焦于大尺度海气相互作用,发展了相应的理论,对热带海区的厄尔尼诺-拉尼娜现象的预报取得了较好的效果。然而,近些年的观测和数值模拟结果表明,海气相互作用存在于多个尺度,并且不同尺度上的海气相互作用特征和机理具有显著不同。

  例如,中纬度最活跃的海气相互作用是发生在大气天气系统——风暴轴和海洋“天气系统”——海洋中尺度涡的相互作用过程。中小尺度海气相互作用在全球海洋的时空特征和作用机理是什么样的?对海气间的物质能量交换有怎样的贡献?如何调制多尺度海洋和大气动力过程并进而影响到整个气候系统?这些都是亟待解决的关键科学问题。

 

  深海大洋动力过程及跨圈层流固相互作用
 

  过去的海洋学研究主要集中于海洋上层,对于深层海洋的动力过程认识较少。然而,越来越多的证据表明深海大洋存在复杂的动力过程,并且受到海底地形变化和流固界面交换过程的制约。

  例如,近些年的观测表明深海环流系统在地形和岸界作用下表现出高度复杂的空间结构,无法用已有的环流理论进行解释。复杂多变的海底地形为打破地转平衡提供了有利条件,有助于加速能量从海洋中尺度涡到更小尺度过程的串级,但其作用机理及其在海洋能量过程中的重要性还未得到深入认识。传统的物理海洋学研究将海水与固体界面视为一个刚性的绝热界面,然而实际流固界面存在显著的物质和热量交换。流固界面物质和热量交换的量值和时空分布特征是什么样的?如何建立动力模型来描述和理解这种交换对深海动力过程及沉积作用的影响?

 

  水圈-大气圈-生物圈耦合及其生态和气候效应
 

  海洋生态系统作为地球上最大的生态系统,为人类社会发展提供了重要的生物资源。此外,海洋作为地球上最大的活跃碳库,对延缓二氧化碳在大气中的快速积累及其引发的全球变暖效应起到重要作用。海洋生态系统不仅取决于海水的生物、化学性质,而且高度依赖于海水的动力环境。海洋中不同尺度的运动结合在一起,共同决定了生物群落所接受的光照、营养盐、溶解氧和水温等关键环境要素。反过来,海洋生态系统深刻影响着海洋中碳等关键元素的循环,控制着海洋对大气中CO2的吸收能力,对整个气候系统产生显著的作用。因此,开展水圈-生物圈耦合的海洋多尺度相互作用研究,对于全面认识海洋生态系统、充分认知海洋中微观的物质、元素循环过程,更准确地开展未来大气CO2浓度及气候变化预测,具有重要科学价值。传统的海洋学研究,不同学科往往关注单一圈层,具有明显的局限性,未能深刻揭示气候和生态系统演变规律。

 

  古环流-气候系统
 

  认知古环流-气候系统的演变规律对于理解当前气候变化以及对人类的影响具有重要意义。然而受制于当前数据资料和研究水平的限制,对于古环流-气候系统演变规律和影响机制的认识仍非常有限,是一个前沿问题也是一个难点问题。

  首先,目前对古气候和环流的重建主要依赖于化学元素的测量,如何准确地将这些化学元素信息转换为温度和流速等物理要素,仍面临着很大的挑战。其次,地质时间尺度上的海陆格局变迁、关键海峡开闭、海平面以及海底地形地貌的变化对环流和气候系统变率都存在着重要的调控作用,但是对于古海陆格局、古山高水深、古海平面的恢复,近年来国际上相关研究刚刚起步,属全新的前沿研究领域。最后,地球气候系统模式是认知古环流-气候系统的演变规律的核心工具。地球气候系统模式近些年虽然得到了快速发展,但仍有很大不足。发展多运动形态耦合、包含多圈层相互作用的地球气候系统模式,是准确重构古环流-气候系统、精准预测未来气候变化的关键突破点,也是未来的主流发展方向。

 

  深海极端生命过程
 

  深海占到整个地球表面超过65%的面积,是海洋系统的重要组成部分。近几十年来,人类经过不断探索,发现深海环境孕育着一个高度活跃的地圈和极度丰富的生物圈。深海拥有海山、洋中脊、海沟、泥火山、天然气水合物、冷泉、热液等特殊环境,海底地形以及理化参数变化剧烈,从而影响海洋深部圈层的动力学、热力学以及生物地球化学过程,进而孕育了独特的生态系统和生命过程。深海是深部生物圈巨大微生物群落的栖息地,在海底深处发现大量生命的存在是大洋钻探计划(IODP)开展近半个世纪以来最重要的发现之一。研究高压、黑暗及能量限制条件下的深部生物圈以及热液、冷泉等特殊极端生态系统中的微生物代谢及生物地球化学过程,对于揭示生命的起源、进化以及生物对特殊环境的适应能力和合理开发利用新能源及深海微生物资源都有着极其重要的科学意义。

  然而,目前我们对于深海极端生命过程的认识尚处于初级阶段,许多重要的未知科学问题有待进一步的探索和发现。比如,深部生命的极限以及决定深部生命分布的主要环境因素;深部生命生存代谢、适应和演化的机制;深部微生物介导的生物地球化学过程在元素循环中所起的作用;深部生态系统与上层生态系统的相互联系与影响的内在关系、具体机制等前沿问题。针对这些内容开展深入研究,将会大大加深目前我们对深部生命过程以及深部碳循环的了解,有助于解决海洋科学领域一些突出的关键性问题。

  综上所述,海洋科学研究正在由过去的大尺度向多尺度、由上层海洋向深层海洋、由单一圈层向多圈层耦合的方向发展。以地球系统科学理念为指导,大气圈、水圈、生物圈、冰冻圈、岩石圈多圈层相互作用正在成为学科关注的前沿。开展跨尺度、多圈层相互作用研究,将有利于学科间的交叉融合,孕育海洋与地球系统科学的重大原始创新,建立跨圈层地球系统科学的理论框架。
 

     图1 海洋多圈层相互作用。通过陆海交换、大洋近海交换、洋际交换、海气交换和上层下层海洋交换,海洋与大气圈和陆地发生相互作用,进行物质和能量的传递输运,调控着气候、海洋环境和海水性质的变化;海水通过流固相互作用过程进入大洋岩石圈,随板块俯冲进入地球内部,并经深部流体循环返回地表,影响并控制着深层海洋和地球深部的物质能量交换,特别是水循环和碳循环。

 

     图2 海洋多尺度运动相互作用和能量串级示意图。为了实现海洋的能量收支平衡,能量需从环流尺度(~104km)串级到湍流尺度(~10cm),涉及到不同尺度运动之间的相互作用。