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作者:张双虎 来源:中国科学报 发布时间:2021/11/24 15:57:11
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乘风破浪心向深海
——记国家自然科学基金创新研究群体项目“西太平洋海洋环流动力过程”

 

 2015年中印尼联合航次科考(左三为袁东亮)    研究团队供图

西太平洋是全球海温最高的水体——暖池的主体所在地,全球海洋大输送带在此流过,将太阳辐射热量带到高纬度海域,对全球气候产生重要影响。

从“十三五”开始,我国开始对西太平洋进行大规模调查研究。在国家自然科学基金“西太平洋海洋环流动力过程”创新研究群体项目(以下简称创新群体项目)支持下,科院海洋所研究员袁东亮带领该创新群体取得了重要突破性成果:发现了一支迄今赤道外最长、最强的,横跨北太平洋海盆的次温跃层潜流——北赤道次表层流,揭示其进入印尼海的路径以及动力机制,纠正了经典理论存在“阴影区”的错误;发现了连接太平洋和印度洋环流的一支洋流——印尼贯穿流的两个新分支,为太-印交换和全球海洋大输送带提供了新格局认识;同时揭示了北太平洋副热带环流西边界流——黑潮与近海环流相互作用对我国沿海环境的影响。该团队在国际上发起并引领的NPOCE(西北太平洋海洋环流与气候实验)国际合作计划得到国际学界的高度认可。

出海

11月21日上午,青岛薛家岛码头。

随着一声悠长的汽笛,“科学号”考察船缓缓离开港口,奔赴西太平洋执行国家自然科学基金委今年的年共享航次计划。这支30多人的科考队伍要在未来80多天里,回收去年布放的潜标,收集观测数据,维护并重新布放潜标,按照国际GO-SHIP计划标准开展物理、化学、生物、地质等多学科考察。

“每次出海都有新挑战。”本航次负责人、科院海洋所研究员张林林对《中国科学报》说。“早期出海科考,所里会举行个仪式,领导致辞、媒体报道、同事送别,仪式简短而隆重。近年来这些仪式都省略了,大家只是握握手,强调安全事项。”

因为,出海前科考队进行了充分的准备,对设计方案反复思考、讨论,他们心里有了底儿。

海洋环流研究高度依赖观测,科考队的重要任务之一就是取得海洋状态的实测数据,其中包括布设和回收深海潜标,进行长时间序列观测。

“最开始我们都没有做过这个东西(潜标)。”袁东亮对《中国科学报》说,“在湍急的西边界流内布设6000多米的深海潜标,当时在国际上也是首次,包括观测系统怎么设计,海上怎么操作,采取什么技术方案,都没有经验可借鉴。”

在经历无数次研讨、设计、尝试和修改后,该团队终于拿出了一套成熟的观测方案。

一套潜标观测系统,像一串硕大的珍珠项链静静地挂在海里。在长约6公里的“绳”上,最下端是近两吨的重物,将潜标固定在海底,沿着这条绳向上,每隔一段距离设置一个仪器和浮球,让潜标在海里保持竖直“站立”。潜标上挂着30多个昂贵的仪器设备,用来监测洋流、水温、盐度等数据。

在“无风三尺浪”的大洋中,让这个近两顿重的“大项链”竖在海里并非易事。科考队员先放下浮球,然后以低速开动科考船,一边前进一边挂仪器、调整状态,小心放入海中。

“海上作业非常复杂,风向、洋流都要充分考虑,否则放出去的绳摆来摆去,如果碰到仪器、磨损绳子都会导致失败。”另一位创新群体项目成员、科院海洋所研究员胡石建告诉《中国科学报》,“每次布放潜标,科考队员要连续在甲板上工作七八个小时。使用先进的‘科学号’调查船后,布放一次能控制在三四个小时。”

“这一整套东西放进海里,配重、浮球、仪器、绳子及各部分的连接部件,任何一个环节都不能出错,任何一个小问题都可能导致潜标无法回收,或拿不到想要的数据。”袁东亮说,“因此,这不仅是个技术活,更是对体力、耐心、细心和团队协作能力的考验。”

历程

20世纪60年代,国际海洋学研究进入大规模海上立体观测实验阶段,但受限于资金、技术、仪器设备等因素,我国海洋学研究总体上还处于“摸索阶段”,连“跟跑”的条件都不具备。

2009年,我国西太海洋环流研究奠基人、科院院士胡敦欣获得国家自然科学基金重大项目资助,在国际大规模西太科考停滞15年的背景下,开启了新一轮西太环流科考。

2011年,袁东亮担任国家自然科学基金委西太平洋开放共享航次首席科学家,带队赴西太平洋开展科学调查,圆满完成各项任务。从此开启了一轮长达10年,至今还在延续的西太平洋科考篇章。

“早期,我们在胡敦欣院士带领下,摸索着开展潜标观测和研究,为后来获得创新群体项目打下了基础。”袁东亮说,“那时候潜标很贵,每次出海只布放或回收一套(潜标)。”

2014年,我国开始在西太平洋和印尼海大规模布放潜标。此时袁东亮带领的创新群体项目团队已经经验丰富,“比较有信心了”。2015年底,创新群体项目负责人袁东亮带队去回收潜标时,我国在西太平洋已经布放了16套,在印尼海布放5套,形成20余套潜标组成的观测阵列。这一量级上的变化,奠定了我国开展海洋连续观测研究的基础。

此后,袁东亮又领导建设印尼海观测系统,到2018年,形成了印尼海10余套、西太平洋20余套的规模。目前,我国在西太和印尼海已有30多套同步潜标,观测到大量珍贵数据,发现了很多前所未见的新现象,取得了非常有一批重要成果。

“我们一步一个台阶,每次都有不小的挑战。”胡石建说,“经过10多年探索,我们的一些理论和研究方法,已经成为一种范式,成为国际上其他研究团队的参考。”

合作

“我们在国际合作方面做了大量工作。”袁东亮说,“不仅领导着NPOCE国际合作计划,还在印尼的内海,建起覆盖关键海峡的潜标阵列,获得了国际上仅中国才有的海洋观测数据。”

要研究印尼贯穿流就必须在印尼的内海开展观测,必须通过国际合作才能实现。袁东亮介绍说,“通过国际会议和开展学术培训等活动,我们与印尼科学家建立起互信的伙伴关系,通过大量的沟通,并创新合作范式,使用印尼科考船完成了印尼海潜标阵列的建设”。

在印尼科考船上工作,研究人员不但要克服自然条件带来的困难,还要适应当地的生活和宗教习惯。创新群体项目成员李峣曾在赤道四五十度的甲板高温下,因为衬衣纽扣敞开被晒出了燎泡,创新群体项目成员、首席科学家王晶则经历过追踪失窃航标的惊险……

“这些年轻人成长很快,已经褪去了初出茅庐时的‘青涩劲儿’。”袁东亮说,“他们中有两人获得了国家自然科学基金优秀青年科学基金项目资助,有8人曾任航次或者航段首席,完全可以派出去独当一面。”

科学号渐渐驶向浩瀚大海,一点点变小,并最终消失在水天一色处。与此同时,中国的海洋学研究正一步步走向深蓝……

《中国科学报》:研究洋流、弄清洋流规律和机理有哪些重要意义?

袁东亮:海洋环流是全球物质和能量传输,尤其是热量输送的重要载体。西太平洋暖池直接影响我国东南沿海的水汽输送,对研究我国中长期气候变化和短期气候预测有重要作用。此外,认识和研究海洋对国家环境安全很重要,同时便于人们开发海洋,更好地服务经济社会发展和人类生活进步。

《中国科学报》:我国洋流研究目前在国际上处于怎样的水平?

袁东亮:在海洋研究方面,我国从观测手段、研究方法到仪器装备都有了很大的进步,也取得了一批重要成果。这些年,我们和印尼紧密合作,取得很多有价值的观测数据。在西太平洋-印尼海海域,我们总体上处于国际前沿。

《中国科学报》:下一步我们有什么研究计划?

袁东亮:2007年,科院组织开展“至2050年中国海洋科技发展路线图”的研究,我是海洋环境领域的规划者和主要撰写人。按照该路线图,2020年前,我们实现了在西太平洋-东印度洋海域布设观测阵列,形成局部研究优势的目标;下一步,至2035年,我们计划将观测网拓展到整个印-太海盆。目前国际上在太平洋已经有了一些规划,我们会加强国际合作,形成“十字”观测网并参与国际热带太平洋观测系统TPOS计划;到2050年,我们国家的发展必然要求我们将海洋观测扩展到全球。那时候,我们将全球海洋连起来形成“完整的故事”。

 

 
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