齊慶華

(自然資源部第三海洋研究所 廈門(mén) 361005)

0 引言

環(huán)境和氣候是人類(lèi)和一切生物賴(lài)以生存的重要基礎(chǔ)資源。海洋作為地球系統(tǒng)的主要組成部分,在地球環(huán)境和氣候的形成和變化中發(fā)揮著舉足輕重的作用。海洋系統(tǒng)與地球其他各圈層相互作用,引起的環(huán)境和災(zāi)害問(wèn)題日益突出[1],涉及環(huán)境、氣候、生態(tài)、資源和安全等重要科學(xué)領(lǐng)域。

我國(guó)是海洋大國(guó),海域遼闊、生態(tài)多樣、資源豐富。關(guān)心海洋、認(rèn)識(shí)海洋、經(jīng)略海洋是發(fā)展海洋經(jīng)濟(jì)、保障海洋環(huán)境安全和維護(hù)海洋權(quán)益的基礎(chǔ),也是推動(dòng)我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)的戰(zhàn)略需求。海洋環(huán)境的空間特征、氣候演變過(guò)程及其地域分異規(guī)律是海洋科學(xué)的研究基石,當(dāng)前海洋科學(xué)研究不斷向系統(tǒng)化、綜合化和全球化趨勢(shì)發(fā)展。采用現(xiàn)代海洋觀測(cè)(探測(cè)、監(jiān)測(cè))技術(shù)、信息技術(shù)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù),基于對(duì)全球和區(qū)域海洋的精細(xì)、精確、實(shí)時(shí)和動(dòng)態(tài)觀測(cè),揭示不同尺度的海洋物理、化學(xué)、生物特征和變化規(guī)律,預(yù)測(cè)海洋資源、環(huán)境和氣候的時(shí)空變化,評(píng)估不同尺度的海洋環(huán)境信息并研究其多尺度變化過(guò)程及其氣候環(huán)境和資源效應(yīng),是深化海洋認(rèn)知的重要內(nèi)容,更是提高海洋資源開(kāi)發(fā)利用能力、加強(qiáng)海洋生態(tài)環(huán)境保護(hù)、防治海洋災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)以及保障海洋環(huán)境和氣候安全的迫切要求。因此,本研究的出發(fā)點(diǎn)在于,通過(guò)理解海洋要素相互作用過(guò)程的機(jī)理,開(kāi)展多尺度的系統(tǒng)研究,揭示其動(dòng)態(tài)變化規(guī)律和預(yù)估未來(lái)發(fā)展趨勢(shì);尤其是基于區(qū)域研究的視角,建立“要素-過(guò)程-格局-安全”的綜合研究模式。鑒于海洋系統(tǒng)的復(fù)雜性,為使科學(xué)問(wèn)題具體化并深化整體認(rèn)識(shí),本研究聚焦于海洋中尺度過(guò)程,從區(qū)域海洋的分異與連通性入手,簡(jiǎn)要分析海洋中尺度過(guò)程及其影響,探討相關(guān)研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題,并提出海洋環(huán)境和氣候安全保障的策略和措施。

本研究的目的不僅在于考慮海洋中尺度過(guò)程本身的重要環(huán)境特征,而且更注重從環(huán)境容量和承載力出發(fā),探討人類(lèi)與海洋和生態(tài)環(huán)境之間的層次結(jié)構(gòu)、演變規(guī)律及其相互影響和適應(yīng)的協(xié)調(diào)性,更強(qiáng)調(diào)全局觀和綜合觀的重要性。從對(duì)這些作用過(guò)程和機(jī)制的探討,到對(duì)海洋系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)的生命特征、生物演替、災(zāi)害適應(yīng)和風(fēng)險(xiǎn)防治、環(huán)境安全政策制定以及國(guó)家海洋治理的研究,進(jìn)而認(rèn)知和維護(hù)海洋系統(tǒng)平衡,為人類(lèi)合理開(kāi)發(fā)利用海洋的各類(lèi)因地制宜的生產(chǎn)實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù),最終實(shí)現(xiàn)人與自然協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 區(qū)域海洋系統(tǒng)的分異與連通性

區(qū)域海洋系統(tǒng)是特定地域相互作用的地理、環(huán)境、氣候、海洋和全部生物構(gòu)成的復(fù)雜自然系統(tǒng),系統(tǒng)中的地理、氣候、環(huán)境和生物生態(tài)等部分有序組合,各組分界面互相聯(lián)系,并形成具有一定結(jié)構(gòu)和功能的開(kāi)放有機(jī)整體。整個(gè)海洋系統(tǒng)是地球系統(tǒng)的重要組成部分,海洋系統(tǒng)與外界以及海洋系統(tǒng)內(nèi)部各組分間的相互作用過(guò)程可產(chǎn)生能量、物質(zhì)和信息的變化、運(yùn)動(dòng)和交換,從而對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生影響。

1.1 分異與連通

海洋是覆蓋超過(guò)70%地球表面積的連續(xù)海水,其最重要的作用是改善環(huán)境、調(diào)節(jié)氣候以及提供食品和生產(chǎn)資源。海洋系統(tǒng)的各要素通過(guò)不同的組織尺度構(gòu)成多樣性和連接性不斷增加的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。一般地,由于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、本構(gòu)關(guān)系、相互作用方式和強(qiáng)度分布等多種機(jī)制產(chǎn)生的自組織穩(wěn)定效應(yīng),海洋系統(tǒng)處于平衡狀態(tài)。海洋在持續(xù)為人類(lèi)提供正常服務(wù)功能的同時(shí),由于系統(tǒng)集成、過(guò)程綜合以及海-陸-氣相互作用,系統(tǒng)要素具有空間格局的異質(zhì)性和過(guò)程耦合的非線性。尤其在全球環(huán)境和氣候變化的驅(qū)動(dòng)下,海洋的連通性引起一系列的環(huán)境變化和氣候異常,并成為主要的孕災(zāi)環(huán)境,最終引發(fā)災(zāi)害和安全風(fēng)險(xiǎn)[1]?？傊?不同尺度的海洋過(guò)程嚴(yán)重影響海洋環(huán)境和氣候因素的異質(zhì)性,對(duì)生態(tài)位組成和功能多樣性產(chǎn)生重要作用[2],并在很大程度上影響海洋氣候演變、生物地球化學(xué)循環(huán)、生物演替、深部過(guò)程、深海資源分布和海洋災(zāi)害生發(fā)。

需要指出的是,海岸帶是海洋系統(tǒng)和陸地系統(tǒng)復(fù)合交叉的地理單元,是受海-陸相互作用影響的獨(dú)特環(huán)境體系和特殊開(kāi)放系統(tǒng)。海岸帶作為海-陸交錯(cuò)區(qū)和過(guò)渡帶非常重要,其生物多樣性異常豐富,但其內(nèi)部多個(gè)系統(tǒng)存在復(fù)雜的交互作用,且不同系統(tǒng)之間的物質(zhì)和能量流動(dòng)在人類(lèi)活動(dòng)介入后變得更為復(fù)雜,這種獨(dú)特性使海岸帶生態(tài)環(huán)境脆弱性顯著[3]。此外,由于生態(tài)系統(tǒng)具有連通性,可能對(duì)其他系統(tǒng)構(gòu)成威脅,從而影響海岸帶和海洋的生物多樣性[4]。由于海洋空間具有分異與連通性,相關(guān)學(xué)科的融合以及對(duì)范圍和尺度(如跨界)的把握成為當(dāng)前海岸帶空間規(guī)劃研究的重要基礎(chǔ)和關(guān)鍵議題[5]。

1.2 尺度及其層次相對(duì)性

尺度具有多維性特點(diǎn),包括功能尺度、空間尺度和時(shí)間尺度等[6],其中時(shí)空尺度是地球科學(xué)研究的基礎(chǔ)性和根本性問(wèn)題。研究對(duì)象的特質(zhì)均是一定時(shí)空匹配尺度上的表征,要素的時(shí)空分布(空間格局和時(shí)間過(guò)程)、過(guò)程發(fā)生和相互耦合等特性均具有尺度依存性。鑒于此,須在特定尺度上進(jìn)行選擇、考察和研究,才能把握科學(xué)規(guī)律。

尺度具有層次相對(duì)性,不同形式和過(guò)程只有在特定尺度上才能表現(xiàn)出來(lái),如果從較大尺度上分析,較小尺度的要素、行為和過(guò)程很可能被較大尺度所湮滅。尺度的大或小在同一層次和不同層次上具有相對(duì)性,如宏觀層面的尺度通常大于中(介)觀和微觀層面的尺度。研究的終極目標(biāo)是對(duì)研究對(duì)象和要素的全尺度分析,然而在特定的社會(huì)發(fā)展階段,由于科學(xué)認(rèn)知(意識(shí)機(jī)制和思維范式)層次、財(cái)力、時(shí)間和精力等方面的限制,很多研究只能在離散或個(gè)別尺度上進(jìn)行。因此,尺度的選擇、整合和匹配以及向下或向上的承接轉(zhuǎn)換等是研究過(guò)程中不可或缺的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[7],其中的重要途徑之一是通過(guò)關(guān)注特定尺度并以其為中間尺度,進(jìn)而闡釋該尺度與其他承接尺度的級(jí)聯(lián)關(guān)系。由于不同尺度的空間結(jié)構(gòu)和要素組成不同,研究的重點(diǎn)和特征規(guī)律應(yīng)側(cè)重于層次性關(guān)聯(lián)和轉(zhuǎn)換機(jī)制。系統(tǒng)科學(xué)和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論技術(shù)、觀測(cè)技術(shù)以及數(shù)據(jù)信息技術(shù)的發(fā)展是研究多尺度變化及其互作互饋關(guān)系以及架構(gòu)全尺度體系的關(guān)鍵。為兼顧不同尺度的承接和內(nèi)在關(guān)聯(lián),本研究在層次和相對(duì)尺度上主要聚焦海洋中尺度過(guò)程。

2 海洋中尺度過(guò)程及其影響

海洋系統(tǒng)過(guò)程是海洋系統(tǒng)空間狀態(tài)分布、流動(dòng)循環(huán)和演變以及災(zāi)害和安全風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的動(dòng)力根源。影響海洋動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的互作過(guò)程和海洋內(nèi)部的互饋過(guò)程具有層級(jí)性和尺度性,本研究主要關(guān)注海洋中尺度過(guò)程。

如上所述,中尺度過(guò)程主要就相對(duì)時(shí)間和空間尺度而言。簡(jiǎn)便起見(jiàn),本研究在時(shí)間尺度上以銜接尺度為代表的海洋年代際變化(太平洋年代際振蕩)為例,在空間尺度上以旋轉(zhuǎn)流體力學(xué)中地轉(zhuǎn)效應(yīng)主導(dǎo)的最小尺度(海洋中尺度渦旋)為例,簡(jiǎn)要分析和探討海洋中尺度過(guò)程的影響及其研究現(xiàn)狀。

2.1 太平洋年代際振蕩

全球變暖和區(qū)域氣候異常正深刻影響著人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展。全球年代際氣候變率可以改變?nèi)驓夂虮尘昂驼{(diào)整氣候年際變率,從而導(dǎo)致局地的氣候變異甚至氣候?yàn)?zāi)害,對(duì)周邊地區(qū)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的中長(zhǎng)期發(fā)展有嚴(yán)重影響。因此,年代際氣候預(yù)測(cè)對(duì)于評(píng)估氣候變化風(fēng)險(xiǎn)和制定相應(yīng)應(yīng)對(duì)策略至關(guān)重要。目前相關(guān)研究尚處于起步階段,還存在諸多亟待解決的科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題[8-9]。

首先,年代際尺度變化作為年際和月季氣候變化的重要背景,往往影響著年際和月季時(shí)間尺度的氣候特征。而年代際尺度調(diào)整作用的過(guò)程和機(jī)制(如通過(guò)環(huán)流變異和混合層變異),包括傳播機(jī)制和信號(hào)通道、海洋系統(tǒng)復(fù)雜關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)耦合機(jī)制(如年際振蕩和耦合型態(tài))以及對(duì)區(qū)域海洋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和格局影響的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)等均有待系統(tǒng)和深入的研究。其中,年代際尺度變化在全球變暖和改變區(qū)域氣候特征中的過(guò)程和貢獻(xiàn)以及年代際氣候變化的形成和作用機(jī)制是研究重點(diǎn)。目前由于研究資料的局限性,年代際尺度變化的定量研究成果較少。

再者,海洋年代際變化對(duì)環(huán)境和氣候的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性更具研究意義[10]。海洋參與年代際氣候變化的方式以及海洋動(dòng)力過(guò)程在人類(lèi)活動(dòng)影響下的氣候系統(tǒng)輻射平衡中所發(fā)揮的作用等課題,涉及大氣環(huán)流、海洋狀況和海-氣相互作用的年代際變化以及產(chǎn)生這種年代際變化的主要機(jī)制。近20年來(lái),太平洋年代際振蕩(PDO)因其對(duì)全球氣候系統(tǒng)的深遠(yuǎn)影響而被廣泛研究,其是指在太平洋氣候變率中具有類(lèi)似厄爾尼諾-南方濤動(dòng)(ENSO)空間結(jié)構(gòu)但周期為10～30年的振蕩,當(dāng)太平洋中部海面溫度異常增暖(冷卻)時(shí),熱帶太平洋中部和東部以及北美沿岸常同時(shí)伴有同等幅度的異常冷卻(增暖)?？傮w而言,有2類(lèi)觀點(diǎn)分別認(rèn)為太平洋年代際振蕩起源于確定的海-氣耦合過(guò)程或大氣的隨機(jī)強(qiáng)迫[11-12]。①確定性起源論強(qiáng)調(diào),某個(gè)海-氣耦合系統(tǒng)內(nèi)部的物理過(guò)程可以提供1個(gè)正反饋機(jī)制以增強(qiáng)初始擾動(dòng)以及1個(gè)負(fù)反饋機(jī)制以促使振蕩位相發(fā)生逆轉(zhuǎn),海洋環(huán)流的動(dòng)力演變過(guò)程決定振蕩的時(shí)間尺度;②隨機(jī)性起源論強(qiáng)調(diào),大氣活動(dòng)沒(méi)有特定的時(shí)間尺度,其時(shí)間尺度譜實(shí)際上對(duì)應(yīng)于白噪音譜,因此大氣對(duì)海洋的強(qiáng)迫是隨機(jī)的,而海洋常在低頻譜段有最大的響應(yīng)振幅,其對(duì)應(yīng)的周期為十?dāng)?shù)年或數(shù)十年。

此外,作為控制局地環(huán)境和氣候變化的大氣環(huán)流因素,大氣濤動(dòng)同樣具有重要的研究意義,本研究?jī)H關(guān)注大氣濤動(dòng)與太平洋年代際振蕩的關(guān)聯(lián)性。研究表明,南方濤動(dòng)(SO)、北大西洋濤動(dòng)(NA0)、北太平洋濤動(dòng)(NPO)和南極濤動(dòng)(AA0)4個(gè)主要大氣濤動(dòng)具有相對(duì)獨(dú)立性,其中北太平洋濤動(dòng)與太平洋年代際振蕩具有較高的相關(guān)性[13]。

在全球一致性變暖的背景下,我國(guó)海域近海面風(fēng)速、波高和大浪頻率等的變化趨勢(shì)和幅度存在明顯的時(shí)頻特征和地區(qū)差異,年代際變率特征顯著。同時(shí),氣候系統(tǒng)中超過(guò)90%的熱量增加被海洋所吸收,然而中國(guó)海數(shù)十年來(lái)升溫的波動(dòng)態(tài)勢(shì)顯著[13-15]。其原因除全球變暖本身引發(fā)的反饋機(jī)制外,可能主要受氣候系統(tǒng)(包括海-氣耦合系統(tǒng))內(nèi)在變率,尤其是區(qū)域性氣候年代際變率以及與之相關(guān)的關(guān)鍵物理過(guò)程的影響[16],其中也涉及海洋氣候從淺層到深層調(diào)整的結(jié)果[17]。值得關(guān)注的是,年代際氣候變化對(duì)人類(lèi)生存環(huán)境具有重要影響,會(huì)引發(fā)一系列重大災(zāi)害事件,造成嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失,危及糧食和水資源安全。

綜上所述,研究年代際氣候變化規(guī)律和預(yù)測(cè)年代際重大氣候事件是人類(lèi)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的迫切需求?？傮w而言,年代際尺度是具有重要承上啟下作用的時(shí)間尺度。一方面,其是年際尺度的背景,可對(duì)年際尺度的氣候變率現(xiàn)象(如ENSO)和季節(jié)或季節(jié)內(nèi)尺度(如熱帶季節(jié)內(nèi)振蕩)產(chǎn)生重要影響[13];另一方面,對(duì)于世紀(jì)尺度的全球變暖,其又是極為重要的擾動(dòng)。不同時(shí)期和不同季節(jié)的全球和區(qū)域海洋氣候變化速率存在明顯差異,目前尚未定量和確切地給出各種因子的可能影響,而區(qū)域海洋年代際氣候變率的歸因無(wú)疑有更多問(wèn)題值得思考。以上相關(guān)科學(xué)問(wèn)題是全球氣候變化區(qū)域響應(yīng)和災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究的重要內(nèi)容,與地區(qū)性社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展、環(huán)境保護(hù)和人民的安全健康保障密切相關(guān),值得深入探究。

2.2 海洋中尺度渦旋

中尺度渦旋是海洋受地轉(zhuǎn)控制的局地位渦異常,又稱(chēng)“海洋風(fēng)暴”,是影響海洋中物質(zhì)、能量和熱量等傳播和混合的重要?jiǎng)恿^(guò)程以及調(diào)控海洋碳吸收、初級(jí)生產(chǎn)和營(yíng)養(yǎng)鹽再分布的重要?jiǎng)恿σ蛩豙18]。海洋中尺度渦旋約占海洋表層動(dòng)能的90%,且是在能量級(jí)串中連接大尺度和小尺度的中間環(huán)節(jié),在大洋能量傳輸中扮演重要角色。一般地,根據(jù)海洋渦旋在流場(chǎng)和高度異常中的特征,以特征約束方式即可實(shí)現(xiàn)渦旋監(jiān)測(cè)。中尺度渦旋的能量輸送及其生成和耗散動(dòng)力過(guò)程是大洋能量循環(huán)的重要研究課題。有研究表明,中尺度渦旋以西向傳播為主,其能量通量是東向傳播的6倍;與季風(fēng)對(duì)海洋的輸入能量相比,中尺度渦旋對(duì)背景流的貢獻(xiàn)大9倍[19]。在西向傳播的過(guò)程中,中尺度渦旋不斷消失和生成,接續(xù)將能量從東部傳到西部,使能量主要聚集在西邊界[20-21]。平均流和低頻擾動(dòng)的正向能量級(jí)串是區(qū)域渦旋發(fā)展和維持的重要因素[22-24]。

中尺度渦旋對(duì)于海洋中多尺度運(yùn)動(dòng)、水聲物理、海洋生態(tài)、大氣環(huán)境和氣候變化等都具有十分重要的影響[25-28]。目前受觀測(cè)和理論水平的限制,對(duì)海洋中尺度渦旋的研究還處于識(shí)別、基本特征統(tǒng)計(jì)和能譜分析階段[18],中尺度渦旋的耗散過(guò)程以及中尺度渦旋與其他海洋結(jié)構(gòu)和過(guò)程的相互作用等有待進(jìn)一步研究。

2.3 尺度選擇與災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)

理論和實(shí)驗(yàn)證據(jù)均表明,復(fù)合系統(tǒng)是具有邊界的(也稱(chēng)為臨界點(diǎn)或閾值),由于氣候變化和人類(lèi)活動(dòng)的脅迫,海洋系統(tǒng)面臨到達(dá)臨界點(diǎn)或結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生劇烈轉(zhuǎn)變的風(fēng)險(xiǎn)。臨界點(diǎn)反映了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和恢復(fù)力的變化結(jié)果,當(dāng)外界壓力達(dá)到或超過(guò)臨界點(diǎn)時(shí),系統(tǒng)傾向于抵抗結(jié)構(gòu)和功能的改變,因此明確臨界點(diǎn)有利于提高對(duì)海洋環(huán)境和生態(tài)系統(tǒng)的管理水平。

災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)具有自然和社會(huì)雙重屬性,可反映環(huán)境和氣候達(dá)到致災(zāi)臨界點(diǎn)的可能性和程度。由于環(huán)境和氣候要素具有尺度依存性,孕災(zāi)環(huán)境、致災(zāi)因子以及承災(zāi)體(承險(xiǎn)體)等災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)構(gòu)成要素在本質(zhì)上也存在顯著的尺度效應(yīng)。尺度效應(yīng)作為災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)的本源特性,繼而體現(xiàn)在災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)表征、風(fēng)險(xiǎn)建模、風(fēng)險(xiǎn)量度和風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃等方面。考慮到不同災(zāi)種具有不同尺度的特性和形式(如極端特性、廣度和密集度),而不同類(lèi)別的承災(zāi)體(承險(xiǎn)體)具有不同的災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)有效時(shí)間尺度[1],隨著災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)研究更加趨向應(yīng)用性,其研究尺度逐步向中小尺度甚至更小尺度發(fā)展,因此尺度選擇成為環(huán)境和氣候安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和治理中數(shù)據(jù)信息變換融合和量化區(qū)劃的重要原則。

3 地球系統(tǒng)科學(xué)全息觀與區(qū)域海洋環(huán)境和氣候安全保障

3.1 地球系統(tǒng)科學(xué)全息觀和海洋系統(tǒng)多尺度研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

目前地球科學(xué)整體進(jìn)入轉(zhuǎn)型期,處在向綜合集成方向轉(zhuǎn)變的重要階段[29],正從學(xué)科細(xì)分的現(xiàn)象描述提升到跨界思維、探索機(jī)理和跨維整合應(yīng)用的系統(tǒng)科學(xué)和系統(tǒng)工程的新高度。地球系統(tǒng)科學(xué)是應(yīng)解決全球性資源和環(huán)境問(wèn)題的需求,在科學(xué)技術(shù)自身發(fā)展和社會(huì)需求的共同推動(dòng)下而發(fā)展起來(lái)的新興學(xué)科,其以地球空間為研究對(duì)象,重點(diǎn)揭示各圈層、各要素以及自然和人為現(xiàn)象之間的相互作用關(guān)系。問(wèn)題是理論的起點(diǎn)和理論技術(shù)的核心,將全球變化研究和區(qū)域安全可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題有機(jī)聯(lián)系,即構(gòu)成地球系統(tǒng)科學(xué)體系。在此背景下,本研究致力于從地理、地質(zhì)、資源、生態(tài)、能源、氣候和環(huán)境安全等學(xué)科交叉的層面,深化海洋系統(tǒng)的認(rèn)知框架,以期對(duì)地球系統(tǒng)科學(xué)和“數(shù)字地球”的建立與完善提供有益嘗試。

地球系統(tǒng)空間的格局和過(guò)程具有開(kāi)放性和非線性特征,表現(xiàn)為多層次性,且各層次之間相互聯(lián)系以及過(guò)程之間存在互作互饋關(guān)系,同時(shí)耦合過(guò)程中的響應(yīng)、反饋和轉(zhuǎn)換大多屬于隨機(jī)性的混沌行為[30]。地球系統(tǒng)空間的異質(zhì)性和層次性以及各過(guò)程的非平穩(wěn)性(如各向異性和非各態(tài)歷經(jīng))是系統(tǒng)多尺度性產(chǎn)生的根本,制約各種過(guò)程的類(lèi)型(如急轉(zhuǎn))和變化速率(如突變),導(dǎo)致各種變量梯度的產(chǎn)生,極易形成災(zāi)害源區(qū)和災(zāi)害過(guò)程[1]。同時(shí),每個(gè)尺度上的主導(dǎo)過(guò)程不同,即不同的過(guò)程發(fā)生在不同的尺度上,各尺度上的過(guò)程效應(yīng)相互作用,對(duì)格局的發(fā)育起到反饋制約的作用。尤其是不同尺度的多種因素交互作用,使得系統(tǒng)產(chǎn)生涌現(xiàn)特性,進(jìn)而導(dǎo)致較大差異的環(huán)境和氣候效應(yīng)。此外,當(dāng)擾動(dòng)因素脅迫系統(tǒng)時(shí),由于尺度問(wèn)題的存在,強(qiáng)迫因子疊加在原有格局和過(guò)程之上而往復(fù)耦合作用,進(jìn)而激發(fā)另一種格局或過(guò)程的尺度效應(yīng),并形成新的空間異質(zhì)性態(tài)。以上尺度過(guò)程通過(guò)破壞系統(tǒng)平衡導(dǎo)致災(zāi)害生發(fā),從而引起安全風(fēng)險(xiǎn)。因此,地球系統(tǒng)的多層次性和尺度復(fù)雜性要求必須從系統(tǒng)科學(xué)的角度加以確定認(rèn)知(如構(gòu)造、界限和極限)。尤其在尺度選擇上,既要聚焦特定和關(guān)鍵尺度,更要關(guān)注尺度之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)和層次演進(jìn),本研究稱(chēng)其為地球系統(tǒng)科學(xué)認(rèn)知的羅盤(pán)-齒輪-鏈條效應(yīng)。

由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)與自然系統(tǒng)之間的聯(lián)系愈發(fā)緊密,忽略其持續(xù)增強(qiáng)的復(fù)雜性本身就限制了對(duì)其的可知性。鑒于科學(xué)認(rèn)知不斷向系統(tǒng)性和綜合性發(fā)展,本研究通過(guò)對(duì)1947年的全息照相技術(shù)進(jìn)行概念泛化,提出地球系統(tǒng)科學(xué)全息觀。全息理念以系統(tǒng)分異為切入點(diǎn),以系統(tǒng)耦合格局和過(guò)程為基礎(chǔ)要點(diǎn),明確分異結(jié)構(gòu)-格局過(guò)程-功能服務(wù)的級(jí)聯(lián)和傳遞轉(zhuǎn)換關(guān)系,合理規(guī)劃空間布局,通過(guò)分類(lèi)區(qū)劃和統(tǒng)籌協(xié)作的方式,構(gòu)建安全的環(huán)境和氣候以及生態(tài)位體系,從而為自然資源管理和風(fēng)險(xiǎn)治理提供保障。全息觀以實(shí)現(xiàn)人、社會(huì)與自然和諧為目標(biāo),致力于新的世界觀、認(rèn)識(shí)論、方法論和價(jià)值論建構(gòu),是將整體論和還原論相結(jié)合的哲學(xué)世界觀。對(duì)于地球系統(tǒng)科學(xué)全息觀,本研究不展開(kāi)論述,僅從復(fù)雜系統(tǒng)分異相生的多層次尺度和相融的轉(zhuǎn)換演化角度給出一般性定義,并從全息觀的基礎(chǔ)要點(diǎn)出發(fā),表述海洋系統(tǒng)的多尺度過(guò)程研究,提出相關(guān)研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

全息概念為特定層次維度上,系統(tǒng)本體分異確界(主要指能量精微分異、系統(tǒng)功能建構(gòu)與鏈接以及組合構(gòu)造的尺度規(guī)模)狀態(tài)下的臨界互作關(guān)系,脅迫融通維持和消長(zhǎng)生息演化機(jī)制,系統(tǒng)(體系)擾動(dòng)激發(fā)-響應(yīng)-互饋形式(行為模式)及其能量信息感知、傳遞和轉(zhuǎn)化過(guò)程,系統(tǒng)內(nèi)生、循環(huán)和轉(zhuǎn)換等演進(jìn)方式以及自動(dòng)智能控制信息(數(shù)、理、生、化)表達(dá)的綜合。本質(zhì)上,全息是有關(guān)動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)層次化分異和同一的科學(xué),是高品質(zhì)的信息智慧化表達(dá),體現(xiàn)物質(zhì)和能量的分異演化、信息和控制的科學(xué)與哲學(xué)統(tǒng)一。

地球系統(tǒng)作為開(kāi)放的動(dòng)力系統(tǒng),具有空間異質(zhì)性和層次尺度關(guān)聯(lián)性。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究實(shí)踐,地學(xué)工作者已認(rèn)識(shí)到,僅以地球系統(tǒng)各分量的孤立系統(tǒng)來(lái)研究環(huán)境和氣候變化,不能充分揭示環(huán)境和氣候變化的成因以及預(yù)測(cè)其未來(lái)趨勢(shì)[31]。因此,必須綜合考慮各子系統(tǒng)的相互作用,并側(cè)重于動(dòng)力過(guò)程研究。

地球系統(tǒng)是由各圈層組成的廣域性復(fù)雜系統(tǒng)。地球系統(tǒng)科學(xué)全息觀的思維邏輯可表述為:從系統(tǒng)分異及其維度、層次和連通的構(gòu)造學(xué)角度,對(duì)系統(tǒng)外強(qiáng)迫以及系統(tǒng)內(nèi)各圈層間和圈層內(nèi)子系統(tǒng)的互作互饋過(guò)程、穩(wěn)定性、物質(zhì)和能量信息疊加、傳遞轉(zhuǎn)換、自然和人為因素的因應(yīng)關(guān)系(歸因分析)、未來(lái)不確定性以及安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行有機(jī)的整體的認(rèn)知;尤其基于系統(tǒng)科學(xué)、信息論和控制論,針對(duì)系統(tǒng)過(guò)程尺度轉(zhuǎn)化和層次演進(jìn),以目標(biāo)-服務(wù)智能鏈網(wǎng)模式進(jìn)行規(guī)模構(gòu)造性特征觀測(cè),發(fā)展仿生重演和仿真動(dòng)態(tài)的再現(xiàn)預(yù)演功能體系,從而更好地關(guān)注和認(rèn)識(shí)人類(lèi)賴(lài)以生存的環(huán)境,有效防范和管控環(huán)境和氣候安全風(fēng)險(xiǎn)。地球系統(tǒng)科學(xué)全息觀順應(yīng)系統(tǒng)科學(xué)融通發(fā)展的新趨勢(shì),是完成地球系統(tǒng)數(shù)字信息化新認(rèn)識(shí)的整體觀、系統(tǒng)觀和時(shí)空觀,更是實(shí)現(xiàn)地球系統(tǒng)完整認(rèn)知的新技術(shù)革命的重要方向和思維體系。地球系統(tǒng)科學(xué)全息觀的提出致力于不斷發(fā)展學(xué)科內(nèi)涵,與時(shí)俱進(jìn),為人類(lèi)共建安全健康的地球和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展作出重要貢獻(xiàn)。

海洋是地球環(huán)境和氣候系統(tǒng)的重要組成部分,其作為地球系統(tǒng)的子系統(tǒng),存在于海-陸-氣相互作用的體系內(nèi)。海洋運(yùn)動(dòng)的能量主要由環(huán)流尺度輸入,而能量耗散則發(fā)生在湍流尺度。為維持海洋的平衡狀態(tài),能量從環(huán)流尺度跨越近10個(gè)數(shù)量級(jí)傳遞到湍流尺度(能量串級(jí))。能量向小尺度傳遞的串級(jí)過(guò)程涉及不同運(yùn)動(dòng)形式之間強(qiáng)烈的非線性相互作用,并深刻影響環(huán)流、渦旋和湍流運(yùn)動(dòng)等所引起的物質(zhì)和熱量輸運(yùn)。上述多尺度能量串級(jí)和輸運(yùn)過(guò)程是貫穿整個(gè)海洋學(xué)研究的核心科學(xué)問(wèn)題。此外,海洋中的各大洋間以及大洋與近海間相互影響,存在渦波流等的相互作用過(guò)程[32],且各種作用的尺度不一,通過(guò)響應(yīng)和反饋等傳遞轉(zhuǎn)換過(guò)程,最終影響區(qū)域環(huán)境和氣候。

有關(guān)海洋系統(tǒng)的多尺度動(dòng)力過(guò)程研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題描述如下。圍繞影響海洋環(huán)境、生態(tài)、資源和氣候等的關(guān)鍵海洋動(dòng)力過(guò)程,構(gòu)建多技術(shù)手段和多維度的全息化觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)以及精準(zhǔn)化和精細(xì)化能量信息的全息性描述研究體系。發(fā)展關(guān)鍵海洋動(dòng)力過(guò)程的辨識(shí)和提取技術(shù)方法體系,歸因闡釋其多尺度發(fā)生和疊加的內(nèi)生、互動(dòng)和轉(zhuǎn)化機(jī)制,監(jiān)測(cè)、診斷和揭示其演變(變化變率)特征和互作關(guān)系的穩(wěn)定性,分離量化并分析評(píng)估其對(duì)海洋環(huán)境、生態(tài)、資源和氣候等演化的作用貢獻(xiàn)和危害性,尤其是風(fēng)險(xiǎn)的生發(fā)、傳遞和尺度轉(zhuǎn)換等生息機(jī)制,預(yù)測(cè)仿真其未來(lái)趨勢(shì)和致災(zāi)風(fēng)險(xiǎn),為我國(guó)的海洋環(huán)境安全保障、生態(tài)文明建設(shè)、海洋可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家治理提供重要科技支撐(圖1)。

圖1 海洋系統(tǒng)多尺度過(guò)程與環(huán)境和氣候安全研究體系及關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題

3.2 海洋環(huán)境和氣候安全保障建議

3.2.1 構(gòu)建地球系統(tǒng)科學(xué)的多層次尺度研究范式和框架體系

該研究涉及尺度定義、尺度類(lèi)型、尺度域界定以及尺度轉(zhuǎn)換模式和技術(shù)等問(wèn)題。基于系統(tǒng)變分機(jī)制(如無(wú)窮勢(shì))以及維元和基元體系構(gòu)建,明確系統(tǒng)綜合性和復(fù)雜性研究范式(如映射、降階、迭代、遞歸和析構(gòu)),建立系統(tǒng)不同層次體系的空間確界(如范疇和分類(lèi))、空間系統(tǒng)構(gòu)造、數(shù)值化(如空間測(cè)度和算子算法)和語(yǔ)義表達(dá)。確立相關(guān)過(guò)程大尺度、中尺度和小尺度的區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn),掌握不同層級(jí)特征尺度轉(zhuǎn)換的閾值判據(jù)或條件域以及尺度可轉(zhuǎn)換條件下的轉(zhuǎn)換層次和跨越尺度域,最終提出層次重演和尺度轉(zhuǎn)換的范式,構(gòu)建模型(同構(gòu))體系和效能(等效性)測(cè)度,促進(jìn)地球系統(tǒng)學(xué)科體系發(fā)展。連接系統(tǒng)科學(xué)與空間構(gòu)造學(xué)、災(zāi)變理論、空間信息技術(shù)、復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)科學(xué)技術(shù)和安全科學(xué)技術(shù),尤其明確尺度域和條件域,聚焦系統(tǒng)耦合轉(zhuǎn)化過(guò)程和通道機(jī)制研究,以正常穩(wěn)定、平衡平穩(wěn)和協(xié)調(diào)持續(xù)為目標(biāo),深刻認(rèn)識(shí)安全的本質(zhì)和演化,建立和發(fā)展復(fù)雜系統(tǒng)的模擬模型,分析和模擬多要素和多層次尺度下的環(huán)境和氣候系統(tǒng)動(dòng)態(tài)變化規(guī)律,進(jìn)而在環(huán)境容量和生態(tài)承載力評(píng)估,空間規(guī)劃、功能區(qū)劃和自然資源管理,生態(tài)環(huán)境保護(hù)和修復(fù),環(huán)境和氣候安全格局與風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)以及國(guó)家治理等領(lǐng)域作出積極貢獻(xiàn)。

此外,量化數(shù)據(jù)的缺乏給跨系統(tǒng)規(guī)劃帶來(lái)重大挑戰(zhàn),有限的交互數(shù)據(jù)反映對(duì)海洋系統(tǒng)總體過(guò)程和空間格局理解的不足。在動(dòng)態(tài)而復(fù)雜的多系統(tǒng)中(如海岸帶系統(tǒng)),單一知識(shí)體系顯然已不足以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的海洋系統(tǒng)發(fā)展問(wèn)題,亟須基于全息理念促進(jìn)科學(xué)、技術(shù)和管理的融合,加強(qiáng)跨學(xué)科范疇的合作研究。

3.2.2 建設(shè)觀測(cè)體系和創(chuàng)新科學(xué)數(shù)據(jù)信息技術(shù)

觀測(cè)體系是認(rèn)知海洋的根本手段和系統(tǒng)工程,目前海洋觀測(cè)體系正處在新技術(shù)變革的關(guān)鍵時(shí)期,海洋觀測(cè)技術(shù)與現(xiàn)代信息技術(shù)、人工智能技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和智聯(lián)網(wǎng)技術(shù)加速融合。海洋科學(xué)系統(tǒng)綜合化的發(fā)展趨勢(shì)不僅對(duì)觀測(cè)的精度、范圍和連續(xù)性提出要求,而且從大科學(xué)、大數(shù)據(jù)和大生態(tài)的角度對(duì)觀測(cè)的系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性、差異性和空間布局優(yōu)化組合等提出更高的構(gòu)造性需求,以逐步實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)和關(guān)鍵海域的全息化(不限于可視性)表達(dá),從而更好地維護(hù)國(guó)家海洋權(quán)益,提高海洋環(huán)境安全保障的智慧化水平,這也是未來(lái)海洋觀測(cè)和數(shù)據(jù)信息科技創(chuàng)新的重點(diǎn)。

圍繞“加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)”的戰(zhàn)略需求,以提升海洋多要素信息獲取、分析和預(yù)報(bào)能力為目標(biāo),以綜合化、體系化、智能化和動(dòng)態(tài)化為特征,建立并完善現(xiàn)代化海洋立體觀測(cè)系統(tǒng)空間構(gòu)造,構(gòu)建數(shù)據(jù)集成融合、關(guān)聯(lián)推理、建模同化和反演復(fù)原等技術(shù)方法體系,以增強(qiáng)海洋認(rèn)知、海洋預(yù)報(bào)以及海洋環(huán)境和氣候安全保障的信息服務(wù)能力。融合創(chuàng)新觀測(cè)平臺(tái)、衛(wèi)星遙感以及測(cè)繪和通信等技術(shù)手段,綜合實(shí)現(xiàn)海洋從大尺度到中小尺度、從表面到深層的聯(lián)合同步觀測(cè)。開(kāi)展多尺度和多學(xué)科的海洋物質(zhì)和能量循環(huán)轉(zhuǎn)化、深海大洋動(dòng)力過(guò)程及其環(huán)境和氣候資源效應(yīng)等重大觀測(cè)科學(xué)研究。開(kāi)展海洋多層次、多維度和多平臺(tái)的智能協(xié)同、互聯(lián)、一體化的立體感知關(guān)鍵技術(shù)和裝備研發(fā),構(gòu)建面向全球海洋環(huán)境與目標(biāo)感知的“海洋物聯(lián)網(wǎng)”技術(shù)體系[33]。以海洋觀測(cè)物聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ),從海洋單因子調(diào)查監(jiān)測(cè)逐漸向多因子和多參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和機(jī)理探索的多元化和深層次方向發(fā)展,集成元數(shù)據(jù)技術(shù)和機(jī)器學(xué)習(xí)手段,促進(jìn)數(shù)據(jù)信息提取技術(shù)從統(tǒng)計(jì)模型和物理模型階段逐漸進(jìn)入數(shù)據(jù)模型階段,最終實(shí)現(xiàn)海洋狀態(tài)、過(guò)程、變化和目標(biāo)的全息化體系建構(gòu)。

3.2.3 發(fā)展診斷區(qū)劃技術(shù)和過(guò)程分析評(píng)估方法體系

發(fā)展基于過(guò)程變量和通量的識(shí)別、提取、分離、聚類(lèi)、量化和隨機(jī)性模糊控制等技術(shù)[34],構(gòu)建精準(zhǔn)的全息濾波場(chǎng)或重構(gòu)場(chǎng)。結(jié)合環(huán)境容量和生態(tài)承載力,確立合理化的閾值判據(jù),發(fā)展安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和區(qū)劃技術(shù)體系,提升安全評(píng)估、效能評(píng)價(jià)和調(diào)控的能力。

能量決定系統(tǒng)的起源、演化和最終歸宿,并在復(fù)雜系統(tǒng)歸序和維持系統(tǒng)安全運(yùn)轉(zhuǎn)的過(guò)程中發(fā)揮重要作用。由于區(qū)域海洋物理過(guò)程的復(fù)雜性和多尺度性以及不同尺度之間相互作用的高度非線性,多尺度能量學(xué)一直以來(lái)是分析外部強(qiáng)迫以及海洋中不同尺度相互作用、內(nèi)部穩(wěn)定性和能量再分配的強(qiáng)有力的診斷工具。圍繞海洋多尺度過(guò)程的復(fù)雜耦合轉(zhuǎn)換機(jī)制和綜合風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)區(qū)劃,加強(qiáng)基于規(guī)范尺度的物質(zhì)流、能量流和信息流的分異特征和邊界通量分析,發(fā)展有關(guān)物質(zhì)流、能量流和信息流的分析方法和診斷技術(shù)體系。

3.2.4 發(fā)展全息仿生仿真技術(shù)方法體系

建立大數(shù)據(jù)分析和海洋智能模擬中心,基于海洋大數(shù)據(jù)挖掘和仿生仿真技術(shù)[35],提供人口、資源、環(huán)境和災(zāi)害綜合應(yīng)用和安全信息服務(wù)。構(gòu)建基于尺度適應(yīng)的動(dòng)態(tài)參數(shù)化方案,建立和集成以物理海洋和生態(tài)學(xué)為主,拓展到多學(xué)科的不同層次仿生仿真原型/模型參數(shù)和接口模塊,基于大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、智能化和自動(dòng)化工程技術(shù),逐步發(fā)展全息仿生仿真技術(shù)方法體系,搭建空間分辨率和智能化程度高的模擬/回溯/預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模式和多維表達(dá)的仿生仿真系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

在地球科學(xué)認(rèn)知向系統(tǒng)性和綜合性發(fā)展的大背景下,本研究基于海洋系統(tǒng)環(huán)境、氣候、生態(tài)和資源等的多尺度特征,圍繞加快建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)對(duì)科學(xué)、系統(tǒng)和深入認(rèn)知海洋的必然要求,聚焦海洋中尺度過(guò)程,簡(jiǎn)要分析和探討海洋中尺度過(guò)程及其影響;提出地球系統(tǒng)科學(xué)全息觀,試圖從提高科學(xué)性、學(xué)術(shù)性、實(shí)踐性、社會(huì)性和智慧化的角度,不斷豐富對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)分異融合(普遍聯(lián)系方式)在范式模型(本研究提出確界-臨界-跨界-過(guò)界的四界分異演化模型,如圖1所示)、測(cè)度算法、語(yǔ)言語(yǔ)義、仿生仿真以及風(fēng)險(xiǎn)適應(yīng)與安全保障效率等方面的全息認(rèn)知;建議構(gòu)建和發(fā)展有關(guān)海洋動(dòng)力過(guò)程的多層次尺度演繹規(guī)律和全息分析技術(shù)方法研究體系,進(jìn)一步給出區(qū)域海洋系統(tǒng)多尺度過(guò)程研究的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題以及我國(guó)海洋環(huán)境和氣候安全保障建議,以期為我國(guó)海洋可持續(xù)發(fā)展、生態(tài)文明建設(shè)和美麗中國(guó)建設(shè)等國(guó)家治理相關(guān)領(lǐng)域提供必要的科學(xué)參考和科技支撐。