本刊記者 褚 焱

柴扉：把脈海洋 預(yù)測(cè)未來(lái)

本刊記者 褚 焱

孕育地球生命的海洋，正因人類的活動(dòng)而發(fā)生著改變。

近年來(lái)，赤潮、綠潮、極端缺氧等有害生態(tài)現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)在我國(guó)近海。海洋生態(tài)環(huán)境的破壞，已為人類敲響警鐘。而生態(tài)環(huán)境的任何改變，都極有可能導(dǎo)致海洋生態(tài)系統(tǒng)、生物多樣性、漁業(yè)資源的變化，進(jìn)而影響人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

柴扉現(xiàn)任國(guó)家海洋局第二研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任，20余年來(lái)一直從事著物理—生物地球化學(xué)模型的研究工作，并在海洋生態(tài)環(huán)境模擬與預(yù)測(cè)、生態(tài)環(huán)境演變機(jī)制和碳循環(huán)等方面做出了國(guó)際一流的成果和突出的貢獻(xiàn)。

他說：“我們迫切需要減少科學(xué)上的不確定性，摸清和掌握整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)、尤其是地球上最大的碳庫(kù)——海洋的碳收支清單，以及海洋酸化對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響?！?/p>

聚焦海洋生態(tài)環(huán)境

上世紀(jì)80年代，柴扉就讀于中國(guó)海洋大學(xué)（原山東海洋學(xué)院）物理海洋學(xué)專業(yè)，開啟了一段海洋探索之旅，從此再也沒有離開過。

他的研究?jī)?nèi)容包括許多：營(yíng)養(yǎng)鹽在海洋中的輸送，對(duì)初級(jí)生產(chǎn)力和碳循環(huán)的影響；鐵對(duì)全球生產(chǎn)力和碳循環(huán)的影響；人類活動(dòng)對(duì)全球氣候和邊緣海環(huán)境的影響；海洋生態(tài)系統(tǒng)預(yù)測(cè)……總的來(lái)說，弄清海洋如何調(diào)控全球碳循環(huán)以及海洋生態(tài)環(huán)境的演變機(jī)制是他關(guān)注的兩大研究方向。

他告訴記者，由于人類過度使用化石燃料，大量的二氧化碳被釋放到整個(gè)地球系統(tǒng)中，其中26%的二氧化碳被海洋吸收，44%的二氧化碳停在了大氣當(dāng)中。日積月累，如今大氣中的二氧化碳濃度超過400PPM，這是過去一百萬(wàn)年以來(lái)從未出現(xiàn)過的現(xiàn)象。

“這個(gè)濃度，依照目前的趨勢(shì)，還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)。而且二氧化碳作為溫室氣體，肯定會(huì)造成全球變暖。如今全球變暖的溫度已經(jīng)超過了1.2℃，而2015年是0.9℃。過多的熱量集中到海洋里面，這是否會(huì)導(dǎo)致海洋吸收二氧化碳的能力改變，這一切還有很多未知和不確定?！?/p>

柴扉坦言，海洋碳循環(huán)是全球碳循環(huán)的重要組成部分，但人類目前對(duì)其了解甚少，更是難以預(yù)測(cè)未來(lái)的變化趨勢(shì)。如果海洋吸收二氧化碳的能力降低，將會(huì)導(dǎo)致更多的二氧化碳停留在大氣當(dāng)中，加重溫室效應(yīng)。因此，利用物理和生物化學(xué)模型及觀測(cè)資料、弄清海洋吸收二氧化碳能力的控制因子，是他和許多科學(xué)家致力要解決的問題。

另一方面，全球變暖導(dǎo)致了氣候環(huán)境的變化，不僅使得海水溫度升高，還將伴隨海水酸化。而海洋生態(tài)環(huán)境作為有機(jī)的統(tǒng)一體，任何海域某一要素的變化，都有可能對(duì)鄰近海域或者其他要素產(chǎn)生直接或間接的影響和作用。

更為嚴(yán)重的是，人類的某些活動(dòng)也在影響著海洋生態(tài)環(huán)境。例如，過度捕撈魚類，使得海洋中的漁業(yè)資源急速下降，導(dǎo)致海洋生態(tài)結(jié)構(gòu)的改變；過多使用化肥，導(dǎo)致海水富營(yíng)養(yǎng)化，產(chǎn)生一系列生態(tài)災(zāi)害性事件，包括赤潮的發(fā)生。

生物依賴環(huán)境，環(huán)境影響生物的生存和繁衍。當(dāng)占據(jù)地球表面積71%的海洋生態(tài)環(huán)境遭受破壞，尤其是可能帶來(lái)我們不可預(yù)知的后果時(shí)，弄清海洋生態(tài)系統(tǒng)的演變機(jī)理及其預(yù)測(cè)就變得格外重要，這也一直是國(guó)際海洋科學(xué)的重大前沿問題。

“海洋生態(tài)系統(tǒng)的演變包含了非常復(fù)雜的物理與生物化學(xué)過程，一方面，生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及時(shí)空演變受物理、化學(xué)和生物過程的控制；另一方面，生態(tài)系統(tǒng)變化也會(huì)影響碳循環(huán)及全球氣候變化等物理、化學(xué)過程?！?/p>

面對(duì)如此復(fù)雜的系統(tǒng)，柴扉首先建立了生物化學(xué)系統(tǒng)模型（簡(jiǎn)稱“CoSiNE”），該模型描述了多種浮游植物和浮游動(dòng)物受環(huán)境因素（如溫度、光、流場(chǎng)等）以及各種營(yíng)養(yǎng)鹽（如氮、磷、硅和鐵等）的影響，以及海洋中的碳循環(huán)。

通過將該模式與區(qū)域動(dòng)力學(xué)模型（簡(jiǎn)稱“ROMS”）耦合，他建立了ROMS-CoSiNE耦合模式。該耦合模式已被成功用來(lái)研究北太平洋初級(jí)生產(chǎn)力的年代際變化，赤道太平洋海域營(yíng)養(yǎng)鹽的時(shí)空變化，鐵元素以及硅元素在高營(yíng)養(yǎng)鹽低葉綠素海域?qū)Ω∮沃参镆约罢麄€(gè)生態(tài)系統(tǒng)的影響，以及中國(guó)南海初級(jí)生產(chǎn)力受環(huán)境因素的影響等。

緊接著，他又將ROMS-CoSiNE同漁業(yè)模式耦合，來(lái)分析以及預(yù)報(bào)漁業(yè)資源（如金槍魚和鳀魚）的種群和數(shù)量分布，以及溫度和初級(jí)生產(chǎn)力對(duì)魚類分布及生長(zhǎng)過程的影響。

這些模型的建立和完善，為研究和預(yù)測(cè)海洋生物動(dòng)力學(xué)演變過程提供了關(guān)鍵手段和方法。目前，他已成功將該些模型應(yīng)用于中國(guó)近海，揭示了氣候變化對(duì)太平洋及邊緣海碳循環(huán)的影響過程，并量化了邊緣海碳的過程和收支平衡的變化規(guī)律。

雖然取得了一些成果，但在柴扉看來(lái)，他還有很長(zhǎng)的路要走。每當(dāng)談起海洋生態(tài)環(huán)境變化趨勢(shì)，他的心情總是沉重的。“在人類活動(dòng)和全球變化雙重壓力影響下，我國(guó)近海生態(tài)環(huán)境持續(xù)惡化，生態(tài)環(huán)境安全和海洋經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展受到嚴(yán)重威脅。我們亟需從科學(xué)的角度闡明我國(guó)近海生態(tài)環(huán)境變化的核心機(jī)制，并發(fā)展物理—生態(tài)耦合數(shù)值預(yù)報(bào)技術(shù)，提升我國(guó)海洋環(huán)境安全保障能力。”

為此，2016年，由他負(fù)責(zé)的國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“海洋環(huán)境安全保障”重點(diǎn)專項(xiàng)——中國(guó)近海與太平洋高分辨率生態(tài)環(huán)境數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)已經(jīng)開始啟動(dòng)。該項(xiàng)目擬針對(duì)我國(guó)近海與鄰近太平洋，建立能融合多源觀測(cè)的高分辨率物理—生態(tài)耦合模式，自主研發(fā)海洋生態(tài)環(huán)境業(yè)務(wù)化數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

“通過項(xiàng)目研究，我們不僅能了解和認(rèn)識(shí)生態(tài)環(huán)境變化的規(guī)律，更重要的一點(diǎn)是為中國(guó)近海的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供一些科學(xué)的建議。”柴扉總結(jié)道。

走進(jìn)學(xué)科交叉

多年來(lái)，柴扉一直圍繞著學(xué)科交叉探索海洋的秘密。在他看來(lái)，多學(xué)科的交叉背景能使自己更加宏觀、多角度地看待復(fù)雜的海洋生態(tài)系統(tǒng)。而當(dāng)初使他走上這條交叉研究之路的，則是一次偶然的相遇。

在普林斯頓大學(xué)攻讀碩士期間，柴扉得到了杜克大學(xué)Richard T. Barber教授的賞識(shí)，并鼓勵(lì)他畢業(yè)后到杜克大學(xué)跟隨他從事生物海洋學(xué)研究。而在此之前的10余年，柴扉一直從事著海洋動(dòng)力學(xué)方面的研究，并打下了良好的基礎(chǔ)。在碩士畢業(yè)之際，他選擇了到杜克大學(xué)嘗試新的研究方向——生物海洋學(xué)。

轉(zhuǎn)向一個(gè)新的研究方向，對(duì)他來(lái)說是一次大膽的嘗試。不過，仔細(xì)權(quán)衡之下，他還是愿意抓住這個(gè)機(jī)會(huì)。畢竟，到新的研究領(lǐng)域闖蕩一番，也是他的興趣所在。而長(zhǎng)期以來(lái)積累的數(shù)理基礎(chǔ)，讓他在生物海洋學(xué)開辟了另一片天地——除了做海洋現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，他還可以將一些收集的數(shù)據(jù)量化起來(lái)。

博士畢業(yè)后，他很自然地選擇了美國(guó)緬因大學(xué)。事實(shí)上，在杜克大學(xué)攻讀博士期間，他就成為了美國(guó)緬因大學(xué)海洋系的研究助理教授。20多年來(lái)，盡管其他單位對(duì)他提出不少邀請(qǐng)，他仍然不為所動(dòng)，從未離開。2012年，他開始擔(dān)任該校海洋學(xué)院的院長(zhǎng)。

相對(duì)來(lái)說，緬因大學(xué)海洋學(xué)院的學(xué)科比較綜合，涉及海洋生物、海洋政策管理、漁業(yè)資源等各個(gè)不同的方向。在美國(guó)所有大學(xué)中，緬因大學(xué)的海洋本科教育排在全國(guó)前列，海洋科學(xué)研究也在全國(guó)25名以內(nèi)。

“美國(guó)緬因大學(xué)比較小，但這也正是它的特色所在。大家都很團(tuán)結(jié)，相處和睦，而且更有利于學(xué)科交叉。”他告訴記者，整個(gè)學(xué)校，特別是同一個(gè)學(xué)院的人會(huì)有更多的機(jī)會(huì)在一起交流，雖然大家做不同的方向，但是很有可能相互啟發(fā)，做一些交叉性的項(xiàng)目。在做院長(zhǎng)期間，柴扉更是體會(huì)到學(xué)科交叉的重要性。“我知道同事發(fā)表了什么文章，做了什么項(xiàng)目，通過了解他們的研究?jī)?nèi)容，讓我能從一個(gè)比較宏觀、多學(xué)科的角度來(lái)更好地認(rèn)識(shí)海洋?！?/p>

在美國(guó)期間，他先后主持和參加了美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金委、美國(guó)國(guó)家航空航天局和美國(guó)國(guó)家海洋與大氣總署25項(xiàng)研究項(xiàng)目，曾經(jīng)被聘為美國(guó)、中國(guó)等多家基金委和重大項(xiàng)目評(píng)審專家。在國(guó)際著名學(xué)術(shù)刊物上發(fā)表論文和專著120余篇，其中在Science上發(fā)表論文2篇。論文已被引用4400余次。

致力交流合作

當(dāng)記者問及取得這些成果背后的秘訣是什么時(shí)，他笑著說：“學(xué)科交叉是一個(gè)很重要的方面。我們的項(xiàng)目涉及物理海洋、生物海洋以及生態(tài)動(dòng)力學(xué)，我們的觀察資料也來(lái)自多個(gè)方面，如衛(wèi)星遙感、歷史和現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)資料，它們可以驗(yàn)證和改進(jìn)我們建立的數(shù)值模型。而一旦有了數(shù)值模型，就像天氣預(yù)報(bào)一樣，我們可以做不同時(shí)間尺度的海洋環(huán)境要素預(yù)測(cè)?！?/p>

相比之下，柴扉覺得在交叉研究方面，我國(guó)海洋學(xué)發(fā)展空間還很大，尤其是在從宏觀角度把握整個(gè)海洋學(xué)的研究?！敖陙?lái)，中國(guó)對(duì)整個(gè)海洋科學(xué)研究的投入幾乎呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)?？梢哉f，我國(guó)迎來(lái)了一個(gè)很好的海洋研究時(shí)代，但同時(shí)也存在一些問題。比如在資助方面的布局，不需要都集中于深海和大洋的探測(cè)，近岸的環(huán)境也有許多問題需要我們?nèi)タ紤]?！痹谒磥?lái)，整個(gè)海洋觀測(cè)系統(tǒng)也需要將物理、生物、化學(xué)、氣候、氣象等方面結(jié)合起來(lái)，而不是只關(guān)注某一個(gè)方面。此外，缺乏多方面人才的交流和資料信息共享也是阻礙中國(guó)海洋發(fā)展的一個(gè)很大的瓶頸。

為了改變這一局面，柴扉打算從項(xiàng)目開始做起，通過項(xiàng)目攻關(guān)，組建起一個(gè)注重多學(xué)科交叉的團(tuán)隊(duì)，培養(yǎng)一批具有新思維的海洋學(xué)家以及未來(lái)海洋界的領(lǐng)軍人物。他說：“中國(guó)需要跨學(xué)科的思考方法和跨學(xué)科人才的培養(yǎng)?！?/p>

布局新的藍(lán)圖

目前，我國(guó)科技部?jī)H有5個(gè)海洋類國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，分別在浙江、上海、福建和廣東。衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是浙江唯一一個(gè)海洋類國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。2016年3月，柴扉正式就任該實(shí)驗(yàn)室新一屆主任。他說：“我的任務(wù)就是讓實(shí)驗(yàn)室的3個(gè)大方向有更好的交叉與交流?！?/p>

衛(wèi)星海洋環(huán)境動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于2006年7月由科技部批準(zhǔn)建設(shè)，2009年12月通過驗(yàn)收。實(shí)驗(yàn)室是在國(guó)家海洋局海洋動(dòng)力過程與衛(wèi)星海洋學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的基礎(chǔ)上重新組建，聚集了國(guó)家海洋局第二海洋研究所在物理海洋、海洋遙感和海洋生態(tài)環(huán)境等傳統(tǒng)優(yōu)勢(shì)學(xué)科的優(yōu)秀人才。

閑暇游湖

該實(shí)驗(yàn)室有3個(gè)主要研究方向：海洋衛(wèi)星遙感技術(shù)與應(yīng)用、海洋動(dòng)力過程與生態(tài)環(huán)境、大洋環(huán)流與氣候變化；同時(shí)設(shè)有4大公共支撐平臺(tái)，即衛(wèi)星地面站、Argo數(shù)據(jù)中心、海洋調(diào)查設(shè)備部和數(shù)值計(jì)算中心。

柴扉告訴記者，該實(shí)驗(yàn)室以衛(wèi)星海洋學(xué)、海洋環(huán)流動(dòng)力學(xué)和近海環(huán)境關(guān)鍵過程為重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容，以國(guó)家海洋環(huán)境安全和海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)出與服務(wù)中的重大需求為牽引，以衛(wèi)星遙感和Argo浮標(biāo)等海洋觀測(cè)新技術(shù)為重要手段，開展多學(xué)科交叉與整合研究，重點(diǎn)解決在中國(guó)近海及鄰近洋區(qū)中所面臨的海洋環(huán)境科學(xué)問題。

為了更好地促進(jìn)不同方向之間的交叉，柴扉首先從團(tuán)隊(duì)文化建設(shè)著手。他認(rèn)為，“一個(gè)和諧的文化氛圍能夠讓每一個(gè)人都能感受到溫暖，形成一種歸屬感，同時(shí)也促進(jìn)大家相互交流”。在硬件設(shè)施方面，柴扉特意打造了一個(gè)溫馨的公共空間，團(tuán)隊(duì)活動(dòng)的許多照片也被貼到了墻上。在這里，大家可以隨意喝茶、聊天?！捌綍r(shí)大家都很忙，但是我希望在吃午飯的時(shí)候，大家可以坐下來(lái)聊一聊，而不是在電腦桌上吃。當(dāng)然，主要還是讓大家有這個(gè)意識(shí)。一般我在研究所里，也會(huì)經(jīng)常來(lái)這泡杯咖啡或茶，看誰(shuí)在這里就找誰(shuí)聊天?！?/p>

提升實(shí)驗(yàn)室的學(xué)術(shù)氣氛也是柴扉的期望之一。他說：“一個(gè)好的學(xué)術(shù)氣氛能夠讓大家主動(dòng)去了解新的東西，比如今天有一個(gè)講座，雖然和你做的不是直接相關(guān)的，但是你要看它是不是帶來(lái)新的信息，要考慮人家是如何做的?！?/p>

一直以來(lái)，實(shí)驗(yàn)室都比較注重國(guó)際交流與合作。這在柴扉看來(lái)，是一個(gè)很好的傳統(tǒng)。不同學(xué)科背景的人“碰撞”在一起，才能擦出更多的火花。目前，實(shí)驗(yàn)室通過訪問學(xué)者、開放課題、星火系列學(xué)術(shù)論壇等多種平臺(tái)，讓國(guó)內(nèi)外知名科學(xué)家和青年學(xué)者來(lái)實(shí)驗(yàn)室訪問和交流，并開展實(shí)質(zhì)性的合作研究工作。

此外，他們每年還通過暑期夏令營(yíng)、海洋開放日、科技活動(dòng)周等多種形式，面向社會(huì)公眾和高校學(xué)生開放，傳播海洋科學(xué)知識(shí)，吸引學(xué)生來(lái)實(shí)驗(yàn)室繼續(xù)深造。實(shí)驗(yàn)室還多次舉辦國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)會(huì)議和培訓(xùn)班，提升其國(guó)內(nèi)外影響力。

在實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)建設(shè)方面，柴扉也十分注重人員組成的多樣性。他認(rèn)為，組建任何團(tuán)隊(duì)首先要以人為本，要讓每一個(gè)團(tuán)隊(duì)成員感受到自己的價(jià)值，然后給他們創(chuàng)造一個(gè)平等交流的環(huán)境，沒有高低之分，讓他們的思維相互碰撞，產(chǎn)生出其不意的想法。

“我正在有意識(shí)地發(fā)展團(tuán)隊(duì)。比如，一個(gè)小團(tuán)隊(duì)是3到5人，過一段時(shí)間，我會(huì)讓他們重新組隊(duì)，再去研究其他的問題。每一個(gè)團(tuán)隊(duì)里的學(xué)術(shù)交流都是平等，可能有時(shí)候我也會(huì)錯(cuò)，我希望他們能夠挑戰(zhàn)我。”

在繁忙的工作之余，柴扉會(huì)找一個(gè)安靜的地方“發(fā)幾天呆”。過去，他常常去的地方是緬因州一個(gè)未經(jīng)開發(fā)的湖邊。他說，那里仿佛與世隔絕一般，沒有手機(jī)信號(hào)、沒有網(wǎng)絡(luò)、沒有電視，也沒有電話。他會(huì)去湖邊釣魚，然后做一頓大餐。晚上睡覺的時(shí)候，他習(xí)慣想想過去發(fā)生的一些事情，并為今后的事情做打算。

為了將更多的時(shí)間放在重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室上，柴扉去年辭掉了美國(guó)緬因大學(xué)海洋研究院院長(zhǎng)的職位。在接下來(lái)的2～3年里，他將花大部分時(shí)間在國(guó)內(nèi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。他說，等自己將緬因大學(xué)剩下的工作做完之后，他便要全身心投入進(jìn)去。

從事海洋科學(xué)研究，柴扉仿佛走上了一條“不歸路”。只要海洋生態(tài)環(huán)境的問題沒有得到解決，他就不能停止腳步。“到2050年，中國(guó)近海的生態(tài)環(huán)境將發(fā)生怎樣的變化？整個(gè)生物的生產(chǎn)力是高了還是低了？溶解氧是多還是少？海洋的酸化有多嚴(yán)重……”這些都是他將要用畢生所學(xué)去回答的問題。