蔣成竹，張 濤，吳林強，徐晶晶，冉皞

（中國地質調查局發(fā)展研究中心，北京 100037）

海洋探測和觀測是關心海洋、認識海洋、經略海洋的基本手段。隨著海洋技術的進步，對海洋的探測觀測呈現(xiàn)從淺海延伸到深遠海、由表層向深層、由單要素向多要素的轉變，其獲取的數(shù)據(jù)信息和研究成果在應對全球氣候變化、推動海洋經濟發(fā)展、保護海洋生態(tài)、推進海洋治理等方面發(fā)揮出越來越重要的作用。歐盟作為海洋強國眾多的聯(lián)合體，瀕臨北冰洋、大西洋、地中海和黑海等，擁有面積廣袤的專屬經濟區(qū)?；诤Ｑ箝_發(fā)與治理等需求，歐盟已逐步建立起覆蓋整個歐洲海域的海洋探測和觀測體系框架，并通過數(shù)據(jù)整合與共享，為海洋生態(tài)、環(huán)境和資源的可持續(xù)管理提供有效服務。目前，海洋探測觀測已成為《聯(lián)合國2030 年可持續(xù)發(fā)展議程》和“聯(lián)合國海洋科學促進可持續(xù)發(fā)展十年”優(yōu)先推進的重點領域。基于我國相關領域工作發(fā)展現(xiàn)狀，研究歐盟的相關經驗和模式，為我國海洋探測和觀測體系構建提供參考和借鑒。

1 歐盟海洋探測和觀測體系現(xiàn)狀

1.1 概況

歐盟海洋探測和觀測范圍廣泛，涵蓋從海面到水體直至海底范圍內的海洋物理、生物地球化學、地質、生態(tài)及人類活動影響等多種主題。探測和觀測的主要目標是長期系統(tǒng)研究和監(jiān)測歐洲海洋，維持原位海洋觀測，闡明海洋生態(tài)系統(tǒng)的功能和相互聯(lián)系、探尋氣候變化的緩解策略和防治地質災害等，并且在歐洲實現(xiàn)真正一體化的端到端海洋觀測，同時實現(xiàn)從特定平臺觀測到多平臺、綜合和專題觀測的轉變，促進可持續(xù)的藍色經濟發(fā)展。

歐盟多學科的探測和觀測內容，包含利用分布在海底和水體的裝備多傳感器的自主平臺進行長期、高分辨率、近實時的海洋環(huán)境過程觀測和監(jiān)測，不斷測量物理和生物地球化學參數(shù)，包括溫度、pH值、鹽度、水流、水壓、海底壓力、濁度、流體溫度、沉積物等30 多組參數(shù)。通過渡輪箱、驗潮儀、水下滑翔機、高頻雷達、Argo 浮標、固定觀測平臺等，探測和觀測包括物理、化學和生物參數(shù)、氣象數(shù)據(jù)等內容。此外，歐洲還通過實施大洋鉆探，開展了包括北極取芯、大堡礁環(huán)境變化、波羅的海古環(huán)境研究等內容。

歐盟通過促進海洋科學與政策銜接，提供共同戰(zhàn)略議程和行動框架，有效整合和提升了歐洲海洋探測和觀測能力。其中，歐洲的海洋觀測網絡覆蓋5 個海域，并形成了波羅的海、西北大陸架、北極、地中海和黑海5 個區(qū)域業(yè)務海洋學系統(tǒng)[1]。歐洲Argo 浮標觀測貢獻了全球Argo 陣列的四分之一，通過每年部署約250 個浮標為全球Argo 提供優(yōu)化和持續(xù)的歐洲貢獻[2]。歐洲大洋鉆探至今共完成9次任務96 個鉆探點，也是唯一能在極端環(huán)境條件下進行大洋鉆探航次的機構[3]。歐盟通過海洋探測和觀測數(shù)據(jù)整合的管理，覆蓋了歐洲及鄰近海域和部分國際區(qū)域，創(chuàng)建了歐洲海洋數(shù)據(jù)的通用平臺，有效促進了數(shù)據(jù)應用服務和共享。

1.2 歐盟海洋探測和觀測體系組織框架

歐盟形成了智庫平臺戰(zhàn)略引領、業(yè)務機構緊密協(xié)作、數(shù)據(jù)整合共享的海洋探測和觀測體系組織框架。歐盟海洋探測觀測相關組織和機構在歐盟治理體系下各司其職、協(xié)調合作，通過制定共同的戰(zhàn)略框架、實施計劃，以及共享基礎設施和資源等方式，逐步搭建起歐盟海洋探測觀測體系框架（圖1）。相關機構主要包括歐洲海洋委員會（EMB）、歐洲海洋觀測系統(tǒng)（EOOS）、全球海洋觀測系統(tǒng)歐洲區(qū)域聯(lián)盟（EuroGOOS）、歐洲海洋觀測數(shù)據(jù)網絡（EMODnet）、泛歐海洋數(shù)據(jù)管理基礎設施（SeaDataNet）、哥白尼海洋環(huán)境監(jiān)測服務（CMEMS）、歐盟海洋聯(lián)合規(guī)劃倡議（JPI OCEANS）、歐洲多學科海底和水體觀測網（EMSO-ERIC）、歐洲大洋鉆探研究聯(lián)盟（ECORD）、歐洲Argo 計劃（Euro-Argo）等。

圖1 歐盟海洋探測觀測體系總體框架

其中，EMB 負責海洋科學與政策的銜接，推動制定協(xié)調一致的政策框架；EOOS 負責搭建歐洲海洋觀測系統(tǒng)的協(xié)調框架，整合和提升歐洲的海洋觀測能力；JPI OCEANS 發(fā)起聯(lián)合規(guī)劃的國際合作；上述三者作為智庫和協(xié)調平臺，側重于頂層設計和戰(zhàn)略規(guī)劃、發(fā)起聯(lián)合倡議或項目等。EuroGOOS 和Euro-Argo 分別負責全球海洋觀測系統(tǒng)和全球Argo海洋觀測網的歐洲部分；EMSO-ERIC 開展從海面到海底的多學科觀測；ECORD 實施海洋科學鉆探；上述海洋探測觀測組織或機構側重于具體業(yè)務實施。EMODnet、SeaDataNet 和CMEMS 是歐洲三大海洋數(shù)據(jù)管理網絡組織。

歐盟十分重視對探測觀測體系的整體謀劃和規(guī)劃，通過發(fā)布戰(zhàn)略和規(guī)劃等方式，加強對各個平臺、相關組織的統(tǒng)籌協(xié)調。以智庫平臺EMB 為代表，自2001 年起發(fā)布《導航未來》系列戰(zhàn)略報告[4]，以及歐洲調查船、海洋地質災害等戰(zhàn)略報告，提出未來發(fā)展方向和相關路線圖來推動各領域發(fā)展。此外，其他機構也先后發(fā)布有關海洋探測觀測的戰(zhàn)略或實施計劃（表1），這些具備科學性、前瞻性的戰(zhàn)略和計劃，引領歐洲海洋探測觀測各領域發(fā)展，使歐洲一直處于海洋探測觀測前沿。

表1 歐洲海洋探測觀測體系相關科技政策和戰(zhàn)略規(guī)劃

1.3 歐盟海洋探測和觀測裝備體系

歐盟建立了覆蓋多圈層和多時空尺度的全方位海洋探測觀測裝備體系。具備先進的海洋探測觀測技術裝備平臺，通過衛(wèi)星、調查船、水下和水面航行器、浮標與潛標、海底觀測站及海底鉆探等先進技術平臺，構建了多尺度、多圈層、多科學要素的海洋探測觀測技術裝備體系。

在衛(wèi)星方面，歐盟以發(fā)展綜合觀測型海洋衛(wèi)星為主，現(xiàn)役海洋觀測衛(wèi)星主要是歐洲航天局哨兵系列衛(wèi)星（分別是哨兵1、3 和6 系列，每系列有兩顆衛(wèi)星）以及CryoSat-2 極地海冰測量衛(wèi)星。其中，哨兵-3 有效載荷包括海洋和陸地顏色儀（OLCI）、海洋和陸地表面溫度輻射計（SLSTR）、合成孔徑雷達（SAR）、微波輻射計（MWR）和精確軌道測定（POD）儀器等，可高精度測量海表形態(tài)、海面和地表溫度、海洋水色等[5]。最新的哨兵6系列衛(wèi)星，其中一顆在2020 年已發(fā)射，另一顆將在2025 年發(fā)射[6]，衛(wèi)星將攜帶最先進的有效載荷，除觀測海平面變化外，還將提供近實時的海面高度測量、高精度的波高等[7]。

在調查船及水下航行設備方面，歐盟海洋調查船隊的能力在全球處于領先地位，共有99 艘調查船，包括沿海級31 艘、近海級36 艘、遠洋級32艘，分別由歐洲23 個國家的62 家機構運營。其中，適合于深海研究的調查船有16 艘，其中的8 艘可以部署全套深海設備；具有破冰能力的極地科考船有9 艘。近年來，歐盟的自主潛航器（AUV）和遙控無人潛水器（ROV）等設備規(guī)模也大幅增長，目前在歐洲共有88 種型號的水下和水面機器人（如AUV、HOV 和ROV）。其中，超過5000m 水深的AUV 有7 臺，超5000m 的ROV 有5 臺[8]。

在海底觀測站（網）方面，歐洲海域分布有15處水體和海底探測、觀測和監(jiān)測站，均配備先進的傳感器，可以連續(xù)、長期地測量物理和生物地球化學等參數(shù)[9]。例如，位于黑海95 m 水深的海底觀測系統(tǒng)，長期監(jiān)測海底地震、滑坡、活動斷層位移等環(huán)境變化；位于地中海2100 m 水深的海底觀測站，實時監(jiān)測地震和海嘯，進行地質災害評估等；位于東北大西洋深海平原4850 m 水深的海底觀測站，主要觀測和監(jiān)測深海生態(tài)系統(tǒng)功能等。

1.4 歐盟海洋探測和觀測數(shù)據(jù)管理服務

歐盟形成了以EMODnet、SeaDataNet 和CMEMS為核心的海洋數(shù)據(jù)整合管理與服務格局。這三者構成了歐洲海洋數(shù)據(jù)管理與服務的三大核心網絡，它們通過協(xié)商開發(fā)數(shù)據(jù)產品、技術支持、簽訂諒解備忘錄等各種形式開展合作。SeaDataNet 不僅是EMODnet 開發(fā)和運營的主要合作伙伴，通過提供技術支持推動了后者平臺中多個數(shù)據(jù)集的搜索和訪問，也與CMEMS 就各自數(shù)據(jù)密切合作。EMODnet與CMEMS 在物理、化學和生物學數(shù)據(jù)等方面合作，包括元數(shù)據(jù)交換、產品開發(fā)、舉辦聯(lián)合活動等。三者在海洋數(shù)據(jù)服務方面各有側重，EMODnet 提供各類數(shù)據(jù)訪問，SeaDataNet 開展數(shù)據(jù)的高質量管理和服務，CMEMS 專注于海事服務。

其中，EMODnet 是一項長期海洋數(shù)據(jù)計劃，由歐盟委員會的海事和漁業(yè)總局管理。其數(shù)據(jù)平臺提供海洋測深學、生物學、化學、地質學、物理學、海底生境和人類活動7 個主題的海洋數(shù)據(jù)，每個主題均由各國家或機構管理的一系列數(shù)據(jù)庫或網絡組成，目前有150 多個機構參與，各機構根據(jù)統(tǒng)一標準處理數(shù)據(jù)，并將可互操作的數(shù)據(jù)層和產品免費提供[10]。

SeaDataNet 是一個分布式海洋數(shù)據(jù)基礎設施，由歐洲地平線計劃資助，管理大量不同的海洋數(shù)據(jù)集，利用分布式網絡技術方法對數(shù)據(jù)資源進行集成、統(tǒng)一描述和訪問，提供在線標準化集成數(shù)據(jù)庫。目前已將來自各國和各機構的110 多個物理、化學、地質學、水深測量和生物學數(shù)據(jù)中心按照目錄語法、語義和工具使用等標準統(tǒng)一集成于本平臺；元數(shù)據(jù)服務包括歐洲的海洋組織及其參與的海洋研究項目、大型數(shù)據(jù)集、調查船的數(shù)據(jù)采集、歐洲和全球海洋的監(jiān)測項目等[11]。

CMEMS 也是歐盟長期海洋數(shù)據(jù)計劃，是歐盟哥白尼計劃的海洋部分，由歐盟委員會資助。主要開展全球海洋監(jiān)測，重點是海洋衛(wèi)星數(shù)據(jù)及原位觀測數(shù)據(jù)。免費提供訪問約200 種標準化和質量控制產品，涵蓋歐洲海洋和全球海洋的物理、海冰和生物地球化學特征數(shù)據(jù)等[12]。

2 歐盟海洋探測和觀測體系發(fā)展趨勢

歐盟海洋探測觀測相關政策和系列戰(zhàn)略規(guī)劃的有效落實與穩(wěn)步推進，以及海洋技術裝備能力不斷提升，使歐盟海洋探測觀測體系不斷發(fā)展和完善。尤其是自實施“歐盟海洋知識2020”戰(zhàn)略以來，海洋探測觀測取得了重大進展，包括建立了統(tǒng)一的歐洲海洋觀測數(shù)據(jù)網絡，技術裝備研發(fā)能力顯著提升等。未來，歐盟將繼續(xù)鞏固優(yōu)勢及拓展新興領域，包括建立更加完善的泛歐海洋探測觀測體系，發(fā)展高精度探測技術，以及推動創(chuàng)建歐洲海洋數(shù)字孿生等。

2.1 歐盟將加快完善一個系統(tǒng)的、持續(xù)的泛歐海洋探測觀測體系，并積極推進探測觀測基礎設施的發(fā)展和標準化數(shù)據(jù)共享

一是歐盟將搭建一個具有穩(wěn)定投資的協(xié)作中心或平臺，以改善現(xiàn)有海洋探測觀測系統(tǒng)大部分依靠短期或固定期限的項目資金運維的現(xiàn)狀，促進完善海洋探測觀測體系。二是EMB 建議將全球和區(qū)域海底、水中原位海洋觀測系統(tǒng)視為關鍵數(shù)據(jù)基礎設施給予長期穩(wěn)定資助，同時解決資助、授權和協(xié)作國家管轄范圍以外大洋的大時空尺度探測觀測設施的問題。三是通過推動在數(shù)據(jù)管理中使用通用詞匯表、對海洋元數(shù)據(jù)目錄采用一致的元數(shù)據(jù)標準、使用統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸格式進行數(shù)據(jù)集交付，以及使用通用質量控制協(xié)議等，以實現(xiàn)互操作性并促進數(shù)據(jù)共享。

2.2 歐盟將加強研制用于深海的高精度傳感器和海底探測觀測平臺等關鍵技術設備，同時積極拓展變革性技術以應對多時空尺度的海洋觀測挑戰(zhàn)

一是全球目前具有多功能和高集成度的傳感器較少，能夠用于2000 m 以上深海的生物地球化學傳感器也很少。為此，歐洲加強研發(fā)新型高集成性傳感器，將提高其空間和時間分辨率及耐壓能力作為重要目標。二是將高可靠性和穩(wěn)定性的深海生態(tài)觀測系統(tǒng)傳感器與自主采樣器集成平臺作為研發(fā)重點，同時也加強研制具備高集成度和低功耗的高性價比海底探測觀測平臺。三是研發(fā)低成本觀測設備，例如西班牙科學家利用自制低成本傳感器在所有監(jiān)測站點進行測量，再配合少數(shù)站點的精確測量，通過數(shù)據(jù)融合技術，最終獲得最優(yōu)數(shù)據(jù)產品。歐盟未來還計劃用物聯(lián)網搭建密集的海洋傳感器網絡，例如可用于水質監(jiān)測等領域的網絡。

2.3 歐盟將推進創(chuàng)建海洋“數(shù)字孿生”，促進人工智能技術在海洋探測觀測和監(jiān)測中的應用

一是通過符合可發(fā)現(xiàn)、可訪問、可互操作和可重用（FAIR）標準的分布式數(shù)字資源進行快速、標準化和可信的數(shù)據(jù)共享，從而在可互操作和可信的海洋探測觀測數(shù)據(jù)的基礎上建立歐洲海洋的“數(shù)字孿生”。通過對海洋的高分辨率模擬，提高監(jiān)測和管理海洋資源，以及模擬預測海洋演變的能力。二是利用高性能計算、數(shù)據(jù)分析和人工智能的方法從大量原始數(shù)據(jù)中提取有用信息，研究建立與先進地球系統(tǒng)建模相關的未來數(shù)字基礎設施，包括海洋數(shù)據(jù)、模型、技術和基礎設施的融合應用等。在2022年2 月由歐盟輪值主席國法國主辦的“一個海洋”峰會上，歐盟承諾將創(chuàng)建歐洲海洋數(shù)字孿生，以支持歐洲藍色增長和全球海洋治理。

2.4 歐盟提出將發(fā)展以需求為導向的業(yè)務和籌資模式，配合已有技術和創(chuàng)新，建立從科學到社會效益的價值循環(huán)

一是發(fā)展新的商業(yè)模式，支持將已經發(fā)展成熟的技術用于在國家、歐盟和全球層面進行系統(tǒng)、持續(xù)的海洋探測觀測。二是通過為國家海洋研究提供專項資金、共同資助多重用途的觀測基礎設施、進行資本融資、基礎設施的實物支持等不同籌資模式，來提高資金的可持續(xù)性。三是EMB 提出可成立一個多國認可的、基于協(xié)議的、有約束力的國際實體機構，該機構由歐盟賦予其相應的作用和職能，以協(xié)調管理其他相關組織機構，并且具有開展從探測觀測業(yè)務、數(shù)據(jù)信息到成果應用服務的能力，從而提高對海洋系統(tǒng)的理解，優(yōu)化海洋狀態(tài)描述，預測未來變化，并為決策者、企業(yè)和公眾等提供基于科學事實的海洋信息。

3 啟示

我國經過多年發(fā)展，基本實現(xiàn)了對管轄海域海洋水文氣象、生態(tài)等要素長期連續(xù)和實時業(yè)務化觀測；建立了部分區(qū)域性海洋觀測網，國家和地方自然資源（海洋）管理部門也開展海洋觀測監(jiān)測和調查、海洋災害預警預報等工作，并正在建設東海和南海海底觀測網，但與歐盟相比還存在一定差距。雖然我國也開展“空-天-海-潛-井（鉆）”五位一體的海洋全方位綜合感知探測觀測工作，但目前海洋探測觀測中需要解決的問題包括：傳感器國產化能力較弱[13]、探測觀測點的空間密度不夠、人工智能等應用能力還需提高、探測觀測數(shù)據(jù)的實時傳輸和分析能力有待加強、探測觀測數(shù)據(jù)缺乏連續(xù)性以及分辨率低、工程技術研發(fā)與科學研究需求匹配度不夠等，制約了我國海洋探測觀測發(fā)展，并影響了數(shù)據(jù)的科學價值，也限制了對一些地球系統(tǒng)科學中關鍵問題的認識。此外，我國在全球海洋觀測領域的參與度和影響力有待進一步提升。

一是積極拓展海洋探測觀測業(yè)務領域，構建完善技術業(yè)務體系。面臨《GOOS 2030 戰(zhàn)略》擴大全球海洋觀測網絡、2019 世界海洋觀測大會（Ocean Obs’19）倡導的未來10 年海洋觀測宣言等新的發(fā)展機遇，我國應從國內科學需求和用戶需求出發(fā)，積極參與全球海洋立體觀測網建設，特別是2000 m以下深海及海底探測觀測能力建設，并做好向數(shù)字海洋范式轉型的技術儲備。

二是發(fā)展自主創(chuàng)新的海洋儀器裝備保障體系。始終將海洋技術裝備研發(fā)置于推動海洋科技發(fā)展的重要位置，保障裝備設施投入；同時加強工程技術裝備研發(fā)與科學研究相互融合，共同促進完善海洋探測觀測技術裝備等條件保障。

三是強化統(tǒng)籌協(xié)調能力，探索建立協(xié)調合作新機制。首先，通過出臺相關政策文件和綜合戰(zhàn)略規(guī)劃，加強對業(yè)務實施機構的戰(zhàn)略引領；其次，通過共同搭建平臺、推進合作項目、數(shù)據(jù)資源共享等方式，將各利益相關方組織在共同的協(xié)調框架下，從而促進建立統(tǒng)一協(xié)調的海洋探測觀測體系。

四是積極參與并引領國際海洋探測觀測計劃。積極參與全球和區(qū)域層面的國際海洋計劃，與國際伙伴一道加強海洋現(xiàn)象的探測觀測、過程與機理認識、變化預測的分析，開展多尺度、多要素、多平臺的綜合探測觀測，開展深海、洋中脊、海山區(qū)、結核區(qū)等地質環(huán)境、典型生境與酸化、大洋缺氧等熱點問題的國際聯(lián)合調查、模擬與合作研究，適時發(fā)起以我國為主的國際大科學計劃，推動我國的海洋裝備、技術、標準“走出去”。

五是擴大數(shù)據(jù)共享范圍，增強在國際海洋數(shù)據(jù)共享中的顯示度。當前我國公開對外共享的數(shù)據(jù)雖有所增加，但總體來看與我國海洋大國的形象仍不匹配，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)共享平臺和機制影響力有限，無法在全球海洋數(shù)據(jù)交換合作中起到主導作用。在保證安全的情況下，可考慮大幅擴大數(shù)據(jù)共享范圍，以增強我國在國際海洋數(shù)據(jù)共享中的影響力。