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2022年中國十大海洋科技進展揭曉


近日,中國海洋學會聯合中國太平洋學會、中國海洋湖沼學會、中國航海學會、中國指揮與控制學會、中國大洋礦產資源研究開發協會評選出2022年中國十大海洋科技進展(排名不分先后)。

1.首次從能量學角度闡釋氣候演變的低緯驅動

海洋是地球氣候系統最大的熱儲庫。人為釋放CO2所產生的過剩熱量,90%以上進入了海洋。要探索海洋熱含量變化機制,僅靠儀器觀測記錄不足,亟需長期地質記錄來解答。

采用浮游有孔蟲表層種和溫躍層種的殼體地球化學,重建過去36萬年以來西太平洋暖池上層(0-200米)海洋熱含量,與地球氣候系統模式CESM瞬變數值模擬的結果一致;同時,重建的表層海水剩余氧同位素也與熱含量變化一致,而與中國石筍記錄的大氣降雨氧同位素在歲差周期上反相位變化,說明上層海洋熱含量可以通過季風/臺風調控海洋和大陸之間的水汽傳輸和氧同位素分餾。該研究從上層海洋熱含量(而非表層海水溫度)的角度探索水汽轉換的潛熱傳輸,第一次從能量學角度闡釋了低緯海洋過程在氣候演變中的驅動作用。

研究成果于202210月發表在Nature上,被認為“揭示了低緯水熱循環的軌道驅動機制,挑戰了氣候演變理論的傳統認識”,得到國內外媒體的廣泛報道,產生重要影響。

 2.30年洋流記錄顯示熱帶氣旋增強

臺風是世界上最嚴重的自然災害之一。臺風強度是目前臺風預報的難點,其變化也一直是國際前沿科學問題。解決這些難點有兩個挑戰:(1)傳統的臺風強度估計主要基于衛星云圖,存在較大主觀性。即使針對同一個臺風,不同業務機構給出的強度估計也常存在較大差異;2)近20年的理論研究指出海洋變暖會導致臺風增強,但因缺乏現場直接觀測資料,一直存在爭議。最新研究表明,海表面漂流浮標(drifter)觀測的高精度海洋混合層流速可用于估算臺風強度。通過分析1991-2020年期間全球大量drifter觀測的混合層流速數據發現,最近30年占全球70%的弱臺風無論在全球尺度還是海盆尺度上都存在明顯增強趨勢。該方法可用于全球所有臺風的強度變化分析,為進一步提高臺風模擬和預測精度提供了重要基礎。另外,最近30年全球弱臺風顯著增強這一發現,一定程度上證實了全球氣候變暖導致臺風增強的理論,將有助于提高對未來臺風強度變化的預估。相關研究成果以“Ocean currents show global intensification of weak tropical cyclones”為題發表于Nature期刊,并被Nature選為News & Views特評。

3. 全球海表油膜遙感監測

海面油膜是漂浮于海洋表面的烴類化合物薄層,來源包括海底油氣藏的天然烴滲漏、船舶、油氣平臺/管道及陸源排放等,其中人類活動產生的油膜對海洋生態環境的影響更大,但界定不同來源的貢獻仍存在很大的不確定性。研究克服全球海面油膜分布廣泛、位置不定、過程短暫、形態多變等難點,利用2014–201956萬余景Sentinel-1遙感影像,提出了半自動化海面油膜識別-提取-分類框架,首次建立了全球10 m分辨率海面油膜數據集,構建了迄今為止最為全面、位置明晰的海面油膜持續固定排放源清單。研究發現全球海面油膜近岸分布特征明顯;首次觀測到21條與航線高度吻合的高密度油膜帶;人類活動是全球海面油膜的最主要來源,其比例遠高于自然源油膜,與1990–1999年估算結果相比占比增長近一倍。以上發現改善了對海面油膜自然源與人為源貢獻比例的結構性認知,為協同海洋能源開發、石油污染治理、海洋環境監管等提供了重要的數據支撐與決策依據。成果發表于Science并被遴選為亮點論文。

4. 海洋激光遙感的關鍵技術與應用

該科技進展圍繞國家海洋環境立體剖面遙感測量的技術難點和發展我國海洋激光衛星的迫切需求,突破了機載藍綠雙波長海洋激光遙感技術、海洋體散射函數小角度測量技術、船載海洋激光雷達系統可調視場探測技術等三大關鍵技術,形成了船載海洋激光遙雷達遙感技術、機載海洋激光雷達遙感技術、星載海洋激光雷達系統指標論證、海洋激光雷達輻射傳輸模型和主被動海洋光學遙感融合技術等五大標志性成果,取得了多種不同體制船載海洋激光探測設備研制和綜合試驗、星載海洋激光雷達系統技術指標論證、基于實測水體偏振散射相函數的海洋激光輻射傳輸模型等三大創新點,為我國未來海洋激光衛星的探測新體制積累了經驗,儲備了技術。有助于提高我國海洋環境安全信息保障能力,推動我國海洋光學遙感技術的跨越式發展。

5. 海底地震儀主動源探測國際標準發布

2022519日,國際標準化組織(ISO)發布《船舶與海洋技術-海底地震儀主動源探測技術導則》,這是由我國主持制定的首項海洋地球物理調查國際標準。該標準的實施有利于促進各國海底地震儀技術性能的提高和數據格式的統一,有效促進不同國家在海底資源調查、開發、利用領域的國際合作。

長期以來,海底地震儀(OBS)廣泛應用于國際地學綜合研究計劃的海上地球物理調查工作中,在包括深部結構研究、海洋防災減災、海洋聲場探測等方面取得了顯著效果。但海底地震儀主動源探測技術要求復雜,不同國家生產的OBS在儀器性能、操作流程和數據格式上各有差異,亟需規范OBS的設備測試和成果評估方法。依托我國自主研發的OBS,將水聲應答、釋放機制、采集模式、姿態地震計等自主創新的關鍵技術成果轉化為國際標準,可極大地提高海底地震儀主動源探測的成果數據質量,推動海底地震調查領域的健康發展。

6. 基于無人船艇集群的近海海域海底基礎調查

近海海域島礁眾多,海況復雜,傳統測繪手段風險高,耗時長,成本高。2022年,相關科研人員積極探索了無人艇集群測繪作業模式,為海洋調測提供了新思路。

通過“1艘母船+5艘無人船的集群作業,首次突破了動態協同組網、聯合海洋環境參數在線估計、全局障礙物場綜合感知、障礙物聯合感知、多級最優避障策略等技術難題,構建了適用于復雜海洋環境下的無人船集群環境感知與協同運動控制技術體系。僅用時55天,完成了超過2700平方公里海域面積測量,測線總里程高達25000公里,提升效率近5倍,總體作業成本下降30%以上,被《人民日報》稱之為新時代的兩萬五千里“海上長征”。

此次探索為查明大灣區近海海底地形,打造廣東海洋大數據一張圖夯實數據基礎;為加快構建陸海統籌國土空間開發保護新格局推動經濟社會高質量發展提供堅實保障;開創了我國無人船艇海上集群作業時代的新篇章。

7. “哪吒”??湛缬驘o人航行器

哪吒??湛缬蚝叫衅骶哂行路f獨特的上天入海、飛潛合一以及反復水空穿越航行能力,為海氣界面觀測、海事應急搜救及隱蔽偵查等應用需求提供全新的解決方案。哪吒具備垂直起降與懸停、水平飛行與水下滑翔多種運動模式,也是當前國內外公開發布的同類成果中下潛深度最大、負載能力最強、水下運動范圍最廣的一款??湛缬蚝叫衅?,攻克了多模式兼容與順暢切換技術、俯仰姿態極限調節技術、浮姿耦合水下滑翔行為分析等關鍵技術。開發基于自適應動態面法和擾動觀測器的魯棒自適應控制策略,突破風浪流復雜海洋環境下快速、準確的運動模式切換與控制技術瓶頸?;谠摷夹g的成功應用,哪吒成功完成首例真實海洋環境下??湛缬蚝叫腥鞒淘囼?。哪吒系列已獲得9項國家發明專利、1項美國發明專利授權,在JFR、IEEE RAL、OE等領域內權威期刊發表多篇學術論文。哪吒系列??湛缬蚝叫衅髟趪鴥韧庖鹆藦娏曳错?,新華社、人民日報和各大網站進行了大量的報道。

8. 北冰洋中全新世海冰融化新機制的發現

北冰洋海冰是全球氣候系統中的“驅動器”和“放大器”,其變化深刻影響著全球陸地-海洋-大氣-生態-社會環境等不同圈層的發展演化。該研究基于中俄合作對現今河流熱能排放入海影響因素的分析,利用陸架沉積速率數據首次重建了全新世北極東西伯利亞地區河流熱能排放入海演化歷史,發現中全新世較高的河流熱能排放對應陸架海冰融化加劇時期,并首次提出中全新世增強的泛北極地區河流熱能排放入海能顯著促進北冰洋海冰融化,彌補了北冰洋海冰融化機制解釋上的不足。研究結果表明,全新世中期相對較高的夏季太陽輻射強度導致俄羅斯泛北極地區河流入海熱通量增加,從而直接融化北冰洋陸架海冰,這一過程同時也降低了海冰對太陽輻射的反射率,從而擴大夏季太陽輻射對海冰融化的影響力。該研究結果暗示,在全球變暖背景下,泛北極地區河流熱量排放的增加可能加劇夏季北冰洋海冰融化,從而加速北極地區的快速氣候變化。研究成果于2022年發表在Nature Communications上。

9. 中國海上首個百萬噸級CO2回注封存關鍵技術及示范

恩平15-1油田位于中國南海東部海域珠江口盆地,是我國南海東部首個高含CO2氣頂油藏;依托恩平油田群開發,開展恩平15-1油田CO2回注封存關鍵技術研究及示范應用(以下簡稱恩平15-1油田CCS)。

恩平15-1油田CCS作為中國海上首個CO2封存量超百萬噸級CCS示范工程,通過自主技術創新,集中攻關了海上二氧化碳捕集和封存地質油藏、鉆完井和工程一體化聯合關鍵技術。項目已形成一套海相沉積環境下CO2封存水層優選評價、封存機理定量表征及熱流固化四場耦合運移規律動態模擬及封存安全性評價模擬技術,低密度耐CO2腐蝕固井及井筒實時監測技術,海上受限空間超臨界CO2回注工程及裝置優化技術等關鍵成果。實現了海上CO2封存關鍵設備的國產化,項目采用海上平臺特有的模塊化和成撬布置方式,應用相態控制、脈沖控制、聯合振動分析等前沿技術,研制適用于海洋高溫高鹽環境的首套超臨界大分子壓縮機和首套復合材料CO2分子篩脫水撬;并已完成CO2捕集和封存系統的海上安裝調試。該項目打破了國外海上CO2封存技術的壟斷,有效填補了我國海上CO2封存技術的空白。

10. 勘探發現我國首個深水深層大氣田

2022年10月20日,海南東南部海域瓊東南盆地勘探獲重大突破,發現我國首個深水深層大氣田寶島21-1,探明地質儲量超500億立方米。 

在海洋油氣勘探領域,一般把水深超過300米的水域稱為深水,把井深超過3500米的井定義為深層井。此次發現的寶島21-1氣田位于海南東南部海域深水區,最大作業水深超過1500米,完鉆井深超過5000米,距離“深海一號”大氣田約150公里,海洋地質條件極端復雜。隨著地層的加深,地震等基礎資料品質變差,儲層預測、含氣性分析、構造落實的難度成倍加大,鉆井難度也大大提高。寶島21-1的成功發現,表明我國在深水深層勘探技術上取得重要突破,對類似層系的勘探具有重要指導意義。


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