用“人类的眼睛”透视海底

文／肖寒

静水流深，在广袤神秘的深海，海水的运动有着怎样的规律？海温变化如何影响气候？如何更加清晰地观测海洋的动态并进行准确的预报？一系列未解的谜题，牵动着山东科技工作者们的根根神经，2014年山东“透明海洋”科技创新工程浮出水面，让他们在不懈探索中获得了一双又一双透视深海的“眼睛”。

“科幻小说之父”凡尔纳的一部《海底两万里》风行世界百余年，承载着人们年少时关于科幻和航海冒险的所有梦想。而今虽然书中的一些预言已成现实，但人类对海洋深处的探索却从未止步。静水流深，在广袤神秘的深海，海水的运动有着怎样的规律？海温变化如何影响气候？如何更加清晰地观测海洋的动态并进行准确的预报？一系列未解的谜题，牵动着山东科技工作者们的根根神经，2014年山东“透明海洋”科技创新工程浮出水面，让他们在不懈探索中获得了一双又一双透视深海的“眼睛”。

看透“海底两万里”

海洋占地球表面的71%，84%的海洋水深超过2000米，但遗憾的是，人类对2000米以下的海洋知之甚少，目前覆盖全球的海洋Argo计划浮标观测网，也仅能获取全球海洋水深2000米以上发生的信息。

青岛海洋国家实验室由中国海洋大学等5家驻山东高校和科研单位共同发起筹建，也是目前“透明海洋”工程的实施者。“我们正在开展‘透明海洋’科技创新工程，让2000米以下的海洋变得更透明。”中科院院士、青岛海洋国家实验室主任吴立新说，“透明海洋”是指针对特定海区，实时或准实时获取、评估海洋环境信息，通过深入研究，预测未来一段时间内海洋环境、气候及资源的变化，使所观测的海域实现状态透明、过程透明和变化透明。

这样一来，“不用亲自潜入海底就能知道海洋里的鱼群游向，了解海洋深处的最新情况，预测未来的变化。”吴立新说，这对科学利用海洋，有效保护海洋，服务21世纪“海上丝绸之路”建设具有重要意义。

马里亚纳海沟是目前世界上已知的最深海沟，位于菲律宾东北、马里亚纳群岛附近的太平洋洋底，最深处深度约为1.1万米，堪称地球第四极。这里历来是世界深海研究的焦点，更是难点。海沟的特殊性质使其海洋动力过程、生物地球化学过程、生物种群分布及起源、地球深部碳循环与开阔大洋相比具有不同的特性。马里亚纳海沟是探索海洋动力过程、物质与能量输运、生物地球化学过程、壳幔结构及极端环境下物种起源的最佳天然窗口，也是研究深海科学与技术的最佳场所。

作为“透明海洋”工程的重要成果之一，科学家们正是在这里实现了首次将“人类的眼睛”放入万米深海——他们构建起全球第一个马里亚纳海沟海洋科学综合观测网，成功回收了世界首套万米综合潜标，使深海状态变化不再神秘，还成功研发了三项世界首创性技术，研制出两项填补国内空白的技术，并有两项技术打破国外垄断。

想把海洋看通透，需要稳定的全球观测系统。为此，青岛海洋国家实验室联合中国海洋大学等科研机构，成功研制出4000米深海自沉浮式剖面探测观测浮标，使中国具备了对全球海洋4000米持续观测能力。项目组还成功完成对世界上最大规模的区域海洋潜标观测网——南海、西太平洋潜标观测网的维护及扩充，在国际上首次实现了对蕴含丰富多尺度动力过程的南海深海盆的全面覆盖及完整监测。这些研发加速了观测装备国产化，有的子项目甚至可以做到所用设备均为自主研发。

启动全球最快的海洋“大脑”

“我们将尽快启动E级超算整机系统建设，距离2020年的建设目标只有两年多的时间了。”提到“E级超算”，吴立新非常振奋，“被全世界公认为超级计算机界的下一顶皇冠的E级超算，已成为各国竞相争夺的热点和重点。希望能够通过在海洋领域的应用，进一步推动我们国家在超算领域的发展。”

○海洋高端装备联合实验室自主研发的新一代水下滑翔机——海燕（Petrel-Ⅱ），用于温度、盐度、深度参数采集，生物、地震、海啸等声音信息采集等。图／何延海The new-generation underwater glider – Petrel II independently developed by the United Laboratory for High-End Marine Equipment is used for acquisition of such parameters as temperature, salinity and depth, and the acquisition of sound information concerning living beings, earthquakes and tsunami.

海洋科研的发展离不开超级计算机。全球历代最快超算都率先用于以海洋为核心的地球科学。青岛海洋国家实验室已拥有目前全球海洋科研领域运算速度最快的P级超级计算机，每秒运算速度最快可达2600万亿次，构建了目前全球速度最快的千公里级超远距离、百G毫米级超低延时超算互联网。

2018年7月，在青岛海洋国家实验室超算平台举行的全球海洋院所领导人会议上，海洋天然产物三维结构数据库正式启用，3万余个海洋天然产物的准确三维结构等重要数据向全球开放共享。就在日前，依托这个数据库，青岛海洋国家实验室的专家们针对非洲猪瘟的病原体特征，通过超算进行虚拟筛选，迅速从陆生和海洋天然产物数据库中，锁定了16种陆生天然产物和59种海洋天然产物，用于研发控制疫情。

“这也进一步证实，利用超算建立的智能超算海洋创新药物筛选技术体系，在应对突发性传染疾病时具有重要作用，而海洋天然产物，也为应对突发性传染疾病提供了无限可能。”超算平台专家说。自2016年12月投入应用至今，超算平台在青岛海洋国家实验室面向全球发起的透明海洋、深海极地、蓝色生命等大科学计划中发挥着不可或缺的重要作用。其中，启用了海洋天然产物三维结构数据库，共享3万余个海洋天然产物的准确三维结构等药物智能筛选重要数据信息。

“海洋天然产物三维结构数据库是‘蓝色药库’的基础，有了三维结构数据库，才能对药物进行一系列深化研究。这个数据库的建立在很多药物研究过程中起基础性作用。”青岛海洋国家实验室学术委员会主任、中国工程院院士管华诗表示，运用超算，他们正在构建颠覆性的海洋药物研发体系，两年完成了过去20年的海洋药物苗头分子发掘，极大地提升了海洋药物开发的速度与效率。

○青岛海洋国家实验室聚集了一批国际领军科学家。图／何延海The Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology (Qingdao) has brought together a number of world-leading scientists.

○海洋腐蚀与防护开放工作室，为开发利用海洋资源的工程提供技术支持和保障。图／何延海The Open Studio for Marine Corrosion and Prevention provides support and guarantee for projects developing and utilizing marine resources.

因为超算，海洋正变得越来越“透明”。在青岛海洋国家实验室高性能科学计算与系统仿真平台主任魏志强看来，超算平台已成为海洋人工智能和大数据公共支撑平台。同时，青岛海洋国家实验室构建的全球速度最快的千公里级超远距离百G超算互联网，能汇集有效计算资源达130P，其计算能力目前是国际海洋领域最快，全球屈居第二。

将建立准确的海洋模拟系统

据青岛海洋国家实验室不完全统计，“透明海洋”工程相关课题目前已获得了超过6亿元科技资金支持。除了加深对海洋的认识，还有一项重要功能就是开展海洋科技基础性、公益性的关键技术研究和突破，影响和改善民生。

青岛海洋国家实验室教授陈显尧介绍，由大型绿藻浒苔形成的绿潮在南黄海连年暴发，长达10年之久，对山东、江苏沿岸的旅游业和海水养殖业造成了巨大危害。每年夏季，受绿潮影响的地区，政府部门都需要投入大量人力、物力，对沿海一线绿藻进行收集、打捞和处理。“透明海洋”工程构建了渤黄东海高分辨率精细化短期预报系统，根据卫星遥感反演的浒苔生物量和其他观测数据，建立了浒苔漂移的短期预报，可以实现对一周内浒苔的漂移路径及覆盖范围的定量预报。

“近几年，美国、加拿大、日本、欧盟等国家和地区，都在加快制订并实施全球海洋立体观测系统计划，因此建设中国的全球海洋立体观测网的需求十分迫切。”山东省科技厅海洋科技处相关负责人认为，“透明海洋”工程可以通过对海洋资源环境信息的综合运用，对海洋经济发展前景作出预测。对于山东来说，“透明海洋”工程产生新技术、形成新动能，将会带动山东省海洋观测、海洋工程装备、海洋油气资源开发等产业转型升级。

○最大工作深度1500米的基于声呐和水下视觉的深海复杂环境下AVU组合导航系统。图／何延海An AVU integrated navigation system based on sonar and underwater vision in a complicated deep sea environment,with the maximum operating depth of 1,500m.

根据吴立新的构想，“透明海洋”工程共分为海洋星簇、海气表面、深海星空、海底透视、海洋模拟器5个子计划，分别通过卫星遥感、水下机器人、超算等技术，实现对海洋表层、海洋深处、海底等的立体观测，建立可靠准确的模拟系统，实现真正意义上的透视。

“这是一项复杂的大科学工程，需要诸多学科的协同创新。”吴立新说，这绝不是一个省份、一所科技机构所能支撑的。

以深海星空计划为例，吴立新希望能制造出综合多种传感器、智能可控的几千个水下机器人，可以实现水下组网与导航。这项工作不仅难度大、花费高，更需要材料、能源、自动控制、通信等多个学科的协同研发。在海洋深处，如何完成大数据高速传输、如何实现超长续航、智能观测等技术，都是吴立新团队目前正在攻关的难题。

吴立新这样描述“透明海洋”工程的未来：“科学家在实验室就能知道全球海洋正在发生的事情，如海洋的温度变化、水声通道的变化、鱼群的变化等，并能做出预测，国家海洋利益拓展到哪里，‘透明海洋’工程就建设到哪里。”

编辑／栾小惠

The Pilot National Laboratory for Marine Science and Technology(Qingdao) was jointly initiated and built by five universities and R&D institutes in Shandong. It is also the means of implementing the“Transparent Ocean” Project. “We are carrying out a ‘Transparent Ocean’scientific and technological innovation project that allows the ocean below 2,000m to be more transparent,”said Wu Lixin, an academician of CAS and director of the laboratory.“Transparent Ocean” means acquiring and evaluating marine environmental information on specific sea areas in real time or near real time, predicting the changes in marine environments,climate and resources in a future period of time by further studies, and enabling the observed sea areas to achieve a transparent state regarding processes and changes.

According to Wu’s conception,the “Transparent Ocean” Project can achieve the 3D observation on the surface, depths, or bottom of the ocean by means of satellite remote sensing, underwater robotics and supercomputing respectively, and establish a reliable and accurate simulation system to realize perspective effect in a real sense. “This is complicated big science engineering,which needs the collaborative innovation of numerous disciplines,”said Wu Lixin. It cannot be supported by a province or a scientific institute alone.