海洋中尺度过程与区域海洋环境和气候安全

齐庆华

(自然资源部第三海洋研究所 厦门 361005)

0 引言

环境和气候是人类和一切生物赖以生存的重要基础资源。海洋作为地球系统的主要组成部分,在地球环境和气候的形成和变化中发挥着举足轻重的作用。海洋系统与地球其他各圈层相互作用,引起的环境和灾害问题日益突出[1],涉及环境、气候、生态、资源和安全等重要科学领域。

我国是海洋大国,海域辽阔、生态多样、资源丰富。关心海洋、认识海洋、经略海洋是发展海洋经济、保障海洋环境安全和维护海洋权益的基础,也是推动我国海洋强国建设的战略需求。海洋环境的空间特征、气候演变过程及其地域分异规律是海洋科学的研究基石,当前海洋科学研究不断向系统化、综合化和全球化趋势发展。采用现代海洋观测(探测、监测)技术、信息技术和预测预报技术,基于对全球和区域海洋的精细、精确、实时和动态观测,揭示不同尺度的海洋物理、化学、生物特征和变化规律,预测海洋资源、环境和气候的时空变化,评估不同尺度的海洋环境信息并研究其多尺度变化过程及其气候环境和资源效应,是深化海洋认知的重要内容,更是提高海洋资源开发利用能力、加强海洋生态环境保护、防治海洋灾害风险以及保障海洋环境和气候安全的迫切要求。因此,本研究的出发点在于,通过理解海洋要素相互作用过程的机理,开展多尺度的系统研究,揭示其动态变化规律和预估未来发展趋势;尤其是基于区域研究的视角,建立“要素-过程-格局-安全”的综合研究模式。鉴于海洋系统的复杂性,为使科学问题具体化并深化整体认识,本研究聚焦于海洋中尺度过程,从区域海洋的分异与连通性入手,简要分析海洋中尺度过程及其影响,探讨相关研究的关键科学问题,并提出海洋环境和气候安全保障的策略和措施。

本研究的目的不仅在于考虑海洋中尺度过程本身的重要环境特征,而且更注重从环境容量和承载力出发,探讨人类与海洋和生态环境之间的层次结构、演变规律及其相互影响和适应的协调性,更强调全局观和综合观的重要性。从对这些作用过程和机制的探讨,到对海洋系统中动态的生命特征、生物演替、灾害适应和风险防治、环境安全政策制定以及国家海洋治理的研究,进而认知和维护海洋系统平衡,为人类合理开发利用海洋的各类因地制宜的生产实践提供科学依据,最终实现人与自然协调发展。

1 区域海洋系统的分异与连通性

区域海洋系统是特定地域相互作用的地理、环境、气候、海洋和全部生物构成的复杂自然系统,系统中的地理、气候、环境和生物生态等部分有序组合,各组分界面互相联系,并形成具有一定结构和功能的开放有机整体。整个海洋系统是地球系统的重要组成部分,海洋系统与外界以及海洋系统内部各组分间的相互作用过程可产生能量、物质和信息的变化、运动和交换,从而对人类产生影响。

1.1 分异与连通

海洋是覆盖超过70%地球表面积的连续海水,其最重要的作用是改善环境、调节气候以及提供食品和生产资源。海洋系统的各要素通过不同的组织尺度构成多样性和连接性不断增加的复杂网络。一般地,由于网络拓扑结构、本构关系、相互作用方式和强度分布等多种机制产生的自组织稳定效应,海洋系统处于平衡状态。海洋在持续为人类提供正常服务功能的同时,由于系统集成、过程综合以及海-陆-气相互作用,系统要素具有空间格局的异质性和过程耦合的非线性。尤其在全球环境和气候变化的驱动下,海洋的连通性引起一系列的环境变化和气候异常,并成为主要的孕灾环境,最终引发灾害和安全风险[1]。总之,不同尺度的海洋过程严重影响海洋环境和气候因素的异质性,对生态位组成和功能多样性产生重要作用[2],并在很大程度上影响海洋气候演变、生物地球化学循环、生物演替、深部过程、深海资源分布和海洋灾害生发。

需要指出的是,海岸带是海洋系统和陆地系统复合交叉的地理单元,是受海-陆相互作用影响的独特环境体系和特殊开放系统。海岸带作为海-陆交错区和过渡带非常重要,其生物多样性异常丰富,但其内部多个系统存在复杂的交互作用,且不同系统之间的物质和能量流动在人类活动介入后变得更为复杂,这种独特性使海岸带生态环境脆弱性显著[3]。此外,由于生态系统具有连通性,可能对其他系统构成威胁,从而影响海岸带和海洋的生物多样性[4]。由于海洋空间具有分异与连通性,相关学科的融合以及对范围和尺度(如跨界)的把握成为当前海岸带空间规划研究的重要基础和关键议题[5]。

1.2 尺度及其层次相对性

尺度具有多维性特点,包括功能尺度、空间尺度和时间尺度等[6],其中时空尺度是地球科学研究的基础性和根本性问题。研究对象的特质均是一定时空匹配尺度上的表征,要素的时空分布(空间格局和时间过程)、过程发生和相互耦合等特性均具有尺度依存性。鉴于此,须在特定尺度上进行选择、考察和研究,才能把握科学规律。

尺度具有层次相对性,不同形式和过程只有在特定尺度上才能表现出来,如果从较大尺度上分析,较小尺度的要素、行为和过程很可能被较大尺度所湮灭。尺度的大或小在同一层次和不同层次上具有相对性,如宏观层面的尺度通常大于中(介)观和微观层面的尺度。研究的终极目标是对研究对象和要素的全尺度分析,然而在特定的社会发展阶段,由于科学认知(意识机制和思维范式)层次、财力、时间和精力等方面的限制,很多研究只能在离散或个别尺度上进行。因此,尺度的选择、整合和匹配以及向下或向上的承接转换等是研究过程中不可或缺的关键环节[7],其中的重要途径之一是通过关注特定尺度并以其为中间尺度,进而阐释该尺度与其他承接尺度的级联关系。由于不同尺度的空间结构和要素组成不同,研究的重点和特征规律应侧重于层次性关联和转换机制。系统科学和复杂网络理论技术、观测技术以及数据信息技术的发展是研究多尺度变化及其互作互馈关系以及架构全尺度体系的关键。为兼顾不同尺度的承接和内在关联,本研究在层次和相对尺度上主要聚焦海洋中尺度过程。

2 海洋中尺度过程及其影响

海洋系统过程是海洋系统空间状态分布、流动循环和演变以及灾害和安全风险发生的动力根源。影响海洋动态系统的互作过程和海洋内部的互馈过程具有层级性和尺度性,本研究主要关注海洋中尺度过程。

如上所述,中尺度过程主要就相对时间和空间尺度而言。简便起见,本研究在时间尺度上以衔接尺度为代表的海洋年代际变化(太平洋年代际振荡)为例,在空间尺度上以旋转流体力学中地转效应主导的最小尺度(海洋中尺度涡旋)为例,简要分析和探讨海洋中尺度过程的影响及其研究现状。

2.1 太平洋年代际振荡

全球变暖和区域气候异常正深刻影响着人类社会的发展。全球年代际气候变率可以改变全球气候背景和调整气候年际变率,从而导致局地的气候变异甚至气候灾害,对周边地区社会和经济的中长期发展有严重影响。因此,年代际气候预测对于评估气候变化风险和制定相应应对策略至关重要。目前相关研究尚处于起步阶段,还存在诸多亟待解决的科学和技术问题[8-9]。

首先,年代际尺度变化作为年际和月季气候变化的重要背景,往往影响着年际和月季时间尺度的气候特征。而年代际尺度调整作用的过程和机制(如通过环流变异和混合层变异),包括传播机制和信号通道、海洋系统复杂关联网络耦合机制(如年际振荡和耦合型态)以及对区域海洋系统结构和格局影响的预测预报等均有待系统和深入的研究。其中,年代际尺度变化在全球变暖和改变区域气候特征中的过程和贡献以及年代际气候变化的形成和作用机制是研究重点。目前由于研究资料的局限性,年代际尺度变化的定量研究成果较少。

再者,海洋年代际变化对环境和气候的预测准确性更具研究意义[10]。海洋参与年代际气候变化的方式以及海洋动力过程在人类活动影响下的气候系统辐射平衡中所发挥的作用等课题,涉及大气环流、海洋状况和海-气相互作用的年代际变化以及产生这种年代际变化的主要机制。近20年来,太平洋年代际振荡(PDO)因其对全球气候系统的深远影响而被广泛研究,其是指在太平洋气候变率中具有类似厄尔尼诺-南方涛动(ENSO)空间结构但周期为10～30年的振荡,当太平洋中部海面温度异常增暖(冷却)时,热带太平洋中部和东部以及北美沿岸常同时伴有同等幅度的异常冷却(增暖)。总体而言,有2类观点分别认为太平洋年代际振荡起源于确定的海-气耦合过程或大气的随机强迫[11-12]。①确定性起源论强调,某个海-气耦合系统内部的物理过程可以提供1个正反馈机制以增强初始扰动以及1个负反馈机制以促使振荡位相发生逆转,海洋环流的动力演变过程决定振荡的时间尺度;②随机性起源论强调,大气活动没有特定的时间尺度,其时间尺度谱实际上对应于白噪音谱,因此大气对海洋的强迫是随机的,而海洋常在低频谱段有最大的响应振幅,其对应的周期为十数年或数十年。

此外,作为控制局地环境和气候变化的大气环流因素,大气涛动同样具有重要的研究意义,本研究仅关注大气涛动与太平洋年代际振荡的关联性。研究表明,南方涛动(SO)、北大西洋涛动(NA0)、北太平洋涛动(NPO)和南极涛动(AA0)4个主要大气涛动具有相对独立性,其中北太平洋涛动与太平洋年代际振荡具有较高的相关性[13]。

在全球一致性变暖的背景下,我国海域近海面风速、波高和大浪频率等的变化趋势和幅度存在明显的时频特征和地区差异,年代际变率特征显著。同时,气候系统中超过90%的热量增加被海洋所吸收,然而中国海数十年来升温的波动态势显著[13-15]。其原因除全球变暖本身引发的反馈机制外,可能主要受气候系统(包括海-气耦合系统)内在变率,尤其是区域性气候年代际变率以及与之相关的关键物理过程的影响[16],其中也涉及海洋气候从浅层到深层调整的结果[17]。值得关注的是,年代际气候变化对人类生存环境具有重要影响,会引发一系列重大灾害事件,造成严重的生命财产损失,危及粮食和水资源安全。

综上所述,研究年代际气候变化规律和预测年代际重大气候事件是人类社会可持续发展的迫切需求。总体而言,年代际尺度是具有重要承上启下作用的时间尺度。一方面,其是年际尺度的背景,可对年际尺度的气候变率现象(如ENSO)和季节或季节内尺度(如热带季节内振荡)产生重要影响[13];另一方面,对于世纪尺度的全球变暖,其又是极为重要的扰动。不同时期和不同季节的全球和区域海洋气候变化速率存在明显差异,目前尚未定量和确切地给出各种因子的可能影响,而区域海洋年代际气候变率的归因无疑有更多问题值得思考。以上相关科学问题是全球气候变化区域响应和灾害风险评估研究的重要内容,与地区性社会经济可持续发展、环境保护和人民的安全健康保障密切相关,值得深入探究。

2.2 海洋中尺度涡旋

中尺度涡旋是海洋受地转控制的局地位涡异常,又称“海洋风暴”,是影响海洋中物质、能量和热量等传播和混合的重要动力过程以及调控海洋碳吸收、初级生产和营养盐再分布的重要动力因素[18]。海洋中尺度涡旋约占海洋表层动能的90%,且是在能量级串中连接大尺度和小尺度的中间环节,在大洋能量传输中扮演重要角色。一般地,根据海洋涡旋在流场和高度异常中的特征,以特征约束方式即可实现涡旋监测。中尺度涡旋的能量输送及其生成和耗散动力过程是大洋能量循环的重要研究课题。有研究表明,中尺度涡旋以西向传播为主,其能量通量是东向传播的6倍;与季风对海洋的输入能量相比,中尺度涡旋对背景流的贡献大9倍[19]。在西向传播的过程中,中尺度涡旋不断消失和生成,接续将能量从东部传到西部,使能量主要聚集在西边界[20-21]。平均流和低频扰动的正向能量级串是区域涡旋发展和维持的重要因素[22-24]。

中尺度涡旋对于海洋中多尺度运动、水声物理、海洋生态、大气环境和气候变化等都具有十分重要的影响[25-28]。目前受观测和理论水平的限制,对海洋中尺度涡旋的研究还处于识别、基本特征统计和能谱分析阶段[18],中尺度涡旋的耗散过程以及中尺度涡旋与其他海洋结构和过程的相互作用等有待进一步研究。

2.3 尺度选择与灾害风险

理论和实验证据均表明,复合系统是具有边界的(也称为临界点或阈值),由于气候变化和人类活动的胁迫,海洋系统面临到达临界点或结构和功能发生剧烈转变的风险。临界点反映了系统结构稳定性和恢复力的变化结果,当外界压力达到或超过临界点时,系统倾向于抵抗结构和功能的改变,因此明确临界点有利于提高对海洋环境和生态系统的管理水平。

灾害风险系统具有自然和社会双重属性,可反映环境和气候达到致灾临界点的可能性和程度。由于环境和气候要素具有尺度依存性,孕灾环境、致灾因子以及承灾体(承险体)等灾害风险系统构成要素在本质上也存在显著的尺度效应。尺度效应作为灾害风险系统的本源特性,继而体现在灾害的风险表征、风险建模、风险量度和风险区划等方面。考虑到不同灾种具有不同尺度的特性和形式(如极端特性、广度和密集度),而不同类别的承灾体(承险体)具有不同的灾害风险有效时间尺度[1],随着灾害风险研究更加趋向应用性,其研究尺度逐步向中小尺度甚至更小尺度发展,因此尺度选择成为环境和气候安全风险评估和治理中数据信息变换融合和量化区划的重要原则。

3 地球系统科学全息观与区域海洋环境和气候安全保障

3.1 地球系统科学全息观和海洋系统多尺度研究的关键科学问题

目前地球科学整体进入转型期,处在向综合集成方向转变的重要阶段[29],正从学科细分的现象描述提升到跨界思维、探索机理和跨维整合应用的系统科学和系统工程的新高度。地球系统科学是应解决全球性资源和环境问题的需求,在科学技术自身发展和社会需求的共同推动下而发展起来的新兴学科,其以地球空间为研究对象,重点揭示各圈层、各要素以及自然和人为现象之间的相互作用关系。问题是理论的起点和理论技术的核心,将全球变化研究和区域安全可持续发展问题有机联系,即构成地球系统科学体系。在此背景下,本研究致力于从地理、地质、资源、生态、能源、气候和环境安全等学科交叉的层面,深化海洋系统的认知框架,以期对地球系统科学和“数字地球”的建立与完善提供有益尝试。

地球系统空间的格局和过程具有开放性和非线性特征,表现为多层次性,且各层次之间相互联系以及过程之间存在互作互馈关系,同时耦合过程中的响应、反馈和转换大多属于随机性的混沌行为[30]。地球系统空间的异质性和层次性以及各过程的非平稳性(如各向异性和非各态历经)是系统多尺度性产生的根本,制约各种过程的类型(如急转)和变化速率(如突变),导致各种变量梯度的产生,极易形成灾害源区和灾害过程[1]。同时,每个尺度上的主导过程不同,即不同的过程发生在不同的尺度上,各尺度上的过程效应相互作用,对格局的发育起到反馈制约的作用。尤其是不同尺度的多种因素交互作用,使得系统产生涌现特性,进而导致较大差异的环境和气候效应。此外,当扰动因素胁迫系统时,由于尺度问题的存在,强迫因子叠加在原有格局和过程之上而往复耦合作用,进而激发另一种格局或过程的尺度效应,并形成新的空间异质性态。以上尺度过程通过破坏系统平衡导致灾害生发,从而引起安全风险。因此,地球系统的多层次性和尺度复杂性要求必须从系统科学的角度加以确定认知(如构造、界限和极限)。尤其在尺度选择上,既要聚焦特定和关键尺度,更要关注尺度之间的内在关联和层次演进,本研究称其为地球系统科学认知的罗盘-齿轮-链条效应。

由于社会经济系统与自然系统之间的联系愈发紧密,忽略其持续增强的复杂性本身就限制了对其的可知性。鉴于科学认知不断向系统性和综合性发展,本研究通过对1947年的全息照相技术进行概念泛化,提出地球系统科学全息观。全息理念以系统分异为切入点,以系统耦合格局和过程为基础要点,明确分异结构-格局过程-功能服务的级联和传递转换关系,合理规划空间布局,通过分类区划和统筹协作的方式,构建安全的环境和气候以及生态位体系,从而为自然资源管理和风险治理提供保障。全息观以实现人、社会与自然和谐为目标,致力于新的世界观、认识论、方法论和价值论建构,是将整体论和还原论相结合的哲学世界观。对于地球系统科学全息观,本研究不展开论述,仅从复杂系统分异相生的多层次尺度和相融的转换演化角度给出一般性定义,并从全息观的基础要点出发,表述海洋系统的多尺度过程研究,提出相关研究的关键科学问题。

全息概念为特定层次维度上,系统本体分异确界(主要指能量精微分异、系统功能建构与链接以及组合构造的尺度规模)状态下的临界互作关系,胁迫融通维持和消长生息演化机制,系统(体系)扰动激发-响应-互馈形式(行为模式)及其能量信息感知、传递和转化过程,系统内生、循环和转换等演进方式以及自动智能控制信息(数、理、生、化)表达的综合。本质上,全息是有关动力学系统层次化分异和同一的科学,是高品质的信息智慧化表达,体现物质和能量的分异演化、信息和控制的科学与哲学统一。

地球系统作为开放的动力系统,具有空间异质性和层次尺度关联性。经过长期的研究实践,地学工作者已认识到,仅以地球系统各分量的孤立系统来研究环境和气候变化,不能充分揭示环境和气候变化的成因以及预测其未来趋势[31]。因此,必须综合考虑各子系统的相互作用,并侧重于动力过程研究。

地球系统是由各圈层组成的广域性复杂系统。地球系统科学全息观的思维逻辑可表述为:从系统分异及其维度、层次和连通的构造学角度,对系统外强迫以及系统内各圈层间和圈层内子系统的互作互馈过程、稳定性、物质和能量信息叠加、传递转换、自然和人为因素的因应关系(归因分析)、未来不确定性以及安全风险进行有机的整体的认知;尤其基于系统科学、信息论和控制论,针对系统过程尺度转化和层次演进,以目标-服务智能链网模式进行规模构造性特征观测,发展仿生重演和仿真动态的再现预演功能体系,从而更好地关注和认识人类赖以生存的环境,有效防范和管控环境和气候安全风险。地球系统科学全息观顺应系统科学融通发展的新趋势,是完成地球系统数字信息化新认识的整体观、系统观和时空观,更是实现地球系统完整认知的新技术革命的重要方向和思维体系。地球系统科学全息观的提出致力于不断发展学科内涵,与时俱进,为人类共建安全健康的地球和实现可持续发展作出重要贡献。

海洋是地球环境和气候系统的重要组成部分,其作为地球系统的子系统,存在于海-陆-气相互作用的体系内。海洋运动的能量主要由环流尺度输入,而能量耗散则发生在湍流尺度。为维持海洋的平衡状态,能量从环流尺度跨越近10个数量级传递到湍流尺度(能量串级)。能量向小尺度传递的串级过程涉及不同运动形式之间强烈的非线性相互作用,并深刻影响环流、涡旋和湍流运动等所引起的物质和热量输运。上述多尺度能量串级和输运过程是贯穿整个海洋学研究的核心科学问题。此外,海洋中的各大洋间以及大洋与近海间相互影响,存在涡波流等的相互作用过程[32],且各种作用的尺度不一,通过响应和反馈等传递转换过程,最终影响区域环境和气候。

有关海洋系统的多尺度动力过程研究的关键科学问题描述如下。围绕影响海洋环境、生态、资源和气候等的关键海洋动力过程,构建多技术手段和多维度的全息化观测网络以及精准化和精细化能量信息的全息性描述研究体系。发展关键海洋动力过程的辨识和提取技术方法体系,归因阐释其多尺度发生和叠加的内生、互动和转化机制,监测、诊断和揭示其演变(变化变率)特征和互作关系的稳定性,分离量化并分析评估其对海洋环境、生态、资源和气候等演化的作用贡献和危害性,尤其是风险的生发、传递和尺度转换等生息机制,预测仿真其未来趋势和致灾风险,为我国的海洋环境安全保障、生态文明建设、海洋可持续发展和国家治理提供重要科技支撑(图1)。

图1 海洋系统多尺度过程与环境和气候安全研究体系及关键科学问题

3.2 海洋环境和气候安全保障建议

3.2.1 构建地球系统科学的多层次尺度研究范式和框架体系

该研究涉及尺度定义、尺度类型、尺度域界定以及尺度转换模式和技术等问题。基于系统变分机制(如无穷势)以及维元和基元体系构建,明确系统综合性和复杂性研究范式(如映射、降阶、迭代、递归和析构),建立系统不同层次体系的空间确界(如范畴和分类)、空间系统构造、数值化(如空间测度和算子算法)和语义表达。确立相关过程大尺度、中尺度和小尺度的区划标准,掌握不同层级特征尺度转换的阈值判据或条件域以及尺度可转换条件下的转换层次和跨越尺度域,最终提出层次重演和尺度转换的范式,构建模型(同构)体系和效能(等效性)测度,促进地球系统学科体系发展。连接系统科学与空间构造学、灾变理论、空间信息技术、复杂网络科学技术和安全科学技术,尤其明确尺度域和条件域,聚焦系统耦合转化过程和通道机制研究,以正常稳定、平衡平稳和协调持续为目标,深刻认识安全的本质和演化,建立和发展复杂系统的模拟模型,分析和模拟多要素和多层次尺度下的环境和气候系统动态变化规律,进而在环境容量和生态承载力评估,空间规划、功能区划和自然资源管理,生态环境保护和修复,环境和气候安全格局与风险动态以及国家治理等领域作出积极贡献。

此外,量化数据的缺乏给跨系统规划带来重大挑战,有限的交互数据反映对海洋系统总体过程和空间格局理解的不足。在动态而复杂的多系统中(如海岸带系统),单一知识体系显然已不足以应对复杂的海洋系统发展问题,亟须基于全息理念促进科学、技术和管理的融合,加强跨学科范畴的合作研究。

3.2.2 建设观测体系和创新科学数据信息技术

观测体系是认知海洋的根本手段和系统工程,目前海洋观测体系正处在新技术变革的关键时期,海洋观测技术与现代信息技术、人工智能技术、物联网技术和智联网技术加速融合。海洋科学系统综合化的发展趋势不仅对观测的精度、范围和连续性提出要求,而且从大科学、大数据和大生态的角度对观测的系统性、关联性、差异性和空间布局优化组合等提出更高的构造性需求,以逐步实现对重点和关键海域的全息化(不限于可视性)表达,从而更好地维护国家海洋权益,提高海洋环境安全保障的智慧化水平,这也是未来海洋观测和数据信息科技创新的重点。

围绕“加快建设海洋强国”的战略需求,以提升海洋多要素信息获取、分析和预报能力为目标,以综合化、体系化、智能化和动态化为特征,建立并完善现代化海洋立体观测系统空间构造,构建数据集成融合、关联推理、建模同化和反演复原等技术方法体系,以增强海洋认知、海洋预报以及海洋环境和气候安全保障的信息服务能力。融合创新观测平台、卫星遥感以及测绘和通信等技术手段,综合实现海洋从大尺度到中小尺度、从表面到深层的联合同步观测。开展多尺度和多学科的海洋物质和能量循环转化、深海大洋动力过程及其环境和气候资源效应等重大观测科学研究。开展海洋多层次、多维度和多平台的智能协同、互联、一体化的立体感知关键技术和装备研发,构建面向全球海洋环境与目标感知的“海洋物联网”技术体系[33]。以海洋观测物联网为基础,从海洋单因子调查监测逐渐向多因子和多参数实时监测和机理探索的多元化和深层次方向发展,集成元数据技术和机器学习手段,促进数据信息提取技术从统计模型和物理模型阶段逐渐进入数据模型阶段,最终实现海洋状态、过程、变化和目标的全息化体系建构。

3.2.3 发展诊断区划技术和过程分析评估方法体系

发展基于过程变量和通量的识别、提取、分离、聚类、量化和随机性模糊控制等技术[34],构建精准的全息滤波场或重构场。结合环境容量和生态承载力,确立合理化的阈值判据,发展安全风险评价标准和区划技术体系,提升安全评估、效能评价和调控的能力。

能量决定系统的起源、演化和最终归宿,并在复杂系统归序和维持系统安全运转的过程中发挥重要作用。由于区域海洋物理过程的复杂性和多尺度性以及不同尺度之间相互作用的高度非线性,多尺度能量学一直以来是分析外部强迫以及海洋中不同尺度相互作用、内部稳定性和能量再分配的强有力的诊断工具。围绕海洋多尺度过程的复杂耦合转换机制和综合风险等级区划,加强基于规范尺度的物质流、能量流和信息流的分异特征和边界通量分析,发展有关物质流、能量流和信息流的分析方法和诊断技术体系。

3.2.4 发展全息仿生仿真技术方法体系

建立大数据分析和海洋智能模拟中心,基于海洋大数据挖掘和仿生仿真技术[35],提供人口、资源、环境和灾害综合应用和安全信息服务。构建基于尺度适应的动态参数化方案,建立和集成以物理海洋和生态学为主,拓展到多学科的不同层次仿生仿真原型/模型参数和接口模块,基于大数据、物联网、智能化和自动化工程技术,逐步发展全息仿生仿真技术方法体系,搭建空间分辨率和智能化程度高的模拟/回溯/预测预报模式和多维表达的仿生仿真系统。

4 结语

在地球科学认知向系统性和综合性发展的大背景下,本研究基于海洋系统环境、气候、生态和资源等的多尺度特征,围绕加快建设海洋强国对科学、系统和深入认知海洋的必然要求,聚焦海洋中尺度过程,简要分析和探讨海洋中尺度过程及其影响;提出地球系统科学全息观,试图从提高科学性、学术性、实践性、社会性和智慧化的角度,不断丰富对复杂系统分异融合(普遍联系方式)在范式模型(本研究提出确界-临界-跨界-过界的四界分异演化模型,如图1所示)、测度算法、语言语义、仿生仿真以及风险适应与安全保障效率等方面的全息认知;建议构建和发展有关海洋动力过程的多层次尺度演绎规律和全息分析技术方法研究体系,进一步给出区域海洋系统多尺度过程研究的关键科学问题以及我国海洋环境和气候安全保障建议,以期为我国海洋可持续发展、生态文明建设和美丽中国建设等国家治理相关领域提供必要的科学参考和科技支撑。