山东省海洋牧场观测网的建设与发展

翟方国, 顾艳镇, 李培良, 孙利元, 李 欣, 陈 栋, 李 琳, 刘子洲, 姜庆岩, 刘兴传, 刘鹏霞, 陈耀祖

山东省海洋牧场观测网的建设与发展

翟方国1, 顾艳镇1, 李培良2, 孙利元3, 李 欣1, 陈 栋2, 李 琳1, 刘子洲1, 姜庆岩2, 刘兴传1, 刘鹏霞1, 陈耀祖1

(1. 中国海洋大学 海洋与大气学院, 山东 青岛 266100; 2. 浙江大学 海洋学院, 浙江 舟山 316021; 3. 山东省水生生物资源养护管理中心, 山东 烟台 264003)

在全球气候变化的背景下, 现代化海洋牧场是我国应对近海生态环境恶化和渔业资源衰退、实现海洋生态文明和海洋强国战略的重要手段。而海洋牧场观测网是科学指导现代化海洋牧场建设, 并进行科学管理的重要基础。为了保障现代化海洋牧场的可持续健康发展, 山东省于2015年底开始在各海洋牧场建设生态环境海底观测站, 并组网建成世界先进的海洋牧场观测网, 目前已覆盖23处海洋牧场。设立观测网预警中心, 负责海洋牧场观测网的日常运行和维护, 同时开展水域多学科耦合过程的基础研究和业务化辅助决策的应用服务。海洋牧场观测网的建立和业务化运行初步实现了海洋牧场生态环境和渔业资源的“可测”、“可视”、“可控”和“可预警”。目前, 我国现代化海洋牧场观测网的科学发展仍面临诸多挑战, 建议进一步增强观测设备的自主研发能力和长期在线监测的稳定性, 跨介质立体组网、实现海洋牧场的全方位立体监测, 深化多学科耦合过程的基础研究并提供多元业务化辅助决策应用服务, 为现代化海洋牧场的高质量发展保驾护航。

海洋牧场; 观测网; 海底有缆在线监测; 生态环境; 渔业资源; 山东省

随着世界人口、粮食、资源和环境等问题的日益突出, 海洋已成为人类获取高端食品和优质蛋白的“蓝色粮仓”[1]。我国是海洋大国, 海岸线绵长, 海洋渔业资源丰富, 渔业产量连续多年居于世界首位[2-3]。目前, 海洋渔业已成为我国现代农业和社会经济的重要组成部分, 亦是我国粮食安全的重要保障之一[3]。但是长期粗放型的传统海洋渔业生产方式、陆源污染物的大量排放、海洋灾害频发等因素使得我国近海渔业资源严重衰退、生态环境日益恶化、海洋荒漠化日趋明显, 严重威胁我国海洋生物资源的保护和可持续利用[4]。面对这些问题, 我国海洋渔业产业模式亟待转型升级, 而发展生态渔业、建设海洋牧场是其重要方向之一[5-6]。

国外的海洋牧场起源于19世纪开展的“海鱼孵化运动”, 迄今已有一百多年的实践和发展历史[7]。而我国海洋牧场起步较晚, 真正意义上的海洋牧场(人工鱼礁)建设开始于20世纪70年代, 发展至今已先后经历了建设实验期(1979—2006)、建设推进期(2006—2015)和建设加速期(2015—至今)等三个阶段[2]。随着研究实践的不断深入, 人们对海洋牧场的理念和社会、经济、生态效应的认识亦不断丰富[7]。在建设加速期的今天, 海洋牧场被定义为基于生态学原理, 充分利用自然生产力, 运用现代工程技术和管理模式, 通过生境修复和人工增殖, 在适宜海域构建的兼具环境保护、资源养护和渔业持续产出功能的生态系统[2]。根据中华人民共和国农业部2017年印发的《国家级海洋牧场示范区建设规划(2017—2025)》, 截至2016年底, 我国投入海洋牧场建设资金共约55.8亿元, 建成海洋牧场200多个, 涉及海域面积超过850 km2, 并产生显著的经济、社会和生态效益; 已建成的海洋牧场每年可产生直接经济效益约为319亿元、生态效益约为604亿元、固碳量约为19万吨、消减氮约为16 844吨、消减磷约为1 684吨。经过几十年的发展, 海洋牧场已成为我国海洋经济新的增长点, 是实现海洋生物资源养护、水域生态环境修复和渔业转型升级的重要手段。

1 山东省海洋牧场观测网的建设意义

山东省位于山东半岛, 濒临黄海和渤海(图1a), 海域广阔, 海岸线总长达3 345 km, 占全国海岸线总长度的1/6, 海域总面积约为15.95万 km2。在全国11个沿海省市中, 山东省的各项海洋资源均优势突出, 尤其是滩涂、水产和海洋油气等资源。山东省附近海域鱼虾种类高达260多种, 浅海虾、贝、藻类等生物量多年平均1 129吨/km2, 海洋捕捞和海水养殖等均位于全国前列, 其中对虾、扇贝、鲍鱼、刺参、海胆等海珍品的产量常年居全国首位[8]。

大规模的近海养殖和过度捕捞极大提高了山东省的海洋渔业产量和产值, 增加了渔民的经济收入, 但同时也导致海底“荒漠化”现象日益严重, 水域生态系统遭到严重破坏, 生物资源特别是部分珍贵水生野生动植物资源急剧衰退。因此, 为了改善海洋生态环境、养护渔业资源, 2005年山东省启动实施了《山东省渔业资源修复行动计划》, 通过采用工程和生物技术, 大规模实施近岸经济型人工鱼礁建设工程, 加大增殖放流力度, 有计划、分阶段培育和保护近海渔业资源, 恢复生态系统健康水平, 实现渔业资源的可持续开发利用。2014年, 山东省进一步实施“海上粮仓”发展战略, 以海洋工程装备为主导、以现代化信息技术为支撑, 努力打造全国优质高端水产品生产供应区、渔业转型升级先行区、渔业科技创新先导区、渔业生态文明示范区, 为国家粮食安全保障做出积极贡献。在“海上粮仓”发展战略中, 海洋牧场是主战场。据统计, 截至2017年底, 山东省累计投入省级以上财政资金约11.34亿元, 扶持建设海洋牧场(含人工鱼礁区)138个, 创建省级以上海洋牧场示范区55个[9]。为了进一步加快现代化海洋牧场高质量发展步伐、实施海洋强国战略, 山东省于2017年制定实施了《山东省海洋牧场建设规划(2017—2020年)》, 并给出了详细的空间布局示意图(图1b)。为了更好地贯彻十九大提出的加快建设海洋强国战略和国家生态文明战略, 推动山东省新旧动能转换、实现现代渔业转型升级, 将山东省海洋牧场建设提升到一个新的水平, 原山东省海洋与渔业厅(现为山东省海洋局)于2018年3月进一步印发《山东省海洋牧场示范创建三年计划(2018—2020年)》(鲁海渔函[2018]89号), 提出“以高起点谋划、高标准打造为出发点, 着力提升现代化海洋牧场的标准化、信息化、装备化建设水平”。山东省的海洋牧场建设亦受到国家领导人的高度关注。2018年6月, 习近平总书记在山东考察时指出“海洋牧场是发展趋势, 山东可以搞试点”。为了坚决落实习近平总书记的重要指示精神, 发挥山东省在全国现代化海洋牧场建设中的试点示范作用, 山东省人民政府于2019年1月印发《山东省现代化海洋牧场建设综合试点方案》(鲁政字[2019]12号), 提出进一步推动现代化海洋牧场的信息化和智能化建设, 力争经过3年试点基本建立海洋牧场立体观测体系, 实现试点区“可视、可测、可控、可预警”, 为全国探索海洋牧场信息化、自动化、智能化发展的新模式。在各种政策和财政资金的支持下, 山东省现代化海洋牧场发展迅速。截至2019年底, 我国已公布的110个国家级海洋牧场示范区中有44个在山东省。海洋牧场的建设和发展为山东省带来了显著的生态、经济和社会效益。

图1 中国地图(a)和山东省海洋牧场空间布局示意图(b; 修改自《山东省海洋牧场建设规划(2017—2020年)》)

随着海洋牧场的大力建设发展, 海洋灾害造成的生态和经济损失也日益突出。例如, 2013年8月, 山东半岛北部近海海域发生严重低氧灾害。当海水溶解氧浓度低于2 mg/L时, 海洋生物将无法生存而大面积死亡, 称为低氧灾害[10-11]。在近海海域, 低氧灾害多发生于夏季海洋底层[12]。据统计, 2013年山东半岛北部近海发生的低氧灾害导致水生生物大面积死亡, 受灾海洋牧场面积达8万多亩, 其中刺参、海螺、日本蟳及贝类等海珍品直接经济损失达4.5亿元, 生态损失更是无法估量。此后, 该海域亦连续多年发生低氧灾害, 造成重大经济损失。与此同时, 山东省沿海地区还频发风暴潮、灾害性海浪、赤潮、绿潮等海洋动力和生态灾害[13-14]。随着全球变暖和人类活动影响的加剧, 山东省近海海洋灾害的发生频率、强度等可能呈逐年增加趋势, 严重威胁现代化海洋牧场的快速健康发展。

因此, 依托现代海洋工程、信息技术装备, 加强现代化海洋牧场的信息化建设, 构建世界先进的海洋牧场观测网, 实现海洋环境与生物资源的连续在线监测, 为海洋牧场的科学管理与海洋灾害的预警预报等提供高质量数据支撑, 保障海洋牧场的可持续健康发展, 是山东省实施海洋强省和“海上粮仓”战略的重要举措, 具有毋庸置疑的重要性和紧迫性。

2 山东省海洋牧场观测网的核心装备与配套设施

为了实现海洋牧场水域环境和生物资源的原位、长期和连续在线监测, 山东省海洋牧场观测网由各海洋牧场建设的生态环境海底观测站组网构建。大多数观测站的主体设备为世界先进的海底有缆在线观测系统(图2a)[15]。伴随海洋观测技术的发展, 海底有缆观测已成为地球观测的第三个平台[16]。在充分借鉴国内外大型海底观测网成熟技术的基础上, 海底有缆在线观测系统不但易于建设和维护, 而且以较低的经济成本实现了不同类型海洋观测设备的水下集成、连续稳定供电和多元数据信息的在线高速传输[15, 17-18]。现阶段所有海洋牧场布放的海底有缆在线观测系统均集成安装了多参数水质仪或者温盐深仪(含溶解氧探头)、水下高清摄像机和LED水下照明灯, 实现了海水温度、盐度、深度、溶解氧浓度和叶绿素浓度等水文生态参数和水下高清视频的实时在线监测。部分海洋牧场的海底有缆在线观测系统还集成安装了声学多普勒水流剖面仪(Acoustic Doppler Current Profiler)或者声学多普勒波浪水流剖面仪(Acoustic Wave and Current Profiler)(图2b), 实现对海水剖面流速、流向(和海表面波浪)等参数的实时在线监测。声学多普勒水流剖面仪可以测量海水的剖面流速和流向, 而声学多普勒波浪水流剖面仪除了测量海水的剖面流速和流向之外, 还能同时测量海表面波浪的相关参数, 两者均通过水下声学进行测量。为了满足科学研究和业务化应用的需求, 多参数水质仪和温盐深仪的采样间隔为1分钟, 声学多普勒水流剖面仪和声学多普勒波浪水流剖面仪的采样间隔为1小时, 而水下摄像机则连续录像。海底有缆在线观测系统扩展性强, 可根据观测需求增加、减少或者更换不同类型的水下观测设备。在生态环境海底观测站业务化运行的基础上, 部分海洋牧场在陆上配套建设了“四个一”设施(图2c和2d): 一室(监控室)、一厅(展示厅)、一院(研究院)和一馆(体验馆), 构建了完整的海洋牧场智能监测体系。生态环境海底观测站及配套设施的建设真正实现了海洋牧场生态环境和水下生物活动的实时在线“可测”、“可视”、“可控”。

图2 海底有缆在线观测系统工作效果图(a)、海底观测子系统实物图(b)、西霞口国家级海洋牧场展示厅(c)、威海长青国家级海洋牧场智慧监控馆(d)

3 山东省海洋牧场观测网的建设历程

3.1 生态环境海底观测站

为了有效解决海洋牧场快速发展过程中出现的生态环境及渔业资源“测不准、看不见、不可控”等难题, 山东省于2015年启动了“海洋牧场观测网”建设项目, 拟在各个海洋牧场基于海底有缆在线观测系统建设生态环境海底观测站, 并组网集成构建智能化监测网络。根据原山东省海洋与渔业厅的安排部署, 我们于2015年10月8日在西霞口国家级海洋牧场(图3)建设完成山东省第一处海洋牧场生态环境海底观测站, 首次实现了海洋牧场生态环境及水下生物活动实况的在线直播。同月18日, 时任国务院副总理汪洋视察了山东省的海洋牧场建设工作, 利用生态环境海底有缆在线观测系统观看了海洋牧场水下生物的高清在线直播并给予高度评价。西霞口国家级海洋牧场生态环境海底观测站的建设与业务化运行开创了全国海洋牧场现代化信息建设的先河。21日, 原山东省海洋与渔业厅在威海市荣成市召开“山东省海洋牧场观测网建设试点现场会暨运行管理培训班”, 正式宣布全面启动海洋牧场观测网建设项目。为了高标准、高质量地实施观测网建设项目, 原山东省海洋与渔业厅于同年11月16日发布《关于科学规范推进海洋牧场观测网建设工作的通知》(鲁海渔函[2015]346号), 将海洋牧场观测网建设项目作为“海上粮仓”建设的重要创新示范项目。

图3 山东省海洋牧场观测网建设历程及空间分布(截至2019年底)

2016年, 山东省海洋牧场观测网建设项目全面展开, 共完成烟台市、威海市、青岛市和日照市等地区18个海洋牧场生态环境海底观测站的建设与业务化运行, 初步构建具有世界先进水平的海洋牧场观测网。2017年, 威海市好当家海洋牧场完成生态环境海底观测站及配套设施的建设及并网业务化运行。2018年, 新增3家海洋牧场完成生态环境海底观测站的建设与并网业务化运行, 分别位于山东半岛东北部近海和莱州湾海域。截至2019年底, 山东省海洋牧场观测网已覆盖山东半岛周边海域23处海洋牧场(图3)。

3.2 数据中心

在山东省海洋与渔业“一张图”的总体框架下, 原山东省海洋与渔业厅提出建立观测网数据分析处理中心, 负责海洋牧场观测网的数据采集与分析, 并针对海洋牧场动力与生态环境开展灾害预警预报与辅助决策方面的研究。经过多年的筹备工作, 山东省水生生物资源养护管理中心和浙江大学海洋学院于2018年10月签订全面战略合作协议, 成立山东省海洋牧场观测预警中心(以下简称观测网预警中心)。图4展示了海洋牧场观测网自业务化运行以来, 各主要观测设备所观测数据量的时间序列。从图可以看出, 各观测设备所观测的月数据量随时间呈现较大波动, 主要有两方面的原因: 第一, 近海海洋动力生物化学环境极其复杂, 海底观测设备的部分探头长期连续在线监测的稳定性较差; 第二, 海底观测设备的维护不够及时、陆上电力供应偶有中断。截至2019年底, 多参数水质仪(含温盐深仪)和声学多普勒水流剖面仪(含声学多普勒波浪水流剖面仪)观测得到的海洋环境参数累积数据量分别为4 314.31 MB和27.17 MB, 水下高清摄像机拍摄的水下生物高清视频累积量为246.875 TB。

使用BP神经网络还有一个优势就是,在MATLAB软件中有成熟的神经网络工具箱(NNTOOL),该工具箱提供了面向不同神经网络模型特别是BP神经网络模型的丰富多彩的网络学习和训练函数,为神经网络的设计、建模和仿真提供了极大的便利[15]。

图4 山东省海洋牧场观测网多参数水质仪(含温盐深仪; a), 声学多普勒水流剖面仪(含声学多普勒波浪水流剖面仪;b) 和水下高清摄像机 (c)观测得到的月数据量及累积数据量的时间变化

为了进一步提高海洋牧场观测网数据服务的信息化和智能化水平, 观测网预警中心开发了互联网网站和手机应用程序, 并为不同用户提供差异化服务。根据不同权限, 用户可查看全部海洋牧场或者部分海洋牧场的实时及历史水文生态环境参数、动力环境参数、水下高清视频、海底观测设备工作状态等(图5), 真正实现了海洋牧场生态环境参数和渔业资源的实时“可测”和“可视”, 初步解决了海洋牧场经济物种“难觅踪迹”的现状。

自2016年开始, 观测网预警中心每年均编写海洋牧场观测网年度运行报告(图6), 详细总结海洋牧场观测网的建设进展, 不但包括本年度海洋牧场观测网的运行、软硬件建设、维护等情况, 而且还会对各类海洋环境参数的时间变化规律和空间分布特征进行系统分析诊断, 对海洋牧场的生态环境状况进行客观评估。

图5 山东省海洋牧场观测网网站展示水文生态环境参数(a)、实时水下高清视频(b)、历史典型水下高清视频(c)和手机应用程序展示水文生态环境参数(d)

图6 山东省海洋牧场观测网年度运行报告

4 山东省海洋牧场观测网的应用

4.1 科学研究

海洋牧场大多位于近岸浅水区域, 受陆源输入、大气强迫、外海海流水团入侵等的影响, 动力、生态、化学和地质等水域环境极其复杂。海洋牧场的科学管理和可持续健康发展亟需对海洋牧场及周边海域的物理-生物-化学等多学科耦合特征及机理进行深入研究。为此, 山东省海洋牧场观测网的重要任务之一是提供原位、长期、连续的高质量观测数据。目前, 观测预警中心已利用观测网数据对海洋牧场区域的动力和生态环境特征进行了部分研究工作。陈耀祖等[19]利用水深观测数据研究了15个海洋牧场区域的潮汐特征, 指出所有海洋牧场的潮汐均为显著的正规半日潮类型, 且以M2分潮为主。他们同时给出了各个海洋牧场观测时间段内的平均潮差、最大可能潮差、潮汐不等现象及主要分潮的调和常数等潮汐基础信息, 直接服务海洋牧场的日常生产活动。刘鹏霞等(2019)[20]利用青岛市鲁海丰海洋牧场约3个半月的流矢量观测资料给出了该海洋牧场海水流动的时间变化特征和垂向结构, 并探讨了影响因素。

同时, 我们还利用观测资料研究了部分海洋牧场底层海水溶解氧浓度的时间变化特征和影响机制[21-23]。海水溶解氧浓度是衡量海洋生态环境质量的重要因子之一[22], 对各类海洋生物的成长均具有重要作用[11, 24-26]。当海水溶解氧浓度低于2 mg/L时, 海洋低氧可导致海洋生物的大量死亡和海洋生态系统的严重破坏[27]。因此, 研究海水溶解氧浓度的时空变化特征及其影响机制对预报潜在的低氧灾害和其他海洋灾害、保护海洋环境等均具有非常重要的科学和实践意义。初步研究表明海洋牧场底层海水溶解氧浓度呈现显著的季节变化, 冬季高、夏季低。该季节变化主要受海水温度的影响, 与底层海水温度呈显著负相关, 相关系数约为–1.0~–0.7。海水温度可影响氧气在海水中的溶解度, 海水温度越高、氧气的溶解度越低, 反之亦然[28]。此外, 季节性温跃层、潮流输运过程、海面风致混合、底层生物地球化学过程等也存在重要贡献。尤其是在夏季, 强烈的季节性温跃层和底层生物呼吸、有机物分解等可导致底层海水溶解氧浓度显著降低, 甚至引发低氧灾害。在下一步的工作中, 我们将结合更多观测数据和高分辨率数值模拟结果进一步研究山东半岛海水溶解氧浓度的时空分布特征及其影响机制。

4.2 业务化辅助决策

山东省海洋牧场观测网的另一个重要任务是通过对水域生态环境和生物资源进行连续实时在线监测, 为海洋牧场的科学管理提供及时有效的辅助决策支持, 保障海洋牧场的可持续健康快速发展。目前, 业务化应用的一个重要方面是对海洋生态灾害的监测和预警。已有观测表明山东半岛东北部海域夏季易发生低氧灾害。2013年夏季, 该海域发生严重低氧灾害造成大量经济和生态损失。2015年和2017年夏季, Yang等[29-30]于该海域底层观测到大面积低氧现象。2016年夏季, 威海市瑜泰海洋牧场生态环境海底观测站亦观测到显著低氧现象(图7)。该海洋牧场底层海水的溶解氧浓度从7月下旬即随时间不断减小。8月10日左右, 海水溶解氧浓度接近2.0 mg/L, 观测预警中心向相关海洋牧场发布了低氧灾害的早期预警。8月12日, 低氧灾害发生, 小时平均海水溶解氧浓度最低可达1.0 mg/L。此后, 海水溶解氧浓度随时间变化剧烈, 低氧灾害间歇发生。上述观测表明山东半岛东北部海域夏季底层海水的低氧现象基本上每年都会发生, 且具有显著的年际变化和空间分布特征。海水温度显著升高是该海域底层海水夏季低氧现象形成的重要原因之一。受太阳辐射季节变化的影响, 该海域海水温度于夏季显著升高, 一方面极大降低了海水中氧气的溶解度[28], 另一方面在海洋上层形成较强的季节性温跃层[22-23], 从而强烈抑制海水溶解氧从表层向底层的垂向扩散。在对低氧灾害形成机理初步认识的基础上, 2018年7月海洋牧场观测网预警中心根据监测温度的变化状况提前两周发布了高温低氧灾害预警, 提醒相关海洋牧场做好防范措施, 以减少经济和生态损失。与此相反, 同期辽宁省沿岸养殖的海参因高温天气大面积死亡, 造成了重大经济损失。

图7 山东威海市瑜泰海洋牧场位置示意图(a)和2016年夏季底层海水小时平均溶解氧浓度(mg/L)的时间序列(b)

2017年6月份, 黄海海域出现浒苔绿潮、马尾藻金潮和米氏凯伦藻赤潮等“三潮”灾害。据相关监测部门和媒体报道, 绿潮于6月11日首次到达江苏省连云港沿海, 然后分别于14日和16日前后到达山东省日照市沿海和青岛市沿海海域。在绿潮影响期间, 日照市水产集团和国美海洋牧场的生态环境海底观测站均观测到海水叶绿素浓度显著升高, 青岛市鲁海丰海洋牧场生态环境海底观测站亦观测到海水浊度异常增大。

2019年夏天, 台风“利奇马”(超强台风级)曾两次登陆我国。8月11日晚, “利奇马”于山东省青岛市第二次登陆, 并横穿山东半岛, 是1949年以来登陆我省的第三个超强台风。8月13日, “利奇马”在渤海东部海面逐渐消亡。台风影响期间, 海洋牧场观测网部分生态环境海底观测站观测到底层海水温度于8月12日前后存在不同程度的急速下降(图8), 其中山东半岛东北部区域降温最为显著, 最大降温幅度可达4.3°C, 最大降温速率可达1.45°C/h。底层海水的急速降温可能对海洋牧场的经济物种产生重要影响。目前, 观测网预警中心正在就台风导致山东半岛海洋牧场底层海水降温的物理过程展开研究。

实践表明, 山东省海洋牧场观测网可有效监测低氧、绿潮、台风等生态和动力灾害对海洋牧场海洋环境的影响, 一定程度上实现了海洋牧场海洋灾害的“可预警”, 为海洋牧场的防灾减灾等辅助决策提供强有力支撑。

图8 2019年8月台风“利奇马”过境山东半岛时四个海洋牧场底层海水小时平均温度(℃)的时间序列

5 总结与展望

现代化海洋牧场建设是我国应对近海生态环境恶化和渔业资源衰退、实现海洋生态文明和海洋强国战略的重要手段。而海洋牧场观测网是科学认识现代化海洋牧场建设原理, 并进行科学管理的重要基础。通过在各海洋牧场建设生态环境海底观测站并组网, 山东省建成了世界先进水平的海洋牧场观测网, 初步实现了海洋生态环境和渔业资源的“可测”和“可视”。目前观测网已用于海洋动力-生态耦合过程的基础研究和灾害预警辅助决策, 为现代化海洋牧场的可持续健康发展提供支撑。

海洋观测不但是海洋科学研究的基础, 而且是海洋资源开发、海洋防灾减灾等社会服务的重要支撑。随着海洋科学与技术的不断发展, 集成多元观测技术与装备的海洋观测网已成为国内外进行科学研究和社会服务的重要手段之一[31-34]。目前, 国内外已建立了许多覆盖不同空间尺度、具有不同科学或应用目的的观测网, 例如覆盖全球并融合海基和空基等多元观测手段的全球海洋观测系统(Global Ocean Observing System)[33]、聚焦全球热带海洋气候观测与预报的全球热带海洋锚系浮标阵列(Global Tropical Moored Buoy Array)[35-36]、关注热带西太平洋环流及其全球气候效应研究的热带西太平洋潜标科学观测网(Western Pacific Scientific Observation Network)[37-38]、分布于全球不同海域的海底观测网(Submarine Observation Network)[39]等等。山东省海洋牧场观测网是我国第一个以海洋牧场生态环境安全保障为目的的海洋观测网, 是海洋科学技术领域的最新成果与社会经济发展需求紧密结合的产物。但是由于我国现代化海洋牧场的建设刚刚起步, 其观测网的科学发展仍面临诸多挑战。随着研究与实践的不断深入, 我们仍需加强以下几方面的工作。

第一, 自主研发观测设备, 增强长期稳定在线监测能力。海洋牧场区域普遍位于近海, 大气-海洋-陆地相互作用、多学科耦合过程强烈, 水域环境极为复杂, 是对各海底观测设备长期连续在线监测的极大考验。而在海洋观测技术和装备的研究方面, 我国起步较晚, 与国外仍有一定差距[40-41]。目前海洋牧场观测网的海底观测设备主要由国外进口, 不但价格昂贵, 而且在复杂海洋环境下进行长期连续在线监测的稳定性亦较差, 频繁的观测设备维护极大提高了海洋牧场观测网的建设和维护成本。在多年技术研发和积累的基础上, 观测网预警中心正在开展海底观测设备的自主研发。目前已为各生态环境海底观测站配备自主研发的水下LED照明灯, 并为水下高清摄像机进行了“搭桥手术”, 更换安装自主研发的视频服务器。实践表明, 这些自主研发设备性能高、能耗低, 极大延长使用寿命, 降低了观测网建设和维护成本。未来应进一步结合海洋牧场水域环境特点, 针对海洋动力、生态、化学等不同环境参数自主研发具有较高稳定性的长期连续在线监测技术和装备, 提高观测网技术与装备的稳定性、耐用性和国产化程度。

第二, 跨介质立体组网, 实现海洋牧场的全方位立体监测。海洋生态环境海底观测站的建设实现了水域环境参数与生物资源的原位长期连续在线监测, 但是覆盖范围仍有限。例如, 2016年夏季, 威海市瑜泰海洋牧场生态环境海底观测站虽然观测到底层海水低氧灾害的时间变化特征, 但是不能给出该低氧灾害过程在整个山东半岛东北部海域的形成时间、空间范围、核心位置、最大强度、消亡时间等详尽的时空演变信息。应进一步综合有缆在线、水下声学、岸基雷达、卫星遥感等最新观测技术, 研发适用于海洋牧场区域的跨介质立体组网在线监测技术与装备, 打造海洋-陆地-空间全方位立体监测体系, 真正实现海洋环境参数与生物资源的“可测”、“可视”和“可控”。

第三, 深化多学科耦合过程基础研究, 提供多元业务化辅助决策应用服务。经过几十年的发展, 我国海洋学家最早提出了现代化海洋牧场的理念。2009年, 大连海洋大学陈勇教授在首届全国人工鱼礁与海洋牧场学术研讨会上首次提出“现代化海洋牧场”的建设理念[3]。在全球气候变化、人类活动对海洋影响不断加剧的背景下, “现代化海洋牧场”的理念和内涵符合我国海域生态环境恶化和渔业资源衰退的现状。目前, 我国现代化海洋牧场建设刚刚起步, 其科学发展仍面临诸多问题。在现代化海洋牧场观测网构建的基础上, 我们应进一步深化海洋牧场及周边海域大气-海洋-陆地相互作用、多学科耦合过程的基础研究, 通过观测资料分析、数值模拟和理论研究深入认识海洋牧场的生态系统构成与能量流动、海洋环境与生物资源的多尺度时空演变、经济物种对海洋环境和设施建设的行为响应等重大科学问题。同时, 应充分利用大数据、机器学习、5G网络通信、数值预报等最新技术, 开发水动力-生态耦合数值预报系统、各类海洋灾害预警系统、渔业资源统计系统、生物承载力评估系统、渔业资源行为控制系统等, 为海洋牧场的科学管理提供多元业务化辅助决策应用服务, 真正为现代化海洋牧场的高质量发展保驾护航。

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Construction and development of marine ranch observation network in Shandong Province

ZHAI Fang-guo1, GU Yan-zhen1, LI Pei-liang2, SUN Li-yuan3, LI Xin1, CHEN Dong2, LI Lin1, LIU Zi-zhou1, JIANG Qing-yan2, LIU Xing-chuan1, LIU Peng-xia1, CHEN Yao-zu1

(1. College of Oceanic and Atmospheric Sciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316021, China; 3. Shandong Hydrobios Resources Conservation and Management Center, Yantai 264003, China)

marine ranch; observation network; submarine cable online observation; ecological environment; fishery resource; Shandong Province

In the context of global climate change, modern marine ranches have been considered an important means to cope with the deterioration of offshore ecological environments and decline of fishery resources, as well as to realize the strategy of marine ecological civilization and marine power. A marine ranch observation network is an important basis for scientifically guiding the construction and realizing the scientific management of modern marine ranches. To ensure a sustainable and healthy development of modern marine ranches, Shandong Province began constructing submarine observation stations to monitor the ecological environment in various marine ranches since the end of 2015, and it eventually built a world-leading marine ranch observation network. Currently, the observation network covers 23 marine ranches. An early warning center is set for the daily operation and maintenance of the marine ranch observation network. Moreover, it performs basic research on the multidisciplinary coupling processes in the marine ranching areas and provides operational services for auxiliary decision-making. The establishment and commercial operation of the marine ranch observation network has made the ecological environment and fishery resources in the marine ranching areas “measurable”, “visual”, “controllable”, and “pre-warnable”. At present, there are still many challenges in the scientific development of the observation networks of China’s modern marine ranches. In the future, it is recommended to further enhance the independent research and development capabilities of observation instruments and the stability of long-term online monitoring, realize all-round three-dimensional (3D) monitoring of marine ranches through cross-media 3D networking, deepen the basic research on multidisciplinary coupling processes in the marine ranching areas, and provide multiple business-assisted decision-making application services.

Jun. 23, 2020

National Science Foundation of China, No. 41776012; National Key Research & Development Program of China, No. 2019YFD0901305; Key Research & Development Project of Zhejiang Province, No. 2020C03012; Major Science and Technology Project of Sanya YZBSTC, No. YZ2019ZD0X]

P715

A

1000-3096(2020)12-0093-14

10.11759/hykx20200623002

2020-06-23;

2020-08-11

国家自然科学基金项目(41776012); 国家重点研发计划 (2019YFD0901305); 浙江省重点研发计划(2020C03012); 三亚崖州湾科技城管理局重大科技项目(YZ2019ZD0X)

翟方国(1984-), 男, 山东潍坊人, 副教授, 博士, 主要从事海洋动力与生态过程的研究, 电话: 15275209482, E-mail: gfzhai@ouc.edu.cn; 李培良, 通信作者, 教授, 主要从事近海水文生态环境动力学的观测和数值预报研究, 电话: 15964239596, E-mail: lipeiliang@zju.edu.cn

(本文编辑: 杨 悦)