关于美国观测技术创新和应用的借鉴和思考

朱晓阳 王项南 路宽 高艳波 霍建玲 王花梅 石建军 刘松堂

摘要：海洋观测技术是有效管理海洋事务、行使国家主权的重要手段。海洋观测技术的自主与可控对我国具有十分重要的意义。创新与应用是实现海洋观测技术自主与可控的核心，海洋观测网是实现海洋观测技术创新与应用的载体。文章梳理美国三大观测网（全球海洋观测系统、综合海洋观测系统和海洋观测倡议）的发展历史，提出政府在以观测网为代表的海洋观测技术发展的组织、实施和管理方面发挥主导作用;根据我国海洋观测的现状，借鉴美国海洋观测网的发展经验，对我国基于创新与应用的海洋观测网的组织、实施、管理和发展提出建议。

关键词：海洋观测技术;海洋观测网;技术创新;技术应用;主导地位

中图分类号：P71 文献标志码：A 文章编号：1005-9857（2023）10-0089-06

0 引言

我国是海洋大国，无论是行政领域的经略海洋，或是经济民生领域的保护和利用海洋，还是防务领域的建设强大海防，都需要海洋数据信息的支撑，而海洋观测技术是获取海洋数据信息的主要手段。海洋观测技术创新和应用是广大海洋工作者的追求目标，同时是当前国际形势下实现我国海洋技术自主可控的首选途径。我国是世界上工业门类最齐全的国家，老一辈海洋工作者在20世纪已研发出几乎所有种类的海洋观测设备，从客观上满足时代发展的需求，基本实现海洋观测技术的自给自足。改革开放以来，各种社会活动对于海洋观测技术的需求日益多样化、精细化，对于观测质量和效率的要求不断提高。国外海洋观测技术更新速度的不断加快，对我国海洋观测技术市场产生极大的冲击。据行业内的保守估计，目前我国海洋观测设备中约有80%为进口设备，既难满足我国海洋高质量发展的现实需求，也与我国海洋大国的地位不相匹配。

美 国三大观测网包括全球海洋观测系统（GOOS）、综合海洋观测系统（IOOS）和海洋观测倡议（OOI）。其中，GOOS的Argo计划已成为全球最成功的创新合作项目之一[1];IOOS已实现多平台实时在线观测，并采用多观测手段联合观测的创新设计提高观测的质量和效率[2-5];OOI实现从需求到设计的科学可追溯性创新，包括自适应采样在内的多种采样策略和观测方法为科学研究和人才培养提供更为自由的平台[6-7]。

我国观测技术就单一设备指标而言已赶上或接近国际先进水平，但在实海况观测应用和多设备协同观测的系统性等方面与美国观测技术相比仍存在巨大差距。国内学者对于美国观测技术创新和应用已有大量的研究，但着重于其成就而不太重视其发展历程。本研究认为应在历史维度追本溯源，尤其应对其组织和实施等方面进行研究。

1 美国观测技术发展的组织和实施

在经历“二战”和“冷战”之后，美国开始在联合国推动发展GOOS，后提出发展美国版GOOSIOOS，再后又推出OOI，这些项目组织和实施的复杂程度都是难以想象且无先例可言的，其路径具有很好的借鉴价值。由于美国在全球占据强势地位，GOOS受美国监督[1]并通过IOOS影响其发展方向和任务[2]。

国内学者对GOOS、IOOS、OOI多有研究，大多对其任务和技术的先进性、合理性进行解读，并以其推动海洋行业发展来说明科研机构的重要性，但对其领导、组织和实施的研究较少。事实上，自1991年GOOS建立以来，美国就考虑政府将以何种角色来组织和实施海洋观测工作。1996年美国通过主题为“改善联邦海洋学计划协调”的HR3537法案，确定由商务部制定国家海洋学伙伴计划（NOPP），成立以国家海洋与大气管理局（NOAA）、海军、国家自然科学基金委员会（NSF）、能源部等10余个部门领导为成员的国家海洋研究领导委员会（NORLC），并决定由国防部陆续拨款3000万美元用于NOPP。NOPP资助的项目涵盖广泛的海洋学研究主题，包括环境监测、海洋勘探、地球系统建模、技术开发和海洋资源管理等。根据NOAA 官网的数据统计，1997年至2022年5月NOPP共资助200余个项目，涉及海洋和气候科学、气候适应变化、教育、经济发展、生活质量以及国家安全等领域。

NORLC成立后，在其召集和研究下提出并确定7个社会效益领域，解决国家对持续性海洋观测的需求問题。根据NORLC的建议，2000年跨机构计划办公室（Ocean.US）成立以领导IOOS的组织和实施，此后Ocean.US在国会专项资金的资助下完成区域系统的建设和实施工作，使之成为国家区域系统网络的基础。2002—2007 年Ocean.US 共发布18个报告，为IOOS的战略框架奠定基础，直至现在IOOS依然保留当初大多数的原始系统设计结构、组件和控制，说明IOOS初始设计的合理性和实施工作的扎实性。Ocean.US的成功之处在于通过组织海洋研讨会形成业界共识，最早提出并确定海洋观测的20个核心变量（后陆续增加至34个），基于国情认识到需要建立区域化观测系统，通过成立区域协会协调成员之间的活动以及促进与联邦机构的合作，支持海洋观测的需求。2007年Ocean.US与NOAA 进行交接，完成其领导IOOS的历史使命。2009年IOOS正式获得美国国会的认可并进入新的发展时期，同时受到全球学者的更广泛关注，并形成众多文献资料。

OOI和IOOS具有相似的基本海洋观测目标，其组织和实施可追溯至1998年。当时NOPP资助华盛顿大学等3所大学开展水下电缆组件工程研究，证实建立海底有缆观测站的可行性，随后该项目成为重大研究设备和设施建设（MREFC）账户项目，也就有了海洋研究交互式观测站网络（ORION）。2004年联合海洋研究所（JOI）通过与NSF海洋科学部的合作协议成立ORION 项目办公室，以协调进一步的OOI规划。ORION 项目办公室随后成立大型科学技术咨询委员会（STAC），由超过85名来自海洋界的成员组成，包括科学家、工程师和教育工作者，以协助指导OOI的发展。2007年JOI与海洋学研究和教育联盟（CORE）合并组成海洋领导联盟（COL），ORION 项目办公室仍隶属于这个非营利的华盛顿组织。2009年NSF与COL 签署合作协议，开始OOI的建设阶段。COL在运营初期一直领导OOI，直到2018年NSF与伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）签署合作协议，目前的实施组织包括华盛顿大学、俄勒冈州立大学、罗格斯大学和WHOI[8-9]。

2 借鉴与思考

GOOS、IOOS和OOI三大观测网的发展主题看似不同，但事实上GOOS在技术和理念上深受IOOS的影响（领导），OOI的存在则更多是弥补IOOS在采样能力上的不足。IOOS和OOI之间存在重要区别[4]：IOOS由社会目标驱动，必须定期和持续地为决策者提供数据和产品;依靠高度可靠的观测工具和数据遥测确保关键数据流不被中断，可在已知不确定度水平下进行预测;主要是静止的操作系统，设计用于提供已知质量的可靠操作数据流。OOI由研究界牵头，以近乎实时的方式提供跨学科观测数据，以提高海洋过程的可预测性，满足社会需求;具有提供核心传感器以及测试实验性传感器的能力，在IOOS建立可靠性后提供可能采用的新观测策略;具有高度自适应性，帮助科学家对海洋事件做出反应，控制和调整观测站的资产流和数据流以应对新事件[6，10]。

近年来，我国观测技术在工程领域快速发展，多种无人水上/水下航行器、深海浮标、实时潜标、海底实验系统以及海洋观测传感器等都实现创新和提升。在设备方面，天津大学研制的“海燕”水下滑翔机实现万米水深的突破，西北工业大学研制的仿蝠鲼柔体潜水器成功完成1025m 深度海试，国家海洋技术中心成功布放和运行西风带海洋环境监测浮标，中国科学院深海科学与工程研究所等10家单位通过“探索二号”科考船携“深海勇士”号载人潜水器完成大深度原位科学实验站布设试验;在观测网方面，中国海洋大学在南海潜标观测网的基础上拓展南海立体观测网并建设南海海洋大数据中心，同济大学建设国家海底科学观测网。从众多项目中可以发现，我国海洋观测领域的发展侧重于特色而非系统，在技术层面侧重于新而非用，因此缺乏系统化和全局性的应用能力，这与文献描述的20世纪90年代美国观测领域的发展情况相似。业界不断提出要从创新走向应用，如“产学研”模式和技术成果转化[11-15];作为海洋观测技术创新和应用的集合体，海洋观测系统近年来呼声较高，但缺乏应用进展。

“联合国海洋科学促进可持续发展十年”[16-17]（以下简称“海洋十年”）实施计划提出后，2022年“海洋十年”中国委员会在北京成立，这对于我国海洋观测领域而言是重大且影响深远的事件，标志着我国海洋观测领域将在科学、业务、基础设施、数据和标准等方面全方位参与全球治理和提供中国方案，同时在联合国框架下开展该领域的技术性竞争以及提高影响力和话语权。在海洋治理全球化的背景下，我国必须拥有科学、合理和先进的海洋观测设备，海洋观测技术发展由单一创新走向创新和应用并举变得愈发急迫，建设业务化和科学性海洋观测系统的重要性愈发凸显。

通过梳理美国海洋观测系统从无到有的历史过程，我国海洋观测技术要想真正实现创新与应用，就必须关注这一历史过程，在认识到美国成功实现技术创新和应用的同时，更应认识到政府在其中发挥不可否认和无可替代的领导作用。在此前提下，有必要从观测网的领导和实施、运行管理、技术未来发展3个角度借鉴与思考美国的成功经验。

2.1 观测网的领导和实施

美国观测网的成功建设与政府的领导是分不开的。美国通过最高权力机关———国会批准设立NORLC，高规格突出其权威性和意志力;设立NOPP并规定由国防部提供资金，有效引导技术创新向围绕国家重大需求的应用方向发展;NORLC建议并设立Ocean.US来解决应用需求实现过程中的困难，形成行业共识，有效解决技术系统性应用问题[18];Ocean.US通过区域性建设突出区域特色和核心需求，通过区域协会帮助成员增加沟通和交流，促进区域系统与国家系统之间的合作，让各区域观测网向国家需求方向发展。综上所述初步实现IOOS。OOI最初也由NOPP支持，其组织形式与IOOS相似，但其领导和实施则以研究界为主、政府为辅，除资金外享有更大的自主权;OOI的实施过程一波三折，由于种种原因直至2016年才实现运行。

“海洋十年”中国委员会负责组织实施和协调推动“海洋十年”相关工作，对于海洋观测事业而言是难得的机遇。本研究借鉴美国的经验，从观测技术创新和应用的角度，针对我国海洋观测系统建设提出6项建议。①对标GOOS和IOOS，以国家管理、社会公益和国防安全的需求为主，有针对性地确定我国“海洋十年”的任务目标;②围绕任务目标，建立稳定而连续的专项资金;③根据任务目标，建立高规格的协调部门，以做好观测基础设施建设布局全国“一盘棋”的相关工作为职责，确定海洋观测发展方向，协调地方及行业海洋观测事务，制定和实施相關计划及其要求，并向社会发布相关信息;④根据我国国情和海洋区域性特点，建立高规格的地区行业研讨和磋商机制;⑤根据任务目标，在顶层设计到底层实施的细化过程中，建立专业化技术监管机制;⑥根据国内国际形势，确定各海区任务层级和周期，以此制定任务预算和拨付资金，并建立专项审计制度。

2.2 观测网的运行管理

观测网投入使用后的运行管理并不意味着观测网技术状态完全固化，但可认为是相对稳定的。因此，在运行管理的同时应考虑后期有计划的升级、改造和扩展等因素，确保观测能力的实现。

美国综合海岸和海洋观测系统（ICOSS）法案于2009年在国会通过后，指定NOAA 为官方（联邦机构）负责人，同时建立机构间海洋观察委员会（IOOC）来管理预算、标志和协议以及协调官方活动。目前IOOS包括17个联邦机构（政府）、11个区域协会（非政府）以及1个技术验证和示范验证组织即海岸技术联盟（ACT）。IOOS建设至今虽已运行但并未完善，在传感器能力、自主运行和人工智能等方面仍存在应用空白和不足，因此仍处于快速成长期，属于系统运行、系统更新和升级以及系统扩展三者并行的阶段。IOOS的具体运行管理部门包括运营部门（OPS）以及区域、预算及政策部门（RB&P），负责实施政策、协议和标准，并监督系统的日常运营和协调。

我国海洋观测已形成以国家和沿海地区为主、科研院所及高校为辅的发展模式，如隶属于自然资源部等部委的国家级海洋站，隶属于沿海地区的省市级海洋站，隶属于科研院所或高校的试验网和野外站。据此设想，未来我国海洋观测网可采取国家级主干网、地方级区域网和其他特色网相结合的建设模式，在运行管理方面亦可借鉴美国的经验。①分级建立观测系统入网标准，同时建立入网审批制度;②在各级观测网内部建立高规格的沟通协调部门，负责监督、协调、规范以及统一各级观测网的活动，突出政治性、业务性和学术性;③各级观测网的内部运行组织应接受主管部门和所在地上级观测网主管部门的指导;④建立基础性和发展性的资金预算、拨付和审计机制，满足观测网基础运行维护和提升的需求;⑤ 建立与IOOS 的OPS 与RB & P相似职责的部门;⑥建立传感器测试评价计划，并制定传感器入网准入清单。

2.3 观测网的技术未来发展

观测技术进步被普遍认为是观测网发展的关键。为推动观测网观测能力的提高，美国三大观测网根据各自的特点、以各自的方式在积累技术和经验的同时寻求新技术和新应用，这些资源最终也将汇聚于美国。其中，GOOS提出最佳实践项目，在世界范围内征集创新性的海洋观测技术和方法，并进行实践验证来支持新技术和新方法的转化和应用;IOOS为新的传感器、平台和数据管理服务系统提供示范应用场所，其合作伙伴ACT[18]通过绩效评估和演示促进新技术的开发和应用，其海洋技术转让计划以及沿海和海洋模拟试验台竞争性计划为有前景的观测和计算技术提供资金。

传感器、平台、数据采集与信息处理以及数值建模等技术链构成传统意义上的观测技术，尤其是以数值建模研究为基础的建模开发被应用于海洋预报预警、海洋资源开发以及海洋生态修复等工作，从而得到更多的重视[13-14]。而从美国三大观测网的发展历程中可以发现一些不同于传统技术的技术内容：① GOOS 提出推广基本海洋变量（EOV），有利于加强区域协作，同时能减少同一观测区域内观测基础能力建设的重复投入[1，19-20]。②IOOS通过多平台复杂网络（系统）环境下的数据质量控制与评估，为观测网的故障预警、维修维护以及数据可用性提供支持[3，21-23]。③OOI于2007年公布科学需求可追溯性矩阵图并于2018年进行修订，可为海洋探索提供更好的需求解决方案和可追溯性服务，以解决经验认识与实践结果之间可能存在的偏差问题;OOI引入系统分级设计可追溯性的模式，可及时发现任意系统节点出现问题或变更对整个系统的影响;OOI提出的采样策略和方法可提高系统观测的科学性和经济性[6，10，24]。这些都是有利于海洋观测技术创新和应用的重要实践，也是我国海洋观测技术发展中易被忽視、有所欠缺的环节，同样值得借鉴，应得到充分重视。

3 结语

GOOS、IOOS和OOI分别在全球化领域、业务化领域和海洋探索领域代表世界上最为先进的观测系统，相比于GOOS的全球参与（美国主导）理念而言，IOOS与OOI则基本由美国独立设计、建设和运营，在技术方面的表现更为亮眼[7，24]，其建设、运营、使用以及维护等都须有强大国力作为支撑。总体而言，IOOS的运营资金需求随其业务化观测需求的增加而不断增加，其资金规划和成本控制等方面较为科学合理，故NOAA 有计划地为其增加预算;OOI则更具开放性，其运营资金需求随其科学研究需求的增加而不断增加，且运营成本较高，故2017年后NSF对其预算进行消减，并重新招标和确定新的运营管理方即WHOI。海洋观测网建设在推动海洋观测技术创新与应用方面已形成广泛共识，GOOS、IOOS和OOI三大观测网实际引领当今国际海洋观测技术产业的变革和发展，其经验非常值得借鉴和学习。然而也要关注和认识到，三大观测网的存在和发展既有业界需求的因素，又有美国从其自身利益出发构建其全球战略的因素，表现为三大观测网相互之间在技术实现方面具有一定的独立性，而在战略方面则具有协同性。因此，我国对其既要借鉴和学习，也要保持必要的警觉。

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