欧盟海洋探测和观测体系构建现状与发展趋势 - 海底地质过程模拟工具

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海洋探测和观测是关心海洋、认识海洋、经略海洋的基本手段。随着海洋技术的进步，对海洋的探测观测呈现从浅海延伸到深远海、由表层向深层、由单要素向多要素的转变，其获取的数据信息和研究成果在应对全球气候变化、推动海洋经济发展、保护海洋生态、推进海洋治理等方面发挥出越来越重要的作用。欧盟作为海洋强国众多的联合体，濒临北冰洋、大西洋、地中海和黑海等，拥有面积广袤的专属经济区。基于海洋开发与治理等需求，欧盟已逐步建立起覆盖整个欧洲海域的海洋探测和观测体系框架，并通过数据整合与共享，为海洋生态、环境和资源的可持续管理提供有效服务。目前，海洋探测观测已成为《联合国2030年可持续发展议程》和“联合国海洋科学促进可持续发展十年”优先推进的重点领域。基于我国相关领域工作发展现状，研究欧盟的相关经验和模式，为我国海洋探测和观测体系构建提供参考和借鉴。

本图来自网络

一、欧盟海洋探测和观测

体系现状

⒈概况

欧盟海洋探测和观测范围广泛，涵盖从海面到水体直至海底范围内的海洋物理、生物地球化学、地质、生态及人类活动影响等多种主题。探测和观测的主要目标是长期系统研究和监测欧洲海洋，维持原位海洋观测，阐明海洋生态系统的功能和相互联系、探寻气候变化的缓解策略和防治地质灾害等，并且在欧洲实现真正一体化的端到端海洋观测，同时实现从特定平台观测到多平台、综合和专题观测的转变，促进可持续的蓝色经济发展。

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欧盟多学科的探测和观测内容，包含利用分布在海底和水体的装备多传感器的自主平台进行长期、高分辨率、近实时的海洋环境过程观测和监测，不断测量物理和生物地球化学参数，包括温度、pH值、盐度、水流、水压、海底压力、浊度、流体温度、沉积物等30多组参数。通过渡轮箱、验潮仪、水下滑翔机、高频雷达、Argo浮标、固定观测平台等，探测和观测包括物理、化学和生物参数、气象数据等内容。此外，欧洲还通过实施大洋钻探，开展了包括北极取芯、大堡礁环境变化、波罗的海古环境研究等内容。

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欧盟通过促进海洋科学与政策衔接，提供共同战略议程和行动框架，有效整合和提升了欧洲海洋探测和观测能力。其中，欧洲的海洋观测网络覆盖5个海域，并形成了波罗的海、西北大陆架、北极、地中海和黑海5个区域业务海洋学系统。欧洲Argo浮标观测贡献了全球Argo阵列的四分之一，通过每年部署约250个浮标为全球Argo提供优化和持续的欧洲贡献。欧洲大洋钻探至今共完成9次任务96个钻探点，也是唯一能在极端环境条件下进行大洋钻探航次的机构。欧盟通过海洋探测和观测数据整合的管理，覆盖了欧洲及邻近海域和部分国际区域，创建了欧洲海洋数据的通用平台，有效促进了数据应用服务和共享。

⒉欧盟海洋探测和观测体系组织框架

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欧盟形成了智库平台战略引领、业务机构紧密协作、数据整合共享的海洋探测和观测体系组织框架。欧盟海洋探测观测相关组织和机构在欧盟治理体系下各司其职、协调合作，通过制定共同的战略框架、实施计划，以及共享基础设施和资源等方式，逐步搭建起欧盟海洋探测观测体系框架（图1）。相关机构主要包括欧洲海洋委员会（EMB）、欧洲海洋观测系统（EOOS）、全球海洋观测系统欧洲区域联盟（EuroGOOS）、欧洲海洋观测数据网络（EMODnet）、泛欧海洋数据管理基础设施（SeaDataNet）、哥白尼海洋环境监测服务（CMEMS）、欧盟海洋联合规划倡议（JPIOCEANS）、欧洲多学科海底和水体观测网（EMSO-ERIC）、欧洲大洋钻探研究联盟（ECORD）、欧洲Argo计划（Euro-Argo）等。

图1 欧盟海洋探测观测体系总体框架

其中，EMB负责海洋科学与政策的衔接，推动制定协调一致的政策框架；EOOS负责搭建欧洲海洋观测系统的协调框架，整合和提升欧洲的海洋观测能力；JPIOCEANS发起联合规划的国际合作；上述三者作为智库和协调平台，侧重于顶层设计和战略规划、发起联合倡议或项目等。EuroGOOS和Euro-Argo分别负责全球海洋观测系统和全球Argo海洋观测网的欧洲部分；EMSO-ERIC开展从海面到海底的多学科观测；ECORD实施海洋科学钻探；上述海洋探测观测组织或机构侧重于具体业务实施。EMODnet、SeaDataNet和CMEMS是欧洲三大海洋数据管理网络组织。

欧盟十分重视对探测观测体系的整体谋划和规划，通过发布战略和规划等方式，加强对各个平台、相关组织的统筹协调。以智库平台EMB为代表，自2001年起发布《导航未来》系列战略报告，以及欧洲调查船、海洋地质灾害等战略报告，提出未来发展方向和相关路线图来推动各领域发展。此外，其他机构也先后发布有关海洋探测观测的战略或实施计划（表1），这些具备科学性、前瞻性的战略和计划，引领欧洲海洋探测观测各领域发展，使欧洲一直处于海洋探测观测前沿。

表1 欧洲海洋探测观测体系相关科技政策和战略规划

⒊欧盟海洋探测和观测装备体系

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欧盟建立了覆盖多圈层和多时空尺度的全方位海洋探测观测装备体系。具备先进的海洋探测观测技术装备平台，通过卫星、调查船、水下和水面航行器、浮标与潜标、海底观测站及海底钻探等先进技术平台，构建了多尺度、多圈层、多科学要素的海洋探测观测技术装备体系。

在卫星方面，欧盟以发展综合观测型海洋卫星为主，现役海洋观测卫星主要是欧洲航天局哨兵系列卫星（分别是哨兵1、3和6系列，每系列有两颗卫星）以及CryoSat-2极地海冰测量卫星。其中，哨兵-3有效载荷包括海洋和陆地颜色仪（OLCI）、海洋和陆地表面温度辐射计（SLSTR）、合成孔径雷达（SAR）、微波辐射计（MWR）和精确轨道测定（POD）仪器等，可高精度测量海表形态、海面和地表温度、海洋水色等。最新的哨兵6系列卫星，其中一颗在2020年已发射，另一颗将在2025年发射，卫星将携带最先进的有效载荷，除观测海平面变化外，还将提供近实时的海面高度测量、高精度的波高等。

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在调查船及水下航行设备方面，欧盟海洋调查船队的能力在全球处于领先地位，共有99艘调查船，包括沿海级31艘、近海级36艘、远洋级32艘，分别由欧洲23个国家的62家机构运营。其中，适合于深海研究的调查船有16艘，其中的8艘可以部署全套深海设备；具有破冰能力的极地科考船有9艘。近年来，欧盟的自主潜航器（AUV）和遥控无人潜水器（ROV）等设备规模也大幅增长，目前在欧洲共有88种型号的水下和水面机器人（如AUV、HOV和ROV）。其中，超过5000m水深的AUV有7台，超5000m的ROV有5台。

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在海底观测站（网）方面，欧洲海域分布有15处水体和海底探测、观测和监测站，均配备先进的传感器，可以连续、长期地测量物理和生物地球化学等参数。例如，位于黑海95m水深的海底观测系统，长期监测海底地震、滑坡、活动断层位移等环境变化；位于地中海2100m水深的海底观测站，实时监测地震和海啸，进行地质灾害评估等；位于东北大西洋深海平原4850m水深的海底观测站，主要观测和监测深海生态系统功能等。

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⒋欧盟海洋探测和观测数据管理服务

欧盟形成了以EMODnet、SeaDataNet和CMEMS为核心的海洋数据整合管理与服务格局。这三者构成了欧洲海洋数据管理与服务的三大核心网络，它们通过协商开发数据产品、技术支持、签订谅解备忘录等各种形式开展合作。SeaDataNet不仅是EMODnet开发和运营的主要合作伙伴，通过提供技术支持推动了后者平台中多个数据集的搜索和访问，也与CMEMS就各自数据密切合作。EMODnet与CMEMS在物理、化学和生物学数据等方面合作，包括元数据交换、产品开发、举办联合活动等。三者在海洋数据服务方面各有侧重，EMODnet提供各类数据访问，SeaDataNet开展数据的高质量管理和服务，CMEMS专注于海事服务。

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其中，EMODnet是一项长期海洋数据计划，由欧盟委员会的海事和渔业总局管理。其数据平台提供海洋测深学、生物学、化学、地质学、物理学、海底生境和人类活动7个主题的海洋数据，每个主题均由各国家或机构管理的一系列数据库或网络组成，目前有150多个机构参与，各机构根据统一标准处理数据，并将可互操作的数据层和产品免费提供SeaDataNet是一个分布式海洋数据基础设施，由欧洲地平线计划资助，管理大量不同的海洋数据集，利用分布式网络技术方法对数据资源进行集成、统一描述和访问，提供在线标准化集成数据库。目前已将来自各国和各机构的110多个物理、化学、地质学、水深测量和生物学数据中心按照目录语法、语义和工具使用等标准统一集成于本平台；元数据服务包括欧洲的海洋组织及其参与的海洋研究项目、大型数据集、调查船的数据采集、欧洲和全球海洋的监测项目等CMEMS也是欧盟长期海洋数据计划，是欧盟哥白尼计划的海洋部分，由欧盟委员会资助。主要开展全球海洋监测，重点是海洋卫星数据及原位观测数据。免费提供访问约200种标准化和质量控制产品，涵盖欧洲海洋和全球海洋的物理、海冰和生物地球化学特征数据等。

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二、欧盟海洋探测和观测体系

发展趋势

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欧盟海洋探测观测相关政策和系列战略规划的有效落实与稳步推进，以及海洋技术装备能力不断提升，使欧盟海洋探测观测体系不断发展和完善。尤其是自实施“欧盟海洋知识2020”战略以来，海洋探测观测取得了重大进展，包括建立了统一的欧洲海洋观测数据网络，技术装备研发能力显著提升等。未来，欧盟将继续巩固优势及拓展新兴领域，包括建立更加完善的泛欧海洋探测观测体系，发展高精度探测技术，以及推动创建欧洲海洋数字孪生等。

⒈欧盟将加快完善一个系统的、持续的泛欧海洋探测观测体系，并积极推进探测观测基础设施的发展和标准化数据共享

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一是欧盟将搭建一个具有稳定投资的协作中心或平台，以改善现有海洋探测观测系统大部分依靠短期或固定期限的项目资金运维的现状，促进完善海洋探测观测体系。二是EMB建议将全球和区域海底、水中原位海洋观测系统视为关键数据基础设施给予长期稳定资助，同时解决资助、授权和协作国家管辖范围以外大洋的大时空尺度探测观测设施的问题。三是通过推动在数据管理中使用通用词汇表、对海洋元数据目录采用一致的元数据标准、使用统一数据传输格式进行数据集交付，以及使用通用质量控制协议等，以实现互操作性并促进数据共享。

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⒉欧盟将加强研制用于深海的高精度传感器和海底探测观测平台等关键技术设备，同时积极拓展变革性技术以应对多时空尺度的海洋观测挑战

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一是全球目前具有多功能和高集成度的传感器较少，能够用于2000m以上深海的生物地球化学传感器也很少。为此，欧洲加强研发新型高集成性传感器，将提高其空间和时间分辨率及耐压能力作为重要目标。二是将高可靠性和稳定性的深海生态观测系统传感器与自主采样器集成平台作为研发重点，同时也加强研制具备高集成度和低功耗的高性价比海底探测观测平台。三是研发低成本观测设备例如西班牙科学家利用自制低成本传感器在所有监测站点进行测量，再配合少数站点的精确测量，通过数据融合技术，最终获得最优数据产品。欧盟未来还计划用物联网搭建密集的海洋传感器网络，例如可用于水质监测等领域的网络。

⒊欧盟将推进创建海洋“数字孪生”，促进人工智能技术在海洋探测观测和监测中的应用

一是通过符合可发现、可访问、可互操作和可重用（FAIR）标准的分布式数字资源进行快速、标准化和可信的数据共享，从而在可互操作和可信的海洋探测观测数据的基础上建立欧洲海洋的“数字孪生”。通过对海洋的高分辨率模拟，提高监测和管理海洋资源，以及模拟预测海洋演变的能力。二是利用高性能计算、数据分析和人工智能的方法从大量原始数据中提取有用信息，研究建立与先进地球系统建模相关的未来数字基础设施，包括海洋数据、模型、技术和基础设施的融合应用等。在2022年2月由欧盟轮值主席国法国主办的“一个海洋”峰会上，欧盟承诺将创建欧洲海洋数字孪生，以支持欧洲蓝色增长和全球海洋治理。

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⒋欧盟提出将发展以需求为导向的业务和筹资模式，配合已有技术和创新，建立从科学到社会效益的价值循环

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一是发展新的商业模式，支持将已经发展成熟的技术用于在国家、欧盟和全球层面进行系统、持续的海洋探测观测。二是通过为国家海洋研究提供专项资金、共同资助多重用途的观测基础设施、进行资本融资、基础设施的实物支持等不同筹资模式，来提高资金的可持续性。三是EMB提出可成立一个多国认可的、基于协议的、有约束力的国际实体机构，该机构由欧盟赋予其相应的作用和职能，以协调管理其他相关组织机构，并且具有开展从探测观测业务、数据信息到成果应用服务的能力，从而提高对海洋系统的理解，优化海洋状态描述，预测未来变化，并为决策者、企业和公众等提供基于科学事实的海洋信息。

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三、启示

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我国经过多年发展，基本实现了对管辖海域海洋水文气象、生态等要素长期连续和实时业务化观测；建立了部分区域性海洋观测网，国家和地方自然资源（海洋）管理部门也开展海洋观测监测和调查、海洋灾害预警预报等工作，并正在建设东海和南海海底观测网，但与欧盟相比还存在一定差距。

虽然我国也开展“空-天-海-潜-井（钻）”五位一体的海洋全方位综合感知探测观测工作，但目前海洋探测观测中需要解决的问题包括：传感器国产化能力较弱、探测观测点的空间密度不够、人工智能等应用能力还需提高、探测观测数据的实时传输和分析能力有待加强、探测观测数据缺乏连续性以及分辨率低、工程技术研发与科学研究需求匹配度不够等，制约了我国海洋探测观测发展，并影响了数据的科学价值，也限制了对一些地球系统科学中关键问题的认识。此外，我国在全球海洋观测领域的参与度和影响力有待进一步提升。

一是积极拓展海洋探测观测业务领域，构建完善技术业务体系。面临《GOOS2030战略》扩大全球海洋观测网络、2019世界海洋观测大会（Ocean Obs’19）倡导的未来10年海洋观测宣言等新的发展机遇，我国应从国内科学需求和用户需求出发，积极参与全球海洋立体观测网建设，特别是2000m以下深海及海底探测观测能力建设，并做好向数字海洋范式转型的技术储备。

二是发展自主创新的海洋仪器装备保障体系。始终将海洋技术装备研发置于推动海洋科技发展的重要位置，保障装备设施投入；同时加强工程技术装备研发与科学研究相互融合，共同促进完善海洋探测观测技术装备等条件保障。

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三是强化统筹协调能力，探索建立协调合作新机制。首先，通过出台相关政策文件和综合战略规划，加强对业务实施机构的战略引领；其次，通过共同搭建平台、推进合作项目、数据资源共享等方式，将各利益相关方组织在共同的协调框架下，从而促进建立统一协调的海洋探测观测体系。

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四是积极参与并引领国际海洋探测观测计划。积极参与全球和区域层面的国际海洋计划，与国际伙伴一道加强海洋现象的探测观测、过程与机理认识、变化预测的分析，开展多尺度、多要素、多平台的综合探测观测，开展深海、洋中脊、海山区、结核区等地质环境、典型生境与酸化、大洋缺氧等热点问题的国际联合调查、模拟与合作研究，适时发起以我国为主的国际大科学计划，推动我国的海洋装备、技术、标准“走出去”。

五是扩大数据共享范围，增强在国际海洋数据共享中的显示度。当前我国公开对外共享的数据虽有所增加，但总体来看与我国海洋大国的形象仍不匹配，现有的数据共享平台和机制影响力有限，无法在全球海洋数据交换合作中起到主导作用。在保证安全的情况下，可考虑大幅扩大数据共享范围，以增强我国在国际海洋数据共享中的影响力。

【作者简介】文/蒋成竹 张涛 吴林强 徐晶晶 冉皞，来自中国地质调查局发展研究中心。第一作者蒋成竹，1986年出生，女，副研究员，主要从事海洋地质战略研究；通信作者张涛，1982年出生，男，副研究员，主要从事海洋地质战略研究。本文为基金项目，中国地质调查局地质调查项目“自然资源管理与现代地质工作战略研究”（编号：DD2023XXXX）。

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信息来源 |文章来自《自然资源情报》（2023年第6期），参考文章略，版权归出版单位与作者所有，用于学习与交流。

转载：由“溪流之海洋人生”微信公众平台编辑与整理。

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