观测科学主题

OOI观测网科学目标是通过海底有缆和无缆、固定和移动相结合的观测手段，长期、连续、实时获取从海底到海表的物理、化学、地质和生物特征及过程的关键数据，解决一系列诸如气候变化、海洋环流、海洋酸化、极端环境下的生命等重大前沿科学问题，提高人类认识和管理海洋的能力。OOI观测网主要科学问题如下。

1.4.1 海洋 大气交换

强风暴和其他极端天气事件极大地影响到沿海居民的生活安全，成为美国国家海洋与大气署和美国国土安全部等重点关注的问题之一。OOI观测网的表层锚系和剖面锚系能够提供海气交换界面上下方连续几年或十几年的连续观测，实现对海洋风暴、上层海洋环流、初级生产力、海洋碳通量和气候的实时观测，同时还可以根据气候和海况，随时更改采样和观测频率，用以评估风暴期间的交换过程，丰富海气交换模型，继而提高风暴的预报能力。相关的科学主要问题包括：

·极端表面胁迫在海洋和大气之间的动力、能量、水和气体交换过程中的重要性；

·极端表面胁迫对海气交换过程中物质和能量通量的影响大小；

·暴风对上层混合层结构的影响；

·表层胁迫的变化如何影响上层初级生产力和固碳作用。

1.4.2 气候变化及其生态环境效应

海洋吸收热量和二氧化碳，并且通过大尺度的环流对它们进行重新分配。同时，海洋又会通过各种反馈过程改变气候。海洋和大气之间的反馈与响应作用通过长期环境条件变化（如温度的变化）或者短时间内的调节过程（如厄尔尼诺和南方涛动），对生态系统产生深远的影响。深入理解气候变化如何影响海洋环流、气候模式、海洋生物化学循环和海洋生态系统，是建设海底观测网进行多学科综合观测的重要驱动力之一。

1.气候变化与生态系统

季节性和十年尺度上大气驱动的气候变化强烈地影响着海洋食物网。研究表明，海洋中很多食物网似乎在经历着巨大的变化，例如在较短的时间内（20世纪70年代中期至80年代、90年代后期），亚热带北太平洋的浮游植物、浮游动物和鱼类显示了较大的变化。与之对应的是，北太平洋环流也发生了改变，同时还伴随着桡足类和鳕鱼种群上的减少。图1-25显示了大马哈鱼洄游数量与太平洋十年涛动（PDO）之间的关系，PDO可能影响西北太平洋和阿拉斯加地区气候和海表温度，在PDO的冷期，大马哈鱼的洄游数量会增加，这可能与它们摄食的浮游动物的数量有关。

图1-25 哥伦比亚河流的大马哈鱼洄游与太平洋十年涛动的负相关关系图

正确理解不同海洋气候循环的原因、过程和结果是当代海洋学家所面临的重要问题之一。这些循环的时间尺度包括几年到十几年，同时还包括一些短时间尺度的事件（如风暴）。因此，需要高频率（分钟）、长时间（几十年）观测，获取不同时间尺度下的海洋食物网物理结构变化的信息。OOI观测网上所连接的传感器可以实时、原位、高精度测定大气和海水中的物理、化学和生物学参数。以往很多全球大尺度海洋过程都只能在局部区域的基础上加以研究，而OOI观测网同时包括了近海和全球观测点，在北大西洋和南大洋节点获得的数据可用于阐释厄尔尼诺南方涛动（ENSO）和太平洋十年涛动周期；在亚极地和亚热带大西洋观测数据可用以阐释北大西洋涛动（NAO）。相关的主要科学问题包括：

·由ENSO，NAO和年代际变化（如太平洋十年涛动）所引起的气候变化如何影响水体结构、化学组成及生物特征的变化？

·气候的变化如何导致真光层水体营养盐注入、初级生产力和颗粒物垂向分布及粒径分布的变化？

2.海洋环流混合和生态系统

水体的混合过程对于补充真光层营养盐至关重要。海洋混合和光限制之间非线性响应关系会影响浮游植物群落组成，继而影响到整个食物链。海洋生态系统是受海洋混合限制还是光限制，以及生态系统如何响应这些限制仍是生物海洋学和化学海洋学亟需回答的科学问题之一。

传统的方法不能持续观测高频和低频混合事件，很难揭示偶发性和季节性的混合对海洋生态系统的影响。OOI可以实现水平尺度上从几米至几千米，垂直尺度上从几厘米至几米范围的观测，获取从深海至近岸的各种关键参数，并比较各种生态系统之间的差异，例如高纬度亚极地站位代表恶劣天气、高二氧化碳通量、寡营养、高营养盐低叶绿素（HNLC），可以与西北太平洋和中大西洋海湾混合区完全相反的生态系统进行对比。相关的科学问题主要包括：

·强风暴和其他偶发性的表层混合事件如何影响水柱中物理、化学和生物过程？

·各种强度的风暴如何影响上部边界层结构、真光层中营养盐的注入、初级生产力和颗粒物的垂直分布及粒径分布？

3.全球生物地球化学过程和碳循环

海洋既是热量和二氧化碳的储库，同时也可以将热量和二氧化碳进行重新分配。理解海气交换过程中二氧化碳（包括人为来源）气体的交换及封存，对于预测二氧化碳释放对气候和海洋生态系统的影响至关重要。

二氧化碳在大气和海洋之间的交换主要被“溶解度泵”和“生物泵”所控制。大多数颗粒有机碳通过复杂的降解过程被再循环和利用，少部分沉降下来并被长期埋藏在海底沉积物中。同时，存在于海底的火山和甲烷水合物也是海洋碳的来源。OOI观测网借助于布放在大气至海底的系列传感器，测定二氧化碳从大气进入海表继而被浮游植物所利用的过程，以及二氧化碳通过水合物或冷泉喷口从海底进入上覆海水的过程。除此之外，全球海洋碳的固定和封存具有高度可变性。不断增加的二氧化碳和气候变化可能对海洋环流、初级生产力、生物地球化学循环和生态系统动力学造成显著的影响。OOI观测网布放的传感器可测定在多个空间（纬度、深度）、时间（几秒至几十年）尺度上碳循环关键参数，相关的主要科学问题包括：

·海洋在全球碳循环中的重要性如何？

·控制碳和其他溶解态和颗粒态物质（如营养盐、有机质、溶解态气体等）在海气界面的交换、穿过水柱并到达海底的主要物理和生物过程有哪些？

·海洋作为大气二氧化碳源和汇在时间和空间上的变化如何？

·颗粒（有机）碳通量的季节和年际变化如何？

·海洋酸化对海洋化学和生物过程有何重要影响？

1.4.3 湍流混合和生物物理相互作用

海洋中的湍流混合对海洋内部的热量和物质传递、海气界面以及海水 海底界面的能量和气体交换起着关键性的作用。同样，水平和垂向海洋混合过程会深刻影响着多种生物过程，包括浮游植物群落结构、上层海洋初级生产力循环、生物链交换、幼虫扩散、有机质向深海输运过程。OOI提供连续的时间序列观测，用于记录海洋混合和生态系统的变化，既可以与年际区域性或全球性海洋环流变化相关联，也可以研究偶发且强烈的气候事件（如飓风）的海气相互作用。关键科学问题包括：

·海洋内部的垂向混合对全球海洋热量和营养盐分布的作用有何影响？

·上混合层的形成、分层海水向混合层卷夹、混合层与大气的气体交换等过程的控制因素是什么？

·垂向和水平海洋混合对上层海洋浮游生物群落结构有何影响？

·近底层湍流事件如何影响底栖生物群落结构？

1.4.4 近岸海洋动力过程与生态系统

渔业捕捞、交通、娱乐等海上人类活动发生在近岸海域，但时刻遭受着海洋环境灾害的威胁，如何应对和减少灾害，提高近岸海洋资源管理能力是摆在沿海国家面前的一个重要任务。然而，仅依靠船基调查不可能同步观测研究具有多时空尺度分布特征的关键海洋过程。OOI使原位连续观测近岸生态系统的长期变化过程成为可能，不仅有助于阐释有害赤潮和低氧等瞬时灾害事件的起因、演化和影响，也为研究人类活动对近岸海洋和生物资源的影响提供技术支撑。关键科学问题包括：

·决定近岸海洋生态系统二氧化碳、营养盐、浮游生物、有机质和其他化学物质的传输机制是什么？

·触发赤潮、物种组成的区域性变化的环境条件是什么？

·气候变化和人类活动如何改变近岸生态系统、生物栖息环境、海洋生物资源？

1.4.5 全球与板块尺度地球动力学

在地质时间尺度上，地球表层构造板块的运动与相互作用导致了大洋盆地的形成、山脉的抬升和大陆的张裂。在人类时间尺度上，这些板块运动引发地震与火山喷发，使生活在板块边界的沿海居民面临灾难的威胁。

虽然对板块运动学已有很好的认识，但对板块作用力、板块边界相互作用与变形，板块边界处岩浆、构造、热液与生物过程的关联与反馈效应等方面的问题仍不明晰。OOI在海底地质作用活跃区布设一系列的连续记录传感器，同时将建立与陆地网络匹配的海底地球物理观测站网，从而提高对地球深部结构与动力过程的认识，科学评估其对人口密集的沿海地区的危险性。关键科学问题包括：

·地幔对流的样式和地幔不均匀的成因和尺度是什么？

·地核、核幔边界和最下部地幔的性质特征是什么？

·不同的板块边界（俯冲带、转换带和扩张中心）地震集聚和破裂传播的物理机制是什么？

1.4.6 流体与岩石相互作用和海底下生物圈

洋壳上部是地球上最大的储水库。这一储水库中的流体循环影响海洋板块的热状态和组分。海底下流体与炽热的新生的火成地壳相互作用形成了壮观的黑烟囱 热液喷口，喷口附近具有独特的生态群落。而大陆边缘是富集大规模甲烷水合物储库的所在地，发育冷泉渗漏区。热液与冷泉区均分布有巨大的不为人知的海底下微生物圈。越来越多的证据表明，地震、火山喷发、大型海底滑坡等瞬时事件对流体 岩石相互作用和海底下微生物活动方面起着重要作用。这些瞬时事件可能持续几小时或几天，用常规的船载设备很难观测和采样。了解这些剧烈梯度变化环境中的地质、化学、生物过程之间的关联和反馈机制，需要OOI长期原位观测才能够实现。关键科学问题包括：

·海底下生物圈的范围、丰度、分布与多样性？

·海底热液系统及其相关生物群落如何随时间演变？

·哪些过程控制甲烷水合物的形成和不稳定？ 甲烷水合物在灾难性海底滑坡中起什么作用？