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美国联邦机构海洋研究现状 发布日期 :2024-04-07  
  ◼ 张定媛 李婧华
  导语:美国联邦部门和机构开展了长期的海洋数据收集和监测工作,从中获得的信息可以为联邦保护海洋的政策、依赖海洋资源的经济部门和沿海社区提供有价值的参考。本文对开展海洋研究的美国联邦机构及其研究重点进行了分析研究。
  美国一些联邦部门和机构长期从事海洋数据收集和监测工作, 这些机构包括商务部下属的美国国家海洋和大气管理局(NOAA)、美国航空航天局(NASA)、内政部下属的美国地质调查局(USUG)以及海军部的海军研究办公室(ONR)等。美国国家科学基金会(NSF) 是一个独立的机构,也为海洋研究项目提供拨款。 NSF还支持和资助基础研究设施(例如,研究设施、 船只、设备和仪器以及其他资源)。这些联邦部门和机构收集和研究的海洋学数据, 以及联邦政府帮助支持的学术、商业和非营利研究, 为包括国会议员在内的政策制定者提供了重要信息。
  用于收集和监测海洋数据的基础设施和设备构成了许多海洋研究的基础。分析这些数据有可能阐明(人为和自然)对海洋的威胁及其不断变化的海洋性质,有助于海洋资源(近海能源)的开发,最大限度地提高商业渔业产量,并为海洋地质灾害和风暴事件提供预警。从这些分析中获得的信息可以为联邦保护海洋的政策、依赖海洋资源的经济部门和沿海社区提供有价值参考。目前,联邦部门和机构已经建立了收集海洋数据的计划和项目,通过各种设备收集相关数据,如卫星(NOAA、 NASA、 USGS)、船舶(NOAA、 USGS、 BOEM、ONR)、飞机(NOAA、 NASA)以及各种部署的浮标和浮子(NOAA)等。此外,联邦机构还通过国际、区域和私营部门伙伴关系收集海洋数据,并将这些数据纳入联邦数据库。
  一、美国开展海洋研究的主要机构
  1. 美国国家海洋和大气管理局(NOAA)
  NOAA 利用卫星、船只、 遥控飞行器(ROV)、 无人机(AUV)、飞机和其他较小的部署仪器(如浮标)来进行海洋科学研究。 其中有 4 个办公室覆盖海洋研究: 国家海洋局(NOS)、国家环境卫星数据服务局(NESDIS)、海洋和航空作业局(OMAO)以及海洋和大气研究办公室(OAR)。
  NOS 负责 NOAA 的导航和制图工作,并协调致力于海岸和海洋观测和研究的联邦跨部门项目——综合海洋观测系统(IOOS)(链接 1)。该项目为跟踪、预测、管理和适应海洋、海岸系统和五大湖的环境变化提供支持、资助、指导和建议。除了管理联邦海洋数据和模式系统外, IOOS 还将非联邦信息集成到这些系统中,为海岸监测、海岸和海洋开发以及北极变化的决策提供信息。

  NESDIS 管理运行的环境卫星,并使这些卫星收集的环境数据能够用于研究并加强国家经济和安全。
  OMAO 负责管理专门的飞机和船只,并监督小船和水下活动(含技术潜水),以帮助实现 NOAA 的环境和科学任务。该部门运营着 15 艘船(包括 Okeanos 探索者号)、 4 架载人飞机和几架无人机。
  OAR 有四个办公室涉及海洋研究工作:
  ⚫ 海洋探索与研究办公室(Office of Ocean Exploration and Research)是唯一致力于深海探索的联邦机构。NOAA Okeanos探索者号配备了必要的技术,可以在研究考察期间绘制海底地图。 NOAA 利用其他基础设施,如配备遥感技术的飞机和潜水 ROV,绘制海底的深度和形状,作为多波束声纳数据的补充。该办公室还资助非 NOAA 的美国研究人员进行海洋勘探,以更好地记录和了解美国水域。
  ⚫ 气候项目办公室(Climate Program Office)负责管理项目,为地球气候系统(包括大气、海洋、陆地和冰)的高优先级气候科学研究提供资金。资金支持与气候观测有关的活动,地球系统科学,气候和社会相互作用,以及建模式、分析、预测和预测。研究成果旨在使科学家能够量化全球海洋对热量和 CO2 的吸收量,评估海平面上升的速度,并为受海水变暖威胁的渔业提供适应工具等。
  ⚫ 海洋酸化计划(Ocean Acidification Program)协调研究和活动,以更好地了解海洋化学及其变化,以及海洋生物(如珊瑚礁)、人类和经济受到怎样的影响。
  ⚫ 全球海洋监测和观测计划( Global Ocean Monitoring and Observing Program,GOMO)的目标是为海洋研究、监测和预测进行持续的现场观测,该计划由 ORA 持续海洋观测和监测(SOOM)资助。 GOMO 通过各种活动,如全球海洋碳网络和 Argo 计划等,每天支持 100 多万次海洋观测。全球海洋碳网络旨在帮助研究人员更好地了解海洋在全球碳循环中的作用。 Argo计划由近 4000 个 Argo 剖面浮标组成(图 1)。这些浮标随着洋流在全球海洋中漂移,随着时间的推移,收集到近乎全球的海洋温度、盐度、溶解氧和 pH 值数据。 Argo 是一项国际性计划,有超过 25 个国家参与并提供项目资金,中国于 2002 年加入该计划。

图1 NOAA Argo 剖面浮标 10 天数据收集周期
  此外,在 2021 年, NOAA 升级了旗舰海洋预报系统,以提高海洋预报能力。NWS 全球实时海洋预报系统(RTOFS)可提供长达 8 天的全球洋流、盐度、温度和海冰状况的预测。更新后的 RTOFS 首次包括了高分辨率海洋数据同化能力,为准确的模式预测提供了更真实的初始模式状态。升级后的全球 RTOFS 改进了耦合飓风模式的飓风轨迹和强度预报,并提供了更详细和更完善的北极和南极海冰浓度。在全球海洋盆地的海表温度和近地表海洋状况方面的预测也有所改进。
  改进 NOAA 的飓风强度预报需要缩小海洋和大气观测的差距。为了解决这一问题, 2021 年, NOAA 成立了第一个综合海洋观测小组,以协调使用不同的外场观测平台(例如滑翔机、漂流器、漂浮物、小型无人机系统等)来改进飓风强度预测。该小组利用现有观测数据,并寻求机会在 2021 年大西洋飓风季在墨西哥湾、热带大西洋和加勒比海地区对海洋和大气进行共同部署和同步观测。 NOAA 集中精力寻求 2021 年 5 个飓风(Grace、 Henri、 Ida、 Larry 和 Sam)的联合观测机会。在飓风 Sam 之前和期间, NOAA 收集了滑翔机、浮标、 Argo 浮标、无人驾驶帆船、一次性深海测温仪(XBTs,从船上部署来测量水温的探测器)和 a -XBTs(从 NOAAP-3 飞机部署的 XBTs)的观测数据。这些海洋和大气观测数据——以及来自所有联合观测系统的数据——将帮助科学家了解风暴加强时发生的过程,目的是改进预报模型。
  2. 美国宇航局(NASA)
  20 世纪 60 年代,美国宇航局(NASA)发射卫星来监测地球的天气。此后,NASA 扩大了用卫星收集的地球观测数据类型。 NASA 的地球科学部开展和执行支持地球大气、陆地、海洋和海冰科学的任务。 表 1 列出了支持 NASA 地球观测任务并为研究人员提供海洋数据的卫星。
表1 NASA 卫星的海洋数据信息

  3. 美国地质调查局(USGS)

  美国地质调查局(USGS)是美国内政部(DOI) 直属的一个科学机构。地质调查局的科学家负责监测、分析和预测当前和不断演变的地球动态。地质调查局的一项核心任务是测绘,包括由测深调查生成海洋地图; 通常, NOAA 是海洋测深数据的主要来源。地质调查局还收集、监测和分析自然资源数据,包括在海洋中发现的资源,如建筑用砂石和新兴技术所需的矿物。
  美国地质调查局至少有三个项目致力于基于海洋的研究:
  ⚫ 自然灾害任务区内的海岸/海洋灾害及资源计划(链接 2)的数据收集和管理,如有关天然气水合物、热液喷口矿床和稀土矿物的信息。该项目还支持其他海洋科学课题,如绘制大陆架的范围;研究与海平面上升有关的因素;对海洋生态系统进行研究,包括底栖生态系统。

  水资源任务中的地下水和水流信息计划,为海岸风暴事件部署、 运营和反演传感器,包括验潮仪和其他水传感器。 海岸/海洋灾害和资源计划根据需要加强与风暴事件有关的数据收集和其他活动。
  ⚫生态系统任务区的气候研究和发展计划,支持对北极、海冰和海平面上升的监测。该计划还收集和分析深海沉积物以重建过去气候和海洋状况的变化。
  4. 海洋能源管理局
  海洋能源管理局(BOEM)隶属于美国内政部,负责管理美国外大陆架(OCS)的能源和矿产资源的开发,其中包括美国管辖范围内的淹没陆地、底土和海床。BOEM 开展地质和地球物理(G&G)调查,以获取位于 OCS 上的石油和天然气储量数据,确定海上可再生能源结构的位置,并定位海洋矿产资源。
  BOEM 开展两种类型的 G&G 调查:深穿透气枪调查(deep penetration airgun surveys)和高分辨率地球物理(HRG)调查(链接 3),以确定海底地下的特征(即海底下的不同岩石层)。深穿透气枪调查用于石油和天然气勘探。 HRG 调查可用于石油和天然气勘探、可再生能源结构的选址以及砂石的识别。 HRG 设备可以包括多波束声纳、侧扫声纳和浅地层剖面仪。与气枪调查相比,这些调查通常采用更高的频率,并以更高的细节水平对较小的结构进行成像。

  

  BOEM 有四个项目涉及基于海洋的研究和相关科学研究和数据的管理。
  ⚫ 常规能源项目,对 OCS 的石油和天然气资源潜力进行评估,包括 G&G 调查,以获得对石油和天然气勘探有用的数据、石油和天然气储量清单以及经济评估。
  ⚫ 可再生能源项目,资助和管理与 OCS 的可再生能源项目有关的科学研究(例如,海上可再生能源设施的建设和运行期间的潜在环境和生态压力源)。
  ⚫ 环境项目,资助和管理相关的环境研究,包括但不限于物理海洋学、受保护物种、经济学以及文化资源。
  ⚫ 海洋矿物项目,开展环境研究和评估,执行资源评估研究,并为测深图(bathymetric maps)提供数据。包括国家海洋关键矿物清单、国家海砂清单和海洋矿物信息系统(含 OCS 砂石资源信息)等举措。
  5. 美国国家科学基金会
  美国国家科学基金会(NSF)通过资助外部研究来促进科学进步,主要是通过提供资金来支持学术研究。其收集的数据类型以及数据收集和观察的方式取决于获得资助的研究项目。 NSF 基金的资助期限一般为 1 至 5 年,平均期限为 3 年。
  NSF 地球科学部的海洋科学处(OCE)提供资金支持,以促进对全球海洋所有方面的理解(包括人类的相互作用),并通过竞争性资助使全国学术界有机会获得资金,来努力促进这种理解。海洋研究的各个方面也可以得到 NSF 其他学部的支持(如生物科学部、数学和物理科学部)。一般来说, OCE 每年约有 30%的资金用于支持新的研究,其余 70%用于支持前几年的资助项目和研究基础设施。 NSF 的地球科学部中还有一个极地项目办公室(OPP),它为由 NSF 和美国其他部门和机构所支持的研究极地地区(包括南大洋和北大洋)的科学家提供研究经费。
  OCE 和 OPP 都支持美国全球变化研究计划(USGCRP),包括基础设施项目,这些项目的重点是观察当今不断变化的海洋,同时更好地了解过去的气候事件,为未来的气候变化提供信息。 2022 财年, USGCRP 设立了五个研究主题,包括海洋在气候变化中的作用。

  NSF 是大学-国家海洋学实验室系统(UNOLS)(链接 4)的一部分,该系统为研究和教育界以及联邦政府提供了一个论坛,在协调联邦支持的学术研究船队(ARF)的同时,合作进行海洋研究。例如, R/V Sikuliaq 是一艘由 NSF 拥有的研究船,由阿拉斯加大学费尔班克斯分校的渔业和海洋科学学院运营,专门从事极地海洋研究。 OCE 还负责监督区域级研究船(RCRV)项目,该项目目前正在资助建造三艘船,用于支持沿海地区研究人员的需求。这三艘新船预计将在 2022 年秋季完成从建造到运营的过渡。
  NSF 还为国际大洋发现计划(IODP)提供支持。该计划是一项国际海洋研究合作,利用研究平台钻探和回收海底沉积物,这些沉积物可用于研究海底地下的动态和地球过去两亿年的历史。沉积物还反映了过去深海环流型的变化,这有助于将大气中的 CO2 分布和封存(或掩埋)在深海中。
  6. 海军研究局
  美国海军部的海军研究局(ONR)旨在为当前和未来的海军挑战提供基于科学和技术的解决方案。 ONR 负责监督海军部整体研究和开发中科学和技术部分的执行,解决海军感兴趣的一系列潜在科技问题。 其中一部分问题是基于海洋的,包括海洋工程、海洋传感、海底和遥感系统开发、海洋声学、北极变化和物理海洋监测。
  ONR 和 NSF 是 UNOLS 学术研究船队的两个主要联邦支持机构。ONR 拥有三艘 UNOLS 学术研究船,并与运营机构一起协调其研究任务和船舶时间表。
  海军部的海军海洋学办公室(NAVOCEANO)收集和分析海洋学数据,以支持国家安全并提供海上作战空间的知识。 NAVOCEANO 的文职和军事人员通常具备水文学家和勘测技术人员的资格,能够在世界任何地方进行水文测量(描述海底特征)。
  二、海洋观测数据要素
  海洋数据由对海洋物理状态(如海平面是一个物理变量)和海水中化学元素数量(如溶解氧是一个生物地球化学变量)的测量值组成。海洋数据为深入了解海洋生态系统及其变化的环境、气候变化的各个方面以及海洋资源的分布和可用性提供了基础。物理海洋数据(表 2)还可以提供海洋过程的信息,如海洋上升流(图2, 链接 5)和洋流及环流型。虽然一个海洋变量可以洞察海洋的各种特征,但通过科学模拟研究,将多个物理或生物地球化学变量结合起来,往往可以对海洋当前和未来状态的科学解释提供额外的信心。表 2 中总结了一些常见的物理海洋数据。
表2 选取的物理海洋变量

图 2 主要的沿海上升流地区(来源: NOAA)

 

  海水中的生物地球化学变量(表 3)的浓度受不同浓度的水混合(如上升的深海水与近表层水混合)、生物地球化学过程(如海洋碳循环)和大气输入(如溶解氧在大气-表层水界面的扩散)等因素的影响。人为的 CO2 排放和农业或废水排放也改变了生物地球化学变量(如 pH 值和溶解氧)。表3 概述了一些常见的生物地球化学海洋数据。

表3 选取的生物地球化学海洋变量

  

  分析和研究海洋过程、资源及其未来潜在的变化,有可能为国会关于海洋政策和海洋管理的审议提供信息。国会关注的一个问题是,现有的海洋研究工作在多大程度上足以应对气候变化的影响,这将影响国会在多大程度上改变海洋研究计划或项目,改进数据收集和监测,以了解海洋在气候系统中的作用。与此相关的是,国会也可能会考虑是否有必要对某些联邦项目进行额外投资,比如改进 Argo 浮标技术,扩大该项目在海洋的覆盖范围。此外,另一些关注的问题涉及如何将海洋研究成果纳入现有的海洋项目或其他政策等。