海洋科学

第一章
引言
第一节　海洋科学的内涵
　　海洋覆盖了地球表面的71%，并与地球各大圈层（如大气圈、岩石圈、水圈、生物圈和人类圈）紧密关联，是地球系统的重要组成部分，由此，海洋科学也是地球系统科学的重要构架之一；与此同时，海洋科学在其发展成熟过程中又是一门独立的学科，主要包含四大分支学科，即物理海洋学、化学海洋学、生物海洋学和海洋地质学。物理海洋学主要研究海水的运动；化学海洋学主要关注海洋的化学组分并应用化学的原理和方法认识海洋中有关现象和过程；生物海洋学研究海洋中的生命现象与生命活动及其与海洋环境的相互作用关系；海洋地质学研究海底的物质组成、分布和演化规律以及地壳的地质构造。概言之，海洋科学研究海洋水体、海底沉积与岩石圈中的各种物理和生物地球化学过程，也研究海洋的各个界面上的各种过程和交互作用，这些包括如海洋-大气、海洋-陆地、海水-沉积物、沉积物-岩石圈、海水-海洋生物、沉积物-海洋生物等界面。
　　海洋科学研究旨在认识海洋系统在多时空尺度上的变异规律及其控制机理，进而建立预测未来变化趋势的能力。研究海洋在时空尺度上变化的基础在于对海洋的观测和模拟，因此，海洋科学的发展在很大程度上依赖于观测技术的进步。现代海洋观测技术的发展正朝着同步化、全球化和微尺度化的方向发展。
第二节　海洋科学发展历史简要回顾
　　人类认识海洋的历史始于沿海地区和海上的生产活动。古代人类已具有一些关于海洋的地理知识。19世纪70年代，英国皇家学会组织的“挑战者”号科学考察可谓是现代海洋学的开端。此后，海洋科学蓬勃发展，逐渐细化，形成了物理海洋学、化学海洋学、生物海洋学与海洋地质学等基础分支学科，成为一门多领域的综合性学科。
　　物理海洋学以海水运动和海洋的物理性质为基本研究对象，是海洋科学的基础，其发展历程和研究方法在很大程度上代表了海洋科学的历程和方法。从19世纪海洋科学起步以来，物理海洋学一直引领、促进和支撑着海洋科学其他一些分支学科的发展。牛顿和拉普拉斯（Laplace）关于潮汐的理论研究至今仍是分析和预报潮汐的基础。然而，直到19世纪末期和20世纪初期，随着湾流、黑潮、巴西海流等主要环流系统的相继发现以及关于海水层化、地转和湍流混合的理论发展，物理海洋学的全貌才开始显现。典型的代表是风生Ekman理论，这个理论可以说是海洋环流理论的起点，给出了定常风驱动下海洋各层流动的解析解。之后几十年，随着观测资料的不断增多，物理海洋学稳步发展，但在理论上没有重大突破。直到20世纪中叶，现代物理海洋学进入了飞跃发展时期，学科建设和科学研究的重心也从欧洲转移到了美国。
　　20世纪40～60年代，大洋环流理论，尤其是正压风生大洋环流理论有了重大突破。Sverdrup（1947）首先提出大洋中部风生环流理论，奠定了大洋环流理论的基础；Stommel（1948）和Munk（1950）随后相继提出基于底摩擦和侧摩擦的大洋西边界强化理论，初步构建了完整的正压风生环流理论；Stommel（1954）、Charney（1955）和Morgan（1956）紧接着又相继提出了惯性西边界流解，进一步完善了风生环流理论。
　　对于中尺度涡旋及其重要性的认识无疑是近半个世纪来物理海洋学最重要的进展之一。20世纪70年代，随着大洋中部动力学实验（mid-ocean dynamics experiment，MODE）等一系列海洋观测实验的开展和海洋卫星遥感的应用，人们对中尺度涡的结构、特征和全球分布有了明确的认识（Fuglister，1972；Holland and Lin，1975；Robinson，1982）。海洋实际上是涡旋的世界，中尺度（约为100km、100天的时空尺度）变化的动能占全球海洋流场的99%以上，远大于平均大洋环流的动能。这一“中尺度革命”颠覆了经典海洋环流理论所描绘的情景，将我们对海洋环流及其变化的认识从10±1cm/s变为1±10cm/s，同时也对海洋观测的采样频次和海洋模式的分辨率提出了严峻挑战。
　　化学海洋学在早期研究的对象是海水、海洋中溶解和颗粒态物质（包括生命和非生命物质）的化学组成、性质，以及其间的相互关系和变化等。回顾化学海洋学发展历史，20世纪50年代以前可视为发展期，在此期间，海水盐度测定方法的建立、海水中主要离子比例恒定规律的发现（即Marcet规则）是具有重要意义的进展。20世纪50年代，化学海洋学逐渐过渡到定性-定量相结合的研究，并开展了海水碳、氧同位素的示踪研究。20世纪60年代化学海洋学经历了发展和成熟的十年，这时期的重要事件包括海水的离子溶解平衡、Redfield比值的提出（Redfield et al.，1963）、第一本海水分析手册的出版，以及Keeling（1958）开始在夏威夷岛开展CO2时间序列的研究。20世纪70年代首次在大洋中脊发现了热液喷口；随着洁净采样与测定技术的快速发展，获得大量海水痕量金属数据。20世纪80年代开始运用沉积物捕集器；20世纪80年代末设立了夏威夷时间序列（HOTs）和百慕大时间序列（BATs）研究站；Martin等在20世纪90年代提出了“铁假说”，而且，这段时期化学海洋学在长时间序列观测、现场原位与多学科综合观测等方面都取得了飞跃式的发展。
　　生物海洋学研究海洋中的生命现象与生命活动及其与海洋环境的相互作用关系。20世纪50年代前，生物海洋学主要以海洋生物调查为主。50年代以后，伴随着先进技术的出现，生物海洋学迅速发展。浮游生物连续记录仪（continuous plankton recorder，CPR）的发明，是浮游生物研究史上具有里程碑意义的重要事件。迄今其长达80年的应用，获取了一系列重要样品、数据和资料，在浮游生物学长期变化研究、全球气候变化与生态系统响应研究等方面发挥了重要作用，产出了一大批重大研究成果。1952年，Nielsen将碳同位素示踪法用于海洋初级生产力的测定（Nielsen，1952）。1967年，Dugdale和Goering（1967）提出新生产力的概念，即由新生（再生）氮（N）源支持的生产力为新（再生）生产力。这一概念与营养盐吸收动力学一起为海洋生产力和生物地球化学通量的模拟奠定了重要基础。1974年，Pomeroy提出了微型食物网（microbial food web）的概念（Pomeroy，1974），随后，Azam等（1983）提出了微食物环（microbial loop）的概念，使科学家对海洋中的微型生物的重要性有了新的认识。1977年，“阿尔文”号在加拉帕格斯群岛发现热液喷口生物。该发现让人们了解到生物如何适应极端的温度和缺氧的环境，引领了后来对地球深部生物圈的发现。Jiao等（2010）提出了海洋微型生物碳泵（microbial carbon pump，MCP）的概念，使科学家对微型生物在海洋碳循环中的作用有了更为深入的认识。
　　海洋地质学研究海底固态圈层的结构特征、物质组成和演化规律，研究海底固态圈层与水圈和生物圈的相互作用和耦合机理，以及由此产生的资源和环境效应。20世纪50年代前可视为近代海洋地质学的发展期，其间，锰结核的发现、大洋沉积物分布图的编制与大西洋中央海岭的发现具有十分重要的意义。20世纪50年代初期，回声测深技术大为改进，高分辨率的精密声呐投入使用，为编制各大洋洋底地形图提供了可靠手段。1952～1953年，美国地质学家Menard和Dietz（1952）发现东北太平洋的大型断裂带，后又发现这种断裂带在世界各大洋有广泛的分布。1950～1958年，苏联“勇士”号调查船考察太平洋，通过测深改进了太平洋水深图，在马里亚纳海沟发现了大洋最深点，还采集海底长柱状样，研究了1000万年来的气候演变和地质历史。意大利学者Emiliani（1955）通过取自加勒比海的几段岩心的有孔虫氧同位素分析，建立了世界上第一条氧稳定同位素曲线，重建了海洋古温度。Morgan（1968）、Mckenzie和Parker（1967），以及Le Pichon（1968）等提出板块构造说。板块构造理论是海洋地质与地球物理研究结出的硕果，它从根本上动摇了以固定论哲学为基础的地槽论的统治，被称为地球科学的一场“革命”。20世纪晚期，海洋地质学经历了根本性的转变，特别是环绕全球的大洋中脊体系与条带状磁异常的发现具有深远意义。
　　在现代海洋科学的发展进程中，若干重大国际计划起到了重要的推进作用。这些国际计划通常是由多学科共同参与实施的。
　　（1）地球化学海洋断面研究（GEOSECS）：1972年开始实施，首次较为全面地勾画了全球尺度上各大洋盆及其之间的物理和化学参数的分布格局，验证了热盐环流的存在及其基本特征。
　　（2）世界气候研究计划（WCRP）：1980年开始实施，是较早开展的全球变化研究计划之一，旨在理解气候的可预报程度和理解人类活动对气候的影响，着重研究气候系统中物理方面的问题。
　　（3）全球大洋通量联合研究（JGOFS）：1987年开始实施，主要目的是从全球尺度研究和了解控制海洋中碳及相关生源要素通量变化的各种过程，估计海洋与大气、海底和陆地三者间的碳交换以及海洋对大气中CO2的吸收、储存和转移能力，预测大气中CO2含量的发展趋势，以有助于气候变化的研究。
　　（4）全球海洋观测系统（GOOS）：1989年开始实施，其主要任务是应用遥感、海表层和次表层观测等多种技术手段，长期、连续地收集和处理沿海、陆架水域和世界大洋数据，并将观测数据及有关数据产品对世界各国开放。
　　（5）世界大洋环流实验（WOCE）：1990年开始实施，旨在获取全球大洋环流数据集，开展南大洋研究、涡旋动力学实验，重点关注的是数年至数十年尺度的气候变化及预报问题，该数据集使全球海洋资料所涉及的深度大大增加，其数据质量之高前所未有，可用来研究大尺度洋流的长期变化，并为发展和验证气候变化预测模式收集所需的资料。
　　（6）生物多样性计划（DIVERSITAS）：1991年开始实施，旨在通过确定科学问题和促进国际间合作，来加强对生物多样性的起源、组成、功能、持续与保护等基础性研究，以增进对生物多样性的认识、保护和可持续利用。其内容包括生物多样性的生态系统功能；生物多样性的产生、减少及其维护；生物多样性的编目与监测。
　　（7）陆-海相互作用（LOICZ）：1995年开始实施，主要研究内容包括确定陆地、海洋与大气间的物质通量；确定土地利用、气候、海平面和人类活动变化如何改变海岸带颗粒物质的通量和储存，以及如何影响海岸的地貌动力学；确定海岸系统的变化将如何改变全球的碳循环和大气痕量气体的成分，评估海岸系统对全球变化的响应将如何影响人类在海岸环境的居住和对海岸环境的利用。
　　（8）全球海洋生态系统动力学研究计划（GLOBEC）：1995年开始实施，其主要目标是认识全球变化对海洋生态系统的主要成分——动物种群的丰度、多样性和生产力的影响，以及从全球变化的含义上认识全球海洋生态及其主要亚系统的结构、功能对物理变化的响应，发展预测海洋生态系统对全球变化响应的模拟技术。
　　（9）Argo实时阵列观测网（Argo）：1998年开始实施，旨在借助Argo剖面浮标、卫星通信系统和数据处理技术等一系列最新开发的高新海洋技术，建立一个实时、高分辨率的全球海洋中上层监测系统，以便能快速、准确、大范围地收集全球海洋上层的海水温度与盐度剖面资料，以提高气候预报的精度，被誉为“海洋观测手段的一场革命”。
　　（10）上层海洋-低层大气研究（SOLAS）：2000年开始实施，该计划的主要目标为研究海洋与大气之间的关键生物地球化学相互作用过程及其反馈机制，以理解和定量研究大气-海洋相互作用对全球气候变化的调控。
　　（11）微量元素和同位素海洋生物地球化学循环研究（GEOTRACES）：2003年开始实施，旨在确定海洋中关键微量元素及其同位素的生物地球化学循环及在

“中国学科发展战略”丛书是中国科学院组织数百位院士专家联合研究的系列成果,涉及自然科学各学科领域,是目前规模非常大的学科发展战略研究项目。
《中国学科发展战略·海洋科学》由两部分组成。前五章从海洋科学基础分支学科的角度来分析国内外发展现状和未来趋势.并对我国在这些分支学科的发展提出建议.第六章开始从当前国际普遍关注的、具有重要意义的海洋科学研究热点中选取了气候变异.二氧化暖循环、沿海生态系统与人类活动、地球环境历史演变,以及减缓全球变暖的大规模工程手段等人类所面临的五个重大问题,对这些方面中海洋的关键作用和应开展的研究进行分析、评述和建议.《海洋科学》还简要回顾了制约我国海洋科学发展的瓶颈,并对今后发展方向提出总的建议。

 总序/i
前言/iii
摘要/xi
第一章　引言1
　　第一节　海洋科学的内涵1
　　第二节　海洋科学发展历史简要回顾2
　　第三节　海洋科学的发展规律、特点和发展趋势6
　　　　一、海洋科学的发展规律6
　　　　二、海洋科学的特点和发展趋势8
　　参考文献11
第二章　物理海洋学14
　　第一节　学科简介14
　　第二节　物理海洋学的发展历史和重要事件15
　　　　一、现代物理海洋学的发展过程和重要事件15
　　　　二、国内物理海洋学发展的早期工作和重要事件25
　　第三节　国内外物理海洋学的现状与问题27
　　　　一、物理海洋学的核心问题和目前的主要进展27
　　　　二、我国物理海洋学研究的进展与现状32
　　　　三、我国物理海洋学发展的瓶颈问题34
　　第四节　物理海洋学的研究前沿和发展需求35
　　　　一、前瞻性的研究方向与领域35
　　　　二、国家需求与学科发展需求39
　　　　三、我国物理海洋学发展的切入点41
　　参考文献43
第三章　化学海洋学51
　　第一节　化学海洋学的学科内涵与简介51
　　第二节　化学海洋学的学科发展历史的回顾52
　　第三节　学科的发展现状与发展方向63
　　　　一、学科发展的特点63
　　　　二、生物地球化学63
　　　　三、海洋环境问题64
　　　　四、海洋资源的利用65
　　　　五、观测与实验技术66
　　　　六、环境变化的记录67
　　第四节　今后发展的问题、需求与取向67
　　　　一、科学问题67
　　　　二、建议的发展方向与研究热点分析69
　　第五节　支撑学科发展的能力与建设需求72
　　　　一、教育与研究机构简述72
　　　　二、学科发展的技术平台73
　　参考文献74
第四章　生物海洋学77
　　第一节　生物海洋学的学科简介77
　　第二节　生物海洋学的发展历史和重要事件78
　　　　一、国外生物海洋学的发展过程和重要事件78
　　　　二、国内生物海洋学发展的早期工作、重要事件与成果83
　　第三节　国内外生物海洋学的现状与问题86
　　　　一、我国生物海洋学关注的核心问题及主要进展86
　　　　二、国际上的学科进步对我国生物海洋学发展与能力建设的影响102
　　　　三、近期国内生物海洋学的发展103
　　　　四、现在国内发展的瓶颈问题105
　　第四节　生物海洋学的前沿研究命题论述与举例107
　　参考文献115
第五章　海洋地质与地球物理学118
　　第一节　海洋地质与地球物理学的学科简介118
　　第二节　海洋地质与地球物理学的发展历史和重要事件119
一、国外现代海洋地质与地球物理学的发展过程和重要里程碑119
　　　　二、国内海洋地质与地球物理发展的早期工作、重要事件与成果126
　　第三节　国内外海洋地质与地球物理学的现状与问题131
　　　　一、与海洋地质与地球物理学有关的核心问题131
　　　　二、国际上的学科进步对我国海洋地质与地球物理学发展的影响135
　　　　三、现在国内发展的瓶颈问题137
　　第四节　海洋地质与地球物理学的发展趋势与前沿研究命题139
　　　　一、我国海洋地质与地球物理学发展的需求139
　　　　二、前瞻性的研究方向与领域140
　　　　三、我国海洋地质与地球物理发展的切入点149
　　参考文献155
第六章　海洋变异与气候159
　　第一节　海洋在气候系统中的作用159
　　第二节　国内外海洋变异与气候研究的历史与现状162
　　　　一、国际研究进展162
　　　　二、国内研究进展168
　　第三节　前沿研究命题论述与举例170
　　　　一、不同类型的厄尔尼诺及其低频变化170
　　　　二、热带印度洋在气候变化中的作用173
　　　　三、年代际气候变化及其预测176
　　　　四、气候变化时间尺度及气候变化的可逆性179
　　　　五、变动气候中的经向海洋能量输送182
　　　　六、海洋动力过程在全球变暖中的作用185
　　　　七、海洋对台风的响应机制和调制作用187
　　第四节　我国今后的发展方向及需求189
　　参考文献190
第七章　海洋碳循环199
　　第一节　碳循环与气候变化200
　　第二节　海洋碳循环过程与通量201
　　　　一、海-气交换的碳通量201
　　　　二、海洋碳循环的机制203
　　第三节　国内外研究现状204
　　　　一、继续关注海洋生物泵效率研究205
　　　　二、注重高CO2的生态效应206
　　　　三、新观测手段的应用206
　　第四节　海洋碳循环前沿研究命题论述与举例208
　　　　一、边缘海碳循环208
　　　　二、边缘海与深海大洋的碳交换209
　　　　三、海洋微型生物碳泵与生物泵的比较211
　　　　四、碳、氮、磷、硅循环的耦合与非耦合212
　　　　五、海洋酸化214
　　　　六、海水化学缓冲能力的变化215
　　第五节　我国今后的发展需求、方向以及支撑能力与条件的建设216
　　参考文献217
第八章　陆-海相互作用222
　　第一节　“陆-海相互作用”简介222
　　第二节　“陆-海相互作用”研究的发展历史和重要事件224
　　　　一、国外关于“陆-海相互作用”研究的发展过程和重要事件224
　　　　二、国内“陆-海相互作用”研究的相关的早期工作228
　　第三节　国内外“陆-海相互作用”研究的热点问题229
　　　　一、流域盆地物质向海洋的输送229
　　　　二、陆架物质迁移与交换问题230
　　　　三、近海的富营养化与底层水缺氧231
　　　　四、对地球其他圈层的反馈232
　　　　五、海平面上升及其后果233
　　　　六、滨海湿地环境与生态系统特征233
　　　　七、沿海地区的人类活动及其影响235
　　第四节　目前国内、外学科发展的瓶颈问题236
　　第五节　“陆-海相互作用”的前沿命题论述与举例238
　　第六节　我国“陆-海相互作用”研究发展的切入点240
　　第七节　今后发展的需求与方向240
　　第八节　支撑学科发展的能力与条件建设需求241
　　参考文献241
第九章　海底深部过程248
　　第一节　海底深部过程在地球系统中的作用248
　　第二节　海底深部过程研究的国际前沿与发展249
　　　　一、大洋中脊与热液活动249
　　　　二、冷泉与海底下的海洋250
　　　　三、暗能量生物圈与深部生物圈251
　　　　四、大洋深部的碳循环253
　　　　五、海底观测与勘察254
　　第三节　我国海底深部过程研究的前沿研究命题论述与举例256
　　　　一、南海深海过程演变256
　　　　二、南海北部的冷泉系统258
　　　　三、西南印度洋慢速扩张脊的热液系统259
　　　　四、国家海底长期科学观测系统建设260
　　参考文献261
第十章　地球环境工程264
　　第一节　地球环境工程的类别及其关键科学问题265
　　　　一、深海碳封存265
　　　　二、海洋铁施肥267
　　第二节　我国今后的发展需求、方向以及支撑能力与条件的建设274
　　参考文献276
结语280
　　　　一、制约中国海洋科学发展的瓶颈280
　　　　二、我国海洋科学今后发展方向的建议281
关键词索引284