2月20日，美国国家科学院发布报告《预测海洋：2025~2035年海洋科学十年》[1]，旨在向美国国家科学基金会（NSF）提供重振美国海洋研究领导地位的建议。报告指出，将投资重点放在海洋基础研究、基础设施和人才队伍方面，将有助于美国应对未来十年的国家和全球挑战，并帮助增强国家安全、科学领导力和经济竞争力，以支持蓬勃发展的美国蓝色经济。

一、海洋科学对美国的重要性

海洋科学在国家安全、经济发展、生态保护和人类福祉方面具有不可替代的战略地位。海洋为人类和社会提供了食品、能源、矿产资源、医药、运输和贸易等重要的资源和服务，不仅造福人类，还提升了美国的经济竞争力。蓝色经济是海洋产业经济活动的总和。2022年，美国蓝色经济的规模约为4762亿美元，而全球蓝色经济预计到2030年将至少达到3万亿美元。海洋深刻影响着地球的气候条件和人类生活，在调节气候方面发挥了重要作用，但同时也通过极端和慢性洪水事件、极端天气等方式显著影响着人类社区。

NSF自1950年成立以来，一直支持海洋科学的基础研究，并为学术研究船队（ARF）提供大部分运营资金，运营海洋观测计划（OOI）的系泊阵列和其他设备，在2024年前运营“决心号”（JOIDES Resolution）深海钻探船。然而，当前美国海洋科学事业正处于十字路口。2024年，NSF宣布终止管理“决心号”的合作协议，使美国失去在全球大部分海域采集岩芯的能力。学术研究船队也在老化，新型区域级研究船要数年才能开始运营。与此同时，中国等国家正加大海洋科学投资，威胁美国的全球领导地位。因此，海洋科学领域必须转型，加速研究进展并迅速应用，以解决美国和全球正在面临和即将面临的问题。

二、三大主题和优先事项

为了真正提高对海洋过程的根本理解，使其能够在对社会至关重要的领域进行预测，该报告建议将投资重点放在促进和推动3个重要主题和相关紧迫问题的研究。

1、海洋与气候。海洋目前吸收了全球温室气体排放产生的90%的热量和大约30%的碳。这些吸收率的任何下降都会加速大气温度和二氧化碳水平的上升，并有可能对飓风的发展和强度、冰盖稳定性和海洋化学等过程产生影响。该领域的研究包括开发观察热传输的新方法，改进对海洋冰盖不稳定性的预测，以及开发量化碳循环可变性的方法。

（1）紧迫问题。海洋吸收热量和碳的能力将如何变化？

（2）具体研究方向。包括：开发观测大西洋经向翻转环流（AMOC）强度的新方法，特别是北大西洋和南大西洋的热传输；改进对海水变暖导致的海洋冰盖不稳定的预测；在南大洋冬季获得更好的二氧化碳表面分压观测数据，以限制海洋对二氧化碳的吸收；开发有助于量化碳循环变化的方法，如使用新的生物地球化学观测和传感器；利用过去碳循环和气候变化（如中新世中期气候最佳期、上新世中期暖期和快速冰期到间冰期过渡）观测资料对模型进行测试和验证。

（3）应用启发的案例。包括两个：一是海洋二氧化碳去除（mCDR），了解海洋自然二氧化碳去除和封存过程安全加速的潜力，并在一定规模上从大气中吸收额外的二氧化碳，减缓海洋pH值的变化，主要包括开发评估不同mCDR方法有效性的技术和方法、评估海洋生态系统变化对碳向深海转移的影响、评估海底地质构造作为碳储存的适宜性等；二是识别地球系统中的潜在临界点，预测AMOC是否或何时达到不可逆转的变化点、冰盖崩塌。

（4）潜在结果。改进对潜在临界点的预测能力、监测和预测海洋吸收二氧化碳的能力、更好地理解将碳从大气转移到深海的过程的变化。

2、生态系统复原力。地球和海洋系统的根本变化正在导致生态系统的转变，这可能会对依赖它们的当地和全球社区产生负面影响。预测这些生态系统变化及其原因，可以为增强社区适应这些变化的能力提供早期预警。该领域的研究包括确定变暖、酸化和脱氧对海洋生态系统生产力的影响，以及开发快速测量物种多样性的工具。

（1）紧迫问题。海洋生态系统将如何应对不断变化的地球系统？

（2）具体研究方向。包括：从人类到生物群落尺度，确定海洋变暖、酸化和脱氧对海洋种群时空动态的影响，以预测海洋生态系统的早期信号和后续影响；预测生物泵/出口生产的减弱，以及将如何影响营养结构和功能，进而影响粮食安全，并探索整合多种知识系统和资源管理方法的解决方案；解读与公海、沿海和河口生态系统的复原力有关的实用、有用的预测和决策标准；共同开发用于快速测量和评估海洋生物和功能多样性的工具，特别是利用环境和生物体DNA以及组学科学的进步；了解和预测海洋生态系统内部和生态系统之间的能源和生物量转移，以及这种转移如何有助于提高复原力；了解海底采矿或深海生态系统的影响及其可能的反应和恢复情况，以及相应的恢复时间尺度。

（3）应用启发的案例。包括3个：可持续渔业，预测海洋酸化、升温以及海平面上升等因素，以及其他来自多个海洋利用部门（包括过度捕捞）对食物网动态和粮食安全的影响；风暴或海平面上升，了解沿海或珊瑚礁生态系统中浮游生物动态的基线季节性变化，然后检查在风暴、海平面上升或相关极端事件期间生物多样性和恢复力的时间尺度的变化；栖息地和沿海生物结构，了解未来海洋变化将如何影响基础生态系统（如珊瑚礁、沿海湿地和红树林）支持人类社区的能力。

（4）潜在结果。更好地了解处于食物网底层的生物、营养环节和生物量转移以及模型，最终预测粮食安全的变化；制定干预措施，支持受损珊瑚礁和其他沿海生态系统的恢复；改进将海洋过程的短期变化与渔业影响联系起来的模型；海洋变化的空间预测，以支持有效的基于区域的保护措施的创建和适应性管理。

3、极端事件。海洋导致地震、海啸、飓风、风暴潮和洪水直接影响沿海社区，并增加影响沿海和内陆社区的降水和热浪。极端事件可能会影响港口设施、商业捕鱼船队和国防基础设施等重大投资。提高观察、理解和预测极端事件的能力至关重要。该领域的研究包括改进地质灾害的早期预警系统，提高预测全球极端天气的能力，并将这些预测应用于城市规划、农业和林业实践。

（1）紧迫问题。如何提高对海洋和海底过程驱动的极端事件的预测能力？

（2）具体研究方向。包括：整合现有的和新的数据与知识，阐明可能改善地震、水下火山爆发、海底滑坡和相关极端事件（如海啸）预报的前兆信号，从而改进预警系统；增强海洋过程对全球极端天气未来影响的建模能力；预测脱氧区和死亡区的范围，从而预估其对生态系统健康和渔业的影响；生成极端事件预测，为使用基于自然设计特征的新的社会适应和生态系统恢复方法提供信息；通过整合来自各个学科和社区的现有和新的数据和知识来加强预测，以改善对极端事件的反应。

（3）应用启发的案例。包括4个：沿海复原力，与可能受到沿海洪水等极端事件影响的沿海社区共同制定缓解策略；可持续农业，通过准确的预测提高自然资源生产效率，为可持续农业和林业实践提供信息；基础设施投资，改进从海平面上升到地震等海洋极端事件的预测，为可持续城市规划、安全和保险提供指导；现有基础设施的装置（如用于监测的电信电缆），与行业合作，提供实时海上地震监测或进行温度传感，以跟踪蓝色经济发展下的生态系统健康状况。

（4）潜在结果。能够根据长期预测进行种植，提高作物产量；开展跨学科研究，改善易受极端天气事件和地球物理灾害影响的社区的安全；在易缺氧水域实现可持续渔业和健康生态系统。

三、未来十年的海洋基础设施

加速美国在理解和预测海洋过程方面的科学进步依赖于对海洋基础研究和海洋科学基础设施的持续投资。报告根据需求评估，将实现未来十年海洋科学研究所需的基础设施分为4类。

1、主要基础设施。包括学术研究舰队、海洋观测计划和科学大洋钻探。学术研究舰队，包括国家深潜设施，仍然是收集海洋数据的重要组成部分，是基础海洋科学研究和上述的紧迫海洋科学优先事项相关研究所必需的基础设施。海洋观测计划将继续提供对预测海底和构造过程、环流变化、碳和热传递以及渔业和海洋生态系统至关重要的数据，部分支持未来十年的紧迫研究问题。科学大洋钻探仍然是回答气候预测、碳和热循环、海底微生物群落和地质灾害预测等问题的重要工具。

2、支持性基础设施。包括海洋机构和地方研究船只、海洋实验室和观测站、自主平台、地球物理仪器等。

3、未充分利用或新兴的基础设施。包括以下4类：声学，是海洋科学研究中尚未得到充分利用的方法，有可能成为收集持续海洋观测数据的一种高成本效益的主流技术，也是未来十年回答许多紧迫科学研究问题的关键；智能电缆，科学监测和可靠通信（SMART）电缆有可能彻底改变海洋数据收集方式；海洋生物技术，通过基因组技术等手段，将海洋生物本身作为传感器平台；新型传感器开发，这对实现3个重要主题所需的持续观测至关重要。

4、网络基础设施。组成部分包括高性能计算、软件库和编程环境、交互式可视化工具、数据管理、存储库和管理系统、网络、数据分发培训和协议、外展和教育以及网络安全。

四、主要建议

1、NSF海洋科学部（OCE）应继续支持海洋科学基础研究，确保未来的科学家和工程师能持续深入理解海洋，推动美国的创新与韧性发展。

2、OCE应支持以“在与人类福祉相关的尺度上预测海洋过程”为目标的基础研究，重点关注3个重要主题及其紧迫问题。

3、OCE及相关合作伙伴应开展评估，详细说明学术研究船队的资金分配，以便在未来十年及以后对有限资源进行合理分配。

4、相关方应立即启动或继续对全球级研究船的替代方案进行重大规划。若无此类规划和后续实施，将影响高优先级基础研究和解决方案导向型科学的完成，并削弱美国在海洋科学领域的领导地位。

5、OCE应对海洋观测计划的未来进行重新规划和结构调整，包括分析海洋观测计划各个阵列的科学贡献；重新考虑该计划的目标和目的，以更好地满足海洋科学界的需求，并与未来十年不断发展和紧迫的海洋科学问题保持一致；考虑纳入该计划最初设想时可能不存在的技术，包括观察和测量生物丰度和过程的创新方法，如低成本分布式观测网络。

6、NSF应采取行动恢复美国在全球科学海洋钻探领域的领导地位，包括：应为“遗产资产项目”（LEAP）设立专用资金额度，支持探险规模的合作，通过资助科学家利用现有岩芯和数据开展大规模研究，最大化遗产资产的回报；应在考虑对美国本土钻探船的需求上，制定可持续的海洋钻探计划；在专用钻探船投入使用前，应继续支持使用任务特定平台解决高优先级紧迫科学问题，并尽可能保留美国此前通过“决心号”积累的深海取芯技术和工程专业知识。

7、OCE应与机构及其他合作伙伴合作，明确支持：增加使用自主资产进行持续观测，提高海洋考察效率（扩大船只在海上的覆盖范围）；建立新机制为研究人员提供仪器使用权；合作开发革命性和创新的传感器技术，用于海洋化学数据（如二氧化碳分压）、生物数据（如环境和生物体DNA、物种丰度生物传感器）和海底大地测量；开拓将新型传感器规模化推向市场的新途径，并扩大研究和管理界的使用范围；扩展数据管理工作，支持生物信息学、人工智能、其他分析和建模；评估声学（如分布式声学传感）、SMART电缆等新兴技术的新应用，以确定其对未来研究的潜在贡献。                               （魏艳红）