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面向可持续发展的海洋科学:事实与数字

Sarah Grimes探索了我们需要良好的海洋监测的原因、如何得到它、以及为什么它仍然没有在小岛发展中国家实现。

海洋是地球系统的一个至关重要的组成部分,它支持了生态系统和人类健康。它们调节着天气和气候,它们对于淡水生产具有关键作用,而且能吸收碳。它们还提供了食品和其他资源、贸易和迁徙路径。

海洋科学和监测帮助我们更好地理解海洋和气候系统,做出更好的可持续发展的决策。我们比以往任何时候都更加需要这种知识,因为我们认识到了发展中国家赖以生存的海洋资源如何受到了变化的气候和海洋环境的威胁。

1 海洋:对生物的利益和威胁[1-9]

海洋覆盖了地球面积的71%。它们含有地球的96%的生存空间以及80%的生物。

收益:

  • 海洋植物几乎产生了我们呼吸的半数氧气。
  • 海洋承载了全世界90%的贸易。
  • 海洋拥有地球矿产资源的约80%。
  • 海洋提供了热带发展中国家60%的饮食蛋白质。
  • 渔业支持了1.7亿个工作岗位。
  • 海洋和沿海旅游、水产养殖和对海洋环境的其他使用(除了渔业)为成千上万的人提供了生计。
  • 在过去几十年里,由于地球系统变暖产生的能量大约有90%储存在了海洋里。

威胁:

  • 全世界60%的主要海洋生态系统——它们支撑着全世界的人口——已经显著退化或者被不可持续地使用
  • 海洋表面平均温度在过去100年中已经上升了大约0.7摄氏度,而且很可能到本世纪末在某些海洋地区增加3摄氏度以上。
  • 温暖的海洋温度是热带气旋和季风的驱动力。
  • 模型估计海洋的氧含量将在未来一个世纪下降。
  • 到2100年,海洋的酸性可能增加到原来的150%。
  • 估计90%的珊瑚礁到2030年将受到威胁。

海洋科学的历史

在19世纪早期,海洋科学家使用从船上放下的简单的工具和网测量海洋环境或者对海洋生物进行取样。这种最初的海洋科学与欧洲人的扩张和殖民有着直接的联系,这种扩张和殖民是受到了对鱼以及全世界可用的贸易路径的需求所驱动和促进的。

尽管有早期的探索,在20世纪之前的科学进展仍然相当缓慢。我们的理解海洋的能力在1945年之后因为最初于第二次世界大战期间开发的技术(例如探测水下舰艇的声纳)而有了改善,在战后各国转而进行研究。但是即便到了20世纪90年代晚期,人们对印度洋和南太平洋等大洋仍然知之甚少。

曾经只能依靠想象的海洋世界如今在微观层次上也变得更加可见。现代科学的显著进步,尤其是在过去30年中的进步,已经打开了海洋的深层进行观察,而这在以前是不可能的。诸如遥感、声音检测、遥控水下深潜器(ROVs)以及自动化的自由漂浮装置正在被用于测量海洋温度、盐度、洋流的强度和方向,以及浮游生物和酸化的程度。

即便如此,尽管我们对海洋在可持续发展方面的作用的认识不断增长,海洋的大部分区域仍然没有得到探索。自从20世纪90年代早期以来,发达国家和发展中国家的政府和科研人员已经积极致力于持续的海洋监测——特别是对温度和盐度的物理量测量,最近还包括了对生物成分的测量。这受到了第二次世界气候大会(1990年日内瓦)和1992年在巴西里约热内卢举行的首届联合国环境与发展大会(地球峰会)的促进。那场峰会承认了缺乏关于基本地球系统内部——包括海洋、气候和陆地系统——的(自然或人类引发的)环境变化的信息。

Small-scale fisheries, Lavella Island

Water quality monitoring helps ensure that fish are safe to eat

Flickr/The WorldFish Center

20年前,地球峰会还承认,如果没有对地球系统的长期持续监测,决策者就很难做出促进可持续发展的有用而知情的决策。这导致了各国一致同意启动一个有协调的长期全球观测网络,包括了全球海洋观测系统(GOOS),后者负责促进各国在监测和观测海洋方面的合作。

海洋科学与可持续发展

可持续发展必须包括沿海和海洋管理,特别是那些严重依赖于海洋资源获取食品、交通和贸易的国家——正如东南亚和太平洋地区。这和大多数人生活在沿海栖息地的小岛发展中国家(SIDS)特别有关。因此政府和援助机构需要对作为适宜管理的"主干"的海洋科学数据有一个良好的理解(见框2)。

与海洋有关的监测活动,以及对卫生和发展的收益。

测量的海洋物理参数

监测技术的例子(见下方定义)

数据改善了知识的领域的例子

监测如何对可持续发展做出贡献

渔业(公海和沿海)

 

温度、盐度、洋流、水透明度、栖息地的浮游生物物种(集聚)、水中的人类病原体、水的化学组成、有害的藻华、富营养化和氧耗尽。

Argo, Gliders, RAMA, TAO, SOOPS, CTDs, XBTs, 连续浮游生物记录仪,单独的监测浮标,卫星

海洋洋流和一般循环模式。水透明度和化学成分。鱼类食品的可能来源(浮游生物集聚作为指标)。人类病原体或污染源的存在。

根据物理条件(例如洋流/循环方向以及最优温度与盐度)做出的鱼类资源将出现在何处的改进的预报。

沿海渔业和养殖鱼类资源常常依赖于非常特定的水环境,而这些数据能够帮助确保健康的鱼类资源的生存、繁殖和生产的最佳水质。

根据鱼类食物来源的关于鱼类资源的可能地点的数据带来了更好的捕捞量和利润。

由于水中的人类病原体,鱼类资源可能耗尽或者不适宜食用。水质监测可以发现病原体和污染源,为管理风险的政策提供信息。

气候:短期变化和预测的气候变化

 

海洋温度和洋流

Argo, Gliders, RAMA, TAO, CTDs, XBTs, 卫星

海洋表面温度和高度

海洋循环模式

洋流的强度和方向

更准确的天气预报、对可能的气候波动和变化的更好的理解。例如,TAO锚系浮标提供了关于海洋温度和表面风的数据,可以用于改善厄尔尼诺/南方涛动(ENSO)的预报,而且早期预警为太平洋岛屿的社区提供了在干旱等情况出现之前早作打算的机会(例如,通过调整种植农作物的时机)。

气候变化的影响

 

海平面高度、海洋酸化、海洋温度、洋流与循环

潮汐测量, Argo, RAMA, TAO, SOOPS, CTDs, XBTs, 卫星

海洋表面温度、海洋循环模式、洋流的强度与方向、海平面高度、酸化程度

改善的气候变化影响预报以及对适应的规划。例如,关于海平面随时间推移变化的趋势的信息指导着沿海定居点的建设。这在较低的珊瑚岛特别有用。

洪水和风暴潮(由热带气旋和风暴产生)

 

海洋温度、洋流

海平面(波浪和潮汐高度)

Argo, Gliders, RAMA, TAO, CTDs, 潮汐测量, XBTs, 卫星

海上和沿海的浪高

预测的沿海泛滥区和风暴潮区

预测的降雨以及容易遭河流或河口洪水的地区

 对热带气旋、季风和风暴的发生时机、强度和路径的改善的预报——以及它们的影响,诸如风暴潮。这种信息为陆地上的和海上的社区提供了早期预警,让他们能够减少生命财产的损失。

海啸

 

海平面(浪高和潮汐高度)

海啸测量浮标、验潮仪、地震仪

预测的沿海海啸波浪高度、位置、冲击力以及时机

预测的水淹没陆地

这些预测是让地方沿海人口(或准备出海的船)搬迁到内陆或者更高的地方的早期预警系统的一部分。

促进生态系统健康的水质

 

温度、盐度、浮游生物、珊瑚礁健康(白化)、酸化

Argo, Gliders, CTDs, XBTs, 连续浮游生物记录仪,单独的监测浮标,卫星

可见区域以及预测的白化(与更温暖的水温有关)

污染源的存在

氧和富营养化水平

监测沿海地区(例如珊瑚礁生态系统)的水质有助于保护生物多样性、食物来源和旅游业。

更温暖的沿海水温可能导致珊瑚礁的白化;

污染、酸化和水化学成分的变化可能破坏珊瑚礁及其经济潜力。

水质监测有助于地方当局发现问题、促进自然保护和保护措施并设置规定从而在更长的时期控制污染源。

促进公共卫生的水质

 

温度、盐度、水传播病原体(例如大肠杆菌)

CTDs, XBTs, 单独的监测浮标

水温表明了细菌生长的最优条件

人类病原体或污染源的存在

病原体含量高的水的泛滥和运动(或静止)模式

这些数据能发出水质不良的警告;帮助发现水不适合人类使用的区域;并且能让管理机构有效管理水质。

海洋技术的定义

Argo:(见框3)

AUVs:自主水下航行器在本质上是遥控的机器人,可以专门满足用户的要求。对于海洋科学用途,它们可能含有诸如探测深度的传感器和声纳,用于在水中航行时记录海洋状况。Argo的漂浮装置和水下滑翔机是AUVs的例子。[10]

连续浮游生物记录仪:这是一种在不同的海洋深度测量浮游植物和浮游动物的监测项目。浮游生物对变化的海洋环境敏感,因此指示了环境变化或食物源的变化。[11]

CTDs:"电导、温度和深度传感器"记录海洋水的物理属性,诸如温度、盐度和密度。数据收集之后实时传输回了中心区域(例如船上或陆地上)。在传统上,一个CTD仪器能从船上放到水下至多2000米的地方,停留2-5个小时。最近,CTDs已经用于了自治监测设备(诸如Argo漂浮装置),在那里,观测数据通过卫星传回了陆地上的中央数据库。其他仪器也可以安装在CTD上从而测量额外的参数;例如,氧传感器可以测量水的溶解氧含量。[12]

Glider(水下滑翔机):这是一种自主水下航行器(AUV)[见上方定义],它是由一种可变的浮力系统驱动的,而不是用传统的螺旋桨驱动。[10]

单独监测浮标:它们是专门用于监测必需的数据——通常是在水下和水面监测。它们常常包括了测量风速风向、空气和海洋温度以及叶绿素浓度的仪器。[13]

RAMA——非洲-亚洲-澳大利亚季风分析与预测科研用锚系阵列:这是一个促进季风预报与研究的锚系浮标阵列,设置在了历史上就缺少数据的印度洋。[14]

卫星:卫星能对某些海洋状况进行全球观测。一个例子是JASON卫星能够测准确地测量海平面的高度,这能让海洋科学家计算洋流的方向和速度,并最终改善对天气和气候条件的理解。[12]

SOOP:机遇之船(Ships of Opportunity)是一个让商船、货船或小型船只在海上执行其核心任务的时候自愿获取海洋学数据的项目。SOOPs可能携带了诸如CTDs、XBTs和浮游生物连续记录仪等仪器。收集的数据通常是通过GOOS供大众免费使用的。[15]

TAO/TRITON——热带大气海洋项目:自从20世纪90年代以来,大约70个放置在太平洋热带地区的锚系海洋浮标提供了实时海洋学和气象学数据,它们通过Argos卫星系统传送到了陆地上。[16]

验潮仪:通常放置在海岸的这些装置可以探测海岸海水最高位相对于陆地上的标准水平位置(基准面)的变化。在过去的一个世纪的大部分时间里,全球海洋高度的变化已经通过验潮仪进行了测量。[17]

海啸探测浮标:这是一种能够探测深海的海洋高度变化(以毫米计)的深海压力传感器——因此也就能探测到远离海岸产生的海啸波的存在。它是海啸早期预警系统的一部分。[18]

XBTs:可扩展深海温度计,它能让海洋科学家通常在24小时内记录至多1500米的海洋深处的海洋温度。它们类似于CTDs,通常是在船的一侧放下的。温度数据是通过电缆传回船上的。

全球观测

全球海洋观测系统(GOOS)是一个由联合国教科文组织政府间海洋学委员会(IOC)领导的国际项目。它是一个有协调的框架,用于指导全世界各国建立永久性海洋观测平台,诸如验潮仪和海洋浮标,它们收集尽可能多的地区的海洋数据。

区域联盟帮助部署这些系统。例如,印度洋GOOS是由印度洋地区的10个国家的海洋和气候科学家以及政府官员组成的。他们合作收集该地区的海洋数据,然后把它们储存在中央数据库中,让所有人都能免费获取。

Satellite image cyclone

Ocean data feed into cyclone forecasting models

Flickr/ NASA Goddard Photo and Video

作为其服务的一部分,GOOS常常把原始数据处理成信息产品,然后提供给全世界的国家——例如,印度洋的海洋表面温度模型可以帮助优化热带气旋的预报。而南太平洋沿海海平面变化的多年趋势可以帮助发现需要紧急的沿海适应策略的太平洋岛国。

原始数据和这些产品都能为环境决策提供信息。它们还能用于发现各国需要在监测海洋或如何使用收集到的数据方面需要能力建设的地方。而且它们还可以发现新的研究领域。

3 自动化海洋浮标——Argo项目

Argo项目是GOOS的主要海洋观测平台之一。它是一个收集数据的先驱举措,诸如收集海洋上层(从海平面到2000米深处)的盐度和温度数据。一个监测设备的全球阵列——或者称为Argo漂浮装置——负责收集数据。自从2000年以来,已经部署了3400多个漂浮装置。

Argo的数据让科学家能够描述海洋上层以及包括热储存在内的海洋气候变化的模式。它们与其他海洋学数据组合起来还能充当海洋以及海洋大气耦合预报模型的起始点,因此就可以做出从季节气候变化到10年气候变化的更准确的预测。

例如,Argo数据已经被用于帮助优化对厄尔尼诺和拉尼娜事件以及它们对太平洋地区的小岛发展中国家社区的影响的预报。更准确的预报和理解让岛屿社区能够更好地对直接破坏他们的渔业和农业的气候状况以及热带气旋等自然灾害做好准备。

作为GOOS对各国服务的一部分,所有的Argo数据都非常迅速地公开发布("接近于实时"),在收集后的6个月以质量控制格式发布。



海洋生物地理信息系统(OBIS)是一个更晚近的GOOS项目,启动它专门是为了收集关于海洋的化学和生物学的信息。这些数据然后与海洋物理数据整合起来,而一个互动界面能让用户探索海洋物种如何使用海洋。OBIS最初是海洋生物普查(CoML)的一部分。这是一个收集关于全世界海洋的海洋生物——从最大的生物到最小的微生物——的多样性、分布和丰富程度的一个为期10年的项目。总共有3.8万个海洋物种被纳入其中,其中有1600多种生物是在2000年到2010年间被发现的。超过500种新物种正在等待鉴别。[1]

在1992年的地球峰会之后同样建立起来的是全球气候观测系统(GCOS),它把重点放在了收集全世界的气候数据,而且也收集与GOOS的海洋观测密切相关的联系,从而为气候预报和服务提供信息。海洋学与海洋气象学联合技术委员会(JCOMM)帮助收集、处理然后提供来自GCOS和GOOS的海洋和气候数据。

更多的工作尚待完成

在GOOS建立的20年后,海洋的大部分仍然没有得到探索,而且许多海洋特征仍然是未知的。有限的信息可能导致不良的决定,限制了国家在不破坏海洋环境以及当地人口健康的情况下进行发展的能力,让贫穷的循环继续下去。

发展中地区特别是小岛发展中国家面临着在较长的时期建立、收集和处理海洋观测数 据的巨大挑战。通常,小岛发展中国家(例如斐济群岛、毛里求斯)和发展中沿海国家(例如孟加拉国和泰国)购买设备、建立监测和维修被风暴或海盗破坏的设备 的资金和人力资源有限。储存、获取和处理现有的数据——或者设计新的监测技术——的技术和人力能力常常是有限的。近来在海洋科学技术领域的进展——诸如遥 控水下航行器——经常是由发达国家使用、用来造福发达国家的。

在国家层面上的良好治理以及来自发达国家的资金和技术能力的支持对于收集海洋数据方面的即便最平庸的进步也是至关重要的。 GOOS和OBIS再加上区域联盟,已经为发达国家和发展中国家合作收集和使用数据设立了一个良好的先例。但是仍然有更多的工作有待完成。

聚焦太平洋

2010年由太平洋地区环境项目秘书处撰写的《太平洋岛屿地区海洋生物多样性状态展望报告》明确表明了关于鱼类资源、营养物含量以及水温等等方面的信息不足。[6]该地区的政府面临着做出知情的促进可持续发展的海洋管理和政策决定的巨大挑战。这种挑战对于处在一个庞大的海洋的隔离区域的小岛发展中国家最为巨大——其中大多数是太平洋岛屿。没有长期的监测,他们就无法发现随着时间推移出现的环境变化。

澳大利亚和美国政府已经通过它们对建立太平洋岛屿的GOOS的贡献而提供了帮助,GOOS正在太平洋岛屿地区建立一个有协调的海洋观测平台。除了监测海洋和海岸参数,PI-GOOS还帮助训练太平洋岛国的人员。通过这些机会,他们学习了更多的关于海洋如何影响可持续发展的知识、用于地方和偏远地区的适宜的监测技术,以及如何处理数据从而用于为可持续海洋管理提供信息。

PI-GOOS提供信息技术设备并开设培训研讨班。例如,太平洋岛屿海洋数据训练研讨班于2008年在斐济举行,它把太平洋岛屿的渔业、环境、气象和气候部门的专业人士集合起来学习已有的和正在从他们所在的地区的海洋和海岸观测平台产生的海洋数据。

Argo对开发一种海洋和气候科学课程(SEREAD)的贡献也来自PI-GOOS。这个项目教给年轻人海洋和大气如何影响他们所在地区的可持续发展,并且提高保护海洋环境和可持续地使用海洋资源的意识。它使用与热带太平洋岛屿环境直接相关的教育材料。

还有其他的机会。全球海洋观测国际伙伴关系(POGO)已经和海洋研究科学委员会(SCOR)联合起来提供奖学金,让发展中国家(不仅仅是太平洋地区)刚刚参加工作的科学家、技术员或研究生访问发达国家的一个海洋学机构最多3个月,接受关于海洋学观测、分析和解释的某个特定方面的训练。

展望Rio+20会议

这些建设能力的活动仅仅是来自地球峰会以及GOOS的发展的承诺如何改善了促进可持续发展的海洋知识的一部分例子。

尽管近来在海洋观测和监测方面采取了一些措施,2012年联合国可持续发展大会(Rio+20)——这是在1992年于里约热内卢举行的首届地球峰会的20年后——见到了地球的生态系统被推到了悬崖边缘。

Commercial fishing boat, Pacific Ocean

Rio +20 will focus on ocean management issues such as overfishing

Flickr/ Buzz Hoffman

"蓝色经济"和海洋问题将是Rio+20会议的一个焦点议题,其他焦点议题还包括海洋管理问题,如气候变化、海洋酸化、海洋生物多样性流失、过度捕鱼和污染(见框4)。此次会议是回顾海洋监测和GOOS的承诺的进展并且设置未来20年的监测、管理和可持续发展的议程的一个理想的机遇。

挑战在于为发达国家和发展中国家设计出实践行动,解决此前承诺的鸿沟和限制 以及新兴挑战。由于几个原因。进展缓慢,这包括相互冲突的政治优先事项和制度能力的不足。其他的障碍,特别是发展中国家面临的障碍,包括人力、财政、技术 和教育能力的严重限制。正如此次里约热内卢会议的一份蓝图预备文件指出的,存在这样一种观念,即全面部署海洋监测和管理措施将意味着对可持续性的其他支柱 的折中和削减(见框4)。[5]

发达国家将需要身先士卒,并且分享新的技术从而帮助较不发达国家实现整合海洋与生态系统管理的目标。实践行动需要得到强有力的联合承诺的支持,从而支持海洋观测。这对于知情的可持续发展政策是必要的,特别是对于"蓝色经济"而言。良好的海洋治理和促进可持续发展的决策需要及时而准确的海洋数据。

4 Rio+20会议——海洋与沿海可持续性的蓝图

自从1992年的首届地球峰会以来,全世界已经在海洋和海岸管理问题上取得了相当大的进步。

  • 如今建立了将近2/3的GOOS。
  • 基于生态系统的整合海岸与海洋管理已经凭借大型海洋生态系统项目取得了进展,而建立在水产渔业管理基础上的生态系统指导方针已经制定了出来。
  • 由联合国大会决定进行并且在2009年发布的"评估的评估"提供了报告和评估海洋环境状况的一个新程序。
  • 新的协议已经建立起来从而保护受威胁的鱼类资源(包括通过区域渔业管理组织)。
  • 大量投资已经增加了小岛发展中国家的能力建设项目。
  • 几个新的国际条约已经建立起来,从而帮助保护海洋环境,例如保护海洋环境不受国际航运的破坏。

然而,《海洋与沿海可持续性的蓝图》[6]提醒我们,只有稍微超过1%的海洋受到了保护。特别是在实现如下承诺方面的进展缓慢,这些承诺是:让鱼类资源恢复到可持续的水平;减少陆地来源的海洋污染;减少水生生物的入侵和缺氧(死亡)区;减少海洋生物多样性的流失以及应对海岸栖息地退化的问题。

在过去20年出现的问题包括:

  • 营养物富集的增加导致了栖息地流失;
  • 缺乏基于海洋的可再生能源的利用;
  • 对珊瑚礁的威胁,特别是应对海洋酸化和变暖而造成的威胁;
  • 海洋漂浮物的增加(特别是塑料),以及
  • 国与国之间缺乏系统化的海洋数据的交换。

这描绘了一幅暗淡的图景,即人类的影响增加了食品保障问题的风险(特别是在渔业和水产业领域)。

2012年的Rio+20会议将成为全世界走到一起研究出通过更好的海洋数据收集、国与国的合作、改善的法律框架以及改善的能力建设从而实现承诺的现实方法的一个机会。但是用于帮助各国转向"蓝绿经济"的拟议中的目标需要把相互联系的物理、行为和制度变革结合起来。各国迫切需要为了成功的结果而进行合作。

Sarah Grimes是设在澳大利亚的联合国教科文组织政府间海洋学委员会(IOC)的Perth区域项目办公室的项目经理。她对太平洋和印度洋的全球海洋观测系统(GOOS)的活动有贡献。

本文是关于促进可持续发展的海洋科学专题聚焦的一部分。

References

[1] Ausubel, J. et al (eds.) First Census of Marine Life 2010: Highlights of a Decade of Discovery (Census of Marine Life Secretariat, 2010)
[2] Bernal, P. For the ocean. In: Holland, G. and Pugh, D. (eds.) Troubled Waters: Ocean Science and Governance (Cambridge University Press, 2010)
[3] Holland, G. and Pugh, D. (eds.) Troubled Waters: Ocean Science and Governance (Cambridge University Press, 2010)

[4] Hot, Sour and Breathless – Ocean under stress: How is the biggest ecosystem on Earth faring in the lead up to Rio+20  [810kB]. (2011)
[5] IOC/UNESCO, et al. A Blueprint for Ocean and Coastal Sustainability [2.24MB]. (IOC/UNESCO, 2011)
[6] Kinch, J. et al. Outlook Report on the State of the Marine Biodiversity in the Pacific Islands Region. (SPREP, 2010)
[7] Kullenberg, G. Ocean Science:An Overview.In: Holland, G. and Pugh, D. (eds.) Troubled Waters: Ocean Science and Governance (Cambridge University Press, 2010)
[8] UNEP. Towards a Green Economy: Pathways to sustainable development and poverty eradication — a synthesis for policy makers [3.08MB] . (UNEP, 2011)
[9] Oceans could be 150% more acidic by 2100 (RTCC, 2012)
[10] Autonomous Underwater Vehicles (Woods Hole Oceanographic Institution, 2012)
[11] The CPR Survey (SAHFOS, 2010)
[12] Ocean Instruments(Woods Hole Oceanographic Institution, 2012)
[13] Water Buoy Monitoring Systems (FONDRIEST Environmental, 2011)
[14] McPhaden, M. et al.RAMA –
The Research Moored Array for the African-Asian-Australian Monsoon Analysis and Prediction. American Meteorological Society Journal 90, 459–480 (2009)
[15] Ship of Opportunity programme (JCOMMOPS, 2012)
[16] Tropical Atmosphere Ocean Project(PMEL, 2012)
[17] Tide Gauge Sea Level (Colorado University Sea Level Research Group, 2011)
[18] IOC/UNESCO and WMO Data Buoy Co-operation Panel International Tsunameter Partnership: Ocean Data Buoy Vandalism — Incidence, Impact and Responses [1.92MB] (2011)
[19] Upper Ocean Thermal Centre(NOAA, 2012)
[20] The Argo Programme (Argo, 2012)