【战略前沿】海洋变化:海洋科学2015-2025年十年调查(摘要)
来源: http://www.nap.edu/catalog/21655/sea-change-2015-2025-decadal-survey-of-ocean-sciences
被阅读 2104 次
2015-10-16

新的观测与计算技术正在使科学家研究全球海洋的能力向更综合和动态的途径转型。这种转型增进对海洋的了解,对我们这个以经济和地缘政治连接的世界变得越来越重要,能够使我们对至关重要的海洋政策问题做出明智决策。

在美国,美国国家科学基金会(NSF)是开展增进我们对海洋了解基础研究的主要资助方。这项研究展示了NSF开展此项战略投资的必要性,以确保在未来10年有一个健壮的海洋科学事业。

海洋研究的科学进展

海洋科学界承担了探索海洋领域的挑战,在过去几十年中,对海洋物理学、生物学和化学,以及对海底表层和其下面的地质学和地球物理学等方面的认识得到了显著增加。随着海洋科学家迅速采用、开发和使用新的计算与建模能力、机器人技术和创新技术比如基因组学等,技术进步促进了知识增长。卫星和自主传感器系统在前所未有的时空尺度上揭示了一个动态的全球海洋系统;化学家检测到海洋PH值的显著下降,生物学家研究了这种海洋化学变化对海洋物种和生态系统的影响。地质学家们记录了深海海底的火山喷发,发现了海底深处的微生物群落。此外,海洋研究提高了对全球气候变化的科学认识,这是21世纪的决定性议题之一。

这些令人振奋的海洋科学进展的成就归功于一揽子的组合基金投资,用于开发新技术,海洋基础设施诸如船、滑翔机、潜水艇,原位及遥感观测系统,以及其他设施诸如海洋实验室、信息基础设施和样品与数据仓储等方面的研究以及其他开发及应用。此外,由那些打破传统学科界限,把科学家从许多领域、联邦机构以及其他国家凝聚到一起的项目带来了实质性的进展。此类项目已增进对全球海洋的洞察了解,并且为政策制定者、私营部门和一般公众提供了海洋作为一种资源在未来的机遇和限制信息。

国家科学基金会海洋科学

尽管许多其他联邦机构也资助海洋科学与技术,NSF海洋科学处(OCE)提供了最广泛的支持基础,包括物理、生物、海洋化学、海洋地质学与地球物理学等的研究经费,并对海洋研究基础设的开发、实施与运维提供支持。在NSF内部,OCE涵盖了多样化兴趣与活动的广泛组合。随着海洋研究机构的运维成本不断增加,尤其是贯穿国际海洋发现计划(IODP [2013-2018])以及海洋观测计划(OOI)推出的学术研究舰队、科学大洋钻探等,管理这个事业单位已经越来越具有挑战性。过去10年,即使NSF OCE的总预算下降10%以上,基础设施的支出仍在上升(约为18%,2014美元)。预计NSF在不久将来不会显着增加预算,战略决策必须确保关键项目内容能够支持海洋科学界整体健康的维护。

传统上,NSF向科学界寻求对长期研究重点及战略方面的建议,以便优化科学投资。一个10年期的调查过程,包括确立研究重点,并为实现这些研究重点确定必要的投资,已经在多个学科和科研机构中用于发展基于科学领域的计划。2013年,OCE要求国家研究委员会(NRC)海洋研究委员会开展一次10年期海洋科学调查,得到海洋科学界对未来10年研究和设施的重点方面提供指导。OCE要求这些指导意见考虑在当前预算持平或下降趋势导致资金限制的背景下,解决海洋科学领域的研究重点。投资研究组合包括基础设施、个人科研为基础的科学、多人参加的大型研究计划以及跨局开展的项目,像NSF的科学、工程和可持续发展教育局。研究委员会被要求把NSF的海洋科学活动放到由其他联邦海洋机构开展的活动背景下。委员会还审查了推进海洋科学方面的国际合作与协作。

未来10年海洋研究优先科学问题和基础设施

优先科学问题的选择

委员会被要求选择不超过10项海洋科学优先事项,目标是在未来的10年(2015-2025)中, “确定高回报潜力的战略投资领域”。NSF、海洋研究委员会以及该委员会在鉴别优先事项过程中,将科学界参与视为一个根本元素。为鼓励参与,委员会在2013美国地球物理联盟秋季会议(加利福尼亚,旧金山)以及2014海洋科学会议(夏威夷,檀香山)上召开了会议厅开放大会。此外,该委员会通过基于网络的虚拟市政厅会议公开征求意见,自2013年11月到2014年3月间收集了超过400条反馈。科学界的反馈还补充了在超过30个报告及出版物中确立的研究主题、来自学术界和政府机构科学家的演示文稿、相关机构的快讯以及与同行的讨论等。此外,委员会还积极寻求早期职业科学家的意见,他们的未来将受到10年后决策的影响。

委员会投入主要精力把聚集在这些资源中的许多主题凝练为10项或更少的优先事项。这一过程开始把输入分成多元化、高水平、多学科以及跨学科的科学问题等3大类。然后,把类似的问题聚集产生高层次的科学问题,这一归类过程应用了4个标准――变革性的研究潜力、社会影响、就绪状况以及与伙伴关系的潜力――按相对重要性排序。这些标准来自以前与海洋科学研究重点相关的NRC和跨部门报告,还来自NSF项目经理的建议。

这个过程提炼出8个优先级的科学问题,每个科学问题代表一个综合性和战略性研究领域。这些问题涉及的主题适合于OCE核心计划、NSF交叉前沿计划,或与其他联邦机构或国际计划合作。8项优先事项概要如下,按海面、通过水体、到达海底排序:

 

  • 海平面变化的速率、机理、影响和地理差异是什么?

 

  • 全球水循环、土地使用、深海上升流如何影响沿海及河口海域及其生态系统?

 

  • 海洋生物地球化学和物理过程如何作用于当今的气候及其变异?整个系统在下个世纪会有怎样的变化?

 

  • 生物多样性对海洋生态系统恢复力的作用是什么?自然和人类造成的变化会对此产生什么影响?

 

  • 海洋食物网到本世纪中叶会变成怎样?100年后呢?

 

  • 海洋盆地形成和演进过程是由什么过程控制的?

 

  • 怎样更好的表征风险并改进地质灾害如大型地震、海啸、海底滑坡、火山爆发等的预报能力?

 

  • 海床下环境的地质物理、化学以及生物特征是什么?它们如何影响全球物质循环?怎样通过它们来了解生命起源以及进化?

每一个这些高水平问题都包含了本报告中有更为详细描述的许多子主题。大多数问题需要在OCE管理的海洋科学各分支学科间、地球科学局内以及跨局科学领域开展交叉研究。由于跨海洋科学分支学科开展交叉研究对实现许多10年优先事项都十分必要,海洋科学界在开展跨学科研究的资助方面不会遇到或体验到障碍显得尤其重要。

OCE核心计划将有可能解决上述科学优先事项的许多方面问题,但委员会认识到,把核心计划束缚在仅资助与这些优先事项直接相关的议题,效果将会适得其反。为了推进海洋科学与技术,核心计划需要高度的灵活性资助基础研究和有前途的新思路与方法,响应可以为了解关键现象带来机会的小概率事件,吸收来自其他科技领域的最新进展,并鼓励对下一代科学家的培养与职业发展。

由于这8个优先问题与社会问题有广泛的相关性,其他联邦政府机构可能也会有兴趣投入资源来解决这些研究主题。美国基础研究与任务机构间的合作,利用技能互补、资源和组织机构专业知识等优势,可以同时促进研究进展以及向产品商业化转化。工业界、基金会、国际组织和非政府组织也可以参与,由于其全球影响力,可以协助解决这些问题。

优先科学问题和基础设施联盟

本报告确定优先事项的目的之一是确保未来10年最重要的海洋科学主题与NSF在海洋研究基础设施的投资一致性。委员会评估了NSF资助的海洋研究基础设施当前投资组合与10年优先事项在多大程度上相匹配,并且聚焦于3大基础设施资产――学术研究舰队、IODP以及OOI――其预算汇总起来超过OCE预算总额的50%以上并超过基础设施预算的90%以上。此外,委员会评估了OCE资助的几个较小设施和计划,比如国家深潜设施(NDSF)和野外台站。

委员会确定了基础设施与每项10年科学优先问题间联系的类别。关键是考虑假如没有某些基础设施资产,特定的科学优先问题就不能得到有效解决;以及一些重要的基础设施虽然有用,但对于解决特定的科学优先问题不是必不可少的。

学术研究舰队

当前基础设施和10年科学优先事项之间最强的衔接就是学术研究舰队。考察船,特别是全球级船舶,支持广泛海洋学研究活动,对实现所有科学优先事项必不可少。全球级船舶拥有更大的甲板载荷、靠泊能力以及海况能力,这些对所有确定的科学优先事项中开展多学科研究、多种类调查非常关键和重要的。区域级船舶对沿海环境相关的社会问题非常有益,对诸如海平面上升和海洋生态系统的生物多样性等问题很关键,也很重要。需要配备高科技装备的破冰船回答一些与了解气候变化、海-冰相互作用以及极地海洋食物网等相关的问题。

NSF目前正在考虑新购最多3艘新区域级考查船(RCRVs)。根据当前计划,新船RCRVs的长度和靠泊能力相当于大型中等船舶,预计其日租费用比准备替换掉的区域级船舶贵很多。如此扩张容量与成本,加上考虑到RCRV的区域级别所受的地理范围以及海上作业日期的限制,带来了当前设计与估算的RCRVs日租费用是否适合预期未来使用的问题。

科学大洋钻探

基于委员会的分析,科学大洋钻探设备与核心样品分析对10年科学优先事项相关的海床底勘探、地质灾害以及海洋盆地的形成与演化等研究至关重要。它们对气候和海平面变异的问题也很重要。通过建立长期的国际伙伴关系,科学大洋钻探也被证明是一种有效的科学外交手段。

NSF对一项大洋钻探计划提供超过45年的资助,并作为IODP(2013年-2018年)的一部分,目前提供了JOIDES Resolution号钻探船的大部分费用。虽然科学大洋钻探是“基础设施-沉重”的活动,需要很高的资金比例开展相关研究,但是,IODP近年来采取了许多节约成本的方法来降低运营成本并提高效率。然而,与其他合作开展大洋钻探业务的国家相比,美国仍然承担了较重的财务负担用于支付科学大洋钻探设施和运营。此外,国际社会作为一个整体,在科学大洋钻探设施方面表现的过度扩张。NSF能够与IODP财团重新协商其贡献,并强烈敦促采取更有效的伙伴关系。如果无法找到额外收入,预算解决方案可能包括减少团队成员负责运行的平台总数,使剩余设施得到更有效利用。NSF计划在未来5年内向IODP(2013-2018)提供总共2.5亿美元的资助,每年为JOIDES Resolution号提供4次出海费用。

海洋观测计划

不同的OOI组成部分——全球系泊设备、沿海阵列和区域有线观测站——与科学优先事项并不都在同一水平上相符合。沿海阵列对海平面上升、海岸演变和气候变异很重要;全球系泊设备对气候变异很重要;区域有线观测站对固体地球和海床底生物圈问题很重要。由于OOI尚未开始全面运行,它既缺乏强大的用户社区,也没有产生研究成果。因此,委员会认为对此设施的潜在成功、失败或进行转型性研究的可能性发表结论还为时尚早。然而,来自虚拟市政厅的评论和来自刚步入职业的和已建立职业生涯的科学家们额外的讨论,都指出建设过程中明显缺乏科学监管,加剧了该倡议缺乏广泛的社会支持的问题。OOI是一个昂贵的新基础设施,估计未来5年,运营成本每年至少5500万到5900万美元。

过程修正

NSF要求委员会“推荐优化投资策略,推进科研中最关键的和/或创造机会领域的知识,同时也继续支持核心学科科学与基础设施”,并提供“在当前经费水平上可实现的最有效投资组合的指导意见,对基础设施研究和纲领性科学都提供支持,以解决最重要的优先事项。”

在实施这一这项任务时,委员会首先制定了未来10年中开发海洋科学的愿景:

海洋科学界将开展研究并从事探索工作,推进我们对海洋、海底、海岸以及它们生态系统的了解;促进海洋管理工作;减少海洋灾害对社会产生的脆弱性;鼓励并发展学科整合。多样化和有才华的研究者社区将开发新技术,以创新和具有效益的方式研究海洋,创立创新性的教育计划吸引和激励下一代。建立跨资助机构、国家边界和私营部门合作伙伴关系,为国家在海洋科学方面的投资提供最大价值。

在这一远景指引下,委员会考虑了在海洋科学基金和研究基础设施方面的平衡。自1970以来,OCE的总预算已得到大约300万美元的年均增长率(2014美元),视消费能力情况不时出现激增或收缩。在过去10年里,OCE的预算已经减少了超过10%(按通胀调整,见图S-1)。预算增加时,OCE能够启动新技术并维持研究设施,另外,利用新能力维持多样化研究组合。

自2000以来,经费已经从核心研究计划的投资转移到基础设施的运行和维护成本中(见图S-1)。在过去4年里(2014-2011),整体预算并没有增长;因此,基础设施成本(约18%,2014美元)的持续增加导致可用于核心研究计划的资金大量下降(约25%,2014美元),导致支持研究者项目建议书的经费减少。OCE内部技术发展的主要支持来源,尤其是海洋技术和跨学科的协作(OTIC)的经费,已经被这种下降趋势带来严重打击。

由于委员会被要求假设OCE预算在未来10年不会显著增长,而且给定成本通货膨胀率将维持近期的历史水平(每年约2%),为核心科学和OTIC重新获得资助的唯一方法就是减少用于基础设施的经费。这种减少很不容易,将会导致部分海洋科学界的研究中断。然而,恢复核心科学预算和谨慎投资于新技术方面将促进上文提到的愿景――多样化科学家的海洋科学界能够开展研究并从事探索工作,推进海洋科学。在未来5年中,目标是实施必要的纲领性转变,为在10年过程的下半个5年全面实施愿景做好准备。

建议1:为维持一个强健的海洋科学界,维持核心研究计划和基础设施间投资平衡的整体财政规划是必要的。在预算持平或下降期间,要维持对核心研究计划的坚定关注,不应使基础设施的支出上涨牺牲核心研究计划。

委员会确定了两种模式以达到平衡:(1)保持基础设施成本占总预算的固定比率;以及(2)为核心科学保持一致的长期经费轨迹。这两种方法的适用性取决于财政前景。在预算持平或下降期间,以固定比例为目标引导支出,将确保某部分的预算不会通过损害其它部分而增加。在预算增加时,为核心科学保持一致的长期经费轨迹,而不是固定比例,可提供更好的办法来达到平衡。这种方法适用于调整的预算部分专注于基础设施成本,在使用现有基础设施资产期间以反映短期需求或长期变化,也开发新的技术和设施。

 

图S-1:自2000年来,NSF在核心海洋科学投资(蓝色)和基础设施投资(橙色),以当前美元(a)和2014年通货膨胀调整美元(b)所示。OCE的资金总额显示为绿色。2015-2019财年(浅色)的预测值基于OCE提供的以下假设――未来预算总额在没有增加通胀以及学术研究舰队、IODP、OOI的运行与维护费用保持不变的条件下持平。OCE定义“基础设施”为学术研究舰队、OOI、IODP、野外台站和海洋实验室、加速器质谱仪设施以及其他较小的综合设施等。核心计划的设施包含在核心科学内,而不在基础设施内。数据来自NSF,2014年12月。

委员会制订了一项战略以促进OCE未来10年的预算平衡。在这些预算不宽裕的时期,若要恢复核心科学基金,当务之急是要扭转基础设施经费增长以损害OCE核心科学项目经费预算为代价的趋势。假设OCE在未来10年内预算持平,为达到此目标,需要将约20%(约4千万美元,2014美元)的基础设施运行与维护(O&M)费转移到核心科学(包括OTIC)的预算中。这将使核心科学经费回到约2011年的预算水平,也就是核心科学基金开始减少的前一年(见图S-1)。

建议2:在未来5年,OCE应努力减少其主要基础设施(OOIIODP以及学术研究舰队)的O&M成本,并恢复核心科学和OTIC经费资助水平。如果预算持平或仅有通货膨胀率水平的增加,OCE应调整其重大基础设施计划,使之不超过年度计划预算总额的4050%

建议3:要执行建议2OCE应立即开始在明年预算中减少重大基础设施经费的10%,其次是在接下来的5年里再额外减少1020%。在未来5年里,节约的成本应以实现重大基础设施支出与核心科学基金再平衡为最终目标,直接用于加强核心科学计划,投资于技术开发、资助实质性合作伙伴关系以解决10年科学优先事项。

有几个选择可用于降低基础设施成本,同时维持研究能力。这些选项包括关闭部分实施(descoping)或终止某些活动、延长项目的时间范围、推迟新计划或已规划计划实施或设备启用、开始的新的或计划的程序或设施,并设法降低成本。通过对基础设施投资组合与科学优先事项连接、运营成本、可获得的效率以及社区支持的可能性等的比对分析,委员会确定,在OOI、IODP(2013-2018)和学术研究舰队之间缩减初始成本分配,应当加权。

建议4:重大基础设施立即开始缩减10%支出应当是分布式的,最大程度缩减OOI的经费,中等程度缩减IODP20132018),以及最小程度缩减学术研究舰队费用。

对重大基础设施立即开始缩减的一个建议权重是OOI按20%,IODP按10%,以及大学-国家级海洋学实验室系统的研究舰队按5%缩减。建议OOI缩减的最多的原因是由于其仅有较少部分与科学优先事项紧密连接,运行计划可根据实际预算适合的按比例缩减,以及OOI分散的组成部分结构,为保留那些与10年科学优先事项较为紧密相关的、以及与OCE广泛的研究目标更相符合的组成部分提供了灵活性。例如,OOI也许在4个全球性网站中集中关注其中的1-2个,以减少物流成本并展示概念验证。建议以中度权重缩减由NSF支持的IODP(2013-2018)部分,反映了IODP对半数以上的10年科学优先事项很重要或很关键。然而,JOIDES Resolution是一个昂贵的设施,而且其费用分担在参与团队内部没有平均分配。建议最小程度缩减成本的是学术研究舰队,因为基本上所有科学优先事项都需要船舶出海。即使适度的缩减也要提高效率,以降低当前舰队的成本,并防止整体O&M费用及未来船舶收购增加。

建议5:NSF应重新考虑当前的RCRV设计是否符合优先科学需求及其长期O&M费用是否有效益,并且应当计划建造不多于2艘RCRV。

未来决策规则

委员会设立了以下战略原则,指导在不确定预算环境中制定决策,其中何时结合开放沟通和一致行动将协助NSF维持平衡组合:

促进10年预算计划展望

当计算其他不可预见的支出风险时,10年预算规划展望可同时考虑通货膨胀和预期经营成本增加。

保持保守的基础设施投资策略

考虑到不确定的预算环境,谨慎地假设预算缩减是永久性的,增加是暂时的。控制基础设施总体成本的战略必须在添加任何新资产之前确定。在未来预算周期中,如果这些假设被证明过于保守的话,可以修正。

设定目标时的科学界参与

在开发战略目标和目的时让科学界参与,为确定优先事项以及行业的未来得到科学界支持奠定了广阔的基础。NSF地球科学咨询委员会(AC-GEO)可以起到更宽广的与科学界连接的作用。AC-GEO的介入可以增强支持必须由OCE坚持战略计划而作出的艰难决策。

尽管NSF承担了对各个项目的审查并建立了委员会指导OOI、IODP、舰队和NDSF,当前没有广泛监管OCE的主要基础设施的顾问机构,可以就涉及到科学优先事项的建设、维护、运行设施等方面提供建议。

建议6OOIIODP、学术舰队以及NDSF的计划审查应当定期(名义上是每35年进行,伴随着一次10年展望)开展,应考虑在较广泛的OCE预算环境范围中,而不是单独进行。如果资金不足,OCE应考虑重大收购的退出战略。OCE应定期寻求科学界意见,以协助确保基础设施投资与科学优先事项保持一致。

建议7OCE应当成立一个高级别基础设施监督委员会,评估OCE资助的基础设施和设备的整个资产组合,并建议修改提议。展望应该最少10年,应包括对建设、运行与维护、退役以及资本重组等整个生命周期的讨论。委员会成员应包括有长期预算与战略规划经验的专业人员。

海洋研究不可避免地会超越国界,有许多跨机构和国际合作机会。这种伙伴关系可以利用资源并取得最大进展,预计将为支持大型、多学科计划以解决复杂、高优先级的海洋科学问题发挥越来越重要的作用。

建议8:委员会鼓励OCE与其他联邦政府机关、国际计划以及其他行业共同扩展它的合作能力。这种合作伙伴关系可以同时把研究和基础设施投资的价值最大化,并可能有助于将主要海洋研究基础设施的成本分散到OCE以外。

尽管海洋科学界的贡献对于指导委员会的工作非常宝贵,结论代表了成员们的讨论意见,认识到解决当前预算问题将影响现有计划,了解任务难度及现实。委员会专注于海洋科学长期健康发展,目标是在OCE资金配置与投资组合之间恢复健康的平衡,同时保留基本要素以便在未来10年内支持该研究行业的发展。这些战略问题需要定期检查,持续修正必要的发展方向,引导海洋科学向一个充满活力的未来前进。

 

原文题目:Sea Change: 2015-2025 Decadal Survey of Ocean Sciences

 

(黄铭瑞、王化编译,殷永元审核)