2020年度中国十大海洋科技进展
2021-02-08 09:27:59
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2020年度中国十大海洋科技进展
中国海洋学会联合中国太平洋学会、中国海洋湖沼学会、学会评选出2020年度中国十大海洋科技进展。(排名不分先后)
1.海洋天然气水合物开采流固体产出调控机理研究取得突破
天然气水合物是一种潜力巨大的清洁能源，精准刻画储层传热传质机理是制约天然气水合物安全高效开采的前沿科学与技术难题。2020年，我国科研人员创建了天然气水合物储层渗流分形理论与出砂管控理论，揭示了制约海洋天然气水合物中长期开采的储层气-水-砂产出规律耦合机制，实现了海洋天然气水合物开采传热传质基础理论的重大突破，在国际Top期刊上发表学术论文10余篇。基础理论突破有效引导天然气水合物开采技术创新，形成了开采储层流固体产出精准调控技术，构建了集开采效率、环境效应、工程地质风险“三位一体”的天然气水合物绿色开采新方法体系，获得授权国际专利14项（其中美国专利5项）、国家发明专利18项。
2. 深海微生物驱动的碳氮循环耦合机制及通量
深海是有机碳再矿化和长期储碳的主要场所。迄今对深海系统物质与能量循环过程的机理和通量知之甚少。核心难题是海洋真光层沉降的有机质不能够满足深海微生物的碳和能量需求。这意味着有更多的能量来源和代谢模式还未识别到。该研究从深海微生物黑暗固碳和海洋动力过程导致的侧向输运供碳两个方面来解答这一问题。通过多学科交叉的海洋现场观测和模拟，结合生理学实验和深海稳态氮循环模型，揭示了两步硝化与固碳耦合机制，建立了碳氮耦合计量学关系，量化了硝化过程对深海生物圈及全球海洋碳循环的贡献和影响。首次定量了陆架侧向输运的颗粒物对深海碳需求的显著贡献，填补了边缘海深海碳供需不平衡的缺口。研究成果于2020年发表在PNAS和Geophysical Research Letters上。
3.科学家揭示下洋壳岩石中深部微生物生存策略
地球深部生命研究取得的重要进展之一是发现了海底洋壳生物圈。然而，目前的研究几乎全部集中于上洋壳表层玄武岩，对占洋壳体积近2/3的下洋壳中的深部生命活动的探索还处于空白状态。IODP 360航次对西南印度洋Atlantis Bank的下洋壳进行了钻探，获取了长度为800米的下洋壳辉长岩岩芯，并对栖息于此的微生物生命活动进行了研究。研究人员从这些岩石中检测到了完整的、具有生物活性、可进一步生长发育的微生物细胞。同时，基于转录组代谢途径的构建，发现这些微生物主要依赖于有机大分子再循环利用的异养方式生存，从而揭示了下洋壳岩石中深部微生物的生存策略。该研究证实了下洋壳深部生物圈的存在，拓展了生物圈在地球圈层分布的下限。研究成果于2020年发表在Nature上。
4. “奋斗者”号全海深载人潜水器成功完成万米海试
“奋斗者”号全海深载人潜水器是“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项的核心研制任务。在国家科技部的支持下，国内近百家科研院所、高校、企业近千名科研人员开展关键核心技术攻关、总体设计、集成建造和海上试验。自2020年7月起，“奋斗者”号先后赴南海、西太平洋马里亚纳海沟海域分阶段进行了海试验证，累计完成30次下潜，其中8次突破万米。11月10日8时12分，“奋斗者”号创造了10909米的中国载人深潜新纪录，标志着我国具备了全海深进入、探测和作业能力，在大深度载人深潜领域达到世界领先水平。
11月28日，在“奋斗者”号全海深载人潜水器成功完成万米海试并胜利返航之际，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平发来贺信，致以热烈的祝贺。“奋斗者”号研制及海试的成功，标志着我国具有了进入世界海洋最深处开展科学探索和研究的能力，体现了我国在海洋高技术领域的综合实力。
5. 我国首次利用水平井技术完成“可燃冰”试验性试采
2020年2月17日-3月18日，我国在水深1225米的南海神狐海域全球首次实现水平井钻采天然气水合物（俗称“可燃冰”），创造了“产气总量86.14万立方米、日均产气量2.87万立方米”两项新的世界纪录，实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越，在产业化进程中取得重大标志性成果，使我国在天然气水合物勘查开采领域的国际“领跑”优势地位进一步增强。本次试采攻克了深海浅软地层水平井钻采技术装备等世界性难题，自主研发了以水平井为核心的六大类32项关键技术，以深海井口吸力锚为代表的12项核心装备。创新形成了覆盖试采全过程的环境风险防控技术体系，建立了大气、水体、海底、井下“四位一体”环境监测体系，保障了天然气水合物绿色开采。
6. 海洋二号C卫星成功发射，实现海洋动力卫星双星组网运行
9月21日，我国在酒泉卫星发射中心成功发射海洋二号C卫星，实现了与海洋二号B卫星协同组网运行，大幅提高了海洋动力环境要素全球观测覆盖能力和时效性、对海洋强国建设、防灾减灾能力提升、开展海洋科学研究、解决全球变化等问题具有重要意义。
海洋二号C卫星采用66°倾角的非太阳同步轨道，与位于太阳同步轨道的海洋二号B卫星形成很好的互补观测能力，既可有效解决雷达高度计测高潮汐混频问题，也可实现微波散射计观测数据的可靠定标和高效检验。双星组网观测能够精准捕捉到我国周边海域的全部台风，卫星数据在海洋灾害预警监测、气象预报服务、大洋渔业资源开发、海上绿色能源开发以及海洋重大应急事件中均可发挥出重要作用。
7. 海域段高水压复杂地层地铁盾构隧道长距离连续掘进施工技术
青岛地铁8号线大洋站到青岛北站区间海域中盾构段长2.9公里（国内目前最长过海地铁隧道），穿越2条断裂带（分别长90米、613米），断裂带岩层破碎且部分连通海水，区间最大埋深约51米，岩层抗压强度57兆帕。项目部在海底长距离连续盾构施工，通过分析下穿海域地质及水文、泥浆流变性能、掘进对破碎带扰动机制及其失稳过程，开展了海域段高水压泥水盾构气压辅助快速安全掘进技术、长距离泥浆循环保障技术、高水压下盾构密封技术、海底高水压查换刀技术、海底盾构穿越破碎带稳定性技术等科研攻关，解决了海域段盾构施工中诸多难题，高效安全完成海域段长大隧道施工任务，创造了泥水盾构地铁过海隧道建设新纪录，同时为国家海域段更长更大隧道施工提供重要参考。
8.“海斗一号”填补我国万米作业型潜水器空白
2020年5月，“海斗一号”全海深水下机器人胜利挺进全球最深海区-马里亚纳海沟挑战者深渊，成功完成4次万米下潜和试验性应用，率先实现我国“十三五”全海深重大装备研制、海试和试验性应用，填补我国万米作业型潜水器空白，获取我国首批全海深重要数据和样品，构建我国首支万米装备的专业化研发、海试和应用团队。在国际上首次利用全海深电动机械手，完成万米海底样品抓取、沉积物取样、标志物布放和水样采集，取得多项具有重大影响力的科技创新成果，引领我国深渊装备体系和全海深潜水器技术的发展。“海斗一号”万米深潜成功，作为我国海洋技术领域的一个里程碑，标志着我国跨入全海深探测与作业的新时代，为我国海洋强国战略做出重大贡献。
9. “雪龙2”号首航南北极
“雪龙2”号是我国首艘自主建造的极地科考破冰船，也是全球首先采用船艏、船艉双向破冰技术的极地科考破冰船，能以2～3节的速度破1.5米冰外加20厘米积雪。 “雪龙2”号作为大国重器，极大增强了我国在极地海域综合调查的广度、时长和内容。习近平主席在新年贺词中把它与嫦娥登月和北斗组网相提并论，受到了国内和国际社会的广泛关注，是新形势下我国科技进步的象征，国际影响巨大。
2020年，“雪龙2”号首航南极，凭借强大的破冰和海洋综合调查能力，成功在认知最少的宇航员海完成了9个断面83个站位调查，初步掌握了该海域关键生物种群分布特征，发现了达恩利角冰间湖形成南极底层水并向西流动的证据。同年，“雪龙2”号首航北极，圆满完成中国第11次北极科学考察任务。获得了海冰密集区历时最长的连续数据、重点海域高分辨率浅地层剖面数据，首次开展了电视抓斗作业，并采集了18.65米长沉积物岩心，创造了我国北极考察新纪录。
10. 全球首款海底地形地貌与浅地层剖面一体化声学探测装备研制成功
海底地形地貌与浅地层剖面信息是海洋资源调查、海底环境监测与科学研究等军民领域不可或缺的重要信息。获取这些信息的传统作业模式是采用多种型号的声呐分别探测，这样不仅成本高、作业效率低，而且信息精确位置配准难，多源异步数据融合容易失效。2020年10月我国科技人员成功研制出一种集海底地形地貌与浅地层剖面探测三种功能于一体的高效精细海底声学探测装备，解决了海洋勘测领域这一迫切需要解决的重大技术难题，在海底地形地貌与浅地层剖面共点同步探测关键技术上取得重大进展，综合性能国际领先。这是我国海洋声学装备领域的又一重大突破，对促进我国水下声学探测技术进步与装备国产化作出了突出贡献，为我国海洋资源开发、环境保护和科学研究提供了新的技术保障。
中国海洋学会联合中国太平洋学会、中国海洋湖沼学会、学会评选出2020年度中国十大海洋科技进展。(排名不分先后)
1.海洋天然气水合物开采流固体产出调控机理研究取得突破
天然气水合物是一种潜力巨大的清洁能源，精准刻画储层传热传质机理是制约天然气水合物安全高效开采的前沿科学与技术难题。2020年，我国科研人员创建了天然气水合物储层渗流分形理论与出砂管控理论，揭示了制约海洋天然气水合物中长期开采的储层气-水-砂产出规律耦合机制，实现了海洋天然气水合物开采传热传质基础理论的重大突破，在国际Top期刊上发表学术论文10余篇。基础理论突破有效引导天然气水合物开采技术创新，形成了开采储层流固体产出精准调控技术，构建了集开采效率、环境效应、工程地质风险“三位一体”的天然气水合物绿色开采新方法体系，获得授权国际专利14项（其中美国专利5项）、国家发明专利18项。
2. 深海微生物驱动的碳氮循环耦合机制及通量
深海是有机碳再矿化和长期储碳的主要场所。迄今对深海系统物质与能量循环过程的机理和通量知之甚少。核心难题是海洋真光层沉降的有机质不能够满足深海微生物的碳和能量需求。这意味着有更多的能量来源和代谢模式还未识别到。该研究从深海微生物黑暗固碳和海洋动力过程导致的侧向输运供碳两个方面来解答这一问题。通过多学科交叉的海洋现场观测和模拟，结合生理学实验和深海稳态氮循环模型，揭示了两步硝化与固碳耦合机制，建立了碳氮耦合计量学关系，量化了硝化过程对深海生物圈及全球海洋碳循环的贡献和影响。首次定量了陆架侧向输运的颗粒物对深海碳需求的显著贡献，填补了边缘海深海碳供需不平衡的缺口。研究成果于2020年发表在PNAS和Geophysical Research Letters上。
3.科学家揭示下洋壳岩石中深部微生物生存策略
地球深部生命研究取得的重要进展之一是发现了海底洋壳生物圈。然而，目前的研究几乎全部集中于上洋壳表层玄武岩，对占洋壳体积近2/3的下洋壳中的深部生命活动的探索还处于空白状态。IODP 360航次对西南印度洋Atlantis Bank的下洋壳进行了钻探，获取了长度为800米的下洋壳辉长岩岩芯，并对栖息于此的微生物生命活动进行了研究。研究人员从这些岩石中检测到了完整的、具有生物活性、可进一步生长发育的微生物细胞。同时，基于转录组代谢途径的构建，发现这些微生物主要依赖于有机大分子再循环利用的异养方式生存，从而揭示了下洋壳岩石中深部微生物的生存策略。该研究证实了下洋壳深部生物圈的存在，拓展了生物圈在地球圈层分布的下限。研究成果于2020年发表在Nature上。
4. “奋斗者”号全海深载人潜水器成功完成万米海试
“奋斗者”号全海深载人潜水器是“十三五”国家重点研发计划“深海关键技术与装备”重点专项的核心研制任务。在国家科技部的支持下，国内近百家科研院所、高校、企业近千名科研人员开展关键核心技术攻关、总体设计、集成建造和海上试验。自2020年7月起，“奋斗者”号先后赴南海、西太平洋马里亚纳海沟海域分阶段进行了海试验证，累计完成30次下潜，其中8次突破万米。11月10日8时12分，“奋斗者”号创造了10909米的中国载人深潜新纪录，标志着我国具备了全海深进入、探测和作业能力，在大深度载人深潜领域达到世界领先水平。
11月28日，在“奋斗者”号全海深载人潜水器成功完成万米海试并胜利返航之际，中共中央总书记、国家主席、中央军委主席习近平发来贺信，致以热烈的祝贺。“奋斗者”号研制及海试的成功，标志着我国具有了进入世界海洋最深处开展科学探索和研究的能力，体现了我国在海洋高技术领域的综合实力。
5. 我国首次利用水平井技术完成“可燃冰”试验性试采
2020年2月17日-3月18日，我国在水深1225米的南海神狐海域全球首次实现水平井钻采天然气水合物（俗称“可燃冰”），创造了“产气总量86.14万立方米、日均产气量2.87万立方米”两项新的世界纪录，实现了从“探索性试采”向“试验性试采”的重大跨越，在产业化进程中取得重大标志性成果，使我国在天然气水合物勘查开采领域的国际“领跑”优势地位进一步增强。本次试采攻克了深海浅软地层水平井钻采技术装备等世界性难题，自主研发了以水平井为核心的六大类32项关键技术，以深海井口吸力锚为代表的12项核心装备。创新形成了覆盖试采全过程的环境风险防控技术体系，建立了大气、水体、海底、井下“四位一体”环境监测体系，保障了天然气水合物绿色开采。
6. 海洋二号C卫星成功发射，实现海洋动力卫星双星组网运行
9月21日，我国在酒泉卫星发射中心成功发射海洋二号C卫星，实现了与海洋二号B卫星协同组网运行，大幅提高了海洋动力环境要素全球观测覆盖能力和时效性、对海洋强国建设、防灾减灾能力提升、开展海洋科学研究、解决全球变化等问题具有重要意义。
海洋二号C卫星采用66°倾角的非太阳同步轨道，与位于太阳同步轨道的海洋二号B卫星形成很好的互补观测能力，既可有效解决雷达高度计测高潮汐混频问题，也可实现微波散射计观测数据的可靠定标和高效检验。双星组网观测能够精准捕捉到我国周边海域的全部台风，卫星数据在海洋灾害预警监测、气象预报服务、大洋渔业资源开发、海上绿色能源开发以及海洋重大应急事件中均可发挥出重要作用。
7. 海域段高水压复杂地层地铁盾构隧道长距离连续掘进施工技术
青岛地铁8号线大洋站到青岛北站区间海域中盾构段长2.9公里（国内目前最长过海地铁隧道），穿越2条断裂带（分别长90米、613米），断裂带岩层破碎且部分连通海水，区间最大埋深约51米，岩层抗压强度57兆帕。项目部在海底长距离连续盾构施工，通过分析下穿海域地质及水文、泥浆流变性能、掘进对破碎带扰动机制及其失稳过程，开展了海域段高水压泥水盾构气压辅助快速安全掘进技术、长距离泥浆循环保障技术、高水压下盾构密封技术、海底高水压查换刀技术、海底盾构穿越破碎带稳定性技术等科研攻关，解决了海域段盾构施工中诸多难题，高效安全完成海域段长大隧道施工任务，创造了泥水盾构地铁过海隧道建设新纪录，同时为国家海域段更长更大隧道施工提供重要参考。
8.“海斗一号”填补我国万米作业型潜水器空白
2020年5月，“海斗一号”全海深水下机器人胜利挺进全球最深海区-马里亚纳海沟挑战者深渊，成功完成4次万米下潜和试验性应用，率先实现我国“十三五”全海深重大装备研制、海试和试验性应用，填补我国万米作业型潜水器空白，获取我国首批全海深重要数据和样品，构建我国首支万米装备的专业化研发、海试和应用团队。在国际上首次利用全海深电动机械手，完成万米海底样品抓取、沉积物取样、标志物布放和水样采集，取得多项具有重大影响力的科技创新成果，引领我国深渊装备体系和全海深潜水器技术的发展。“海斗一号”万米深潜成功，作为我国海洋技术领域的一个里程碑，标志着我国跨入全海深探测与作业的新时代，为我国海洋强国战略做出重大贡献。
9. “雪龙2”号首航南北极
“雪龙2”号是我国首艘自主建造的极地科考破冰船，也是全球首先采用船艏、船艉双向破冰技术的极地科考破冰船，能以2～3节的速度破1.5米冰外加20厘米积雪。 “雪龙2”号作为大国重器，极大增强了我国在极地海域综合调查的广度、时长和内容。习近平主席在新年贺词中把它与嫦娥登月和北斗组网相提并论，受到了国内和国际社会的广泛关注，是新形势下我国科技进步的象征，国际影响巨大。
2020年，“雪龙2”号首航南极，凭借强大的破冰和海洋综合调查能力，成功在认知最少的宇航员海完成了9个断面83个站位调查，初步掌握了该海域关键生物种群分布特征，发现了达恩利角冰间湖形成南极底层水并向西流动的证据。同年，“雪龙2”号首航北极，圆满完成中国第11次北极科学考察任务。获得了海冰密集区历时最长的连续数据、重点海域高分辨率浅地层剖面数据，首次开展了电视抓斗作业，并采集了18.65米长沉积物岩心，创造了我国北极考察新纪录。
10. 全球首款海底地形地貌与浅地层剖面一体化声学探测装备研制成功
海底地形地貌与浅地层剖面信息是海洋资源调查、海底环境监测与科学研究等军民领域不可或缺的重要信息。获取这些信息的传统作业模式是采用多种型号的声呐分别探测，这样不仅成本高、作业效率低，而且信息精确位置配准难，多源异步数据融合容易失效。2020年10月我国科技人员成功研制出一种集海底地形地貌与浅地层剖面探测三种功能于一体的高效精细海底声学探测装备，解决了海洋勘测领域这一迫切需要解决的重大技术难题，在海底地形地貌与浅地层剖面共点同步探测关键技术上取得重大进展，综合性能国际领先。这是我国海洋声学装备领域的又一重大突破，对促进我国水下声学探测技术进步与装备国产化作出了突出贡献，为我国海洋资源开发、环境保护和科学研究提供了新的技术保障。
