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2016年度海洋国家实验室十大科研进展
来源:青岛海洋科学与技术国家实验室    2017-01-06 10:56:27

一、透明西太平洋认知体系取得重大突破

在中纬度西太平洋,海洋国家实验室科研人员首次指出海洋中尺度涡和大气相互作用对维持西边界流有重要作用,阐述了中尺度涡影响西边界流的动力机制,为西边界流的动力机制研究提供了新思路,并为气候模式里西边界流的准确模拟提供了理论依据。研究成果发表在Nature期刊,由海洋动力过程与气候功能实验室本年度引进的青年人才马晓慧博士(第一作者)、“千人计划”教授张平(通讯作者)、吴立新院士等组成的研究团队共同完成。Nature News & Views专门撰写评论文章,认为上述成果为减小气候模式中西边界流的模拟误差提供了理论依据和新思路。美国国家海洋和大气管理局(NOAA)气候计划办公室(CPO)、Research In Germany等对文章进行了报道和评论。


北太平洋黑潮及其延伸体区域海洋中尺度涡和大气相互作用示意图


在低纬度西太平洋,海洋国家实验室科研人员围绕热带太平洋海洋环流与海气相互作用研究,在低纬度西边界流变异机理、混合与波动以及ENSO起源等方面取得了系统性进展:揭示了棉兰老潜流多尺度变异及其水交换作用;发现了赤道流系变异与暖池分裂现象;阐明了热带不稳定波对ENSO的调制影响;揭示了次表层上卷到混合层海水温度在厄尔尼诺事件起源中的重要作用,为ENSO模拟和预报提供理论指导。以上系列研究成果发表在Climate Dynamics, Journal of Physical Oceanography等国际知名物理海洋学期刊。


IOCAS ICM揭示的El Niño事件起源机制示意图


二、海洋数值模式大规模高效并行计算技术取得重大突破

随着我国“海洋强国”战略和国际合作的不断推进,海上活动对超高分辨率海洋数值模式的要求日益提高。海洋数值模式空间网格的分辨率越高,预报结果则越精细,对模式计算效率及其可扩展性的要求随之大幅提高,设计高效并行算法是解决高分辨率模式问题的关键。区域海洋动力学与数值模拟功能实验室与清华大学和国家超算无锡中心等合作,突破了负载近绝对均衡、主从核协同计算框架设计和循环折叠优化等若干关键技术,基于我国自主知识产权的MASNUM海浪模式,在国际上首次开展了全球空间分辨率约为1公里的海浪模式研究。在国家超算无锡中心进行的全机测试中,共使用了一千多万(10,495,680)个CPU核,计算效率高达36.22%,峰值速度达45.43PFLOPS。该成果被国际计算机协会列入2016年计算机应用领域最高奖“戈登贝尔奖”的六个候选应用之一。


1/100度MASNUM海浪模式计算峰值


研发出高可扩展的海洋环流模式正压求解器P-CSI,突破了长期困扰海洋环流模式POP受限于全局通信的可扩展瓶颈,使POP在万核规模有了近6倍的性能加速,极大提高了海洋模式的计算模拟能力。该成果得到了美国国家大气研究中心(NCAR)的高度认可,并被著名地球系统模式CESM正式采用,将作为下一版本海洋分量模式POP的默认求解器,为更高分辨率和更长时间尺度的模拟提供基础支撑,使应用CESM的科研人员受益。

所研发的高效并行技术具有较好的通用性,可应用到诸多领域,如海洋环境预报、海啸预报、气候预测以及气候变化研究等,不但能提高我国海洋环境与气候变化的预测保障能力,也可服务于“海上丝绸之路”沿海国家的海洋环境保障。


0.1度高分辨率POP运行性能


三、南海-西太平洋大规模定点观测网建成并稳定运行

完成对世界上最大规模的区域海洋潜标观测网—南海潜标观测网的维护及扩充,并在国际上首次实现了对蕴含丰富多尺度动力过程的南海深海盆的全面覆盖及完整监测。

截至目前,由田纪伟教授领衔的团队已在南海成功布放系列深海长期观测潜标259套次,成功率达到100%,对于潜标布放与回收这一高风险调查项目,该作业完成水平国际罕见。南海潜标网目前在位潜标34套,并通过2016年航次首次实现全面覆盖南海深海盆的深海多尺度动力过程长期连续观测,是目前国际上针对区域海洋组网规模最大的潜标观测网。该潜标观测网的建成与运行,标志着“透明南海”工程已迈出了坚实的一步,为我国构建“透明两洋一海”观测网起到了重要示范作用。

海洋国家实验室构建的西太-印尼海深海潜标观测阵列,是该海域国际上规模最大的观测阵列,奠定了我国在该海域观测研究的国际核心地位。“万米深海行动计划”取得突破性进展,在马里亚纳海沟完成了万米深海科考任务,通过自主研发的海洋仪器装备,获得了诸多珍贵的海洋观测资料,填补了海洋科考领域的多项空白;马里亚纳海沟科考航次是海洋国家实验室启动的首个面向全国的深远海科考开放共享航次,标志着海洋国家实验室深远海科考平台运行进入了实质性阶段,对推进我国海洋领域协同创新机制建设具有重要意义。


南海潜标观测网潜标站位示意图(2016)


马里亚纳海沟航迹及工作站位图


西太-印尼海潜标观测阵列


四、海洋生物基因组学关键技术研发取得新进展

全基因组SNP分型技术是解析全基因组范围内遗传变异与性状关系的核心技术,已成为生命科学领域大规模应用基因组信息进行重要性状遗传解析的研发热点。海洋国家实验室在前期开发的2b-RAD简化基因组分型技术和MethylRAD全基因组DNA甲基化检测技术基础上,成功研发了串联标签测序技术,在一个测序片段(read)实现了对多达5个标签同时分析,解决了2b-RAD技术无法应用于双末端测序平台的局限,使得简并基因组分析成本大大降低(单标签测序成本仅为技术改进前的十分之一),首次实现了全基因组SNP分型和DNA甲基化的同步联合分析。

研究成果发表在国际权威杂志Nature子刊Nature Protocols上,凸显了我国在基因组分析技术领域的国际地位和影响力。


Multi-isoRAD技术流程图


串联标签测序技术原理及结果示意图


五、南极磷虾资源声学评估方法研究取得突破

为确保南极磷虾、尤其是依赖磷虾生存的陆基捕食者种群不受渔业的显著负面影响,政府间国际组织“南极海洋生物资源养护委员会(CCAMLR)”正针对南极磷虾渔业构建“反馈式管理”体系,其中来自渔船的声学探测数据是该体系的重要组成部分。可程序化运行的噪声去除通用方法成为CCAMLR渔船声学调查评估技术规范的重要组成部分,是近年CCAMLR科委会的重要议题。

海洋渔业科学与食物产出过程功能实验室的科研人员针对渔船声学数据中普遍存在的噪声问题,建立了一种强干扰噪声消除方法及其运行算法,并依托渔业声学数据后处理商用软件实现了标准化应用。该方法在消除干扰信号的同时,还有效还原了南极磷虾集群的回声强度和形态特征,为充分发挥渔业自身在资源科学管理中的作用增添了利器。该方法经CCAMLR科委会相关工作组专家的应用与认可,发表于CCAMLR SCIENCE上,彰显了我国科学家对CCAMLR相关研究的贡献。


南极磷虾声学映像噪声去除前后对比图


六、海洋微生物药物先导化合物取得新发现

海洋药用生物资源是开发防治重大疑难疾病新药的战略性资源。由于技术水平的限制,目前微生物资源的应用研究多局限于近浅海,巨大的资源尚缺乏足够的认知和开发。2016年实验室注重深远海药用生物资源的开拓和药物先导化合物的发现研究。

先后在马里亚纳海沟、中国南海及台湾海峡等海域采集获得50余份深远海样品,得到了200余株深远海来源活性真菌和放线菌资源,拓展了海洋微生物资源库。从深远海来源真菌中发现的新骨架聚酮1-tetralone二聚体clindanones A和 B,被国际著名天然产物评述期刊评为热点化合物(Nat. Prod. Rep., 2016)。药物先导化合物研究也取得新发现,从海绵来源放线菌中发现的新型硫桥二聚吡喃萘醌结构,对耐药的人乳腺癌细胞具有较好的抑制作用(Org. Lett., 2016);从红树林来源真菌Neosartorya udagawae 中发现新骨架生物碱neosartoryadins A和B,不但具有新颖的骨架结构,还表现出较强的抗甲型流感H1N1病毒的活性(Org. Lett., 2016),为新型海洋药物的发现提供了新颖的模板结构。通过对Macrolide先导化合物的生物合成研究,揭示了芽孢杆菌macrolide GT1-3催化的区域选择性及底物灵活性,获得了10个新结构类似物,揭示了芽孢杆菌macrolide GT存在的规律性及其对枯草芽孢杆菌菌群和蜡状芽孢杆菌菌群的生物学意义(Environ Microbiol, 2016)。


新型硫桥二聚吡喃萘醌结构及活性    


 新骨架生物碱neosartoryadins A和B的结构和活性


Macrolide的生物合成研究


七、亚洲大陆边缘海洋地质调查研究取得新认知

亚洲大陆边缘是指环绕着亚洲大陆的西北太平洋和北印度洋的边缘海及其邻近大洋。亚洲大陆边缘是全球构造最为活跃,海陆相互作用最为强烈、物质和能量交换最强的区域,对东亚气候环境影响显著。

2016年,海洋地质过程与环境功能实验室与俄罗斯、泰国、马来西亚进行了海洋地质联合调查研究,在以往合作研究基础上,开展了北起白令海、鄂霍次克海、日本海,南到安达曼海、苏门答腊外海和孟加拉湾等广阔海域的调查研究,首次全面获得了这些海域的沉积物样品、CTD和悬浮体资料,使我国成为目前国际上唯一系统拥有这一广阔海区样品和资料的国家。2016年与俄罗斯合作实施了首次中俄北极联合科学考察,在楚科奇海和东西伯利亚海开展了以海洋地质调查为主的多学科综合科考,取得了大量珍贵的资料和样品,填补了我国在北极陆架资料的空白。

基于获得的数据资料,在大河与山地河流入海的“源-汇”过程、鄂霍次克海与日本海的古气候演化、孟加拉湾沉积物输运模式、安达曼海的古季风记录、南海北部陆缘的新生代岩浆作用、黄海基底成因等方面取得了系列创新性成果,在Quaternary Science Review、Earth and Planetary Science Letters、Science of The Total Environment、Journal of Asian Earth Sciences等国际知名地学期刊发表多篇论文,出版了北极海域海洋地质考察专著1部,其中部分成果获得海洋科学技术奖一等奖、海洋工程科学技术奖一等奖和青岛市自然科学一等奖。


亚洲大陆边缘海洋地质调查站位分布图


孟加拉湾现代沉积物输运模式图


南海北缘构造演化模式图


八、海域天然气水合物研究开发取得重要进展

水合物矿体,具有厚度大、产状多、连续好、埋藏浅等特点。首次在高热流背景的泥火山构造实施4口浅钻取样获得水合物样品;在水深948~960米、海底以下22~54米发现两个浅层水合物矿体,水合物矿体具有厚度大、产状多、连续好、埋藏浅等特点。基于X-衍射谱仪、X-CT、固体核磁共振及成像系统、激光拉曼光谱、低温扫描电镜、高压差示扫描量热仪(DSC)、同位素质谱及气相色谱等现代分析测试仪器,系统集成建立了水合物分析测试技术,并应用于海域实际获得的水合物样品测试分析,发现水合物样品的甲烷含量为99.48%~99.83%,为典型I型结构纯甲烷水合物。针对我国发育的粉砂质黏土水合物储层,创新水合物试采完井防砂、测试和储层改造等技术。研究成果对建立我国海域天然气水合物成藏理论,推进海域天然气水合物勘查试采进程具有重要作用。


获取的水合物实物样品


点燃水合物样品


水合物样品表面形貌局部放大图片


九、南大西洋中脊热液活动研究取得新进展

我国已在南大西洋中脊13°S-28°S之间发现十余处热液活动区,成为目前世界上在南大西洋发现热液硫化物区最多、调查研究最详尽的国家。2016年,实验室基于前期样品和资料研究发现,南大西洋热液活动主要集中产出于脊轴新生火山脊(德音区、彤管区)、裂谷壁(清扬区)、非转换断层(太极区)和内角高地(采蘩区)等四类构造环境。特别对南大西洋两类离轴环境(非转换断层、内角高地)下的热液硫化物成矿机理及控制因素开展了系统研究,取得了创新性认识:太极热液区(13.6°S)发育在非转换断层的边界火山建造上,表现出多金属硫化物与矿化岩石角砾、蚀变岩共生现象,其硫化物的形成除热液沉淀堆积机制外,还存在原岩交代堆积成矿作用;采蘩热液区(14°S)位于洋中脊与转换断层内角位置,采蘩热液区两处热液点硫化物成矿过程中存在显著差异,主要受控于不同的洋壳渗透性,以及由此引发的海水与热液流体的混合比例差异。研究成果对深入研究南大西洋中脊热液硫化物成矿机理,深化资源勘查评价具有重要意义。

相关的研究成果发表于Resource Geology、Marine Geophysical Research等杂志上,引起国际同行广泛重视。



非转换断层热液区(太极区)硫化物分布及两类堆积模式


内角高地热液区(采蘩区)硫化物沉淀特征对洋壳渗透性差异的响应


十、近海生态安全保障技术取得新进展

深入研究我国近海连年暴发的大规模赤潮、绿潮和水母等生态灾害发生机理、形成机制,在近海生态安全保障技术方面取得新进展。

研究了南黄海绿潮的发生机理和成灾过程,提出了“提前打捞、靠前防控”的绿潮防控策略并对其可行性进行了初步验证,针对年度绿潮发展态势和防控对策,多次向青岛市政府提供报告和建议;初步查明了渤海秦皇岛邻近海域褐潮主要肇事种和起源地;研究了我国近海四种大型水母的生存策略,发现大型水母水螅体对网衣、聚乙烯板及木板等人工基质具有附着偏好性,其自然分布状况受到污损生物的控制;在防城港附近海域开展了棕囊藻赤潮应急处置工作,研发了高效改性粘土,建立了改性粘土工程化生产线,研制了船载式改性粘土喷洒专用设备,顺利完成防城港核电站赤潮防控保障任务,并将改性粘土防控技术推广到阳江、大亚湾等核电站;棕囊藻赤潮防治建议得到国家领导人的重要批示;改性粘土防治赤潮技术得到国际社会认可,与智利相关部门签署了技术合作备忘录。


2016年春季(5月)南黄海区漂浮绿藻分布状况


改性粘土技术在防城港核电冷源安全保障中的作用


海月水母水螅体的附着实验及其他大型底栖生物对水螅体的摄食现象

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