劉文浩 鄭軍衛(wèi) 趙紀東 楊宗喜

研究進展

2013—2019年美國北極研究大科學計劃實施進展

劉文浩1,2鄭軍衛(wèi)1趙紀東1楊宗喜3

(1中國科學院西北生態(tài)環(huán)境資源研究院, 甘肅 蘭州730000;2中國科學院大學, 北京 100049;3中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心, 北京 100037)

北極地區(qū)資源豐富, 戰(zhàn)略意義重大。當前, 以美國為代表的許多國家都部署了大科學研究計劃, 旨在為搶占未來北極地區(qū)戰(zhàn)略先機奠定基礎。掌握重點國家在北極地區(qū)的大科學計劃對我國具有重要借鑒意義。為此, 以2013年以來美國發(fā)布的2個北極5年大科學計劃(《2013—2017年北極研究計劃》和《2017—2021年北極研究計劃》)為例, 分析了其研究的主要內(nèi)容和實施進展, 梳理了未來美國北極科學研究的目標和新興方向, 總結(jié)了美國北極研究的主要特征,以期為我國北極地區(qū)研究部署提供借鑒。

北極 大科學計劃 美國 戰(zhàn)略規(guī)劃

0 引言

北極地區(qū)蘊藏著豐富的資源, 被譽為“第二個中東”和“世界最后的寶庫”[1-4]。近年來, 隨著全球氣候變暖, 冰雪消融加劇, 資源可利用性逐步提高, 北極地區(qū)的戰(zhàn)略地位不斷提升[5-8]。自2017年起, 北極域內(nèi)外國家紛紛調(diào)整策略, 加大對北極航道和油氣資源的探索和利用[9]。環(huán)北極國家(美國、俄羅斯、加拿大、挪威、瑞典、丹麥、冰島和芬蘭)及部分發(fā)達國家先后發(fā)布北極相關戰(zhàn)略, 搶先布局北極相關研究, 旨在為未來北極地區(qū)的戰(zhàn)略利益奠定基礎[10-16]。我國作為“北極事務重要利益攸關方”[17], 有必要厘清美國等發(fā)達國家在北極地區(qū)開展科學研究的目標和狀況, 以支撐我國未來相關計劃布局。為此, 本文擬在調(diào)研美國大科學計劃的提出背景及主要機構組織機制的基礎上, 針對性地分析美國《2017—2021年北極研究計劃》[18]的主要研究內(nèi)容, 梳理美國《2013—2017年北極研究計劃》[19]和《2017—2021年北極研究計劃》[18]實施以來取得的主要進展, 整理美國北極未來研究目標及新興方向, 以期為我國相關研究提供借鑒。

1 五年大科學計劃的提出背景

1. 美國北極政策演變

美國作為世界強國, 歷來對北極地區(qū)十分重視。1984年, 美國出臺《北極研究和政策法案》[20], 并依據(jù)該法案成立了跨部門北極研究政策委員會(Interagency Arctic Research Policy Committee, IARPC), 旨在推動對北極的科學研究, 制定國家北極研究政策和實施計劃。2008年, 奧巴馬上臺后采取了諸多措施提高美國的北極行動能力, 維護和實現(xiàn)美國的北極利益。其第二任期開啟后, 更注重逐步提高聯(lián)邦政府的“北極意識”, 并拓展美國在北極事務中的參與力度[21]。2013年5月10日, 奧巴馬政府發(fā)布美國歷史上第一份正式的北極戰(zhàn)略文件——《北極地區(qū)國家戰(zhàn)略》[22], 指出北極是地球上最后需要開拓的疆土之一, 提出要通過科學研究提高對北極的認識, 擴大對北極水域、上空以及海岸地區(qū)的觀測能力, 以實現(xiàn)美國在北極的安全、經(jīng)濟等方面的利益。在《北極地區(qū)國家戰(zhàn)略》的基礎上, 奧巴馬政府進一步整合和優(yōu)化了北極事務機構和決策體制, 推動了北極氣候治理以引領北極事務議程, 這種調(diào)整也被認為是美國力圖實現(xiàn)以其為主導的北極地區(qū)新秩序雄心的重要措施。奧巴馬執(zhí)政期間, 美國先后發(fā)布《海軍北極路線圖》[23]、《北極地區(qū)行動報告》[24]、《北極地區(qū)國家戰(zhàn)略實施計劃》[25]、《2015年北極地區(qū)國家戰(zhàn)略實施報告》[26]等多項政府層面的戰(zhàn)略規(guī)劃, 這些北極行動及成果也被譽為是留給特朗普政府的北極“遺產(chǎn)”[27]。與此同時, 美國多個研究機構也發(fā)布了面向北極科學研究的宏觀研究戰(zhàn)略, 包括《美國國家海洋和大氣管理局(National Oceanic and Atmospheric Administration, NOAA)北極愿景與戰(zhàn)略》[28]、《NOAA 北極行動計劃》[29]、《NOAA北極航道繪圖計劃》[30], 這些戰(zhàn)略均提出要保證美國在北極科學研究中搶占先機。不過, 特朗普上臺后卻大張旗鼓地修正奧巴馬政府北極戰(zhàn)略, 但從目前態(tài)勢來看, 美政府仍將大國競爭作為北極戰(zhàn)略主基調(diào)。受此影響, 一個以“主導北極治理規(guī)則制定”為核心、以經(jīng)濟和軍事手段為兩翼的美國北極新戰(zhàn)略正逐步成型[9], 這種轉(zhuǎn)變也正在深刻地影響著美國北極科學研究的開展。

2. 美國北極研究的演變

18世紀到19世紀, 有關北極的早期科學信息主要是由歐洲探險家收集的地理信息, 在接下來的100年中, 大部分時間內(nèi), 北極科學信息主要來自民族志和自然史方面的零散努力, 大部分與美國軍隊的遠征以及捕魚和狩獵的管理有關。直至1881—1884年的“第一次國際極地年”(IPY), 美國才首次系統(tǒng)地開展了北極研究, 對阿拉斯加北極沿岸開展了密集調(diào)查, 這也開創(chuàng)了國際科學界大協(xié)作的先例。20世紀40年代, 美國海軍研究局在巴羅建立了海軍北極研究實驗室, 在海軍、阿拉斯加大學等機構的領導下, 針對北極環(huán)境的研究開始持續(xù)進行。50年代末, 美國在阿拉斯加的楚科奇海岸建立了一個港口, 原子能委員會對核爆潛在的環(huán)境影響進行了調(diào)查, 從而首次提供了有關阿拉斯加楚科奇海岸及其近岸水域的基線信息。70年代到80年代, 美國內(nèi)政部下屬土地管理局牽頭創(chuàng)建了外大陸架環(huán)境評估計劃, 以研究在亞北極和北極阿拉斯加水域的海上石油開發(fā)的潛在影響。在此期間, 美國在北極的數(shù)百項研究關注了冰的運動和變形、哺乳動物、鳥類、魚類、底棲生物、浮游生物、微生物學、化學、海洋學、氣象學和地質(zhì)學等領域。但是, 直到80年代末, 大多數(shù)北極研究仍只是在生物學、地質(zhì)學和人類學等孤立學科中進行。不過, 隨著系統(tǒng)科學逐漸成熟, 研究人員意識到人類活動正在推動北極的快速變化, 開始促進了跨學科研究?！皣H地圈-生物圈計劃”和“世界氣候研究計劃”強調(diào)了大氣、地球圈、水圈和生物圈等系統(tǒng)之間相互作用的重要性。這一觀念還刺激了“北極系統(tǒng)科學計劃”的形成, 其研究重點是古環(huán)境以及當代對海洋、陸地和大氣之間相互作用的研究。最終, 人類維度被納入當代和古環(huán)境研究中。1997年, 來自25個機構的科學家呼吁進行協(xié)調(diào)努力, 以了解北極快速的環(huán)境變化并提出了SEARCH計劃, 制定了包括觀察、理解和應對北極變化在內(nèi)的3個主題。2008年, 國際科學理事會和世界氣象組織共同組織發(fā)起“第四次國際極地年”行動, 旨在通過開展國際合作、多學科交叉的科學活動, 在極地地區(qū)建立全面、系統(tǒng)的觀測體系, 系統(tǒng)地獲取數(shù)據(jù), 探索極地科學前沿, 增強對極區(qū)與全球關系的認知與了解, 在世界范圍內(nèi)宣傳和普及極地科學知識, 吸引和培養(yǎng)新一代極地科學工作者。2012年前后, 快速的環(huán)境變化所帶來的社會和環(huán)境后果被認為是北極地區(qū)最緊迫的科學問題。預計海冰覆蓋面的減少將影響全球氣候, 冰蓋和冰川的減少導致海平面上升, 多年凍土的融化對當?shù)鼗A設施和大氣中溫室氣體的濃度都有影響。應對這些挑戰(zhàn)將需要對變化的冰凍圈及其對北極和其他地區(qū)的自然環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)以及社區(qū)的影響進行深入研究。為此, IARPC發(fā)布《2013—2017年北極研究計劃》[19], 提出通過加強北極研究的機構間合作來開展聯(lián)合研究, 以解決最緊迫的科學需求。2016年底, 隨著第一階段五年計劃的結(jié)束及在北極地區(qū)研究工作的不斷深入, IARPC提出, 北極研究仍有一系列問題亟待解決, 例如: 北極地區(qū)長期趨勢的變化預測手段仍然不足, 如海冰消退將如何導致沿海社區(qū)受到海平面上升、風暴潮和洪水的影響, 多年凍土變暖消融將怎樣加速海岸侵蝕, 此外, 北極系統(tǒng)的各個組成部分, 包括大氣、海冰、海洋、冰川、多年凍土、陸地和淡水生態(tài)系統(tǒng)之間的互相作用和反饋機制尚不清晰。這些科學問題對美國在北極的利益實現(xiàn)有著深遠的影響。

基于以上背景, 2016年12月, IARPC發(fā)布雄心勃勃的北極研究第二個五年研究計劃《2017—2021年北極研究計劃》[18], 提出了包括9大研究任務、34個具體研究目標和123項實施要素的研究計劃, 旨在回答美國北極長期利益和核心關切的科學問題。該計劃因內(nèi)容系統(tǒng)、領域全面、目標明確具體等特征而備受關注, 其對北極地區(qū)的研究方法以及宏觀角度的研究布局值得我國借鑒。

2 大科學計劃的主要實施機構

1.美國跨部門北極研究政策委員會——IARPC

IARPC[31]成立于1984年, 由美國國會創(chuàng)立, 主要由來自美國聯(lián)邦政府16個機構、部門和辦公室的負責人組成, 旨在加速美國對北極研究的步伐。主要任務: ①與美國北極研究委員會(U.S. Arctic Research Commission, USARC)合作, 制定和建立一個統(tǒng)一的國家北極研究政策, 指導聯(lián)邦機構在北極的研究計劃的制定和實施; ②制定國家北極研究政策和實施該政策的五年計劃、聯(lián)邦機構的北極研究計劃、參考USARC對未來北極研究的建議; ③為編制針對北極的單一綜合、連貫和多機構預算請求提供必要的數(shù)據(jù)和協(xié)助; ④促進政府與州、地方和部落政府之間在北極研究中的合作, 建議開展被忽視領域的研究; ⑤與其他國家協(xié)調(diào)和促進北極合作科學研究計劃; ⑥與阿拉斯加州州長合作履行規(guī)定的職責; ⑦促進所有北極研究活動的聯(lián)邦機構間協(xié)調(diào), 包括后勤規(guī)劃、協(xié)調(diào)和在法律允許的范圍內(nèi)共享與北極研究有關的數(shù)據(jù)和信息; ⑧為公眾提供參與制定和實施國家北極研究政策的機會; ⑨每兩年提交一份簡短的年度報告。

2. 美國北極研究委員會——USARC

1984年, 美國國會設立了USARC[32], 主要職責是: ①建立國家政策、優(yōu)先事項和目標, 以構建一個聯(lián)邦計劃, 用于北極的基礎和應用科學研究; ②推動北極研究工作, 提出北極研究政策建議; ③作為負責實施北極研究政策的領導機構, 支持整個聯(lián)邦政府的合作與協(xié)作; ④指導IARPC制定國家北極研究項目和實施五年計劃; ⑤與北極居民、國際北極研究項目和組織以及包括地區(qū)政府在內(nèi)的機構進行互動, 以盡可能廣泛地了解北極研究的需求。

3. 北極執(zhí)行指導委員會——Arctic Executive Steering Committee, AESC

2015年1月, 時任美國總統(tǒng)奧巴馬發(fā)布了名為“加強國家處理北極事務的協(xié)調(diào)能力”的行政命令, 以增強美國在北極地區(qū)的參與, 根據(jù)該行政命令, AESC成立[33]。具體任務: ①幫助構建和協(xié)調(diào)美國北極事務參與主體的任務優(yōu)先級; ②促進政府北極措施的實施和評價; ③提升聯(lián)邦政府與阿拉斯加州政府、阿拉斯加原住民社區(qū)之間的協(xié)作; ④支持國務卿及其團隊在美國任北極理事會輪值主席期間(2015—2017)的工作。

4. 美國國家科學基金會極地計劃辦公室——Office of Polar Programs, OPP

OPP[34]隸屬于美國國家科學基金會(National Science Foundation, NSF), 旨在促進有關極地地區(qū)的創(chuàng)造性和創(chuàng)新性的科學研究、工程和教育, 促進對極地系統(tǒng)及其全球相互作用的基本發(fā)現(xiàn)和理解, 為國家提供信息, 增進所有人的福祉。OPP下設有北極科學組、南極科學組、極地基礎設施和后勤保障組、極地環(huán)境研究組、健康與安全辦公室5個主要職能部門。

3 大科學計劃的主要內(nèi)容及實施進展

3.1 主要研究領域及創(chuàng)新點

《2013—2017年北極研究計劃》和《2017—2021年北極研究計劃》的主要任務既有相似之處, 也有不同(表1)。

表1 2013—2021年美國兩個北極大科學計劃的主要任務

新計劃具有以下創(chuàng)新點: ①更加注重北極居民的健康和福祉, 強調(diào)了北極居民在共同生產(chǎn)科學知識方面的作用; ②“沿?！敝黝}是新主題; ③“多年凍土”在之前的計劃中沒有被強調(diào), IARPC希望通過新的計劃將基礎地球物理研究、相關的彈性和適應研究結(jié)合起來, 并將多年凍土過程納入預測模型; ④“環(huán)境智能”的概念是新主題, 包括監(jiān)測、模型和數(shù)據(jù)管理3個方面; ⑤與之前的5年計劃相比, 計劃更簡單, 研究目標更清晰。

3.2 《2017—2021年北極研究計劃》的主要研究內(nèi)容

《2013—2017年北極研究計劃》的主要研究內(nèi)容前人已有報道[35], 因此, 本文主要分析《2017－2021年北極研究計劃》的主要研究內(nèi)容。

1. 健康和福祉: 加深對北極地區(qū)居民健康水平?jīng)Q定因素的理解, 并改善當?shù)鼐用窀ｌ?。①支持人類健康的綜合方法研究, 以確定人類、野生動物、環(huán)境與氣候之間的聯(lián)系; ②推動可持續(xù)發(fā)展和社群恢復研究, 以解決與健康和福祉內(nèi)在社會決定因素相關的健康差異問題; ③加強北極農(nóng)村和偏遠地區(qū)食物、水和能源安全研究; ④整理歸檔針對阿拉斯加土著女性和青年的暴力行為的盛行現(xiàn)象和類型, 評價聯(lián)邦、州、部落和地方為解決上述暴力行為所做出的努力, 并提出改善相關工作的建議; ⑤加深對阿拉斯加地區(qū)青年人員心理健康、藥物濫用和福祉方面的認識; ⑥支持減少北極地區(qū)相關職業(yè)安全和健康危害的研究, 特別是在捕撈、水運和航運領域, 以及那些面臨氣候變化影響風險的工人; ⑦提高北極地區(qū)醫(yī)療服務的質(zhì)量、效率、效益和價值。

2. 大氣: 加深對正在變化的北極大氣成分、變化過程及由此引起的地表能量平衡變化的認識。①加深對北極大氣過程及其對地表能量平衡綜合影響的理解; ②提高對北極大氣成分(水汽、云層、降水、氣溶膠和氣體)、凈輻射效應及其對北極氣候影響的認識; ③加深對北極地區(qū)云層形成、周期、降水和物理特性的認識, 提升對氣溶膠類型時空分布、以及北極云層和氣溶膠對地表輻射平衡調(diào)節(jié)能力的理解。

3. 海冰: 加強對北極海冰變化的認識和預測。①開展對“大氣-海冰-海洋”的一體化觀測, 了解決定海冰厚度、長度和體積時空變化的因素, 及其對“大氣-海冰-海洋”間相互作用的影響和它們在不同時間尺度方面(每小時、每天、每周、每個季節(jié)、每年、每10年)的自動調(diào)節(jié); ②完善用于了解海冰變化過程的模型, 加強對海冰變化時空維度方面的預測; ③支持研究人員和利益攸關方構建合作網(wǎng)絡(包括北極地區(qū)居民), 提高對海冰系統(tǒng)相關認識和預測能力。

4. 海洋生態(tài)系統(tǒng): 加深對海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構和功能及其在氣候系統(tǒng)中所發(fā)揮作用的認識, 提高預測能力。①加強對北極海洋生物物種分布和規(guī)模情況的認識, 包括提高對生物熱點地區(qū)形成、保持及變化的直接原因的認識; ②增進對北極海洋物種基本生活史的了解, 以支持多機構決策; ③加深有關氣候變化、生物物理相互關系、海洋生態(tài)系統(tǒng)中不同反饋機制如何影響北極海洋資源和人類社會的問題理解。

5. 冰川與海平面: 理解冰川、冰蓋和格陵蘭冰蓋的質(zhì)量平衡問題, 及其對海平面上升的影響。①整合觀測系統(tǒng), 提高對北極陸冰質(zhì)量平衡過程的認識; ②改進數(shù)值模型, 提高對北極陸冰損失以及隨之而來的對全球海平面的影響的預測。

6. 多年凍土: 研究凍土動力學過程控制及其對生態(tài)系統(tǒng)、基礎設施和氣候的影響。①提高對氣候、地貌、地形條件、植被及干擾類型是如何影響凍土動態(tài)變化的認識; ②提高并加深對凍土融化是如何影響土壤碳流失的認識, 包括對潛在排放到大氣中的二氧化碳和甲烷的預測; ③繼續(xù)加強將凍土過程監(jiān)測主觀方法融入氣候變化、水文及生態(tài)系統(tǒng)變化預測模型; ④確定凍土融化如何影響基礎設施和人類健康。

7. 陸地生態(tài)系統(tǒng): 加強對未來陸地和淡水生態(tài)系統(tǒng)以及潛在變化的綜合理解。加強對重大變化過程(如氣候變化、自然和人為干擾引起的變化)及其對陸地和淡水生態(tài)系統(tǒng)影響的認識, 提高相互作用建模能力; ②加深對動植物種群及其活動如何被生態(tài)系統(tǒng)影響的認識; ③評估火災如何影響農(nóng)村和城市社區(qū)、大氣污染物排放和碳平衡、其他氣候反饋。

8. 沿海地區(qū)修復力: 提高沿海地區(qū)修復力和自然、文化資源管理, 開展相關人文、自然和建筑環(huán)境相互關系的研究。①吸引沿海社區(qū)居民參與旨在提高對本地文化、安全性和基礎設施問題認識的研究; ②通過對生物過程的趨勢監(jiān)測和建模, 增加有關沿海地區(qū)生態(tài)系統(tǒng)和環(huán)境健康的知識; ③提高有關海岸侵蝕對環(huán)境影響的認識; ④優(yōu)化測繪系統(tǒng), 支持對海岸帶的研究。

9. 環(huán)境智能(監(jiān)測、數(shù)據(jù)管理和建模): 加強環(huán)境數(shù)據(jù)獲得、情報收集、解釋和應用能力, 支持決策制定。①加強跨部門和有外部合作者參與的合作研究活動, 以優(yōu)化北極觀測系統(tǒng), 構建一個完全集成的北極觀測系統(tǒng); ②利用詳細的全球和區(qū)域模型, 了解北極系統(tǒng)的組成部分及其相互作用, 進而對整個氣候系統(tǒng)進行研究; ③通過改進地球系統(tǒng)模型, 提高每季度及每10年時間尺度的北極系統(tǒng)預測能力, 甚至百年尺度的氣候預報能力; ④提高有關北極數(shù)據(jù)和工具的可獲取性、識別度和互聯(lián)互通; ⑤發(fā)展相關前沿、工具和策略研究, 提高北極科學支持決策的可及性和相關性。

3.3 實施進展及成果

3.3.1 2013—2015年期間

1. 良好的合作機制在多項研究中發(fā)揮作用

①邊緣冰帶研究。IARPC海冰協(xié)作小組協(xié)調(diào)了多個機構的海冰研究技術力量, 重點關注海冰邊緣區(qū), 以增加知識、理解和預測能力。在2012年和2013年的夏天, 開展了邊緣冰區(qū)觀測和過程實驗, 旨在評估無人駕駛航空系統(tǒng)或無人駕駛飛機在阿拉斯加北部海岸波弗特海的邊緣冰帶地區(qū)的科學價值。②格陵蘭冰蓋研究。格陵蘭冰蓋海洋相互作用工作組在2012年發(fā)布了建議, 強調(diào)了對冰川-海洋相互作用的研究的必要性。③楚科奇海和波弗特海研究。這些地區(qū)具有生物生產(chǎn)性和多樣性, 被認為對美國國家安全和石油經(jīng)濟利益以及對礦產(chǎn)和商業(yè)捕撈具有重要意義。④海洋北極生態(tài)系統(tǒng)研究。由海洋能源管理局領導, 旨在確定提高生產(chǎn)力和生態(tài)系統(tǒng)動態(tài)不同的領域, 并更好地了解系統(tǒng)內(nèi)部和系統(tǒng)間的反饋。

2. 建立了用于觀測、數(shù)據(jù)共享和建模的網(wǎng)絡

①集成大氣研究工具。提供了對來自10個獨立資助的北極大氣觀測站的元數(shù)據(jù)的訪問。②阿拉斯加數(shù)據(jù)集成。開發(fā)了一套用于數(shù)據(jù)共享的動態(tài)工具, 以擴大整個阿拉斯加項目和數(shù)據(jù)信息的交流。③協(xié)調(diào)生態(tài)系統(tǒng)科學研究。為了解決北極這樣偏遠地區(qū)工作的后勤問題和費用, IARPC協(xié)調(diào)了北極水庫碳脆弱性實驗、北極圈脆弱性實驗和下一代生態(tài)系統(tǒng)實驗計劃等項目。④建立海冰預報網(wǎng)。2013年發(fā)起海冰預測網(wǎng)絡, 促進了關于北極系統(tǒng)過程的知識狀態(tài), 為區(qū)域氣候模型提供信息。⑤評估和維持北極的觀測。開發(fā)了一個北極觀測評估過程, 允許相關研究小組確定地方、區(qū)域、國家和國際各級的信息優(yōu)先級, 構成現(xiàn)有北極信息關系數(shù)據(jù)庫的基礎。

3. 建設了戰(zhàn)略應用網(wǎng)絡

①監(jiān)測生態(tài)系統(tǒng)健康。參加了由阿拉斯加土著部落健康聯(lián)盟和美國疾病控制和預防中心(CDC)主辦的One Health工作組。②記錄瀕危語言。與聯(lián)邦和地方機構合作開發(fā)工具, 使北極和阿拉斯加的土著社區(qū)能夠利用這些工具制定新的土著語言保護戰(zhàn)略。③阿拉斯加高分辨率數(shù)字高程模型。為阿拉斯加購置高分辨率數(shù)字高程模型。

4. 發(fā)展了國際研究網(wǎng)絡

①國際及行業(yè)合作伙伴。國際太平洋北極集團(Pacific Arctic Group, PAG)由國際北極科學委員會(International Arctic Science Committee, IASC)組織, 4個主要科學主題是氣候、污染物、人類尺度以及北極生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構和功能。②建設分布式生物觀測站。IARPC一直致力于建設PAG的分布式生物觀測站(Distributed Biological Observatory, DBO)。DBO提供了一個框架來集中和協(xié)調(diào)標準化的采樣和分析工作, 這些工作將生物學變化與物理驅(qū)動因素聯(lián)系起來。

3.3.2 2016—2017年期間

1. 與利益攸關方和合作者建立合作

IARPC日益認識到土著人民和土著知識在北極的重要作用研究。2017年期間, 海岸防災協(xié)作小組向所有97個部落委員會發(fā)送了有關IARPC及其自身的信息。

2. 健康與福祉取得進展

提出了支持人類健康的綜合方法, 該方法認識到人、野生動植物、環(huán)境和氣候之間的聯(lián)系; 記錄針對阿拉斯加土著婦女和青年的暴力行為的普遍性和性質(zhì); 對阿拉斯加青年的心理健康、藥物濫用和福祉的理解, 以及支持解決這些影響并增強青年彈性的計劃。

3. 海洋生態(tài)系統(tǒng)監(jiān)測不斷推進

在6個國家(加拿大、中國、日本、韓國、俄羅斯和美國)的共同努力下, 2016年6月—2017年10月期間完成了DBO的全面調(diào)查。此外, 建立了一個由來自6個國家的17位北極科學家和一位概念藝術家組成的國際智庫, 提出了海洋生態(tài)系統(tǒng)的統(tǒng)一泛北極觀點。

4. 協(xié)調(diào)國際北極生態(tài)系統(tǒng)和社會生態(tài)系統(tǒng)研究

協(xié)調(diào)由美國、加拿大和歐洲其他政府和非政府組織資助的項目, 旨在研究環(huán)境變化及其對北極地區(qū)社會生態(tài)系統(tǒng)的影響, 主要包括阿拉斯加、育空、努納武特和西北地區(qū)。

5. 觀測和建模研究人員加強協(xié)作

通過觀測和建模研究人員加強協(xié)作, 為計算機模型提供了有約束價值的多個大型觀測數(shù)據(jù), 制作了用于研究環(huán)境的地球系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄、格陵蘭冰蓋終點和冰速、各種NASA冰橋行動冰蓋和海冰數(shù)據(jù)集以及北極數(shù)字高程模型。

6. 推動各國達成北極科學合作研究共識

2016年9月28日, 首屆白宮北極科學部長級會議在美國華盛頓召開。包括北極八國和北極研究主要國家在內(nèi)的25個國家和地區(qū)派出高級別代表團出席會議。會議聚焦4個主題: 北極面臨的挑戰(zhàn)及對當?shù)睾腿虻挠绊? 加強和集成北極觀測網(wǎng)絡與數(shù)據(jù)共享; 應用新的科學發(fā)現(xiàn)增強北極適應能力, 推動全球應對氣候變化; 以北極科學推動當?shù)乩砉?shù)學教育, 提升公民素質(zhì)。會議達成并簽署了《部長聯(lián)合聲明》[36], 旨在凝聚各國加強北極科學合作的政治共識, 并圍繞各主題確定了15項技術成果和倡議。

3.3.3 2018—2019年期間

1. 提高北極居民的福祉

2018年和2019年夏季野火給居民的健康和福祉帶來了重大風險。多個IARPC協(xié)作團隊共同努力, 評估了北極社區(qū)對野火煙霧及其健康影響的暴露程度、脆弱性和復原力。有害的藻華對阿拉斯加北極沿海社區(qū)構成威脅, IARPC環(huán)境情報協(xié)作團隊在2018年和2019年促進了協(xié)調(diào)的研究巡航和社區(qū)抽樣工作, 解決了對測試自然資源和生活食品中藻毒素的信息以及通過野生食物消費對人類健康的潛在影響的信息需求。

2. 加強對北極環(huán)境的管理

白令海的海冰減少對海洋生態(tài)系統(tǒng)和依賴海冰的沿海社區(qū)產(chǎn)生了重大影響。因此, IARPC成立了白令海行動小組, 負責記錄不斷變化的海冰和海洋生態(tài)系統(tǒng), 協(xié)調(diào)研究巡航和觀測活動, 為各種利益攸關方改進海冰預報和通知系統(tǒng), 并確定決策支持需求。

3. 加強國家和地區(qū)安全

IARPC開展了北冰洋分層海洋動力學(Stratified Ocean Dynamics in the Arctic, SODA)項目和北極觀測系統(tǒng)子小組(Arctic Observing Systems Sub-Team, AOSST)工作。SODA項目后期提升成為SODA+, 著重于測量海洋浮力、動量和熱量3個屬性, 旨在了解阿拉斯加以北的波弗特海的海冰、水分層和環(huán)流以及聲學的變化和相互作用的系統(tǒng)。

4. 增進對北極作為地球組成部分的了解

2018年5月, 美國和德國聯(lián)合發(fā)射了GRA-CE FO衛(wèi)星。相關衛(wèi)星數(shù)據(jù)對于了解北極冰川、冰蓋和格陵蘭冰蓋在海平面變化中的作用、北極海冰減少的影響和對地球中緯度地區(qū)天氣的影響等關鍵問題至關重要。IARPC還在關注北極多年凍土的升溫和融化、土壤碳含量, 以及二氧化碳和甲烷等氣體被釋放到北極和亞北極大氣中的前景。

4 2019—2021年研究目標及未來新興方向

4.1 研究目標及建議

目前, IARPC已經(jīng)著手準備新一輪(2022—2026年)的北極研究計劃。雖然相關內(nèi)容暫未發(fā)布, 但是, 據(jù)《北極研究政策法》要求, IARPC活動與美國北極研究委員會(USARC)提出的建議保持一致, 該委員會每兩年發(fā)布一次目標報告。在實施《2017—2021年北極研究計劃》的過程中, USARC最新的《2019—2021年北極研究目標與宗旨》[37]于2019年發(fā)布, 也為新一輪的北極研究計劃指明了前景方向, 主要包括以下內(nèi)容。

1. 推進北極基礎設施建設

北極的交通、建筑、通訊、公用事業(yè)和能源運輸?shù)然A設施, 是北極人類活動的必要前提。70%的北極基礎設施都位于近地表多年凍土層之上, 在未來的30年里, 這些凍土層將會融化。即使達成了《巴黎協(xié)定》的氣候變化目標, 這種情況仍有可能發(fā)生?；趯Νh(huán)境條件的充分研究, 了解它們隨時間的變化, 及時采取防治措施可以減少基礎設施的破壞和成本。USARC建議: ①未來應該資助北極基礎設施工程設計示范項目; 工程師和規(guī)劃者需要決策支持工具, 定期更新信息, 以便在快速變化的北極環(huán)境中規(guī)劃、設計和建設基礎設施, 這些工具將取代過時的規(guī)劃工具, 指導文件將通過降低成本增加工程價值, 并可能成為為非北極地區(qū)設計的工具的原型; ②將工程研究項目的知識轉(zhuǎn)化為設計指導文件; ③通過聯(lián)邦政府與私營部門的伙伴關系, 以及與阿拉斯加州、地方和部落當局的合作, 通過國會聽證會和海洋運輸系統(tǒng)跨部門委員會確定北極海洋基礎設施的需求, 重點領域包括港口、航道、實體和信息基礎設施、響應服務(例如, 搜索和救援、環(huán)境響應)和船舶; ④資助海岸警衛(wèi)隊極地警備隊破冰船的建設, 這些破冰船對滿足包括研究在內(nèi)的國家需求至關重要。

2. 評估北極自然資源

隨著北極地區(qū)的需求日益增加, 以及全球?qū)Y源的需求不斷增長, 決策者需要大量的信息, 保證其能夠在資源使用方面做出明智的選擇。USARC建議: ①支持美國地質(zhì)調(diào)查局的工作, 以更好地了解阿拉斯加北坡的油氣潛力, 并著眼于外部大陸架區(qū)域之外和大陸坡下存在的石油系統(tǒng), 并與能源部合作, 通過生產(chǎn)測試現(xiàn)場實驗確定天然氣水合物的資源潛力; ②鼓勵能源部全面實施其10年北極可再生能源計劃; ③鼓勵美國地質(zhì)調(diào)查局進行詳細的地質(zhì)制圖, 以更好地了解礦產(chǎn)的分布和資源潛力, 并開發(fā)用于礦物資源分析的新數(shù)據(jù)庫; ④支持在白令海和白令海峽以北進行額外的拖網(wǎng)調(diào)查, 以根據(jù)不斷變化的人口地點評估魚類資源, 并繼續(xù)開發(fā)針對無法拖網(wǎng)的棲息地的照相機調(diào)查技術; ⑤鼓勵負責開展海洋和陸地哺乳動物普查的機構采用先進技術, 例如無人駕駛飛機系統(tǒng), 以改進評估。

3. 觀測、理解和預測環(huán)境變化

北極地區(qū)迅速而廣泛的變化正在重新定義生態(tài)系統(tǒng)、地貌和社區(qū), 以及經(jīng)濟和地緣政治利益。需要更多的知識和對北極環(huán)境變化的成因和后果的了解, 才能為決策和行動提供依據(jù)。為此, USARC建議: ①未來應該更好地了解北極濕地中二氧化碳和甲烷的產(chǎn)生和通量, 以改善氣候預測; ②通過科學家和土著知識所有者的知識共同改善物種管理; ③記錄關鍵候鳥中轉(zhuǎn)區(qū)的使用和脆弱性; ④根據(jù)人口規(guī)模、范圍、行為和健康狀況, 開發(fā)評估北極物種狀況的簡化框架, 以此作為保護和管理工作的依據(jù); ⑤支持采用可移動陣列(Transportable Array, TA)地震臺站, 標準TA臺站包括大氣傳感器, 可傳輸天氣觀測和自然災害信息; ⑥支持有關氣候地球工程的基礎研究, 并進一步考慮道德和治理問題以及地球工程政策; ⑦推進“歸因科學”, 努力從科學上將人為造成的全球變暖與自然氣候波動在引起個別極端天氣事件中的作用區(qū)分開來, 以幫助規(guī)劃人員了解隨著氣候變暖, 哪些極端事件可能會增加; ⑧將持續(xù)的北極觀測網(wǎng)絡的一般概念擴展到一個完整的運行系統(tǒng)中, 該系統(tǒng)可提供更多及時的數(shù)據(jù)訪問、重要信息和科學研究的衍生產(chǎn)品以及運營情報和決策支持的訪問權限; ⑨收集有關商業(yè)魚類物種生態(tài)的更多數(shù)據(jù), 以更好地了解海域變暖的生長和移動。

4. 改善社區(qū)健康和福祉

北極健康研究通常是由差異驅(qū)動的, 這種差異是指人群之間在健康和醫(yī)療保健方面的差異, 為了改善北極所有人民的生活質(zhì)量, 需要開展更多工作來確定、糾正和減輕差距。USARC建議: ①未來科學家應與當?shù)鼐用窈献? 共同設計研究項目, 并通過收集和整合基于社區(qū)的觀察和見解來共同生產(chǎn)知識; ②收集有關阿拉斯加土著語言狀況的數(shù)據(jù), 以評估教授阿拉斯加土著語言計劃的有效性, 為監(jiān)測“阿拉斯加本地語言”狀態(tài)的社區(qū)在線數(shù)據(jù)庫提供支持; ③開發(fā)阿拉斯加自殺監(jiān)測模型, 有助于識別并提供早期干預方法, 以供農(nóng)村社區(qū)使用; ④改善阿拉斯加的心理和行為衛(wèi)生服務人員的能力, 并針對所需的精神衛(wèi)生保健提供者的數(shù)量和類型建立針對阿拉斯加的具體估算; ⑤創(chuàng)建具有研究依據(jù)的替代方法, 以在偏遠地區(qū)提供包括遠程醫(yī)療在內(nèi)的心理治療; ⑥更好地了解、預測和監(jiān)控因氣候變化而可能出現(xiàn)或擴展的新興病原體及過程; ⑦調(diào)查缺乏飲用水的家庭遭受的沖擊, 包括其直接和間接的經(jīng)濟影響。

5. 加強北極地區(qū)的國際科學合作

數(shù)據(jù)的生成, 可靠地獲取科學信息以及結(jié)果的綜合, 對于理解北極地區(qū)、可持續(xù)發(fā)展以及建立健康社區(qū)至關重要。對信息和跨學科研究結(jié)果的需求不斷增加也對北極國家和利益攸關方構成了挑戰(zhàn)。為此, USARC建議: ①實施《北冰洋中央漁業(yè)協(xié)定》, 與各締約方建立持久的海洋科學組織, 促進以北極為重點的生態(tài)系統(tǒng)科學, 并實現(xiàn)該協(xié)定的聯(lián)合計劃; ②實施《北極科學合作協(xié)議》, 加強國際北極科學合作協(xié)定, 以改善科學家、設備和數(shù)據(jù)的跨境訪問, 與其他締約方合作, 制定協(xié)商和解決爭端的程序; ③加強雙邊和多邊研究合作: 美國應尋求機會加強與俄羅斯、加拿大之間的雙邊研究合作, 領域包括生態(tài)系統(tǒng)、海洋研究和長期監(jiān)測。

4.2 北極研究新興方向

《2019—2021年北極研究目標與宗旨》提出了未來北極研究的新興方向。

1. 合作生產(chǎn)知識。通過將科學和土著知識融合在一起, 可以全面了解不斷發(fā)展的北極。知識的共同產(chǎn)生涉及科學家和北極土著人民, 應以相互尊重、合乎道德和負責任的方式參與。需要進行研究以確定如何有效地考慮這些觀點。鼓勵研究發(fā)起人審查他們對實質(zhì)性社區(qū)和利益相關方參與的投資, 以建立基于證據(jù)的指導, 這對于進一步改進該過程至關重要。

2. 北極無人機。無人駕駛飛機系統(tǒng)的技術進步以及將其安全納入美國領空的監(jiān)管努力, 正在迅速改善北極的研究。阿拉斯加無人飛機系統(tǒng)集成中心促進了無人機的使用, 以調(diào)查工廠和動物、協(xié)助溢油應急、檢查管道和其他基礎設施以及繪制海冰和地形圖。俄羅斯卡拉什尼科夫最新的無人機已經(jīng)實現(xiàn)在零下的溫度下執(zhí)行長達250分鐘的偵察任務, 并通過機載自動識別系統(tǒng)識別60英里外的船只。

3. 變暖和酸化水中的北極鱈魚。氣候變化正在使北冰洋變暖和酸化, 影響了北極鱈魚產(chǎn)卵棲息地的生存和適宜性, 對其造成了雙重打擊。鱈魚只在冷水中產(chǎn)卵, 并出現(xiàn)在冬季和春季, 水溫通常在29.5~31.6華氏度之間, 這種溫度依賴性使該物種易受變暖的水的影響。海洋酸化通過降解產(chǎn)卵棲息地進一步挑戰(zhàn)這些魚類的生存, 從而降低了卵的存活率。北極水域的持續(xù)升溫可能會導致目前不適合用于北極鱈魚產(chǎn)卵的大面積區(qū)域, 這可能會影響北極食物網(wǎng)和相關的生態(tài)系統(tǒng)服務。

5 啟示

1. 北極地區(qū)戰(zhàn)略地位提升正在深刻影響北極科學研究未來方向

自然環(huán)境變化導致氣候變暖、冰雪消融加劇, 不僅使得北極地區(qū)無法重回大規(guī)模冰封狀態(tài), 也使得世界大國對北極地區(qū)的關注日漸提升, 北極地區(qū)正在成為部分世界大國的政治“逐鹿場”。這種戰(zhàn)略地位的提升也使各國對更進一步地了解和認知北極提出了需求。面向北極的氣候、環(huán)境、資源、海洋、生物、生態(tài)、地質(zhì)等多個領域的綜合研究也正在成為各國的焦點, 服務于各國北極多維度利益的科學研究將是未來北極研究的主要方向。

2. 多機構合作將是未來北極研究的重要方式

隨著北極科學部長級會議及《部長聯(lián)合聲明》的簽署, 凝聚加強多國合作研究成為當前北極研究的主流趨勢。北極地區(qū)的自然條件限制及資源、數(shù)據(jù)獲取的困難程度也決定了開展北極研究需要多方合作。美國依托跨部門北極研究政策委員會、美國北極研究委員會等多種組織機構順利打通了各機構間壁壘, 實現(xiàn)了北極研究的機構間合理分工和系統(tǒng)合作, 這些合作也在2013—2019年期間兩項大科學計劃的實施進展中得到了充分體現(xiàn)。因此, 我國在開展類似大規(guī)?？蒲泄ぷ髦? 也應系統(tǒng)布局, 全盤考慮, 注重不同機構間的合作體制機制建設。

3. 多系統(tǒng)、跨學科、綜合性研究是美國目前北極研究的主要思路

2013年以來, 美國面向北極的2個五年計劃均設置了明確的研究任務, 并隨著北極研究的不斷深入, 對計劃的內(nèi)容和方向進行了調(diào)整與創(chuàng)新, 強調(diào)以更加系統(tǒng)的科學思維開展北極研究。例如, 海洋生態(tài)系統(tǒng)任務中, 強調(diào)對海洋生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構、功能及其在氣候系統(tǒng)中所發(fā)揮作用的認識, 這一任務強調(diào)了對生態(tài)系統(tǒng)、海洋系統(tǒng)、氣候系統(tǒng)以及人類社會多個研究體系的跨學科綜合分析, 實現(xiàn)了從認知、理解、反饋、預測、決策的科學研究全流程掌控。這種研究思路也在包括海冰、冰川與海平面、多年凍土、陸地生態(tài)系統(tǒng)等多個研究任務布局中有所體現(xiàn), 并已經(jīng)取得了一些成就, 相關經(jīng)驗值得我們學習和借鑒。

4. 設計布局面向北極科學問題研究的重大科學計劃對我國北極利益有利

我國作為北極的利益攸關方, 在北極地區(qū)擁有科學研究、氣候環(huán)境、資源開發(fā)等利益, 因此, 設計布局面向北極科學問題研究的重大科學計劃將有助于我國在北極地區(qū)增強有效存在, 實現(xiàn)國家利益, 并且樹立負責任大國形象。此外, 雖然當前中美關系處于競爭格局, 但是作為世界科研大國, 中美兩國在多個領域研究能力方面均處于世界領先地位, 在北極科學問題研究中存在許多合作潛能。因此, 我國在重視同美國等環(huán)北極國家在北極研究中的合作的同時, 還應繼續(xù)加強對北極地區(qū)的科學布局, 加大對我國在北極地區(qū)研究項目的支持力度, 提升我國北極研究的科研水平和能力。

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U.S. ARCTIC RESEARCH BIG SCIENCE PROGRAM AND ITS PROGRESS DURING 2013—2019

Liu Wenhao1, 2, Zheng Junwei1, Zhao Jidong1, Yang Zongxi3

(1Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou 730000, China;2University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China;3Development and Research Center, China Geological Survey, Beijing 100037, China)

The Arctic region is rich in resources and has great strategic significance. Currently, many countries, and notably the United States, have deployed big science programs aimed at laying the foundations for their future Arctic strategies. Therefore, China needs to thoroughly understand the content of the major science programs of key countries in the Arctic region. To provide support for China's research deployment in the Arctic region, this study analyzes the main content and implementation process of the U.S.and. We identify future targets and emerging directions, and summarize the main characteristics of U.S. Arctic research big programs.

Arctic, big science programs, U.S., strategic planning

2020年3月收到來稿, 2020年5月收到修改稿

國家重點研發(fā)計劃項目(2020YFA0608500)、中國科學院“西部之光”重點實驗室交叉團隊項目、2020年中國科學院文獻情報能力建設專項“科技領域戰(zhàn)略情報研究咨詢體系建設”(E0290001)和中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)調(diào)查項目“地質(zhì)調(diào)查中長期發(fā)展動力與方向研究”(DD20190462)資助

劉文浩, 男, 1989年生。助理研究員, 主要從事地球科學與資源戰(zhàn)略情報研究。E-mail:liuwh@llas.ac.cn

10. 13679/j.jdyj.20200021