OOI觀測網(wǎng)科學目標是通過海底有纜和無纜、固定和移動相結合的觀測手段，長期、連續(xù)、實時獲取從海底到海表的物理、化學、地質(zhì)和生物特征及過程的關鍵數(shù)據(jù)，解決一系列諸如氣候變化、海洋環(huán)流、海洋酸化、極端環(huán)境下的生命等重大前沿科學問題，提高人類認識和管理海洋的能力。OOI觀測網(wǎng)主要科學問題如下。

1.4.1 海洋 大氣交換

強風暴和其他極端天氣事件極大地影響到沿海居民的生活安全，成為美國國家海洋與大氣署和美國國土安全部等重點關注的問題之一。OOI觀測網(wǎng)的表層錨系和剖面錨系能夠提供海氣交換界面上下方連續(xù)幾年或十幾年的連續(xù)觀測，實現(xiàn)對海洋風暴、上層海洋環(huán)流、初級生產(chǎn)力、海洋碳通量和氣候的實時觀測，同時還可以根據(jù)氣候和海況，隨時更改采樣和觀測頻率，用以評估風暴期間的交換過程，豐富海氣交換模型，繼而提高風暴的預報能力。相關的科學主要問題包括：

·極端表面脅迫在海洋和大氣之間的動力、能量、水和氣體交換過程中的重要性；

·極端表面脅迫對海氣交換過程中物質(zhì)和能量通量的影響大??；

·暴風對上層混合層結構的影響；

·表層脅迫的變化如何影響上層初級生產(chǎn)力和固碳作用。

1.4.2 氣候變化及其生態(tài)環(huán)境效應

海洋吸收熱量和二氧化碳，并且通過大尺度的環(huán)流對它們進行重新分配。同時，海洋又會通過各種反饋過程改變氣候。海洋和大氣之間的反饋與響應作用通過長期環(huán)境條件變化（如溫度的變化）或者短時間內(nèi)的調(diào)節(jié)過程（如厄爾尼諾和南方濤動），對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生深遠的影響。深入理解氣候變化如何影響海洋環(huán)流、氣候模式、海洋生物化學循環(huán)和海洋生態(tài)系統(tǒng)，是建設海底觀測網(wǎng)進行多學科綜合觀測的重要驅動力之一。

1.氣候變化與生態(tài)系統(tǒng)

季節(jié)性和十年尺度上大氣驅動的氣候變化強烈地影響著海洋食物網(wǎng)。研究表明，海洋中很多食物網(wǎng)似乎在經(jīng)歷著巨大的變化，例如在較短的時間內(nèi)（20世紀70年代中期至80年代、90年代后期），亞熱帶北太平洋的浮游植物、浮游動物和魚類顯示了較大的變化。與之對應的是，北太平洋環(huán)流也發(fā)生了改變，同時還伴隨著橈足類和鱈魚種群上的減少。圖1-25顯示了大馬哈魚洄游數(shù)量與太平洋十年濤動（PDO）之間的關系，PDO可能影響西北太平洋和阿拉斯加地區(qū)氣候和海表溫度，在PDO的冷期，大馬哈魚的洄游數(shù)量會增加，這可能與它們攝食的浮游動物的數(shù)量有關。

圖1-25 哥倫比亞河流的大馬哈魚洄游與太平洋十年濤動的負相關關系圖

正確理解不同海洋氣候循環(huán)的原因、過程和結果是當代海洋學家所面臨的重要問題之一。這些循環(huán)的時間尺度包括幾年到十幾年，同時還包括一些短時間尺度的事件（如風暴）。因此，需要高頻率（分鐘）、長時間（幾十年）觀測，獲取不同時間尺度下的海洋食物網(wǎng)物理結構變化的信息。OOI觀測網(wǎng)上所連接的傳感器可以實時、原位、高精度測定大氣和海水中的物理、化學和生物學參數(shù)。以往很多全球大尺度海洋過程都只能在局部區(qū)域的基礎上加以研究，而OOI觀測網(wǎng)同時包括了近海和全球觀測點，在北大西洋和南大洋節(jié)點獲得的數(shù)據(jù)可用于闡釋厄爾尼諾南方濤動（ENSO）和太平洋十年濤動周期；在亞極地和亞熱帶大西洋觀測數(shù)據(jù)可用以闡釋北大西洋濤動（NAO）。相關的主要科學問題包括：

·由ENSO，NAO和年代際變化（如太平洋十年濤動）所引起的氣候變化如何影響水體結構、化學組成及生物特征的變化？

·氣候的變化如何導致真光層水體營養(yǎng)鹽注入、初級生產(chǎn)力和顆粒物垂向分布及粒徑分布的變化？

2.海洋環(huán)流混合和生態(tài)系統(tǒng)

水體的混合過程對于補充真光層營養(yǎng)鹽至關重要。海洋混合和光限制之間非線性響應關系會影響浮游植物群落組成，繼而影響到整個食物鏈。海洋生態(tài)系統(tǒng)是受海洋混合限制還是光限制，以及生態(tài)系統(tǒng)如何響應這些限制仍是生物海洋學和化學海洋學亟需回答的科學問題之一。

傳統(tǒng)的方法不能持續(xù)觀測高頻和低頻混合事件，很難揭示偶發(fā)性和季節(jié)性的混合對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響。OOI可以實現(xiàn)水平尺度上從幾米至幾千米，垂直尺度上從幾厘米至幾米范圍的觀測，獲取從深海至近岸的各種關鍵參數(shù)，并比較各種生態(tài)系統(tǒng)之間的差異，例如高緯度亞極地站位代表惡劣天氣、高二氧化碳通量、寡營養(yǎng)、高營養(yǎng)鹽低葉綠素（HNLC），可以與西北太平洋和中大西洋海灣混合區(qū)完全相反的生態(tài)系統(tǒng)進行對比。相關的科學問題主要包括：

·強風暴和其他偶發(fā)性的表層混合事件如何影響水柱中物理、化學和生物過程？

·各種強度的風暴如何影響上部邊界層結構、真光層中營養(yǎng)鹽的注入、初級生產(chǎn)力和顆粒物的垂直分布及粒徑分布？

3.全球生物地球化學過程和碳循環(huán)

海洋既是熱量和二氧化碳的儲庫，同時也可以將熱量和二氧化碳進行重新分配。理解海氣交換過程中二氧化碳（包括人為來源）氣體的交換及封存，對于預測二氧化碳釋放對氣候和海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響至關重要。

二氧化碳在大氣和海洋之間的交換主要被“溶解度泵”和“生物泵”所控制。大多數(shù)顆粒有機碳通過復雜的降解過程被再循環(huán)和利用，少部分沉降下來并被長期埋藏在海底沉積物中。同時，存在于海底的火山和甲烷水合物也是海洋碳的來源。OOI觀測網(wǎng)借助于布放在大氣至海底的系列傳感器，測定二氧化碳從大氣進入海表繼而被浮游植物所利用的過程，以及二氧化碳通過水合物或冷泉噴口從海底進入上覆海水的過程。除此之外，全球海洋碳的固定和封存具有高度可變性。不斷增加的二氧化碳和氣候變化可能對海洋環(huán)流、初級生產(chǎn)力、生物地球化學循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)動力學造成顯著的影響。OOI觀測網(wǎng)布放的傳感器可測定在多個空間（緯度、深度）、時間（幾秒至幾十年）尺度上碳循環(huán)關鍵參數(shù)，相關的主要科學問題包括：

·海洋在全球碳循環(huán)中的重要性如何？

·控制碳和其他溶解態(tài)和顆粒態(tài)物質(zhì)（如營養(yǎng)鹽、有機質(zhì)、溶解態(tài)氣體等）在海氣界面的交換、穿過水柱并到達海底的主要物理和生物過程有哪些？

·海洋作為大氣二氧化碳源和匯在時間和空間上的變化如何？

·顆粒（有機）碳通量的季節(jié)和年際變化如何？

·海洋酸化對海洋化學和生物過程有何重要影響？

1.4.3 湍流混合和生物物理相互作用

海洋中的湍流混合對海洋內(nèi)部的熱量和物質(zhì)傳遞、海氣界面以及海水 海底界面的能量和氣體交換起著關鍵性的作用。同樣，水平和垂向海洋混合過程會深刻影響著多種生物過程，包括浮游植物群落結構、上層海洋初級生產(chǎn)力循環(huán)、生物鏈交換、幼蟲擴散、有機質(zhì)向深海輸運過程。OOI提供連續(xù)的時間序列觀測，用于記錄海洋混合和生態(tài)系統(tǒng)的變化，既可以與年際區(qū)域性或全球性海洋環(huán)流變化相關聯(lián)，也可以研究偶發(fā)且強烈的氣候事件（如颶風）的海氣相互作用。關鍵科學問題包括：

·海洋內(nèi)部的垂向混合對全球海洋熱量和營養(yǎng)鹽分布的作用有何影響？

·上混合層的形成、分層海水向混合層卷夾、混合層與大氣的氣體交換等過程的控制因素是什么？

·垂向和水平海洋混合對上層海洋浮游生物群落結構有何影響？

·近底層湍流事件如何影響底棲生物群落結構？

1.4.4 近岸海洋動力過程與生態(tài)系統(tǒng)

漁業(yè)捕撈、交通、娛樂等海上人類活動發(fā)生在近岸海域，但時刻遭受著海洋環(huán)境災害的威脅，如何應對和減少災害，提高近岸海洋資源管理能力是擺在沿海國家面前的一個重要任務。然而，僅依靠船基調(diào)查不可能同步觀測研究具有多時空尺度分布特征的關鍵海洋過程。OOI使原位連續(xù)觀測近岸生態(tài)系統(tǒng)的長期變化過程成為可能，不僅有助于闡釋有害赤潮和低氧等瞬時災害事件的起因、演化和影響，也為研究人類活動對近岸海洋和生物資源的影響提供技術支撐。關鍵科學問題包括：

·決定近岸海洋生態(tài)系統(tǒng)二氧化碳、營養(yǎng)鹽、浮游生物、有機質(zhì)和其他化學物質(zhì)的傳輸機制是什么？

·觸發(fā)赤潮、物種組成的區(qū)域性變化的環(huán)境條件是什么？

·氣候變化和人類活動如何改變近岸生態(tài)系統(tǒng)、生物棲息環(huán)境、海洋生物資源？

1.4.5 全球與板塊尺度地球動力學

在地質(zhì)時間尺度上，地球表層構造板塊的運動與相互作用導致了大洋盆地的形成、山脈的抬升和大陸的張裂。在人類時間尺度上，這些板塊運動引發(fā)地震與火山噴發(fā)，使生活在板塊邊界的沿海居民面臨災難的威脅。

雖然對板塊運動學已有很好的認識，但對板塊作用力、板塊邊界相互作用與變形，板塊邊界處巖漿、構造、熱液與生物過程的關聯(lián)與反饋效應等方面的問題仍不明晰。OOI在海底地質(zhì)作用活躍區(qū)布設一系列的連續(xù)記錄傳感器，同時將建立與陸地網(wǎng)絡匹配的海底地球物理觀測站網(wǎng)，從而提高對地球深部結構與動力過程的認識，科學評估其對人口密集的沿海地區(qū)的危險性。關鍵科學問題包括：

·地幔對流的樣式和地幔不均勻的成因和尺度是什么？

·地核、核幔邊界和最下部地幔的性質(zhì)特征是什么？

·不同的板塊邊界（俯沖帶、轉換帶和擴張中心）地震集聚和破裂傳播的物理機制是什么？

1.4.6 流體與巖石相互作用和海底下生物圈

洋殼上部是地球上最大的儲水庫。這一儲水庫中的流體循環(huán)影響海洋板塊的熱狀態(tài)和組分。海底下流體與熾熱的新生的火成地殼相互作用形成了壯觀的黑煙囪 熱液噴口，噴口附近具有獨特的生態(tài)群落。而大陸邊緣是富集大規(guī)模甲烷水合物儲庫的所在地，發(fā)育冷泉滲漏區(qū)。熱液與冷泉區(qū)均分布有巨大的不為人知的海底下微生物圈。越來越多的證據(jù)表明，地震、火山噴發(fā)、大型海底滑坡等瞬時事件對流體 巖石相互作用和海底下微生物活動方面起著重要作用。這些瞬時事件可能持續(xù)幾小時或幾天，用常規(guī)的船載設備很難觀測和采樣。了解這些劇烈梯度變化環(huán)境中的地質(zhì)、化學、生物過程之間的關聯(lián)和反饋機制，需要OOI長期原位觀測才能夠實現(xiàn)。關鍵科學問題包括：

·海底下生物圈的范圍、豐度、分布與多樣性？

·海底熱液系統(tǒng)及其相關生物群落如何隨時間演變？

·哪些過程控制甲烷水合物的形成和不穩(wěn)定？ 甲烷水合物在災難性海底滑坡中起什么作用？