劉增宏

海洋覆蓋了地球表面70%以上的面積,對(duì)人類日常生活產(chǎn)生著巨大影響。科學(xué)家和探險(xiǎn)者曾使用船只、浮標(biāo)和其他手段(如漂流瓶)觀測(cè)海洋。然而,惡劣的海洋環(huán)境,讓使用傳統(tǒng)的科學(xué)儀器進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)變得十分困難,即使利用現(xiàn)代的衛(wèi)星遙感技術(shù),也只能監(jiān)視海洋的表面,仍無(wú)法探測(cè)海面以下的海水溫度、鹽度和洋流的變化。

20多年前,一個(gè)由海洋和大氣科學(xué)家組成的國(guó)際團(tuán)隊(duì),決定要探秘這個(gè)險(xiǎn)象環(huán)生而又充滿神奇的海洋世界,解決困惑人類很久的海面以下海洋環(huán)境數(shù)據(jù)獲取難的問(wèn)題,提出的解決方案就是啟動(dòng)實(shí)施一個(gè)針對(duì)全球深海大洋的觀測(cè)計(jì)劃,被稱為“Argo”計(jì)劃。

Argo是“實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)海洋學(xué)觀測(cè)陣”的英文縮寫(xiě)。至今,Argo計(jì)劃已經(jīng)在全球有冰和無(wú)冰覆蓋的國(guó)際公共水域,還包括部分重要邊緣海水域,投放了成千上萬(wàn)個(gè)自沉浮式“水下機(jī)器人”,海洋科學(xué)家稱其為“自動(dòng)剖面浮標(biāo)”。如同陸地上由無(wú)數(shù)氣象站組成的天氣預(yù)報(bào)觀測(cè)網(wǎng)一樣,投放在海洋中的單個(gè)自動(dòng)剖面浮標(biāo)相當(dāng)于氣象站上定時(shí)釋放的探空氣球,而世界大洋上分布廣泛的剖面浮標(biāo),就組成了覆蓋全球海洋的觀測(cè)網(wǎng)。

這些浮標(biāo)常年游弋在廣闊無(wú)垠的海洋上,形成了一支由約4000個(gè)水下機(jī)器人組成的龐大“艦隊(duì)”,每時(shí)每刻監(jiān)視著海洋環(huán)境的變化,正在革命性地改變科學(xué)家認(rèn)識(shí)海洋的途徑。

為大?！爱?huà)像”

自動(dòng)剖面浮標(biāo)到底長(zhǎng)啥樣?實(shí)際上,它是一個(gè)圓柱體狀的自沉浮裝置,長(zhǎng)約1.5米、重45 公斤左右。一旦投放入海,浮標(biāo)會(huì)隨洋流自由漂移,每隔10天通過(guò)內(nèi)循環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)充氣、注油或者抽回氣體和油,來(lái)改變自身在海水中的浮力,不會(huì)對(duì)海洋造成二次污染,實(shí)現(xiàn)自主下沉或者上浮,并從海洋深處上浮到海面的過(guò)程中分層采集海水的溫度和鹽度數(shù)據(jù),這被科學(xué)家稱其為一條“剖面”或者一幅“圖像”。

當(dāng)浮標(biāo)到達(dá)海面后,會(huì)自動(dòng)將這條剖面的數(shù)據(jù)發(fā)送給衛(wèi)星,并由衛(wèi)星定位系統(tǒng)給這條剖面確定位置,再通過(guò)地面接收站將觀測(cè)的剖面數(shù)據(jù)和定位信息轉(zhuǎn)送給浮標(biāo)用戶;之后,浮標(biāo)又會(huì)再次下潛,進(jìn)入下一個(gè)觀測(cè)循環(huán)。如此周而復(fù)始,在茫茫大海上自動(dòng)運(yùn)行4～5年,直到浮標(biāo)自帶的電池容量耗盡為止。

通常,一個(gè)浮標(biāo)在其生存期內(nèi)可以獲得140-180條剖面。不過(guò),現(xiàn)在大多數(shù)浮標(biāo)(如利用銥星和北斗衛(wèi)星通訊的剖面浮標(biāo))還可以遠(yuǎn)程控制,科學(xué)家只要在陸上實(shí)驗(yàn)室向它們發(fā)送指令,就可以控制它們的沉浮循環(huán)周期(1天、2天或者5天、10天)和測(cè)量的最大深度(1000米、1500米或者2000米,甚至可以深達(dá)6000米),方便捕捉變化無(wú)常的海洋環(huán)境。這樣的浮標(biāo),在其生存期內(nèi)可以獲得比早期浮標(biāo)多得多的觀測(cè)剖面。

沉默的“哨兵”

自1999年開(kāi)始,在廣闊海洋上布放第一個(gè)剖面浮標(biāo)起,至今已經(jīng)陸續(xù)投放了18000個(gè)左右,在全球海洋上獲得了累計(jì)約280萬(wàn)幅反映海水物理海洋(如溫度和鹽度等)和生物地球化學(xué)(如溶解氧、pH和硝酸鹽等)性質(zhì)的圖像。

而自19世紀(jì)70年代英國(guó)的《挑戰(zhàn)者》號(hào)探險(xiǎn)船首次對(duì)全球深海大洋進(jìn)行大規(guī)模巡航探測(cè)以來(lái),各國(guó)調(diào)查船累計(jì)收集的水深在1000米或者2000米的海水溫、鹽度剖面總和也就50多萬(wàn)條。也就是說(shuō),在本世紀(jì)剛剛過(guò)去的20多年里,由剖面浮標(biāo)收集的深海剖面數(shù)量幾乎是過(guò)去100年的5倍。

這無(wú)疑是海洋觀測(cè)技術(shù)的一場(chǎng)革命,更是海洋調(diào)查史上的奇跡。早在2012年11月,Argo 就收集到了具有象征意義的第100萬(wàn)條剖面,當(dāng)時(shí)用了約13年;而第二個(gè)100萬(wàn)條僅花了6年時(shí)間(2018年9月)。

Argo數(shù)據(jù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)利用船只,甚至其他儀器設(shè)備觀測(cè)的總和,從而為科學(xué)家展示了一幅更加完整的、清晰的和立體的海洋演變圖像。自動(dòng)剖面浮標(biāo)不受天氣條件和惡劣海況的影響,幾乎可以一年四季、不分晝夜地在全球海洋的絕大部分海域進(jìn)行監(jiān)測(cè),無(wú)疑是人類的忠實(shí)衛(wèi)士,更有“沉默哨兵”的美譽(yù)。

Argo數(shù)據(jù)在全球范圍內(nèi)都是免費(fèi)共享的,已被廣泛應(yīng)用于沿海國(guó)家的海水養(yǎng)殖、污染監(jiān)測(cè)、海洋教育和國(guó)防事業(yè)等。近些年由政府間氣候變化專門(mén)委員會(huì)(IPCC)提供的海洋和氣候評(píng)估報(bào)告,也都離不開(kāi)Argo數(shù)據(jù)。而且,幾乎每天都會(huì)有一篇使用Argo數(shù)據(jù)的科學(xué)論文在國(guó)際主要學(xué)術(shù)刊物上公開(kāi)發(fā)表。

有助研究“氣變”

Argo資料在氣候變化研究中的應(yīng)用十分廣泛,特別適合于觀察和研究不斷波動(dòng)的氣候變化。自20世紀(jì)70年代以來(lái),海洋吸收了氣候系統(tǒng)90%以上的熱量,其中75%和15%分別儲(chǔ)存在2000米以上和以下的水層中。

科學(xué)家利用Argo數(shù)據(jù)可以準(zhǔn)確地估算海洋熱含量及其分布與變化;還可以用來(lái)估算因海水變暖膨脹,對(duì)全球海平面上升造成的影響。

進(jìn)一步研究還表明,隨著地球變暖,水循環(huán)也在發(fā)生改變。更暖的空氣可以儲(chǔ)存和輸運(yùn)更多的水汽,從而導(dǎo)致世界上干燥的地區(qū)蒸發(fā)增強(qiáng),而潮濕的地方降水愈來(lái)愈多。觀察Argo揭示的上層海水鹽度分布圖像可以發(fā)現(xiàn),含鹽量相對(duì)較高的海域因蒸發(fā)強(qiáng)、降水弱,使得海水鹽度越來(lái)越高,而含鹽量較低的海域卻因蒸發(fā)弱、降水強(qiáng)而變得越來(lái)越淡。

Argo數(shù)據(jù)也正在幫助科學(xué)家描述厄爾尼諾與南方濤動(dòng)現(xiàn)象的年際變化特征,以及包括北大西洋和太平洋年代際振蕩在內(nèi)的年代際變化;同時(shí),還可以使得科學(xué)家有能力追蹤發(fā)生在長(zhǎng)時(shí)、空尺度內(nèi)的海洋變化,提高業(yè)務(wù)化天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)的精度,從而使得海洋學(xué)發(fā)生了一場(chǎng)革命性改變。

Argo也是臺(tái)風(fēng)海域觀測(cè)的有效手段。熱帶氣旋或臺(tái)風(fēng)會(huì)從上層海洋中吸收熱量,獲得破壞性能量。這些在熱帶海域生成的風(fēng)暴,當(dāng)它們穿越海水溫度超過(guò)26℃的洋面時(shí),強(qiáng)度會(huì)不斷增加?？茖W(xué)家利用海氣耦合數(shù)值模式的模擬結(jié)果表明,當(dāng)氣候變暖時(shí),影響我國(guó)的臺(tái)風(fēng)就會(huì)變得更加勐烈。

Argo數(shù)據(jù)更多地被分布在世界各地的業(yè)務(wù)化天氣/海洋預(yù)報(bào)中心應(yīng)用,改進(jìn)數(shù)值模式,提高預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度。全球海洋的表面狀態(tài)對(duì)日常天氣變化有很大的影響,氣象學(xué)家利用這些準(zhǔn)實(shí)時(shí)的海洋次表層Argo數(shù)據(jù),放進(jìn)數(shù)值模式或預(yù)測(cè)模型中,使得預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確度有了明顯提高。但若要將天氣預(yù)報(bào)的時(shí)效從3-4天延長(zhǎng)到十天以上,甚至更長(zhǎng)時(shí)間,就需要利用更長(zhǎng)時(shí)間序列的、更多的上層海洋溫、鹽度剖面數(shù)據(jù)。

兩個(gè)子計(jì)劃

當(dāng)下,Argo已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)嶄新的全球、全水深、多學(xué)科海洋觀測(cè)時(shí)代。

盡管Argo計(jì)劃已經(jīng)獲得了約280萬(wàn)條剖面,但仍處于向海洋多維度、大規(guī)模擴(kuò)張的新階段。其中,避冰剖面浮標(biāo)通過(guò)引入在北冰洋和南極周圍季節(jié)性冰覆蓋區(qū)域的避冰算法,既可避免浮標(biāo)與海冰碰撞,又可儲(chǔ)存觀測(cè)數(shù)據(jù),直到浮標(biāo)漂移進(jìn)入無(wú)冰覆蓋的海域,再通過(guò)衛(wèi)星將測(cè)量的全部剖面數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送給浮標(biāo)用戶。

目前,Argo正在測(cè)試能夠下潛至6000米的深海型浮標(biāo),以及在核心Argo(Core-Argo)計(jì)劃中增加同時(shí)測(cè)量海水溶解氧、pH和硝酸鹽等生物地球化學(xué)要素的傳感器等,使得Argo觀測(cè)網(wǎng)進(jìn)一步向南、北極季節(jié)性冰覆蓋的海域,以及生物地球化學(xué)領(lǐng)域拓展,從而派生出了兩個(gè)子計(jì)劃:一個(gè)稱“Deep-Argo”,另一個(gè)則稱“BGC-Argo”。

早期,維持全球Argo觀測(cè)網(wǎng)中的大多數(shù)浮標(biāo),還不能承受2000米水深以下的海水壓力?？茖W(xué)家為了更好地了解深層海洋中如海水熱含量等重要海洋特征的變化,就需要收集4000米,甚至6000米以下的海洋環(huán)境數(shù)據(jù),故研制能在更大壓力環(huán)境下存活的浮標(biāo),這是該子計(jì)劃得以順利實(shí)施的關(guān)鍵。

6000米深海型剖面浮標(biāo)需要承受的海水壓力,相當(dāng)于兩輛小貨車的重量壓在一張郵票上。可見(jiàn),深海浮標(biāo)研發(fā)的難度和運(yùn)行的環(huán)境,要比以往利用的浮標(biāo)更具挑戰(zhàn)性。

Deep-Argo子計(jì)劃設(shè)想在全球海洋中布放和維持一個(gè)由1200個(gè)深海型剖面浮標(biāo)組成觀測(cè)網(wǎng),其現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料將會(huì)改善并提高衛(wèi)星遙感(如海平面、凈大氣頂部能量通量、海洋重力和陸地海冰變化等)資料的精度;不斷增加的深海溫、鹽度觀測(cè)資料還可以為衛(wèi)星觀測(cè)云量和地球輻照能量系統(tǒng)估算的地球能量不平衡變化提供驗(yàn)證;全海深的Argo溫度同步觀測(cè)資料將改進(jìn)地球系統(tǒng)人類活動(dòng)凈熱總量的年際變化估計(jì),也會(huì)減少年代際深海熱含量吸收估算的不確定性等。

另外,當(dāng)初Argo計(jì)劃確定探測(cè)的主要海洋環(huán)境要素是海水的溫度和鹽度,近些年一些海洋觀測(cè)技術(shù)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)成功可裝載測(cè)量其他海洋環(huán)境要素的剖面浮標(biāo)。這些新的電子傳感器可以測(cè)量海水溶解氧、硝酸鹽、葉綠素和pH等生物地球化學(xué)要素,通常稱這類浮標(biāo)為生物地球化學(xué)(BGC)浮標(biāo)。

BGC-Argo子計(jì)劃設(shè)想在全球海洋中布放和維持一個(gè)由1000個(gè)BGC浮標(biāo)組成的觀測(cè)網(wǎng),這也是第一個(gè)有能力監(jiān)測(cè)全球生物地球化學(xué)過(guò)程的項(xiàng)目,具有在季節(jié)性海冰下全年、全天候觀測(cè)的能力,其觀測(cè)數(shù)據(jù)可以有效改進(jìn)初級(jí)生產(chǎn)力的估算,提高對(duì)海洋碳循環(huán)、營(yíng)養(yǎng)鹽和包括整個(gè)海洋食物鏈在內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)的認(rèn)知,解決諸如海洋碳吸收、海洋酸化、海洋缺氧和海洋低氧區(qū)等嚴(yán)重影響海洋生態(tài)系統(tǒng)健康的問(wèn)題。

三大目標(biāo)

正如Argo計(jì)劃首次對(duì)全球海洋進(jìn)行系統(tǒng)性觀測(cè)一樣,目前科學(xué)技術(shù)的發(fā)展又為完整意義上的全球觀測(cè)帶來(lái)了新的機(jī)遇,可以通過(guò)增加全深度和多學(xué)科參數(shù)的觀測(cè)來(lái)擴(kuò)展Argo,使之發(fā)展成為新一代海洋觀測(cè)系統(tǒng)(即“OneArgo”),不僅能體現(xiàn)重要的科學(xué)價(jià)值,還具有廣泛的社會(huì)價(jià)值。

OneArgo觀測(cè)網(wǎng)將會(huì)閉合氣候研究中至關(guān)重要的熱量、淡水通量以及海平面收支狀況,追蹤海洋熱量的波動(dòng),弄清海洋生物地球化學(xué)要素(包括海洋酸化和缺氧)的全球和區(qū)域性變化及其演變趨勢(shì),并能準(zhǔn)確描述從海表至海底的全球海洋環(huán)流變化。新一代OneArgo觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到的目標(biāo)主要有如下三個(gè):

一是要真正實(shí)現(xiàn)全球深海Argo觀測(cè)。將現(xiàn)有全球Argo觀測(cè)網(wǎng)2000米的限制深度增至3倍,達(dá)到6000米,從而革命性的更新科學(xué)家對(duì)深?；咎卣?、變異及其環(huán)流結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)。

二是要改變?nèi)祟愖粉櫤Ｑ蠼】档哪芰ΑＴ谌駼GC-Argo觀測(cè)網(wǎng)建設(shè)過(guò)程中,其搭載的傳感器可以觀測(cè)葉綠素?zé)晒?、顆粒物后向散射、溶解氧、硝酸鹽、pH和輻照度等,還包括核心 Argo 觀測(cè)的溫度、鹽度和壓力。

三是要將核心Argo擴(kuò)展到全球范圍。早期核心Argo觀測(cè)的海域僅為無(wú)冰覆蓋的公共水域,現(xiàn)在已經(jīng)擴(kuò)展到一些重要邊緣海和快速變化的季節(jié)性冰區(qū);同時(shí)還會(huì)在熱帶海域和西邊界流區(qū)域增加觀測(cè)密度。

為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo),OneArgo觀測(cè)網(wǎng)需要維持約4700個(gè)活躍浮標(biāo)長(zhǎng)期運(yùn)行,其中2500個(gè)為Core-Argo計(jì)劃浮標(biāo),1000個(gè)BGC-Argo計(jì)劃浮標(biāo)和1200個(gè)Deep-Argo計(jì)劃浮標(biāo)。至于那些仍在試驗(yàn)中的新型傳感器及其科學(xué)價(jià)值、技術(shù)配備,以及能否納入Argo作為未來(lái)的觀測(cè)要素,則需要繼續(xù)給予評(píng)估。

Argo觀測(cè)網(wǎng)是全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。面對(duì)越來(lái)越多的人類活動(dòng)所帶來(lái)的全球和區(qū)域海平面、海洋熱含量、海洋酸化和缺氧等快速演變趨勢(shì),迫切需要不斷監(jiān)測(cè)具有足夠時(shí)空分辨率的全球物理海洋和生物地球化學(xué)環(huán)境要素的變化。

擴(kuò)展的Argo觀測(cè)網(wǎng)不僅可以通過(guò)基礎(chǔ)研究,提高人們對(duì)海洋、氣候變化的評(píng)估和認(rèn)識(shí),還可以通過(guò)改進(jìn)長(zhǎng)期海洋再分析和預(yù)報(bào)模型及其模式參數(shù)化等,提高對(duì)海洋和天氣/氣候的業(yè)務(wù)化預(yù)測(cè)水平,從而達(dá)到更好地監(jiān)控當(dāng)前氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)健康的目的,使得全社會(huì)能更好地適應(yīng)氣候變化。此外,海洋熱量、淡水和生物地球化學(xué)等環(huán)境要素觀測(cè)資料的實(shí)時(shí)同化,還能進(jìn)一步提高短期預(yù)報(bào)的水平,這對(duì)氣候敏感行業(yè)(如農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)、海洋石油和天然氣產(chǎn)業(yè)等)的持續(xù)發(fā)展同樣至關(guān)重要。

而且,OneArgo計(jì)劃還會(huì)將Core-Argo、BGC-Argo和Deep-Argo等觀測(cè)網(wǎng)收集的物理和生物地球化學(xué)環(huán)境要素資料統(tǒng)一集成在一個(gè)綜合的Argo數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)中,繼續(xù)給予廣大用戶最好、最大化的利用 Argo 數(shù)據(jù)的免費(fèi)共享環(huán)境,以促進(jìn)Argo資料在科研教育、海洋資源開(kāi)發(fā)、藍(lán)色經(jīng)濟(jì)發(fā)展和氣候變化適應(yīng)等科學(xué)和社會(huì)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,確保人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。

作者簡(jiǎn)介

劉增宏,自然資源部第二海洋研究所正高級(jí)工程師,自然資源部杭州全球海洋Argo系統(tǒng)野外科學(xué)觀測(cè)研究站站長(zhǎng),碩士生導(dǎo)師,1999年本科畢業(yè)于中國(guó)海洋大學(xué)海洋學(xué)專業(yè)。主要從事Argo海洋觀測(cè)、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制和應(yīng)用研究,建立了我國(guó)Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)接收、處理和分發(fā)系統(tǒng),帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)研制了有影響力的Argo數(shù)據(jù)產(chǎn)品。主持國(guó)家級(jí)專項(xiàng)、國(guó)家基金和省部級(jí)項(xiàng)目共10余項(xiàng)。曾獲國(guó)家科技進(jìn)步獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)1項(xiàng)、省部級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)5項(xiàng)?，F(xiàn)任國(guó)際Argo指導(dǎo)組、資料管理組和深海Argo任務(wù)組成員。2024年被授予國(guó)家卓越工程師稱號(hào)。

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