1、 全球海洋观测网（Argo）

   为了解全球气候的变化，海洋学界正在做一项雄心勃勃的事业，即设计并部署一个全球海洋观测系统，以便对海洋从季节到十年间的变化作 前所未有的长期跟踪观测。这项计划的实施，将使人类对气候的认识和预测向前迈出一大步。全球海洋观测系统的现场支柱就是Argo剖面浮标网，将为人类提供 一个全球海洋次表层数据库。

   Argo剖面浮标观测网将由3000个自动仪器组成，每个浮标每隔10天发送一组取自2000米到海面的温度和盐度剖面资料。在全 球大洋内每隔大约3个经纬度布设一个浮标，其数据通过卫星快速转送到气候（或海洋）预报中心，以供业务使用，传送时间通常小于12 小时，而经过质量控制的资料则需迟后3个月，才能在Inter网上查到。全部Argo资料均对外公开而无所有权的限制。届时，将由该观测网来观测和报告任 何时刻全球海洋的物理状态。

全球Argo剖面浮标海洋观测网

   Argo计划已经引起全球范围的广泛关注和支持。它是全球海洋观测系统（GOOS）中的一个试验计划，得到了世界气候研究计划 （WCRP）所属的气候变化和预测实验(CLIVAR)，以及全球海洋数据同化实验（GODAE）的大力支持。第四届世界气候变化纲领大会、第20届国际 海委会会议和第13届世界气象大会等一致认为，Argo是一个十分重要的计划。

   在美国，考虑到Argo计划的科学意义和实际应用，以及其在世界范围的影响和跨学科研究的潜力，它已经被列入美国国家海洋合作计划(NOPP)内实施。由于Argo计划处于跨部门和跨学科的重要地位，故已成为NOPP资助的重点项目。

2、实施 Argo计划的必要性

   在过去的20年中，重大的气候研究活动，特别是全球热带海洋大气实验（TOGA）和世界海洋环流实验（WOCE），揭示了海洋在耦 合气候系统中的关键作用。海洋不仅是空气－海洋－陆地上水和热量变化的主要聚散地，而且洋动力学和海洋热力学还参与了热量的重新分配，并起着隔离气侯式活 性气团的作用。TOGA实验的一个重大贡献就是认识到了赤道太平洋动力学在El Nino形成、演变过程中所起的重要作用。根据TOGA实验在热带太平洋布设的现场观测系统，首次成功地进行了El Nino预报。

   WOCE实验的分析表明，洋流从热带海域携带大量的过热到中纬度区域，据Bryden 等人（1991）的估计，仅在北半球就有大约2′1015W的过热被带往中纬度海域，与大气输送的热量几乎相等。WOCE资料还揭示出海洋热机中巨大的年 际间变化。如，据Roemmich 等人（2000）的研究结果，在北太平洋热带/温带区域的热量输送，每年的变化量至少达30%。而有关产生和维持年际和十年际变化过程的许多问题，仍有待 进一步探讨。人们普遍认为，要进一步认识和预测气候的变化，需要将目前主要集中在热带太平洋的观测系统扩大到整个全球海洋。在气候观测系统中，测量全球海 洋中的热储量和输送量是气候观测系统中的一项重要内容。

   随着几十年来已经建立的进行海洋观测的科学基础，以及近年来三大技术的发展，才有可能在全球海洋中施放Argo浮标。

   （1）90年代剖面浮标（图2）的开发，使得人们能够对全球海洋中任何一处的海洋物理性质（温、盐度剖面和某一深度上的参考速度）进行均匀的、常规的观测。

   （2）高精度的卫星高度计可以每隔10天对全球海平面高度进行一次测量，但它迫切需要现场数据库来解释和补充真实的海面分布状况。

   （3）数据同化技术正处于成熟阶段，Stammer 和Chassignet（2000）提出的判断海面状况的方法，为海洋次表层数据库与由遥感观测的海面风力和海洋表面状态数据库结合提供了一条途径。

海平面、等压面和等密度面分布 (海平面位于最上层；深色线表示等压面；浅色线表示等密度面；
符号☉和⊕分别表示海流的流动方向流出或流入)

   借助于现有的卫星观测系统和功能强大的数据同化技术，在全球海洋中施放次表层观测网将十分有利于加深对气候系统的认识，促进气候预报水平的提高。

3、阿尔戈（Argo）与伊阿宗（Jason）

   剖面浮标观测网和卫星高度计之间有着特殊的关系。选择“Argo”这个名称就是为了强调由美国国家航空与航天局 （NASA）和法国国家空间中心（CNES）将要发射的新一代卫星高度计的联系。正如在希腊神话中伊阿宗（Jason）缩。右边第二项可根据浮率领其他英 雄寻找金羊毛乘坐的船名为“阿尔戈（Argo）”所完成的史诗般的海上航行一样，Jason高度计也需要现代的Argo来配合才能成功地完成它的历史使 命。

   剖面浮标和高度计的结合可以帮助人们全面动态描述海平面高度及其次表层的成因。海面高度的变化可以表述为：

式中h 是海面高度，ρ是海水密度（温度、盐度和压力的函数），p是压力，g是重力加速度，符号‘′’表示由时间平均的距平。方程式左边 的值是由高度计测得，右边的第一项（即动力高度）可直接根据浮标剖面数据计算获得，这一项主要测量由于海水特性（如水柱热膨胀）改变而导致的水柱膨胀或收 标在剖面间的相应参考深度处漂移期间的参考速度获得。大尺度的漂移可用地转平衡式表示:

式中f是科里奥利力参数,u是漂移速度。因此漂移速度可以通过计算参考深度处（相应于参考压力pref ）的水平压力梯度获得。式（1）中的压力项用来测量参考深度以上海水质量的变化，这与海洋环流中的风生分量有关。因此，对在大尺度空间范围内的浮标和高度 计数据，其综合测量就能了解与密度和质量场有关的变化量，正是这种变化构成了整个海平面的变化。

   仅靠同化测高高度模式还不能将海平面变化精确地划分为密度和参考压力的变化，也不能精确地估计密度随深度的分布， 而海洋的动力过程及其演变完全取决于次表层结构。因此，次表层观测网是整个观测系统中必不可少的组成部分。先进的数据同化技术是一个十分有用的工具，但是 它受到精确模拟和预报初始化数据的严格限制。

4、实施Argo计划的目标

   Argo将提供全球海洋2000米深度以上的次表层温、盐度资料。WOCE计划也曾进行过全球海洋观测，但其花了7年时 间、动用了大量船只，才得以完成全球的观测任务。而Argo计划实际上是一个实时的、海洋上层的WOCE计划，它将每隔10天提供一组全球海洋状态的资 料。

   Argo计划的预期目标分三个方面。（1）明显增进人们对海洋基本知识（如海洋的结构、环流、质量和热、盐平衡等）的 认识和了解。 众所周知，全球次表层温、盐度气候学说存在误差和统计变化。热量和淡水储量的时间序列可以从全球范围的基础上获得，同时也可知道全球温跃层和中层水团的结 构和体积。Argo将观测海洋中从年际到十年间变化的主要现象（如ENSO的海洋反应、太平洋的十年涛动和北大西洋涛动等），使之能对大尺度大洋环流，也 包括海洋内部的质量、热量和淡水输送平均状况和变化过程进行全球性描述。（2）与模拟和同化有关。Argo 将为数据同化建立一个前所未有的数据库，从而可以帮助人们揭示当今海洋的物理状态，以及对预报模式进行初始化。实时的全球海洋业务预报亦将变为现实。这个 数据库还将经受新一代全球海洋和耦合模式的连续性测试。因此，没有它就不可能对已有的模式进行改进。通过观测变化的耦合模式的海洋分量，有助于提高相应的 预测大气变化的能力。（3）与上面提到的Argo和Jason高度计之间的协同作用有关。高度计和浮标这两种测量系统间的互补性和配合使用，要比利用单一 的观测系统评估海洋状态更精确。

5、Argo浮标观测网设计

   Argo观测网的设计要在全球观测网的需求和实际条件的限制之间进行平衡。在许多海区，用于统计海洋变化的资料十分稀少，因此在设计次表层观测网时需要考虑到多种因素的变化。最终，Argo观测网选择了每隔3个经纬度放置一个浮标。考虑的因素主要有：

   （1）早期和现有浮标的研究。在WOCE计划实施期间，曾在热带太平样和南太平洋上 放置了300个浮标。这个巨大的水域几乎占了全球海洋的一半面积。Davis(1998)发现，这些稀疏的数据集足以绘出五年期间平均的中层海洋环流图， 但却无法获得中层海洋环流的时间演变图。然而，Argo观测网在此海域将施放比WOCE计划多5倍的浮标，这将足以精确地反映出该海域温、盐度和环流的季 变化和年际变化图。最近在大西洋中开展的大密度剖面浮标实验进一步强调，在强噪声的中尺度涡流场区域，需要大量的浮标覆盖，以便观测大尺度的变化。

   （2）现有的上层海洋热量观测网。为了应用XBT数据集估算必要的统计场，人们已经 进行了大量的观测网设计研究工作。利用间隔数百公里布设的观测网足以测定海洋表层的热储量，对以季为时间尺度、边长为1000km的水域来说，其观测精度 可达10w/m2。这使得温度波动年际变化的观测精度可达到3w/m2左右。如果结合使用温度剖面资料和高度计资料，则其精度会更高。在观测海洋状态从季 节到年际间的变化过程中，这些误差范围的变动会产生很强的信噪比。热储量的测量除了其固有的意义外，还能对大气及耦合模式中的海-气热交换提供更为有效的 限制条件

   （3）高度计数据集。Wunsch 和 Stammer（1995）对高度计资料的光谱分析表明，全球内海面距平变化，有半数波长小于1000km。如果感兴趣的气侯信号包括所有大于 1000 km的波长，那么以每隔3 个经纬度布设的浮标观测网将能够分辨出这些信号，其信噪比约为3:1。与季节和更长时间的气候变化信号相比，未能分辩的变化信号（如锋、中尺度旋涡等）具 有更短的时间周期，一般为10-20 天。因此，求时间平均值能进一步增加信噪比。Stammer（1997）研究发现，测高谱中半功率点作为纬度的函数，它的波长从热带处的1300km到北 纬50oN处变为700 km。随着纬度的增加，空间尺度的缩短这一事实就是Argo观测网要在高纬度区域增加浮标密度的原因。在赤道区域，每隔 3个经纬度布设一个浮标所组成的观测网，在北纬60oN区域其布设密度则要增加2倍。

   （4）WOCE水文资料中的气候信号。Parilla等人（1994）通过与早 期资料的对比发现，WOCE水文资料在副热带北大西洋海域中存在十年时间尺度变化的、大范围的中层变暖现象。分样实验表明，这些海盆尺度的变化信息可以从 间隔3个经纬度分布的剖面浮标资料中获取。

   （5）同化模式的需要。事实上，模拟的需要与纯数据分析的要求并没有明显区别。模式是以数据为基础，它需要相应的比较场进行严格的模式测试。而同化模式则需要大量的数据以确定单点测量与模式的平滑场连接的统计学特性。

6、美国的Argo计划

   美国许多政府机构对全球海洋自动剖面浮标观测网已经达成共识。这些机构对海洋的 物理状态和耦合气候问题十分感兴趣。美国自然科学基金会和美国海军研究署（ONR）十多年来一直在支持剖面浮标的开发。这些机构认识到剖面浮标设备对大尺 度海洋环流、水团形成和其它与气候有关的过程等基础性研究工作有着潜在的重要性。美国自然科学基金会一直在支持重大气候的研究，例如在气候变化和预测实验 (CLIVAR)基础上开展的太平洋和大西洋气候研究活动等。在这些活动中，Argo起了重要的作用。ONR把Argo看作是对全球和区域性海洋实时模式 初始化的一个至关重要的数据集。美国国家海洋与大气局（NOAA）也积极参与了该浮标项目，以观测和预测从季节到年际间的气候变化。根据前总统克林顿在 1999年6月召开的全国海洋大会上的承诺，NOAA的参与将会增强美国的Argo计划。基于浮标计划与正在进行的卫星高度计任务之间在科学上的结合，美 国航空与航天局（NASA）也表明了对Argo计划有浓厚的兴趣。

   为了有效地协调参与Argo计划的各个分散机构的工作，已将Argo计划纳入 NOPP下实施。因此，美国的Argo计划是一个由多方参与的联合项目，包括科研机构和政府部门的科学家，以及浮标技术专家和美国浮标制造商。美国的 Argo 计划从1999财政年度开始，每年在热带大西洋和东南太平洋施放50个Argo浮标。

   NOPP正在设法加快部署和实施全球Argo计划中美国所承担的任务。NOPP也使 得来自4个研究机构、2个政府实验室和2个私营公司的调查研究人员，在这个合作项目中得以发挥各自的聪明才智和互相借鉴，从而避免了重复劳动，弥补了早先 不同的研究项目之间存在的空白。由于美国的Argo计划目标单一，故很容易与世界上其它国家的Argo计划相融合。NOPP的机制使得Argo计划的运作 变得非常实在－即一个单独的计划获得了广泛的关注和支持。

7、全球的Argo计划

   Argo计划的规模之大是任何一个国家都无法单独完成 的。由CLIVAR和GODAE组成了一个国际Argo科学小组（网站地址为：www.argo.ucsd.edu），以便指导设计Argo计划和协调计 划的实施。目前，计划购买或制造Argo剖面浮标的国家有：澳大利亚、法国、德国、日本、韩国、英国和美国，以及欧共体等。期待有更多的国家和地区来参与 这项计划，包括提供浮标或对施放浮标给予支持，以及协助利用Argo资料等。Argo计划的独特之处就在于能与许多国家的科学家、技术人员和政府机构的参 予者等建立起一种国际性的默契。

   Argo计划中所有提供浮标的国家和机构一致认为，在全球范围内实施此项计划是十分 必要的。 实际上，Argo就是一个全球性的海洋观测网。很明显，浮标提供国优先考虑施放的区域是全球的热带海域、北大西洋和北太平洋。为了达到覆盖全球海洋（包括 亚热带到极地南纬区域）的目标，大部分参与者都同意把大部分浮标投放到这些海域。然而，实现上述目标的关键问题是：（1）要促进各国的Argo计划，使之 能达到全球每年施放750个浮标的最终目标。由于每个浮标的平均使用寿命为4年，所以每年需施放750个浮标才能维持 3000个浮标组成的全球海洋观测网。（2）提高对南大洋和印度洋观测重要性的认识。

   Argo资料系统的协调是另一个需要重点考虑的国际性问题。Argo资料中心将通过 全球通讯系统（GTS）提供实时的数据集和滞后的高质量数据集。资料中心正在设计一套通用格式以方便剖面资料的索取和交换。更新的全球 Argo数据集可以通过任何数据中心获得，数据信息将由设在法国Toulouse的国际协调处保存。该协调处将贯彻WMO-IOC对Argo计划的有关指 示（如通知沿海国家Argo浮标将漂入其专属经济区的信息等），以及协调各国在特定的海域施放浮标。

   目前，Argo浮标的小规模施放、设计研究和技术开发等在一些国家还处于起步阶段。 第一批Argo浮标已经在施放。全球支持Argo浮标观测网的呼声很高，已把它看作为全球气候观测网的一个最为重要的组成部分。但也有一些人持观望态度。 不过，仍然有希望从2002年开始达到每年施放750个浮标的目标。这将为2003年开始的GODAE计划提供一个还较为稀疏的全球海洋观测网，但到 2005年将为实现3000个浮标的最终目标。