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  • 科技基础性工作专项 “西太平洋Argo 实时海洋调查”重点项目结题总结报告
  • 作者:中国Argo实时资料中心   来源:中国Argo实时资料中心   发表时间:2017-10-11 10:50:23   点击:
  • 科技基础性工作专项西太平洋Argo实时海洋调查2012/05—2017/5)重点项目(2012FY112300),自2012年启动以来,在科技部基础研究司、海洋局科学技术司,以及海洋局第二海洋研究所、国家海洋环境预报中心和浙江大学等项目委托、依托部门和承担单位的重视和支持,以及项目专家组的监督、指导和全体项目组成员的共同努力下,已经按计划任务书圆满完成了规定的调查研究内容,并达到了考核指标的要求,取得了一批调查研究成果。目前,项目组正按照科技部基础研究司、资源配置与管理司关于开展科技基础性工作专项项目验收工作的通知要求,进入财务审计、财务验收、科学数据汇交和项目结题验收等环节的项目验收工作中。

    该项目通过五年的组织实施,在西太平洋(包括南海)补充和维持了一个由100多活跃浮标(20151月曾达到204个)组成的中国Argo大洋观测网,搭建起了覆盖两洋一海Argo区域海洋观测网框架;创建的北斗剖面浮标数据服务中心(中国杭州),是第三个有能力为全球Argo”海洋观测网提供浮标观测数据服务的国家平台,同时实现了我国海洋观测仪器用于国际大型海上合作调查计划的突破;改进完善的Argo资料质量再控制系统,有能力自动、快速检验和处理来自全球海洋上约3900个活跃浮标的观测资料,在国内处于领先水平。五年间,通过与国际和各国Argo资料中心的网络联接,实现了业务化浮标资料交换能力,累计获得了全球海洋上约155万条剖面资料;研制的Argo网格资料集及其衍生数据产品,为国内外Argo用户提供了种类更多、信息更丰富的基础资料,2017年版“BOA_Argo”成为我国科学家在国际上公开发布的首款全球海洋Argo网格数据集。项目组还积极助力我国倡议的“21世纪海上丝绸之路战略实施,提出了改进中国Argo计划主导建设覆盖海上丝绸之路的Argo区域海洋观测网等建议,获得了国务院主要领导的多次批示,促成了军民融合海洋观测专项中有关中国Argo实时海洋观测网建设规划的编制等。

     

    一、项目采取的实施路线评述

    本项目采用拉格朗日式调查方法和由卫星跟踪的自动剖面浮标观测手段,对西太平洋及其典型边缘海南海的物理海洋环境要素实施长期连续、快速实时、大范围和高分辨率的观测,并接力式对中国Argo大洋观测网进行建设和维护,在我国海洋调查史上实属罕见。

    在项目执行过程中,采取的实施路线主要分为五个部分,即浮标优化布放、数据质量控制、数据产品研制、数据建库储存和数据交换共享等,简要评述如下:

    1、浮标优化布放。本项目浮标布放在遵循国际Argo计划原则(在无冰覆盖的宽阔大洋区域每隔300公里布放一个浮标,而在西边界流、边缘海和赤道等海洋环境变化复杂的海域则要求加密布放)基础上,考虑到我国正在执行或即将开展的相关研究项目对Argo资料的需求,在西太平洋暖池区和台风、黑潮的源地海域,以及西太平洋的典型边缘海南海海域,对一些浮标采取了加密(约100公里)布放策略,而且对剖面循环周期和垂向分辨率等也做了相应调整,既能达到与国际Argo成员国交换共享的基本要求,又能满足国内用户对浮标资料的特殊需求。本项目浮标全部搭载国内其他项目调查航次布放,即时共享的浮标观测资料也给这些科研项目提供了更丰富的数据源。一些科研项目的首席科学家(PI)还自愿将他们购置的浮标资源,委托本项目管理,并作为中国Argo计划的一部分,使得中国Argo大洋观测网中的浮标数量有了大幅提高;通过项目组与国内剖面浮标研制单位的紧密合作和组织的国内外剖面浮标海上比测试验,加快了国产剖面浮标定型及批量生产进程,促成了首型(HM2000)国产剖面浮标被国际Argo组织接纳、并正式用于全球Argo实时海观测网的建设和维护,其工作性能完全可与国外其他浮标产品媲美,已在南海Argo区域海洋观测网建设中得到批量应用,进一步巩固了我国在国际Argo计划中的地位和作用。

    2、数据质量控制。无论是本项目布放的浮标,还是其他项目布放的浮标,特别是国产北斗剖面浮标,统一由专业团队编写信息解码软件,保证不同型号和使用不同卫星系统传输数据的剖面浮标观测数据得到正确解码,并按国际Argo组织(ASTADMT)规定的标准和要求进行严格质量控制,使得每个浮标实时提交的观测资料质量有了充分保证。因而,由中国Argo提交的浮标观测资料,也给全球Argo资料中心(GDAC)留下了较好的声誉。反之,其他成员国提交给GDAC的浮标观测资料质量的确存在参差不齐的现象,主要与解码软件编写有误(需要浮标用户自行编写代码)、某批次浮标本身存在技术缺陷、用于实时质量控制的阈值选取过于宽泛,以及审核技术人员专业知识或实践经验不足,甚至忽视人工审核等环节有关。近些年来,不同型号自动剖面浮标的采样方式越来越复杂,而且越来越多的浮标还加装了生物光学及生物地球化学等传感器,使得Argo资料存储格式愈加复杂;有些Argo资料新用户更是不了解NetCDF(国际Argo资料管理小组规定的一种数据交换格式)的存储方式,导致用户在读取和使用数据时遇到了较大困难,阻碍了Argo资料在我国海洋与大气科学基础研究及业务化预测预报系统中的广泛应用。为此,项目组安排科研人员准业务化收集并整理由其他国家布放在全球海洋中的全部自动剖面浮标观测资料,经质量再控制(人工审核并结合计算机自动审核)后制作成《全球海洋Argo散点资料集》,并不定期地对该资料集进行更新,采用互联网和光盘等形式免费分发,这在其他Argo成员国中并不多见。同时,还对Argo资料质量再控制方法进行了改进和完善,有效提高了Argo资料的质量。

    3、数据产品研制。为了进一步满足科研人员对Argo网格化数据集及其衍生数据产品等基础资料的需求,项目组采用最优插值方法等对不规则时间和空间分布的Argo资料进行客观分析,制作了太平洋(GDCSM_Argo)和全球海洋(BOA_ArgoArgo网格数据集;采用集合最优插值同化方案(EnOI),选取经质量控制后的Argo资料以及其他历史观测资料同化到海洋模式(HYCOM)中,制作了西太平洋海域三维温度、盐度和海流同化分析产品(ROSWPOA);运用制作完成的Argo网格数据集,又研制了多个针对西太平洋海域的Argo衍生数据产品(如混合层、温跃层和上层海洋热含量等)。在制作Argo数据产品的同时,尝试采用了多种最优插值方法,并对相关参数进行了模拟试验,以选取最佳的计算参数;利用本项目研制的Argo网格数据集与其他成员国研制的数据产品进行了比较验证,还进行了试应用研究示范,以帮助Argo用户熟悉和了解本项目提供的数据产品,推动Argo资料及衍生数据产品在更多、更广泛领域的应用。

    4、数据建库储存。随着Argo计划的不断拓展,Argo资料及其衍生数据产品的种类和数据量的激增,项目组综合运用分布式混合数据库架构,设计了一种适用于全球Argo资料的弹性扩展云存储模型,构建了一个面向海量Argo数据分布式数据库,实现了对大规模异构Argo数据(如Argo元数据、观测剖面数据及其衍生产品等)的一体化、高效管理;研制的Argo资料分布式管理信息系统,实现了全球Argo资料的业务化接收与常态化更新,并对数据入库制定了数据质量控制策略,保障了数据的可靠性和稳定性。

    5、数据交换共享。为了扩大Argo资料的应用领域、满足用户对Argo资料的共享需求,项目组还基于建立的一体化组织存储的海量Argo数据库,进一步研发了Argo资料共享服务平台。采用Webserviceflex等先进的网络技术,实现了Argo资料查询、浏览、可视化显示、统计分析等功能,能够快捷地为国内外用户提供全球海洋Argo资料及其相关数据产品的查询、浏览和下载等服务。

    通过上述实施路线在项目执行中的实践,已经取得了丰硕的直接或间接调查研究成果,而且部分成果已经得到了推广应用。如:

    120158月,我国研制的北斗剖面浮标被国际Argo组织接纳、并正式用于全球Argo实时海洋观测网建设与维护,实现了我国海洋观测仪器设备用于国际大型海上合作调查计划的突破,并已经成为我国主导建设的南海Argo区域海洋观测网中指定的唯一观测仪器,以及即将辅以实施的中国Argo实时海洋观测网建设规划的重要技术支撑;而且应运而生的北斗剖面浮标数据服务中心(中国杭州),成为了世界上第三个为全球Argo实时海洋观测网提供剖面浮标观测数据服务的国家平台。

    2201510月起,Argo数据库及其资料共享服务平台已成功部署在中国Argo 实时资料中心稳定运行近20个月,实现了对全球Argo资料进行实时稳定入库与更新,以及Argo资料共享服务平台的业务化运行,得到了国内Argo用户的广泛好评。

    320164月起,通过数据链路和远程安装等方式,在上海海洋大学(Argo深远海海洋环境资料共享平台)和上海海洋中心气象台(西北太平洋台风海域实时海洋环境智能服务系统)和31010部队(北斗剖面浮标数据共享服务系统)等单位部署了Argo资料共享服务平台,实现了Argo数据及其衍生数据产品的同步更新,并可为各单位用户提供全球海洋Argo资料及其相关数据产品查询、浏览和下载等更加便捷的远程服务,从而为Argo资料的大范围推广应用闯出了一条新路。

    420169月,我国正式拉开了主导建设南海Argo区域海洋观测网的序幕,不只是全部采用了国产剖面浮标,更重要的是彻底打破了该观测网长期以来由域外国家建设和维护的被动局面,得到了国际Argo组织的高度重视和全力支持,收到了较好的社会反响。

    520174月,2017年版全球海洋Argo网格数据集(“BOA_Argo”)公开发布在国际Argo官方网站(http://www.argo.ucsd.edu/Gridded_fields.html)上,是我国科学家在国际上公开发布的首款全球海洋Argo网格数据集,也是继美国、日本、法国、英国和澳大利亚后第六个公开发布类似数据产品的国家。

     

    二、项目取得的主要成果

    1、补充并维持了我国Argo大洋观测网

    项目组除在西太平洋及南海海域布放了36个自动剖面浮标外,还为国内其他单位和项目接收并管理了198个浮标(原海司航保部、中国海洋大学、台风973项目、中科院海洋所先导计划项目等),使得我国Argo大洋观测网中的活跃浮标数量一度达到了204个(20151月),主要覆盖了西北太平洋、南海和印度洋海域,即两洋一海(或“21世纪海上丝绸之路)区域。通过本项目的实施,使得我国在深海大洋上布放的浮标总数达到了376个(止20175月底),并维持了一个由100多活跃浮标组成的中国Argo大洋观测网,正式建成我国首个Argo实时海洋观测网,填补了国内在这一领域中的空白。

    2、加快了北斗剖面浮标技术的定型及批量生产进程

    项目主要成员积极主动地与国产剖面浮标研制单位共同分析、探讨制约北斗剖面浮标定型和批量生产的瓶颈问题,特别是在提高剖面浮标海上工作的可靠、稳定性,以及测量数据准确度上的解决方案,还及时解决了浮标采样参数和数据格式与国际Argo组织的规定不相符合,以及无法自动批量接收浮标观测信息等问题,又不失时机地组织实施了国内外剖面浮标海上比测试验,使得HM2000型剖面浮标首先获得了国际Argo组织的认可,并被接纳用于全球Argo实时海洋观测网建设与维护中。对北斗剖面浮标观测信息和数据格式、观测资料校正和质量控制等的规范化处理,达到国际Argo计划提出的资料交换共享要求,并通过GTS和互联网提交国产剖面浮标观测资料,与国际Argo成员国和WMO成员国共享我国剖面浮标观测资料,这在国内、国际上均属首次,不仅实现了我国海洋观测仪器设备用于国际大型海上合作调查计划的突破,而且也为我国主导建设南海Argo区域海洋观测网奠定了扎实基础。

    3、启动南海Argo区域海洋观测网建设

    编写了南海Argo区域海洋观测网建设方案,首批布放了10个国产剖面浮标,为我国主导建设南海Argo区域海洋观测网创造了有利条件,不仅得到了国际Argo组织的高度重视和全力支持,更重要的是打破了该观测网长期以来由域外国家建设和维护的尴尬局面,迫使域外国家在南海肆意布放浮标的行径有所收敛。建立的南海Argo区域海洋观测网,正好处于我国倡议的“21世纪海上丝绸之路国家战略的覆盖区域内,故而可拓展成为我国打造覆盖海上丝绸之路区域Argo实时海洋观测网,甚至全球Argo”实时海洋观测网的重要组成部分,扩大国产剖面浮标在全球Argo实时海洋观测网中的占有率和影响力,提高我国在国际Argo计划成员国中的地位和作用,增强我国科学家在全球Argo实时海洋观测网中的话语权。

    4、创建了北斗剖面浮标数据服务中心(中国杭州)

    针对国产北斗剖面浮标,创建了北斗剖面浮标数据服务中心,并实现业务化运行,具备大批量接收、处理和分级分发北斗剖面浮标观测数据的能力。研制完成的北斗剖面浮标数据接收/监视系统北斗剖面浮标数据接收共享系统,在国内尚属空白;一些服务功能(如接收、分发来自浮标的信息和剖面数据)与国际上已有的“ARGOS卫星地面接收中心(法国)“IRIDIUM卫星地面接收中心(美国)”相同,且部分服务功能(如对浮标信息/数据解码、校正和质量控制等)已领先ARGOSIRIDIUM卫星地面接收中心的服务范围,对剖面浮标用户而言使用更便捷、数据质量更有保证。北斗剖面浮标数据服务中心已经成为世界上3个为全球Argo实时海洋观测网提供剖面浮标观测数据服务的国家平台之一;同时,也标志着我国北斗卫星导航系统已经正式成为服务于全球Argo实时海洋观测网信息和数据传输的4大卫星系统之一。不仅为我国主导建设两洋一海或覆盖“21世纪海上丝绸之路Argo区域海洋观测网提供了坚实的技术支撑,而且还可以促进浮标资源的高效利用和海洋资料的收集与共享。

    5、改进完善了Argo资料质量控制系统

    该系统有能力自动、快速检验和处理来自全球海洋上12000多个浮标的观测资料,通过人工审核方式进行质量再控制,可有效检验如浮标漂移轨迹(卫星定位)、温盐度异常、盐度漂移/偏移、底部毛刺等异常。该系统已累计接收并处理了约179万条环境要素剖面资料,包括由中国布放的近380个浮标观测的约55000条剖面(其中16个国产剖面浮标观测的1600余条剖面),使得Argo资料的质量有了更加可靠的保证,达到了同类成果的国际先进水平。

    6、研制了一批Argo资料及衍生数据产品(集)

    研制并提供了6种覆盖西太平洋或太平洋,甚至全球海洋的散点或网格资料集,包括:8版《全球海洋Argo散点资料集(1996/1997201207/201210/201212/201309/201411/201504/201609/201705)》、5版《20042012/2013/2014/2015/2016年全球海洋Argo网格资料集(BOA_Argo)》,还包含了全球海洋Argo衍生产品(混合层、障碍层参数)和2版《20042011/2015年太平洋Argo网格资料集(GDCSM_Argo)》,以及《20052015年西太平洋Argo同化资料集(ROSWPOA)》(包含了温、盐度和海流等再分析数据产品)、《20042016年西太平洋Argo衍生数据产品(含混合层、温跃层参数)》和《20012015年热带太平洋Argo衍生数据产品(包括热含量和盐含量)》。这些Argo资料及其衍生数据产品(集),填补了国内该领域研究的空白,满足了国内Argo用户的需求;而且新版《20042016年全球海洋Argo网格资料集(BOA_Argo)》,还于20174月公开发布在国际Argo官方网站上,是我国科学家在国际上公开发布的首款全球海洋Argo网格数据集,使我国成为了第六个公开发布类似数据产品的国家。

    7、研发了多个系统(平台)软件

    研制完成了3个系统(平台),即:Argo资料共享与可视化平台、Argo资料分布式管理信息系统和Argo海量数据存储数据库;同时,还获得软件著作权2项,即:Argo资料共享服务平台(V1.0)和Argo资料分布式管理信息系统(V1.0)。此外,还申请发明了专利3项,即:一种面向海量Argo数据的分布式存储方法、一种Argo浮标海洋产品的可视化仿真方法和基于混合数据库架构的全球Argo数据存储与更新方法等。这些成果的应用,不仅填补了国内该领域研究的空白,而且满足了广大Argo用户的需求,使得Argo资料及其衍生数据产品得到了更有效的展示和推广。

    8、撰写了一批调查研究与技术报告

    项目执行期间,撰写完成调查技术报告和研究报告共计15份,包括:西太平洋Argo实时海洋调查综合报告、西太平洋Argo实时海洋调查航次报告、多型号自动剖面浮标解码器编制技术报告、国产剖面浮标比测试验及资料质量评价技术报告、北斗剖面浮标数据接收服务系统研制技术报告、南海Argo区域海洋观测网设计与构建技术报告、Argo盐度资料延时质量控制方法改进技术报告、太平洋Argo网格资料集研制技术报告、全球海洋Argo散点资料集制作及其质量再控制技术报告、全球海洋Argo网格资料集研制技术报告、西太平洋Argo同化资料集研制技术报告和Argo数据库及资料共享平台研制技术报告,以及热带太平洋海域上层海洋热盐含量研究报告、太平洋海域温、盐度分布与变化特征研究报告和西北太平洋海域上层海洋对苏迪罗超强台风响应研究报告等。

    9、主办了中国第二届Argo科学研讨会

    为进一步促进国内海洋资料同化方法研究和业务化应用,以及Argo资料在海洋与大气科学领域中的应用,项目组于2013115-8日在浙江舟山市主办了第八届全国海洋资料同化研讨会暨第二届Argo科学研讨会,来自国内外26个单位的103名代表出席了会议。会议收到的50多个交流报告中,其中涉及Argo资料及其应用研究的占了半数以上。会后由海洋出版社公开出版发行了《Argo科学研讨会论文集》(2014年)1册。

    10、公开发表了一批研究论文

    项目成员在国内外近15种学术刊物上公开发表论文40余篇,并由海洋出版社公开出版发行《西太平洋Argo实时海洋调查研究文集》(2017年)1册。

    此外,编辑《Argo简讯》22期(惠存项目委托部门、主管部门、合作单位,以及项目专家组成员、相关国家项目负责人和海洋、大气科学领域的相关专家学者等阅读);向相关国际会议(ASTADMT年会)提交Argo国家报告10份;撰写并提交参加相关国际会议的总结汇报材料10余份。

    通过本项目实施,我国累计布放的自动剖面浮标总量达到了376个,海上活跃浮标的数量在全球Argo实时海洋观测网中一度超过了200个(20151月为204个),在近30Argo成员国中排名曾从第八位升至第四位;布放的浮标类型从全部国外引进,开始(20169月)部分由国产浮标替代,并打破了长期以来南海Argo区域观测网由域外国家建设和维护,以及全球海洋观测网中只有国外浮标和卫星(提供定位及观测数据传输)一统天下的局面。尤其重要的是,我国从全球海洋获取的物理海洋环境要素剖面资料,从当时的约100万条增加到目前的155万条,资料时间序列也由12年(从2000年起算)延长到了近18年;5年前提供给国内用户的数据产品只有单一的全球海洋Argo散点资料集,发展到现在的包括全球海洋Argo网格资料集太平洋Argo网格资料集西太平洋Argo同化资料集,以及西太平洋Argo衍生数据产品(混合层、温跃层)热带太平洋Argo衍生数据产品(热、盐含量)等在内的6种数据产品;随着Argo资料及其衍生数据产品的增多,以及共享渠道的不断拓宽,国内Argo用户队伍快速壮大,国际影响力明显增强,2011年之前由我国科学家在国际权威学术刊物(15种)上公开发表涉及Argo的论文仅有82篇,在30个国家和地区中排名第四,到2014年统计的国际学术刊物增加到了18种(包含《海洋学报》英文版),论文数量猛增到了240多篇,占全球第二,直至20177月,我国依然保持了排名第二(420篇)的位置,统计的国际学术刊物也已增加到了23种,《海洋学报》英文版始终名列其中。由此可见,Argo资料及其众多衍生数据产品的公开发布和无条件免费分发,极大地推动了国内海洋数据的共享进程。中国也已从早期的国际Argo计划参与国,发展成为能自主研发国产剖面浮标,并利用北斗卫星导航系统定位和传输观测数据,主张建设南海Argo区域海洋观测网,以及能自主研制全球海洋Argo网格数据集,并提供国际共享,主动承担一个海洋大国责任和担当的重要成员国。中国Argo的地位和作用有了显著提升。

     

    三、项目对学科及经济社会发展的作用与影响

    我国是一个海洋大国,随着改革开放的不断深入,海洋在我国社会和经济发展以及国家安全中的地位越显突出。然而,由于受到经济和科技发展水平的限制,我国的海洋调查研究和海洋观测手段长期处于相对落后的状态,海洋信息资源严重匮乏,特别是广阔深海大洋上大范围、准同步和深层次观测资料的不足,一直是制约我国海洋科学发展的瓶颈。而对全球深海大洋的长期和高密度观测,即使是发达的西方国家也是望而却步。占地球表面积70%以上的海洋对气候演变具有重要的作用,海洋观测的稀缺严重制约了短期气候预测水平和海洋监测能力的提高。由本项目接力建成和维护的中国Argo大洋观测网,使我国海洋观测领域有了一次跨越式的发展,并对我国海洋和大气等领域的科学研究以及重大海洋和气象事件的预测预报水平的提高产生了深远影响。

    通过本项目的组织实施,特别是收集到的海量覆盖全球海洋的高分辨率、高质量和长时间序列Argo资料,已经在我国海洋和大气等领域的业务系统中得到广泛应用。如国家海洋环境预报中心的西北太平洋、印度洋和全球预报系统及气候预测研究模式,国家海洋信息中心的再分析系统及海洋环流模式等,均已将Argo资料作为重要的数据源纳入其同化系统,实现了业务化运行。中国气象局和国家气候中心,以及一批涉海科研单位、高校也在其业务化和科研工作中大量使用Argo资料,取得了明显成效。越来越多的实践证明,Argo资料在改进和提高海洋和天气/气候预测预报模拟效果和精度上都起到了举足轻重的作用。

    本项目还通过与各Argo成员国之间及时交换资料,使得我国海洋和大气科学等领域的科学家能与各国科学家同步获得广阔海洋上丰富的海洋环境资料,并开展相关前沿科学研究。Argo资料及其衍生数据产品有力地支持了多个国家重大基础研究项目和全球气候变化专项项目(如热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应全球变暖背景下的海洋响应及其对东亚气候和近海储碳的影响太平洋印度洋对全球变暖的响应及其对气候变化的调控作用上层海洋对台风的响应和调制机理研究等),以及一批由国家自然科学基金委员会和国家部属教育、科研院所开放实验室等部门和单位资助的与全球气候变化和深海大洋研究有关的项目,为促进行业科技进步发挥了重要作用。据国际Argo计划办公室的一份统计材料表明,自1998年以来世界上46个国家的科学家在全球22种主要学术刊物(包括JGRGRLJPOJC等)上累计发表了2800余篇与Argo相关的学术论文,其中由中国学者发表的论文就达380篇,仅次于美国(约800篇),排名世界第二。Argo资料已经成为我国海洋科研、海洋教育、海洋管理,以及海洋交通运输和海洋渔业等资源开发领域的基础和应用研究中不可或缺的重要数据源。

    通过本项目的实施,5年期间(总投资975万元)由项目布放的36个浮标,共获得了约380002000米水深范围内的温、盐度剖面(按船载CTD仪测量一条剖面的8折计算),可为国家节省调查资金约3亿元(投入与产出比为132);收集其他Argo成员国布放的浮标观测剖面约60万条,为国家节省调查资金480亿元左右(投入与产出比为1500)。2002年以来中国Argo累计获取了全球海洋中155万条有效温、盐度剖面,为国家节省调查资金多达1200亿元(投入与产出比为11200),而在过去15年中我国累计投入的经费(包含购买和布放浮标,以及观测资料的接收与处理等)还不足1亿元,经济效益十分显著。

    我国Argo实时海洋观测系统基础平台已经成为全球Argo实时海洋观测网中的重要组成部分,不仅提高了我国在国际大型合作计划中的显示度,而且通过该观测网每年还能获得不少于12万条温、盐度剖面(部分浮标还包含溶解氧、叶绿素-a和硝酸盐等生物地球化学环境要素剖面),这更是前所未有的,可为国家安全提供大量的基础信息,对于减轻气候异常所造成的严重经济损失和人员伤亡,以及国家防灾减灾、国防建设、维护海洋权益和应对全球气候变化等,也都具有十分重要的科学和现实意义,并有着广阔的应用前景。

    随着我国Argo实时海洋观测网建设的不断完善和国际Argo计划的长期维持,这些源源不断的、覆盖全球海洋的实时、高质量Argo资料及其数据产品,不仅可直接用于业务化海洋预报,而且也可大幅度提高我国海洋和天气/气候预测预报的精度,因而有着不可估量的经济和社会效益。

     

    四、项目人才培养及组织管理情况

    1、项目人才培养

    通过本项目组织实施,为我国培养并锤炼了一支从事涉及Argo工作(如自动剖面浮标校验与布放,观测资料接收与校正处理,数据质量控制与交换共享,以及数据存储与批量处理、数据产品研制与试应用研究等)的科技队伍,一批科研和技术骨干成员的业务水平得到了进一步提高,也培养出了一批博士和硕士研究生,其中博士后1名、博士研究生4名、硕士研究生7名,以及在培博士研究生3名。近些年他们陆续毕业,有的进入了科研、教育单位,也有的进了部队院校,更多的依然在从事与Argo相关的科技工作,使得国内这支新生的Argo科研力量,特别是从事Argo资料及其衍生数据产品研发和基础应用研究的队伍在不断得到加强。更重要的是,随着Argo资料的不断积累和影响力的不断扩大,吸引了更多的青年科技人员加入到Argo基础研究应用队伍中来,这从我国科学家在国内外学术刊物上公开发表涉及Argo论文数量的逐年攀升就可得到验证;况且,近些年我国重点研发计划项目和国家自然科学基金项目中资助涉及Argo应用研究项目的比例增加,也足以证明了这支队伍的壮大。

    2、项目组织管理

    按照科技部有关科技基础性工作专项重点项目需成立项目专家组的管理要求,项目启动之初,就成立了以中科院海洋研究所胡敦欣院士和国家气候中心丁一汇院士任正、副组长,刘秦玉教授(中国海洋大学)、王彰贵研究员(国家海洋环境预报中心)、朱江研究员(中科院大气物理研究所)、齐义泉研究员(中国科学院南海海洋研究所)、张韧教授(解放军理工大学)、韩桂军研究员(国家海洋信息中心)和许建平研究员(国家海洋局第二海洋研究所)等9人组成的项目专家组;项目牵头单位国家海洋局第二海洋研究所还与两家合作单位国家海洋环境预报中心和浙江大学,按照《项目计划任务书》的要求,经项目成员认真讨论、商议,签订了《项目研究人员合同书》,明确了各自的任务分工。项目组按要求成立了项目管理办公室,加强项目专家组与项目组之间的联系与沟通;同时还利用中国Argo实时资料中心网站(不定期更新,且每季度至少更新一次)和“Argo简讯(每季度编辑一期,五年期间累计编发22期、3500余册)等媒介,作为项目主管部门、依托部门和单位领导检查和监督项目进展的平台,以及成为密切与其他重大科学计划项目联系的纽带和便于广大用户、公众了解Argo窗口

    该项目自20129月在杭州启动至今,分别于201311月在舟山、20151月在北京和20163月在杭州,举行了四次项目专家组会议,每次年会项目主管部门、依托部门和单位都会委派主管领导莅临会议进行现场监督指导,专家组会对项目组提供的项目年度工作进展报告进行认真审议,并对项目的工作进度和下一年度工作计划等,提出指导性意见和建议;同时,还会对项目遇到的重大问题及解决措施以项目专家组名义向项目主管部门、依托部门和单位提交书面建议报告等。如针对年度科研经费拨款迟缓,提出了有关加强科技基础性工作专项西太平洋Argo实时海洋调查重点项目支持力度的建议;针对由我国布放的Argo剖面浮标观测资料需借道法国上传全球通讯系统(GTS)的问题,提出了积极争取国家气象管理部门的支持,早日将我国的浮标观测资料通过北京的GTS接口与世界气象组织(WMO)成员国及时共享,进一步提升我国在国际合作计划中的地位和显示度的建议,以及针对国际Argo计划的发展态势和南海Argo区域海洋观测网建设现状,提出将还未采购的12个浮标(应以国产北斗剖面浮标为主)布放在西太平洋的典型边缘海南海海域的建议,并呼吁国家科技和海洋主管部门给予中国Argo计划持续支持,不断提高Argo剖面浮标观测资料的质量及扩大应用研究的范围,尽快研制制订涉及中国Argo海洋观测网建设及资料质量控制与应用的相关标准等意见建议。这些宝贵的意见建议,为项目的顺利实施起到了引领和保驾护航的作用。

    特别指出的是,项目执行之前,项目牵头单位和合作单位,均选派了有志为Argo做贡献,甚至从事Argo科研工作多年的科技人员参加该项目申报,他们彼此之间都有较深的接触和了解,对涉及Argo的测量技术、数据质量控制方法、数据同化技术及方法,以及数据存储、可视化仿真方法和网络技术等都有一定的技术储备或经验积累,从而为承担和完成本项目任务打下了坚实基础。项目实施过程中,这支以中、青年科技人员为骨干的创新型研发队伍,非常注重学术和技术方面的交流,边学边干,不仅强化了项目内各课题组之间、课题组与各承担单位内部其他课题组之间的交流,还多次组织承办了相关学术会议或选派项目成员参加国内外学术会议和国际Argo组织举行的年度会议等,而且与项目组外相关单位和科技人员的沟通与交流也十分密切,及时解决课题或项目实施过程中遇到的相关技术难题(如寻求布放浮标的搭载航次、提高国产剖面浮标的测量精度和稳定、可靠性,创建北斗剖面浮标数据服务中心等),从而确保了项目的顺利进展。

    浙江大学课题组还根据课题任务要求,在内部细分为数据库入库与管理“Argo资料共享与可视化两个子课题,每个子课题实行组长负责制;课题实施中,要求研发人员对方案设计、新技术调研和方案论证等,做到职责明确,计划可行性强。课题组施行周报制度,每周都要对本周计划实施情况做出总结,评价、分析计划实施效果以及计划发生偏差的原因,并安排好下周计划,使得课题进展能完全按照时间表实施。因此,该课题无论是数据库研发还是资料共享平台研制,不仅能相互配合共同推进,而且都超前提交了Argo数据库及其资料共享服务平台研究成果,并于201510月部署在中国Argo实时资料中心,一直稳定运行至今,使得Argo资料共享服务平台提前半年实现业务化运行的目标。

    国家海洋局第二海洋研究所课题组,除了承担本项目36个浮标的采购与布放、观测数据接收与解码、数据质量控制与交换共享外,还承担了国内其他项目委托的198个浮标除采购、布放以外的所有工作,以及其他Argo成员国历年布放的全部浮标观测数据的收集、格式转换、质量再控制和分发共享等工作;此外,还安排课题成员承担了全球海洋Argo网格数据集(BOA_Argo)、全球海洋Argo衍生产品(混合层、障碍层参数)数据集、太平洋Argo三维网格资料集(GDCSM_Argo)、热带太平洋Argo衍生数据产品(热含量、盐含量)和西太平洋Argo衍生数据产品(混合层、温跃层参数)等的研发和制作;协助国产剖面浮标研制单位解决了浮标海上观测性能不稳定、观测数据无法自动批处理、浮标观测信息和数据格式与国际要求不相符等技术难题,并组织完成了首次国内外剖面浮标海上现场比测试验,为国产剖面浮标尽早获得国际Argo组织认可、并正式用于全球Argo实时海洋观测网建设与维护赢得了时间,促进了国产剖面浮标的定型和批量生产,从而为我国主导建设南海Argo区域海洋观测网打下了基础。这些看似本项目任务以外的工作,但却是国内用户的迫切需求,关呼海洋权益维护,甚至国家安全。为此,课题组成员面对任务重、人员少,工作量又特别大的困难,采取了既分工又合作,遇到问题及时商讨,共同寻找对策的应对措施,课题决战阶段几乎每周一次碰头会,从而确保了课题任务的按时完成。

    本项目任务的结题验收,仅仅代表了项目组已经按项目计划任务书的要求,完成了规定的工作内容,达到了预期的研究目标,项目组可以解散,但本项目(还有其他项目)布放在海上的浮标,有些还在正常工作、发送观测数据,所以国家海洋局第二海洋研究所课题组,还会像以往结题验收的那些项目一样,继续为这些浮标做好从数据接收、解码到资料质量控制和交换共享等日常工作,并为广大Argo用户提供后续服务。

     

    五、存在问题与建议

    中国Argo大洋观测网是我国海洋调查史上唯一以深海大洋观测为主,覆盖范围最大、持续时间最长,且建设资金投入最少的海洋立体观测系统。15年来,中国Argo大洋观测网建设从西北太平洋起步,逐渐拓展到北印度洋和南太平洋海域。到目前为止(20175月底),仍有116个浮标在海上正常工作,排在美国(2 142个)、澳大利亚(370个)、法国(319个)、日本(171个)、德国(143个)、英国(156个)和印度(130个)之后,但国际排名已经从2015年的第四位,退居到第八位。

    为此,我们应清醒地认识到,由于我国Argo计划的实施和Argo大洋观测网建设还没有完全纳入业务化海洋监测预报体系,我国布放浮标的总量和每月在海上的活跃浮标数量还只占到全球Argo实时海洋观测网中的3%左右,远远落后于美国、澳大利亚、法国和日本等国家,其中美国占了总数的50%以上;国产剖面浮标虽已被国际Argo计划组织接纳,开始用于全球Argo海洋观测网建设与维护,但在当前运行的观测网中所占比例还不到0.03%;研制的全球海洋Argo网格资料集离海洋和天气/气候业务部门的需求(时间分辨率为月,甚至候;空间分辨率为1/2°×1/2°经纬度,甚至1/4°×1/4°经纬度;更新时间为季或旬)还存在较大差距;而深海剖面浮标(Deep-Argo)的研发则还刚刚起步,生物化学剖面浮标(Bio-Argo)的研制更是鸦雀无声。再环顾邻近的东南亚和印度洋沿海国家,虽然全球Argo实时海洋观测网已有30多个国家参与建设与维护,且观测资料免费共享,但对许多东南亚和印度洋沿海国家而言,尽管长期饱受台风(飓风)、风暴潮、海浪,甚至海啸等海洋灾害的侵袭和威胁,却由于种种原因至今尚未享受到该观测网所带来的红利。中国和印度虽较早加入了国际Argo计划并参与观测网建设,但两国在海上布放浮标的数量(在全球Argo观测网中仅占6%)至今也还十分有限,印度洋Argo观测网中的浮标数量与太平洋和大西洋相比要落后一截,至今仍未达到国际Argo计划提出的最低标准,尤其是南海的Argo区域观测网目前还是域外国家布放的浮标占了多数。可见,增加在印度洋海域的浮标数量、并由域内国家主导建设南海区域观测网,研制适用于业务化的Argo网格数据产品,促进观测资料及其衍生数据产品在东南亚和印度洋沿海国家的推广应用,以及重视深海和生物化学浮标的研发等,中国Argo依然任重道远。

    由国际Argo计划倡议建立的全球海洋观测系统,汇集了近30个沿海国家参与建设和维护,且观测数据实行无条件共享,是目前获取全球海洋次表层观测数据最重要的手段。但是,随着美国等国家近些年财政预算的大幅度削减,预计未来几年内浮标布放数量会呈下降趋势,维持4000个浮标组成的全球Argo”观测网将面临困境。我国是一个海洋大国,还是国际Argo计划重要成员国,理应在国际合作调查计划中做出更大贡献,这符合我国正在实施的“21世纪海上丝绸之路战略倡议。国际Argo计划办公室和国际Argo信息中心也十分期望中国能在该计划中扮演更重要的角色。

    在国际Argo计划发展遭遇瓶颈之际,我国理应为该计划的持续发展承担更多的责任和义务,同时也是我国在大型国际合作项目中发挥主导作用的一个难得机遇。为此,提出几点对策建议,供国家科技和海洋主管部门决策参考。

    1、  尽早将中国Argo实时海洋观测网建设纳入业务化运行体系

    十三五期间,通过全球海洋立体观测网智慧海洋雪龙探极重大工程等建设,建成我国Argo实时海洋观测网并业务运行,同时以浮标捐赠和技术培训等方式帮助海上丝绸之路沿线国家加入国际Argo计划并培养相关技术人才,进一步提升我国在大型国际合作项目中的地位和作用。

    2、  进一步扩大国产剖面浮标和北斗卫星系统的国际影响力

    通过各种途经给予中国Argo计划和国产剖面浮标研制单位更大的支持和扶持,尽可能采购和布放更多的北斗剖面浮标,进一步扩大国产剖面浮标和北斗卫星系统的国际影响力,提高北斗剖面浮标在全球Argo实时海洋观测网中的占有率,让世界气象组织(WMO)和国际Argo计划成员国能通过全球通讯系统(GTS)和互联网(WWWFTP)获得更多的来自中国北斗剖面浮标的现场观测数据。

    3、重视Argo资料的质量控制与共享

    从深海大洋环境的复杂性、海洋调查观测的科学性及其观测资料质量控制的重要性和必要性出发,对利用自动剖面浮标获取温、盐度剖面资料的科研或业务项目(单位),明确指定由国际Argo计划认可的国内专门机构统一负责浮标观测信息及数据的接收、解码、校正、质控和分发等,以充分发挥我国分散投资的有限浮标资源及观测资料的综合效益,确保观测资料的高质量,避免过去在近岸浅海区域海洋环境调查中长期存在的观测数据汇总难、共享难,以及观测资料质量低下的老大难问题,方便国家对深海大洋环境观测信息及数据的统一收集、存档和共享管理。

    特别需要说明的是,目前国家海洋主管部门每年通过国际合作和业务观测等渠道给予中国Argo实时资料中心和北斗剖面浮标数据服务中心约70万元的日常维持经费,主要用于支付国际Argo信息中心的协调费、参加国际Argo指导组和资料管理小组年会的国际差旅费用,以及部分海上活跃浮标的卫星通讯费等;中国Argo实时海洋观测网或两洋一海”Argo区域观测网的建设和维护,即在海上投放自动剖面浮标的购置经费,期待着由正在制订的全球海洋立体观测网重大工程项目或军民融合海洋观测专项中国Argo实时海洋观测网规划项目提供。但在上述两项业务工作安排中,尚未考虑投放浮标、建立观测网后的最终目标获取有效、高质量的观测数据所需要的相关费用,包括各Argo成员国布放的浮标观测数据的统一接收与质量再控制、我国布放浮标(含国产剖面浮标)的统一接收与质量控制(实时和延时)及与其他Argo成员国的交换共享等,特别是新颖浮标技术(BGC-ArgoDeep-Argo)和传感器(pH、溶解氧、硝酸盐、叶绿素-a等)的应用及其观测数据的质量控制(国际上尚处于探索阶段);Argo数据质量控制方法还在不断改进和完善中,以及针对层出不穷的新型浮标观测信息通过卫星传输后的准确解码也面临着诸多挑战等,这些繁杂而又基础性的工作,更需要专业团队负责承担。这完全符合科技基础资源调查专项面向科学目标和国家战略需求开展的对自然本底数据和材料的获取、对已有数据和材料的整理与编研等科技基础性工作,具有基础性、公益性、系统性等特征;主要目标是产出权威系统的科学数据、调查报告、科技资料、图集图件等基础性成果,并实现开放共享,以推动基础学科发展、支撑科技创新活动、支撑国家宏观决策等;重点支持内容聚焦于典型、重点和特色主题,查漏补缺,区别于行业业务工作的资助方向,迫切需要科技基础资源调查专项经费的长期、持续支持。

    201610月,项目组曾根据国家海洋局转发的科技部办公厅关于征集2017-2020年国家科技基础资源调查专项重大需求的函(国科办函基[2016]716号)的精神,填写上报了一份名为南海Argo实时海洋调查科学考察与调查类)的国家科技基础资源调查专项重大需求建议书,提出以我国成功研制北斗剖面浮标,以及国际Argo计划宣布由核心Argo’全球Argo’拓展为契机,充分发挥我国作为国际Argo重要成员国的作用,主导建设南海Argo区域海洋观测网,为南海海域科学研究以及温、盐度和海流等动力环境要素预测预报提供现场数据支撑。拟围绕布放国产北斗剖面浮标及其观测信息的接收与解码、资料校正处理与质量控制、数据产品开发与交换共享等内容展开,进一步提高我国在国际Argo计划成员国中的地位和作用。该项目的组织实施对我国海洋和大气科学领域的科技创新,以及有效防御自然灾害等都具有重要支撑作用。

    为此,希望国家科技和海洋主管部门,能充分考虑国际Argo计划组织实施的长期性、全球Argo实时海洋观测网不断拓展带来的技术挑战性及其数据处理的复杂性,特别是南海Argo区域海洋观测网建设对我国海洋权益、国家安全的重要性和迫切性,给予该项目滚动支持。

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