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  • 自动剖面浮标和水下滑翔机在海洋组网观测中的应用
  • 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:2018-04-27 09:14:29   点击:
  •       海洋科学是一门以观测为基础的学科,其学术思想和研究水平的提升离不开长期观测及其数据的积累;而且海洋科学的每一次突破,也都离不开技术的进步。传统的海洋观测,通常高度依赖移动的水上平台(如调查船、漂移浮标等)和固定的系泊设备(如锚碇浮标、潜标等);而利用卫星或飞机的近代海洋观测,虽可以大范围、高分辨率地获取海洋表面的遥感信息,却难以穿透水体进行有效的次表层以下观测。20世纪末发展起来的自动剖面浮标及其水下滑翔机,是使海洋科学发生革命性变化的一项新颖技术。它使全球海洋水下长期、连续观测成为可能,也是利用卫星进行海面遥感观测的一种有效补充。

         自动剖面浮标和水下滑翔机都具有隐秘性好,体积小、重量轻,移动速度慢和制造成本低的特点,也都可以用来进行大范围和高分辨率的连续海洋观测,已经成为获取全球实时海洋环境要素剖面资料的重要手段。但这些优势还只能代表当代海洋观测技术的发展水平,而海洋观测的最终目的是要获取有效的、高质量的海洋环境数据(如海水温度、电导率和压力等,据此还可以间接获得海水盐度、密度、声速、海流、跃层、锋面、内波和中尺度涡等相关的海洋环境要素和水文特征信息),并以能获得全球海洋长时间序列的(几年、几十年,甚至上百年)、大范围的(从近岸到浅海、再到深海大洋)、同步或准同步(同一时刻或数天内)的、全深度(0-2000米、3000米,甚至6000米)的高质量海洋环境资料为其终极目标。为此,仅仅依靠上述一、二种海洋仪器设备是难以达到上述目标的,需要综合运用岸基、海基和空基等现代海洋观测手段。

         21世纪初在全球范围内实施的Argo计划及其建立的Argo实时海洋观测网,无疑是当代海洋观测技术革命性运用的一个典范。它利用了以高度计为代表的卫星遥感(全球海面观测)技术,结合在全球海洋上建立起来的自动剖面浮标(全球海洋中间隔约300公里布放一个,每隔9-10天在上升过程中测量一个0-2000米深度范围内的温、盐度剖面,且保持全年有3000多个在海上正常工作)观测网,并辅以由水下滑翔机(全球特定海域0-1000米深度范围内的高时、空和高垂向分辨率的精细观测)组成的加密观测网。为此,只要各Argo参与国能坚持不懈、持之以恒,就完全有可能在本世纪中叶实现这一具有里程碑意义的海洋观测愿望。

         自动剖面浮标和水下滑翔机的工作原理相似,但前者只能依靠海流的推动和海水密度的改变做循环式上下垂直观测,而后者则可做前进式、波浪状起伏测量。通常情况下两种设备会配合使用,即在利用自动剖面浮标对某个海区测量一段时间、积累一定数量的现场观测资料后,根据其任务的性质,再使用水下滑翔机对特定海域(如地形陡峭的陆坡区、强流区和中尺度涡活跃区等)进行详查,以获取更高精度的海洋环境数据和捕捉瞬息万变的海洋现象或海洋特征。

       


    自动剖面浮标(左)和水下滑翔机(右)的剖面测量过程


         美国已经率先在加利福尼亚沿岸海域,结合自动剖面浮标(布设在外海深水区域,以大面观测为主)和水下滑翔机(设置在近岸浅水区域,以断面观测为主)两种海洋观测手段,构建了一个联合海洋观测网,并由斯克利普斯海洋研究所负责组织实施,已经在该海域进行了长达十年的观测,获得了大量宝贵的第一手资料,并在预报和研究2015-2016年期间发生的厄尔尼诺事件中发挥了重要作用。

            

    美国加利福尼亚沿岸海域的联合海洋观测网

    (红点代表自动剖面浮标观测;蓝线表示水下滑翔机观测断面)


         然而,当前我国的海洋观测,似乎偏离了国际上经过近二十年实践所提出的终极目标。有的借鉴国外的自动剖面浮标技术,在研制所谓的“浅海型剖面浮标”,试图在近岸、浅海区域组网观测,视为“方法创新”;还有的把水下滑翔机技术运用到深层海洋,并展开大范围组网观测试验,以求“技术突破”。殊不知,无论是自动剖面浮标还是水下滑翔机,也只有在它们所携带的电子传感器(如常规的温度、电导率和压力)能够获得有效的温、盐、深度(CTD)数据时,才能真正体现出海洋观测仪器设备的价值。目前,国际Argo计划对于常规剖面浮标(最大观测深度为2000米)携带的CTD传感器,提出的观测精度要求分别为0.005℃(温度)、0.01(盐度)、2.5dbar(深度);而深海型剖面浮标(大于4000米深度)的CTD传感器还在研制试验过程中,对其观测精度的要求还尚未做出规定,但肯定会高于对常规CTD传感器的精度要求。

         尽管自动剖面浮标携带的大部分CTD传感器在恶劣的海洋环境条件下都能正常工作3-5年,但小部分传感器仍会因浮标长期在海上漂移,而受到海水腐蚀或生物附着的影响,CTD传感器,特别是电导率传感器会发生漂移而导致盐度产生误差;也有的浮标因在布放之前可能受到剧烈的振动或碰撞,使得CTD传感器会产生观测误差。这也是船载CTD仪为什么在航次前后,都要求进行实验室标定的重要原因。也就是说,自动剖面浮标携带的CTD传感器,在海上长期工作发生漂移故障在所难免。但这种漂移变化比较缓慢且又相对稳定,所以完全可以借助一种称为“延时模式质量控制方法”进行有效校正。不过,这种方法需要满足两个条件:一是浮标观测海域历史上已经积累了一定数量的现场观测资料;二是1000米水深以下的海水温、盐度变化极小,甚至在数个月或数年内几乎不变。在过去100年里无论是近岸还是外海,甚至在人类活动相对较少的南北极海域,也都或多或少积累了一些现场观测资料,所以第一个条件比较容易满足;第二个条件虽说也能在绝大部分海域得到满足,但在近岸海域由于水深较浅首先被排除在外,其次在深层水生成海域由于海水混合剧烈同样无法满足。再者在北大西洋海域,人们发现即使在2000米水深处海水的温、盐度变化还是很大,因此在这些海域布放自动剖面浮标,其最大观测深度不是常规的2000米而是3000米,甚至更深层(约6000米)。所以,仅仅从盐度误差校正及其资料质量控制角度看,自动剖面浮标并不适用于浅海(如小于500米水深)区域。

         事实上,研制自动剖面浮标的目的,原本就是想解决在广阔的深海大洋区域利用调查船或锚碇浮标观测成本过高、且又无法长期、连续观测的难题;而且,这些区域受人类活动的影响小,水深、海水流动速度缓慢,深层等密度面又比较平坦,适合自动剖面浮标的平稳漂移,且移动速度不会太快,不易触底以及不会受到人为破坏等,方便大范围、大批量布放形成长期、连续观测网,这也是自动剖面浮标的优点和优势所在。反之,如果将自动剖面浮标盲目地用在浅海区域,如同在暖棚里面放气球,非但飞不高,还容易被扎破。近岸海域不仅水深浅、潮流速度强,而且地形复杂、人类活动频繁,不用说无法建成大范围的长期、连续观测网,即使成批布放浮标,能存活3个月、半年的浮标也会是寥寥无几。何况,即使获得了数条或数十条温、盐度观测剖面,又能用什么方法验证其观测结果是准确、可信的呢!由此可见,研制浅海型剖面浮标、并用来观测近岸海域的海水温、盐度剖面资料,本来就是一个违背科学常识的伪命题。而在过去的十多年里,浅海型剖面浮标的研制在我国却成了热门选题,关键技术突破、技术指标创新,荣获省部级、国家级奖励,形成批量生产能力等报道可谓不绝于耳。但时至今日,浅海型剖面浮标观测网建在哪儿,却鲜见报道,更未见任何应用研究成果;相反,人们看到的却是数十、近百台浅海型剖面浮标堆积如山,静静地躺在布满尘埃的偌大仓库里。

         同样,研制水下滑翔机的初衷,就是为了弥补利用自动剖面浮标大范围、全深度、长时间组网观测所带来的缺陷,以便能在近岸、浅海或海洋上层等特定海域,针对特殊海洋特征或海洋现象进行加密观测。尽管水下滑翔机是自动剖面浮标的升级版,但它们却有明确的分工和用途。所以,利用水下滑翔机替代自动剖面浮标的设想,无疑是痴人说梦。不过,在我国却已是“梦想成真”,不知是喜还是悲!大量报道称:中国已经研制成功“首台下潜深度超过六千米的水下滑翔机,创造了中国水下滑翔机的最大下潜深度记录,打破了水下滑翔机下潜深度世界记录”;该“系列滑翔机也是中国深海滑翔机海上作业航程最远、作业时间最长的新纪录的创造者,将此前中国水下滑翔机续航力提升了一倍,使中国成为继美国之后第二个具有跨季度自主移动海洋观测能力的国家,对构建新一代智能移动海洋观测网、提供海洋环境信息保障具有重要意义,对于中国深海环境监测、资源勘查等也具有重要的意义”。“水下滑翔机可以搭载温度、盐度、溶解氧、浊度、叶绿素、硝酸盐、ADCP、水听器等海洋探测传感器,满足中国海洋观测应用需求”;在南海同时布放了数十台“水下滑翔机进行组网观测,实现了国内最大规模的水下滑翔机集群组网观测”;“这次观测覆盖了‘大气—海水界面’至4200米水深范围的14万平方公里海区,......这些新型海洋设备均为我国自主研发,充分展示了我国高端海洋观测装备的研发能力与水平”;“这次调查使用这些先进装备构建起综合立体的观测网络,也标志着我国在深海组网观测研究方面已经走到了世界前沿,是区域海洋观测的一个重要里程碑”,云云。为此,我们海洋一线的调查研究人员,为我国海洋技术领域在短短数年内能取得如此骄人的成就,而感到欢欣鼓舞。同时,也希望能早日使用到国产水下滑翔机及其组网观测所获得的宝贵海洋环境资料,使之能进一步推动我国海洋科学的发展。

         为了迎接国产水下滑翔机观测时代的到来,作为海洋一线的科研人员,也希望能更多地了解到国产水下滑翔机的相关技术性能及其所观测的海洋环境资料的真实、可靠性。1)国产水下滑翔机能下潜到4000米以下的深度,携带的常规传感器(CTD)是什么型号的?其观测精度(不同于生产商提供的实验室精度)又是多少?如何检验或验证其测量的数据是真实、可靠的?2)数十台国产水下滑翔机组网观测,它们携带的是同一型号的CTD传感器?如何检验或验证它们之间存在的系统误差及其观测误差?3)水下滑翔机长时间水下滑行,水下定位问题是如何解决的?是否能确保滑翔机基本上沿着直线滑行?因为,受海洋中洋流的影响(或作用),水下滑翔机不可能保持在一条直线上滑行,故一味增加航行距离,必然会增加对观测资料的质量控制难度,甚至无法进行有效质控;尤其是1000米水深以下的海洋环境变化本来就很小,短期、小范围内甚至没有太多变化,故一味追求下潜深度指标,对以获取海洋环境要素资料为目的的海洋观测而言,同样没有太大意义;况且对3000-4000米以下深度的海洋环境要素观测,即使是常规的温、盐、深度,也要求CTD传感器有更高的可靠性和稳定性,以及更高的分辨率和观测精度,否则就难以分辨温、盐度特征十分接近的不同性质水团,尤其是深层微小的温、盐度变化。

         需要强调的是,自动剖面浮标和水下滑翔机,如同锚碇浮标、潜标一样,都属于海洋观测平台,但只有携带了能测量各种海洋环境要素的传感器后,才能真正成为“海洋观测仪器设备”。所以,即使平台研制成功了,没有携带传感器或者携带的传感器无法获得正确的、反映海洋环境特征或变化的观测数据,就不能称为“海洋观测仪器设备”,或者就是不合格的海洋观测仪器设备。目前,国内许多海洋技术研发单位,刚研制完成运载平台,还尚未定型、批量生产,或者真正交给用户使用,就大肆夸大宣传,实属欠妥。

         空谈误国、实干兴邦。期待国产剖面浮标和水下滑翔机真正能在我国的区域海洋观测网建设中发挥作用,从而能快速、有效地获取高质量、高分辨率的海洋环境要素资料,改变目前我国对一些特定海域海洋调查力量分散、投入不足、资源浪费严重、观测资料质量参差不一的尴尬局面,尽最大可能弥补我国对这些海域物理海洋环境要素,特别是战场海洋环境场中实时海洋信息和观测资料的不足,逐步积累起长时间序列的现场观测资料,以便能从容应对复杂多变的国际形势。


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