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  • 中国Argo计划实施现状与展望
  • 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:2018-10-22 13:09:41   点击:
  • 宽广海洋(占地球面积的71%)上大范围、准同步和深层次调查资料的匮乏,一直是制约海洋科学发展,特别是海洋和天气/气候业务化预测预报技术发展的瓶颈。20世纪90年代问世的自动剖面浮标,以及在2000年启动的国际Argo计划,给海洋和大气科学家带来了一次难得的机遇,使人类深入了解和掌握大尺度实时海洋变化,提高天气和海洋预报精度,有效防御全球日益严重的天气和海洋灾害的愿望终将成为现实。

    一、中国Argo计划实施背景

    Argo是英文“Array for Real- time Geostrophic Oceanography”的缩写,即“实时地转海洋学观测阵”,俗称“全球Argo实时海洋观测网”。如同陆地上的气象站组成的天气预报观测网一样,投放在海洋中的单个自动剖面浮标相当于气象站上定时释放的探空气球,而世界大洋上分布广泛的剖面浮标,就组成了覆盖全球的海洋观测系统。伴随Argo实时海洋观测网建设诞生的国际Argo计划,是在1998年由美国和日本等国的海洋科学家提出来的,并成立了国际Argo(科学)指导组(AST)、Argo资料管理小组(ADMT)、Argo信息中心(AIC)和Argo计划办公室,以及全球Argo资料中心(GDACs)等非政府组织来具体实施该计划,且所有组织的负责人和成员均由Argo成员国的科学家担任。尽管Argo是一个由非政府组织发起并实施的项目,但也得到了1999年全球海洋观测大会(OceanObs99)的认可;同年,联合国政府间海洋学委员会(IOC)还专门做出决议(XX-6:Argo计划);之后,IOC大会又发布了“关于在Argo计划框架内布放剖面浮标的XX-6号决议的实施原则(EC-XLI.4)”,重申并确认了XX-6号决议的有效性,以支持Argo计划的组织实施。所以,该计划从一开始就得到了世界上众多沿海国家的重视和支持,并纷纷制订了各国的Argo计划。

    国际Argo计划设想用5-10年时间,在全球大洋中每隔300公里布放一个由卫星跟踪的自动剖面浮标,总计为3000个,组成一个庞大的Argo实时海洋观测网(简称“核心Argo”),以便快速、准确、大范围地收集全球海洋0-2000米上层的海水温度和盐度剖面资料,帮助人类了解大尺度实时海洋变化,提高气候预报精度。2007年10月,在全球大洋无冰覆盖的公共水域由3000个浮标组成的“核心Argo”宣告建成,这也是人类历史上建成的唯一一个全球海洋立体观测系统。

    2013年,在建成“核心Argo”的基础上,随着剖面浮标技术的不断创新发展,该计划又提出继续向有冰覆盖的两极海区、赤道、西边界流区和重要边缘海(包括日本海、地中海、黑海、墨西哥湾和南中国海等)拓展,最终将建成至少由4000个剖面浮标组成的“全球Argo”海洋观测网,并派生出了“生物地球化学Argo(BGC-Argo)”和“深海Argo(Deep-Argo)”等两个子计划。截至2018年8月底,在世界上近40个国家和团体的共同努力下,已经在全球海洋上累计布放了14000多个浮标(每个浮标的使用寿命约2-3年),目前在海上维持正常工作的浮标则达到了3800个左右,每年还能提供约14万条观测剖面。至今累计获得的高质量剖面资料达到了180多万条,比过去100年由海洋调查船从全球深海大洋中获得的温、盐度剖面资料(约50万条0-1000米水深范围和20万条0-2000米水深范围)都要多得多。

    我国于2001年经国务院批准,申请加入国际Argo计划,并着手制订中国Argo计划,部署建设中国Argo大洋观测网。由此,中国成为世界上继美、德、日、澳、法、加、韩、英等国后,第九个加入国际Argo计划的沿海国家。国际Argo计划,堪称人类海洋观测史上参与国家最多、持续时间最长、成效最显著的一个大型海洋合作调查项目,也是我国海洋领域本世纪初参与的首个国际大科学计划。

    二、近期取得的阶段性成果

    2012-2017年期间,由科技部基础研究司长期滚动支持的中国Argo计划及其中国Argo大洋观测网,再次获得科技基础性工作专项“西太平洋Argo实时海洋调查”重点项目的资助。本阶段的实施目标是,在西太平洋海域分批布放35个自动剖面浮标,补充和维持我国Argo大洋观测网,具备大范围、实时监测深海大洋环境的能力;通过与国际和各国Argo资料中心的网络联接,实现业务化浮标资料采集能力;利用建立的Argo资料海上定标和实验室校正处理系统,以及Argo资料实时/延时处理模式,提高Argo资料的观测精度和可靠性,并有能力自动、快速检验和处理来自全球海洋上3000多个浮标的观测资料;研制Argo网格化数据产品和其他衍生产品,为国内Argo用户提供种类更多、信息更丰富的基础资料;建成Argo资料管理及其共享服务系统,发布Argo实时/延时数据资料,形成业务化运行能力,为国家相关项目提供高质量、高分辨率和高可信度的现场调查资料,更加快速、方便地为国内外用户(包括海洋、气象业务预报部门和科研单位,以及海洋渔业和海洋运输等从事海洋活动的单位、部门和团体等)提供Argo信息和资料服务。

    该项目由原国家海洋局第二海洋研究所牵头,国家海洋环境预报中心和浙江大学共同参与。通过5年的不懈努力,项目组如期完成了《项目任务书》所规定的研究任务,达到了如期的研究目标,取得的调查研究成果及其亮点主要有:

    1、建成我国首个Argo实时海洋观测网。除了在西太平洋及南海海域布放了36个浮标外,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),使得我国在深海大洋上布放的浮标总数达到了376个(止2017年5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。

    2、启动“南海Argo区域海洋观测网”建设。在南海布放了首批10个利用北斗卫星定位、通讯的国产剖面浮标(HM2000型),正式拉开了由我国主导建设“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,更重要的是打破了该区域观测网长期以来由域外国家建设和维护的被动局面,迫使域外国家在南海肆意布放浮标的行径有所收敛,并得到了国际Argo组织的高度重视和全力支持,收到了较好的社会反响。

    3、创建“北斗剖面浮标数据服务中心(中国杭州)”。针对国产剖面浮标批量布放设立的北斗剖面浮标数据服务中心,具备了大批量接收、处理和分级分发北斗剖面浮标观测数据的能力,并实现业务化运行,填补了国内空白,不仅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“零”的突破,而且成为世界上3个(美国马里兰、法国图卢兹、中国杭州)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(BDS)已经正式成为服务于全球Argo实时海洋观测网中信息和数据传输的3大卫星(ARGOS/ARGOS-3、IRIDIUM、BEIDOU)系统之一。

    4、在国际上公开发布我国首款全球海洋Argo网格数据集。研制完成一批Argo资料及衍生数据产品(集),覆盖了西太平洋或太平洋,甚至全球海洋,填补了国内该领域研究的空白,满足国内Argo用户的基本需求;其中新版《2004-2016年全球海洋Argo网格资料集(BOA_Argo)》,于2017年4月被公布在国际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,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。

    5、高质量Argo资料无条件免费共享。改进完善的Argo资料质量控制系统,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;通过人工审核方式进行质量再控制,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。Argo资料及其衍生数据产品的公开发布和无条件免费共享,有力地支持了国家重大基础研究计划和全球气候变化专项项目,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,推动了我国海洋资料共享进程。

    6Argo资料应用研究水平处于国际领先地位。Argo资料及其衍生数据产品已被广泛应用于我国海洋和天气/气候科学领域的基础研究及业务预测预报中,进一步提高了我国科学家对暖池、ENSO和西边界流等海洋和气候现象的认知水平,改进和完善的海-气耦合模式,提高了对海洋和天气(特别是台风和暴雨等灾害性天气)气候的预测预报水平,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JGR、GRL、JPO、JC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。

    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”和“主导建设覆盖海上丝绸之路的Argo区域海洋观测网”等建议,获得了时任国务院副总理张高丽的多次批示,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,并将付诸实施。

    通过这一阶段的不懈努力,我国Argo计划及其Argo大洋观测网建设,已经从刚开始的跟跑(全部引进国外研制的剖面浮标,参与各大洋区域的观测网布设,并利用国外卫星给浮标定位及传输数据等),发展到目前在某些方面(如小批量布放国产剖面浮标、倡导南海乃至“两洋一海”Argo区域观测网建设、利用北斗卫星导航系统为国产浮标定位及传输观测数据等)开始与一些发达国家并跑。中国Argo计划及其建设的中国Argo区域海洋观测网,已经成为国际Argo计划及其全球Argo实时海洋观测网中的重要组成部分。

    值得指出的是,由科技部基础研究司长期滚动支持的中国Argo计划及其中国Argo大洋观测网,最早可追溯自1998-2003年期间由中科院大气所黄荣辉院士担任首席科学家的国家重点基础研究发展规划项目。该项目曾于2000年委派国家海洋环境预报中心巢纪平院士(团长)组成中国海洋考察代表团,前往美国进行了为期10天的技术考察,对美国Argo计划的进展和实施情况做了较为深入的了解。回国后即向科技部和原国土资源部等国家科技和海洋主管部门呈报了“关于Argo全球海洋观测网建设进展情况的考察报告”,建议国家有关部门投入资金,尽早研究和考虑加入Argo全球海洋观测网,以便有权利共享全球海洋中的剖面浮标观测资料。科技部基础研究司迅即通过正在实施的《我国重大气候和天气灾害形成机理和预测理论的研究》项目中的“西太平洋暖池变化监测”专题,追加调查研究经费,在西太平洋暖池海域率先布放了2个自动剖面浮标。与此同时,由原国土资源部上报的《关于我国加入Argo全球海洋观测网计划的请示》正式获国务院批复(第2795号批文,2001年10月12日)。于是,从2002年开始,科技部基础研究司和国际合作司等业务部门又先后通过国家重点基础研究发展规划前期研究专项、国家大型科学观测试验、国际科技合作重点项目计划和国家重点基础研究发展规划等多个项目,持续支持中国Argo计划实施及其中国Argo大洋观测网建设。直到2012年,累计投资布放了113个浮标,并在浮标观测信息解码、资料质量控制、数据交换共享和数据产品制作等技术方法、体系的研制和Argo资料及其衍生数据产品的基础、应用研究等给予了大力支持。

    该阶段取得的主要成果和亮点有:

    1、构建了我国首个Argo大洋观测网框架。在邻近我国的西太平洋海域首次构建了中国Argo大洋观测网基础平台,形成了我国对深海大洋长期监测的能力,填补了我国对全球海洋物理海洋环境要素快速、大范围和高分辨率监测的空白,达到了同类成果的国际先进水平。

    2、创建了中国Argo实时资料中心。在国际上率先提出利用船载温盐深(CTD)仪观测的现场剖面资料校正Argo资料的技术和方法,建立了针对不同类型剖面浮标的数据接收与解码、校正处理与质量控制和交换分发与共享服务系统,有效提高了Argo资料的质量,满足了国际Argo计划提出的观测精度要求,使得我国成为国际上9个有能力向全球Argo资料中心(GDACs)提交经实时/延时质量控制资料的国家之一。

    3、开创了我国海洋资料共享的先河。在创建的“中国Argo实时资料中心”网站上在线发布经质量控制后的Argo数据,供国内外用户免费下载,及时共享我国和其他国际Argo计划成员国的浮标观测资料,并将其制作成数据光盘,不定期地向国内7个系统45个部门和单位的用户分发,累计发放Argo数据光盘500余张,访问中国Argo实时资料中心网站(http://www.argo.org.cn)的用户达上千人次,使得我国科学家能与世界各国同步获得来自全球Argo实时海洋观测网的物理海洋环境资料。

    4、自主研发了海洋资料变分同化系统。可同化包括Argo等多种海洋观测资料的全球海洋资料,实现了海洋资料同化系统与全球海气耦合模式的耦合和业务化。制作的多个基于Argo资料的网格化产品及其资料同化产品,推动了Argo这一新型海洋观测手段在物理海洋学研究领域和业务化海洋预报中的应用,显著提高了国家气候中心全球海气耦合模式对我国季节气候预测的业务水平,以及国家海洋环境预报中心对海洋环境的监测分析能力和对厄尔尼诺/拉尼娜现象的预测能力。

    5、提出了利用剖面浮标漂移轨迹推算全球海洋表、中层海流的新方法。推算的全球表层流和中层流资料质量有了显著提高,制作和发布的全球表层流资料集,可对部分海域的流系分布结构和中、小尺度涡漩等海洋现象做出更准确的描述,有效弥补了我国对深海大洋区域海流观测资料匮乏、认知不足的缺陷。

    6、培育了一支创新型的Argo应用研究队伍。通过项目组织实施,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,测量信息接收与解码,观测资料校正与处理,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)的创新型科技队伍,一批科研和技术骨干成员的业务水平不断提高,也培养出了一批博士和硕士研究生,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壮大。

    该阶段(2000-2012年)取得的一大批调查研究成果,不仅为我国长期共享全球Argo实时海洋观测网资料打下了坚实基础,而且对于促进海洋和大气科学的发展,减轻气候异常所造成的严重经济损失和人员伤亡,以及防灾减灾、国防建设和应对气候变化都具有重要的经济和社会效益。成果得到了国家行业主管部门的充分肯定,曾于2004年获得中国气象局颁发的科学研究与技术开发奖、2007年获得原国家海洋局颁发的海洋创新成果奖,2011年和2012年还分别获得了海洋工程科学技术奖、海洋科学技术奖和国家科技进步奖等奖励。

    中国Argo计划通过近5年的持续实施,与过去10多年相比,进步是显而易见的。到目前为止,我国累计在全球海洋中布放的自动剖面浮标总量超过了400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(2015年1月为204个),在近40个参与国和团体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(2016年9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180多万条,资料时间序列也由13年(从2000年起算)延长到了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”和“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(台湾)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),台湾地区直接统计在“中国”名下,论文数量猛增到了240多篇,排全球第二。直至2018年5月,我国依然保持了排名第二(470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,且台湾地区再也未有单列统计。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。

    我国还从2003年起,主动承办了多次国际Argo会议(AST-5,2003杭州;ADMT-7,2006天津;ASW-3和AST-10,2009杭州;ADMT-17,2016天津;生物地球化学Argo技术与应用国际研讨会,2017杭州)。2019年在国际Argo计划实施及其全球Argo实时海洋观测网建设20周年之际,我国还将在杭州承办第20次国际Argo指导组年会(AST-20)。我国先后有7名海洋科学家在成立的4个国际Argo组织中任职,并从2007年起主动资助AIC协调费(从刚开始的1.0万美元/年提高到2017年后的1.5万美元/年),以确保国际Argo计划的日常运行。尽管我国仍是一个欠发达的发展中国家,但中国还是义不容辞地承担了一个Argo成员国应尽的职责和义务,赢得了国际Argo组织的赞誉。中国Argo人凭借虚心好学的精神和合作共享的理念,以及过硬的业务基础和扎实的工作成效,不仅为中国在该国际大科学计划中占得了一席之地,也为中国科学家赢得了同步共享全球海洋Argo资料的难得机遇。

    通过实施中国Argo计划,18年间我国累计投入资金约1亿元(不含研究经费),布放浮标400多个,共获得了约58000条剖面(按船载CTD仪测量一条剖面费用的8折估算),为国家节省了调查资金约46亿元(投入与产出比为1:46);收集其他Argo成员国布放的浮标观测剖面180多万条,节省的调查资金更高达1500亿元(投入与产出比为1:1500),取得了十分显著的经济效益。

    三、展望

    Argo已经成为从海盆尺度到全球尺度物理海洋学研究的主要数据源,而且也已在海洋和大气等科学领域的基础研究及其业务化预测预报中得到广泛应用。展望未来,国际Argo计划仍将持续实施,Argo实时海洋观测网建设也会从“核心Argo”向“全球Argo”的远大目标继续迈进,Argo资料的应用虽然取得了一些成果,但与相关国际前沿领域的发展,我国还有不小的差距。如利用Argo浮标漂移轨迹估算全球海洋流场数据集,并应用到海洋内部流场验证的系统研究;利用Argo资料改进对海洋复杂空间变化(尺度小于气候尺度)的研究,以及结合Argo浮标的现场观测资料与卫星高度计反演的海表高度异常数据,构建北大西洋的经向翻转流和高分辨率的三维温度场等时间序列的海洋环流动力学状态方面,我国学者还很少涉足。在国际上,近些年开发的许多气候模式都同化了Argo次表层温度资料,使得模式对大气季节内波动、季风活动以及海气相互作用(如ENSO)等问题的预报能力都有了明显提高。邻近我国的强西边界流—黑潮,可以通过携带热带和亚热带温暖的海水到高纬度地区,实现热量向极输送;在其流路上还会有相当一部分热量与大气进行交换,尤其是一些海流会从边界分离进入海洋内部或近岸海域,从而改变风暴的路径或改善大陆性气候等。当前,配备诸如溶解氧、硝酸盐、叶绿素和pH等生物地球化学要素传感器的浮标,可以从物理角度监测海洋环流对气候态关键生物地球化学过程(如碳循环、海洋缺氧和海水酸化等)的影响,而这些新颖浮标的观测结果还将有助于提高生物地球化学模式的模拟能力。此外,近些年的一些研究成果还涉及到2000 m以下的深海大洋,尤其是在南半球的高纬度海域,在整个海洋热含量和热比容导致的海平面上升方面都具有举足轻重的地位。可见,我国在Argo资料的基础研究和业务化应用方面还面临着许多挑战。

    为此,我国应以成功研制北斗剖面浮标,以及国际Argo计划由“核心Argo”向“全球Argo”拓展为契机,通过创建的北斗剖面浮标数据服务中心(中国杭州),积极主动地建设覆盖“海上丝绸之路”沿线海域的Argo区域海洋观测网,使之成为“全球Argo”的重要组成部分,以及增进与“海上丝绸之路”沿线国家交流与合作的纽带,进一步促进Argo资料在我国乃至沿线国家业务化预测预报和基础研究中的推广应用,让沿线国家和民众能够真切体验和更多享受到海上丝路建设带来的福祉,并为应对全球气候变化及防御自然灾害,更多地承担一个海洋大国的责任和义务。

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