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  • 守卫全球海洋的“哨兵”:Argo
  • 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:2018-12-28 08:59:34   点击:
  •       一个由约4000个“哨兵”坚守了近20年的全球海洋观测系统,正在革命性地改变科学家们认识海洋的途径。

          众所周知,海洋覆盖了地球表面70%以上的面积,对人类日常生活产生着巨大无比的影响。海洋可以“呼风唤雨”,调节全球的水循环,并储存大量二氧化碳和热量。海洋中的浮游植物,更为人们呼吸提供了大部分氧气。探索海洋,可以帮助科学家了解更多有关这个星球的过去、现在和未来,包括人类的起源。


    图1   地球是一个充满水的行星 (图片来自美国国家航空航天局)


          纵观历史,科学家和探险者曾使用船只、浮标和其他手段(如漂流瓶)观测海洋。然而,恶劣的海洋环境,让使用传统的科学仪器进行长期监测变得十分困难,即使利用现代的卫星遥感技术,也只能监视海洋的表面,仍无法探测海面以下的海水温度、盐度和洋流的变化。
          21世纪初,也就是在离今20年前,终于诞生了一个由海洋和大气科学家组成的国际团队,决定要探秘这个险象环生而又充满神奇的海洋世界,解决困惑人类很久的海面以下海洋环境数据获取难的问题,提出的解决方案就是启动一个针对全球深海大洋的观测项目,被称为“Argo计划”。自2000年以来,该计划已经在全球无冰覆盖的国际公共水域投放了成千上万个自沉浮式海洋“机器人”,科学家称它们为自动剖面浮标,如同一个个“沉默的哨兵”,为人类守卫着这片广阔无垠的海洋。

          Argo计划在海洋领域里的国际合作水平是前所未有的。包括中国在内的34个国家和团体在全球海洋中投放了近15000个自动剖面浮标,还有约18个国家通过提供后勤保障和布放船只等形式给予了长期支持。而由这些“哨兵”收集的海洋信息(也称“Argo数据”),则可在24小时内通过卫星和互联网传递给遍布世界各地的科学家。Argo计划之所以如此成功,收效显著,与这支强大科学团队的努力是分不开的。


            图2  全球海洋上活跃浮标的数量及分布(止2018年11月3日)


          这些浮标会随洋流自由漂移,每隔10天通过内循环系统自动充气、注油或者抽回气体和油,来改变自身在海水中的浮力,实现自主下沉或者上浮,并从约2000米深处上浮到海面的过程中分层采集海水的温度和盐度数据,科学家称其为一条“剖面”或者一幅“图像”。大多数浮标还可以远程控制,科学家只要在陆上实验室为它们重新设置指令,就可以控制它们的沉浮循环周期(1天、2天或者5天、10天)和测量的最大深度(1000米、1500米或者2000米),方便捕捉变化无常的海洋环境。


    图3 自动剖面浮标测量过程(左)与单条剖面的温、盐度垂直曲线(右)


          据国际Argo组织近期宣布,Argo计划自实施以来,已经在全球海洋中收集到了200万条剖面。而自19世纪70年代英国的《挑战者》号探险船首次对全球深海大洋进行大规模巡航探测以来,各国调查船累计收集的水深在1000米或者2000米的海水温、盐度剖面总和也就50多万条。也就是说,在本世纪刚刚过去的近20年里,由自动剖面浮标收集的深海剖面数量几乎是过去100年的4倍。这无疑是海洋观测技术的一场革命,更是海洋调查史上的奇迹,也标志着Argo计划取得了又一“里程碑”意义的重大成就。早在2012年11月,Argo就收集到了具有象征意义的第100万条剖面,当时用了约13年,而近期收获的又一个100万条仅花了6年时间。


    图4  全球海洋上收集的剖面数量及其分布

    (左:过去100年调查船;右:近20年剖面浮标)


          Argo数据远远超过利用船只,甚至其他仪器设备观测的总和,从而为科学家们展示了一幅更加完整的海洋图像。因为自动剖面浮标不受天气条件和恶劣海况的影响,几乎可以一年四季、不分昼夜地在全球海洋的绝大部分海域进行探测,无疑是人类的忠实卫士,更有“沉默哨兵”的美誉。地球上任何人都可以无条件地从各国(如我国为http://www.argo.org.cn/data/argo.php)和国际(http://www.argo.ucsd.edu/Argo_data_and.html)网站上免费获得这些宝贵的观测数据。Argo计划从一开始就采取的这项资料共享策略,不仅体现了全球海洋观测网共建共享、构建人类命运共同体的思想,更是推动了海洋科学的快速发展。 

          Argo资料在气候变化研究中的应用十分广泛,特别适合于观察和研究不断波动的气候变化。自20世纪70年代以来,海洋吸收了气候系统90%以上的热量,其中75%和15%分别储存在2000米以上和以下的水层中。科学家利用Argo数据可以准确地估算海洋热含量及其分布与变化;还可以用来估算因海水变暖膨胀对全球海平面上升造成的影响。进一步研究还表明,随着地球变暖,水循环也在发生改变。更暖的空气可以储存和输运更多的水汽,从而导致世界上干燥的地区蒸发增加,而潮湿的地方降水愈来愈多。观察Argo揭示的上层海水盐度分布图像可以发现,含盐量相对较高的海域因蒸发强、降水弱,使得海水盐度越来越高,而含盐量较低的海域却因蒸发弱、降水强而变得越来越淡。

          Argo是台风海域观测的有效手段。热带气旋或台风会从上层海洋中吸收热量,获得破坏性能量。这些在热带海域生成的风暴,当它们穿越海水温度超过26℃的洋面时,强度会不断增加。科学家利用海气耦合数值模式的模拟结果表明,当气候变暖时,影响我国的台风就会变得更加猛烈。


    图5  模拟的全球热带风暴位置、数量及其区域分布(上图为正常海表温度;下图为增温3℃后,由WMO/OMM提供)


          Argo数据更多地被分布在世界各地的业务化天气/海洋预报中心应用,改进数值模式,提高预测预报的准确度。全球海洋的表面状态对日常天气变化有很大的影响,气象学家利用这些准实时的海洋次表层Argo数据,放进数值模式或预测模型中,使得预测预报的准确度有了明显提高。但若要将天气预报的时效从3-4天延长到十天以上,甚至更长时间,就需要利用更长时间序列的、更多的上层海洋温、盐度剖面数据。  
          Argo的未来将会进入一个崭新的全球、全水深、多学科海洋观测时代。尽管Argo计划已经获得了200万条剖面,但仍处于向海洋多维度、大规模扩张的新阶段——Argo2020观测网。其中,避冰剖面浮标通过引入在北冰洋和南极周围季节性冰覆盖区域的避冰算法,既可避免浮标与海冰碰撞,又可储存观测数据,直到浮标漂移进入无冰覆盖的海域,再通过卫星将测量的全部剖面数据转送给浮标用户。目前,Argo也正在测试能够下潜至6000米的深海(Deep)型浮标,以及在核心(Core)Argo计划中增加可以同时测量海水溶解氧、pH和硝酸盐等生物地球化学要素(BGC)的传感器等,使得Argo观测网可以进一步向南、北极季节性冰覆盖的海域,以及生物地球化学领域拓展;因此派生出了两个子计划:

         深海Argo:目前维持全球Argo海洋观测网中的大多数浮标,还不能承受2000米水深以下的海水压力。科学家为了更好地了解深层海洋中如海水热含量等重要海洋特征的变化,就需要收集4000米,甚至6000米以下的海洋环境数据,故研制能在更大压力环境下存活的浮标,这是该子计划得以顺利实施的关键。6000米深海型剖面浮标需要承受的海水压力,相当于两辆小货车的重量压在一张邮票上。由此可见,深海浮标研发的难度和运行的环境,要比当前利用的浮标更具挑战性。该子计划设想在全球海洋中布放和维持一个由1200个深海型剖面浮标组成的Deep Argo观测网,其现场观测资料将会改善和提高卫星遥感(如海平面、净大气顶部能量通量、海洋重力和陆地海冰变化等)资料的精度;不断增加的深海温、盐度观测资料还可以为卫星观测云量和地球辐照能量系统估算的地球能量不平衡变化提供验证;全海深的Argo温度同步观测资料将改进地球系统人类活动净热总量的年际变化估计,也会减少年代际深海热含量吸收估算的不确定性等。


    图6 深海剖面浮标(左)和生物地球化学剖面浮标(右)


          BGC-Argo:当初Argo计划确定探测的主要海洋环境要素是海水的温度和盐度,近些年一些海洋观测技术团队正在致力于研发可装载测量其他海洋环境要素的剖面浮标。这些新的电子传感器可以测量海水溶解氧、硝酸盐、叶绿素和pH等生物地球化学要素,通常称这类浮标为生物地球化学(BGC)浮标。该子计划设想在全球海洋中布放和维持一个由1000个BGC浮标组成的BGC-Argo观测网,这也是第一个有能力监测全球生物地球化学过程的项目,具有在季节性海冰下全年、全天候观测的能力,其观测数据可以有效改进初级生产力的估算,提高对海洋碳循环、营养盐和包括整个海洋食物链在内的生态系统的认知,解决诸如海洋碳吸收、海洋酸化、海洋缺氧和海洋低氧区等严重影响海洋生态系统健康的问题。
          正如Argo计划首次对全球海洋进行系统性观测一样,目前科学技术的发展又为完整意义上的全球观测带来了新的机遇,可以通过增加全深度和多学科参数的观测来扩展Argo,使之发展成为新一代海洋观测系统,不仅能体现重要的科学价值,还具有广泛的社会价值。Argo2020观测网将会闭合气候研究中至关重要的热量、淡水通量以及海平面收支状况,追踪海洋热量的波动,弄清海洋生物地球化学要素(包括海洋酸化和缺氧)的全球和区域性变化及其演变趋势,并能准确描述从海表至海底的全球海洋环流变化。

          新一代Argo观测系统设计的目标包括:1)真正实现全球深海Argo观测。将现有全球Argo观测网2000米的限制深度增至3倍,达到6000米,从而革命性的更新科学家对深海基本特征、变异及其环流结构的认识;2)改变人类追踪海洋健康的能力。在全球BGC-Argo观测网建设过程中,其搭载的传感器可以观测叶绿素荧光、颗粒物后向散射、溶解氧、硝酸盐、pH和辐照度等,还包括核心Argo观测的温度、盐度和压力;3)将核心Argo扩展到全球范围。目前核心Argo观测的海域仅为无冰覆盖的公共水域,未来将扩展到边缘海和快速变化的季节性冰区;同时还会在热带海域和西边界流区域增加观测密度。为了实现这些目标,Argo2020观测网需要维持至少4700个活跃浮标长期运行,其中2500个为Core Argo计划浮标,1000个BGC-Argo计划浮标和1200个Deep Argo计划浮标。至于那些仍在试验中的新型传感器及其科学价值、技术配备,以及能否纳入Argo作为未来的观测要素,则需要继续给予评估。


    图7  近万个各类观测平台构成的全球海洋观测系统(GOOS)


          Argo观测网也是全球海洋观测系统(GOOS)的重要组成部分。面对越来越多的人类活动所带来的全球和区域海平面、海洋热含量、海洋酸化和缺氧等快速演变趋势,迫切需要不断监测具有足够时空分辨率的全球物理海洋和生物地球化学环境要素的变化。扩展的Argo观测网不仅可以通过基础研究,提高人们对海洋、气候变化的评估和认识,还可以通过改进长期海洋再分析和预报模型及其模式参数化等,提高对海洋和天气/气候的业务化预测水平,从而达到更好地监控当前气候变化和生态系统健康的目的,使得全社会能更好地适应气候变化。此外,海洋热量、淡水和生物地球化学等环境要素观测资料的实时同化,还能进一步提高短期预报的水平,这对气候敏感行业(如农业、水产养殖业、渔业、海洋石油和天然气产业等)的持续发展同样至关重要。而且,Argo2020计划还会将Core Argo、BGC-Argo和Deep Argo等观测网收集的物理和生物地球化学环境要素资料统一集成在一个综合的Argo数据管理系统中,继续给予广大用户最好、最大化的利用Argo数据的免费共享环境,以促进Argo资料在科研教育、海洋资源开发、蓝色经济发展和气候变化适应等科学和社会领域的广泛应用。
         GOOS通过近万个各类观测平台(其中Argo计划浮标占了总数的46%),每天提供的观测数据多达100万组,可用以对卫星遥感数据补充、校准和验证等。GOOS看似一个复杂的、多样化的、多学科集成的全球海洋观测系统,所提供的基本信息却可以确保人类社会的可持续发展,并带来安全、福祉和繁荣。
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