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  • 创新我国深海大洋调查模式的建议
  • 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:2019-10-10 12:38:06   点击:
  • 进入21世纪以来,针对深海大洋的调查方式发生了革命性的变化,从长期以来的定点观测、断面观测、大面(巡航)观测、锚碇浮标阵观测,发展到现在的剖面漂流浮标网观测。尽管传统的海洋调查方式已经持续了一个多世纪,但无论是观测剖面的数量,还是观测覆盖的区域,却都要比现代的观测方式逊色不少。自1999/2000年以来,短短20年间剖面浮标观测网已经覆盖了全球无冰覆盖的次表层至2000米水深的公共海域,获得的剖面总量达到了200多万条,比过去一百年利用各种观测方式获取的剖面总量(低于100万条)都要多得多;而且剖面浮标观测网还在以惊人的速度向前推进,海上活跃浮标数量也从2007年的3000个,发展到现在(2019926日)的3858个;规划到2025年实现4700个的终极目标。届时,深海大洋调查将进入一个全球性、全海深(0-6000米)、多学科(包括物理海洋和生物地球化学等10多个海洋环境要素)的剖面浮标观测时代。

    不过,为了确保剖面浮标观测网提供的各种海洋环境要素资料的准确无误,依然要依赖传统的海洋观测方式,特别是利用调查船进行的定点、断面和大面(巡航)观测等。过去20年对剖面浮标观测资料的质量控制可以发现,在对深海大洋进行温、盐度剖面观测时,利用船载CTD仪及玫瑰型采水器进行同步测量和采集水样(再利用实验室高精度盐度计进行现场测定)是一项十分重要、也是十分必要的科技基础性工作,否则就很难佐证和校正由剖面浮标在海上长期漂流所获得的观测资料质量;反之,也能利用准同步获得的剖面浮标观测资料,甚至高质量的历史观测资料来验证船载CTD仪观测资料的质量和可靠性。

    由此可见,在我国海洋调查由近岸浅海走向外海大洋时,理应高度重视海洋调查环境的严酷性、各种海洋现象的复杂多变性,以及深层海洋环境微弱变化,特别是大范围、高分辨率、高质量长时间系列海洋环境要素资料对全球气候所起的作用及其带来的巨大影响,亟需创新建立针对深海大洋的调查模式。

    1、国内传统的海洋调查模式

    传统的海洋调查模式归纳起来主要有3种:一是断面调查,通常是为了长期收集和积累某海区代表性测线上海洋环境要素数据而开展的定期、定点观测,由从事海洋调查的专业部门负责组织实施;二是专题调查,通常根据研究问题的需要而专门选择的调查区域和设计的调查断面和测点,且调查周期比较短,一般在1-5年之间,通常由获得资助的任务承担单位(涉海科研院所和大学等)自行组织队伍开展调查;三是专项调查,通常是为了摸清全国海洋状况而不断开展的综合性海洋调查,由国家海洋主管部门负责组织实施,全国涉海调查研究单位共同参与。如上世纪末开展的“我国专属经济区和大陆架勘测”和本世纪初启动、持续实施近十年的“我国近海海洋综合调查与评价”等国家专项任务。毋庸置疑,传统海洋调查为我国海洋研究积累了大量、丰富的海上第一手资料。但这些原始的测量数据,由于受调查体制机制的制约,或由于调查仪器设备落后,观测数据精度不高,或由于忽视了调查过程中的质量控制(对先进调查仪器设备的标定和观测资料的校正等),观测数据质量欠佳,甚至由于人为因素的影响,导致观测数据得不到共享等,未能在应用研究中充分发挥作用。诚然,这些专项调查项目大都限于近岸海域,由于自然条件和地理环境的复杂性,一些调查研究成果,特别是针对水体的观测或测量结果,事后往往难以重复或验证,所以观测数据的准确度或者精度偏低,海洋环境资料的质量不高。

    本世纪初,在国家科技部等相关部门的推动下,科学数据共享开始呈现“冰解冻释”的良好局面。但海洋观测数据由于涉及的调查单位多、队伍庞大,投入的调查仪器设备多、性能不一,调查和采样方法五花八门、缺乏统一等,从而导致观测数据虽已部分得到共享,但因数据质量低劣,依然无法在应用研究中做到物尽其用。国家投入大量财力、物力和人力开展的全国性专项调查,正面临着因观测资料先天不足,分析研究难于深入,亮点难找、创新性成果难出的尴尬局面。因此,改革传统的海洋调查体制机制,创新海洋调查模式,特别是对深海大洋的调查机制迫在眉睫。就物理海洋学调查而言,若是按传统的海洋调查方式,每个单位负责承担一个调查区域,且采用不同的调查仪器设备和观测方法,以及利用不同的资料质量控制手段等,那么,深海大洋中原本变化不大的海洋环境特征,或许就无法分辩,甚至变得错综复杂,毫无规律可循。当然,海洋观测资料共享,也并非想说共享就能共享那么简单。即使科技或项目主管部门要求或同意共享,一些项目负责人也未必愿意。究其原因,与这些负责人在实施调查航次前后,没有按国标要求对观测仪器设备送权威计量部门检测校正,航次期间又缺少标准仪器设备(如对船载CTD仪温、盐度观测数据的验证,国际上通常利用玫瑰型采水器收集海水样品、再用高精度实验室盐度计测量盐度,以及采用经典的颠倒温度计现场测量温度等,作为校正CTD观测数据的标准值;但目前在国内从事深海大洋调查的教育、科研单位,几乎少见配备国际同行公认的高精度实验室盐度计的,至于颠倒温度表几乎已经绝迹)的比测验证,一旦发现观测资料存在质量问题,资料质量控制也是巧妇难为无米之炊;而更多的则从未想过要验证观测资料的质量,总是把CTD传感器的实验室测量精度当作是海上观测精度,忽视了在实验室标定的CTD传感器,其测量精度再高,也只能代表在理想、可控状态下的测量结果,而在摇摆不定的调查船上和复杂多变的海洋环境下,船载CTD仪难免会发生碰撞,以及受海面油污和电子信号的影响、干扰,甚至自身元器件老化等,观测数据容易产生偏移或漂移等系统和偶然误差,若不经过严格的质量控制,现场观测资料也就无任何质量可言。然而,在当今我国海洋调查领域,又有多少是经过严格质量控制、符合国标(海洋调查规范)观测精度(温、盐度准确度一级标准分别为±0.02℃和±0.02)的CTD资料?更不用说能满足国际Argo计划规定的剖面浮标温、盐度观测精度分别为0.005℃和0.01的更高要求。

    值得指出的是,这种在近岸浅海区域长期存在的海洋调查乱象,也正在向大洋深海区域侵蚀、漫延。

    2、国际新颖海洋调查模式

    2000年以来,许多沿海国(也包括我国)正在共同执行的国际Argo计划和共同建设的全球Argo实时海洋观测网,或许值得我国创新海洋调查机制时借鉴。到目前为止,世界上参与全球Argo实时海洋观测网建设的国家和团体已达40个,在全球海洋中总共布放了15,000多个浮标,累计获得了200多万条温、盐度剖面和部分涉及生物地球化学要素的观测剖面。截止20199月底,在海上正常工作的浮标数量已经接近3,900个,每年能提供约15万条观测剖面。国际Argo计划,也堪称人类海洋调查史上参与国家最多、持续时间最长、成效最显著的一个大型海洋合作调查项目。

    为了保障全球Argo实时海洋观测网的长期运行,早在2000年就成立了两个专门的小组,即国际Argo指导组(AST)和国际Argo资料管理小组(ADMT),前者(AST)负责观测网的设计和协调,规范的制订和监督,以及问题的收集和解决等,具体事务则由两个管理机构——国际Argo计划办公室和国际Argo信息中心(AIC)负责落实;后者(ADMT)负责为浮标资料制订标准,研发统一的资料校正和质量控制方法,甚至统一规定资料交换的格式等。针对浮标观测中遇到的传感器质量或浮标性能问题,及时组织浮标、传感器研制技术人员和资料分析研究人员共同攻关,提出改进措施和解决办法等,或者通过观测资料的后处理和高标准的质量控制给予弥补,以确保提供的观测数据能达到统一的标准,具体工作则由两个国际Argo资料中心(GDAC)和若干个国际Argo计划成员国的国家Argo资料中心(如中国Argo实时资料中心)承担,各司其职。ASTADMT每年定期召开两次会议(分别由全体ASTADMT成员及其各参与国的代表参加),并不定期地举办浮标和传感器技术研讨会、观测资料校正和质量控制培训班等,还每隔2-3年举行一次Argo科学研讨会,检验Argo资料被各国和各领域科学家应用及其取得的成果等情况,并听取用户对观测网、浮标技术、观测要素、测量频次等的改进意见和建议等,使得观测网建设、资料质量控制和数据共享与应用研究这两支队伍,既能发挥各自的专长,又能紧密地结合在一起,相辅相成,收效十分明显。

    为了保证浮标在海上长期工作所获取的剖面资料有较高的质量,美国、法国和德国等国家的科学家还开发了Argo延时模式质量控制方法,利用浮标附近的历史水文观测资料进行检验和校正。除了要求在布放浮标时,尽可能使用专业的科学调查船(配备船载CTD仪,并携带玫瑰型采水器),以便准同步获取浮标布放期间的船载CTD仪测量剖面和特定层次上的海水样品,再采用高精度实验室盐度计测出各层的盐度值,以此来检验船载CTD仪的观测精度,以及用来校正或验证剖面浮标观测资料的质量外,还专门制作了一个Argo参考数据库,用来快速、自动检验浮标观测资料的质量。该数据库主要收集了船载CTD仪的历史资料,且只有通过了采水器(瓶)数据检验或校正后的观测数据才能加入到该数据库中。对一些海区因符合要求的历史高质量船载CTD剖面资料十分罕见或者难以收集,还采取了将经过严格质量控制的高质量历史Argo资料加入参考数据库中的措施,来弥补对这些海区浮标观测资料快速、自动检验,以及质量控制的需求。可以看到,国际Argo组织为了确保全球Argo海洋观测网中由近40个国家和团体布放的约20种型号(通过国际认证)的15000多个浮标所提供的观测数据,既能符合统一的观测精度,又能确保它们的可靠性和一致性,针对剖面浮标准入、传感器选型、观测信息收集和观测资料格式及其质量控制等,研究并制订了一系列标准、方法、措施和程序,而且还在不断改进和补充完善中。

    3、创新海洋调查模式势在必行

    目前在国内,创新的海洋调查机制虽有尝试,但支持的力度还十分有限,无论是过去的公益性行业科研专项或科技基础性工作专项,还是当前的国家重大科技研发计划,都要求课题或项目组设计“海洋调查与应用研究”相结合的方案,特别强调所立项目调查要有新发现、研究又能获得创新性成果或亮点,而忽视了调查方法和调查机制的创新,以及长期观测资料的积累、数据质量和数据共享等广大科研人员十分关注的科技基础性工作,甚至会影响到最终研究能不能出创新性成果或亮点的要害问题,却很少有人问津。为此,我国海洋调查亟需创新体制机制,适当调整科研项目的立项原则和重点支持方向,对参加重大国际合作计划、数据共享规范、用户广泛且遍布众多领域的观测项目应给予长期重点扶持,并在如下几个方面,亟需引起高度关注:

    1)充分认识海上观测资料实行分级(实时和延时)质量控制的重要性。如对物理海洋现象及其特征和变化规律的认识,往往需要积累较长时间序列的海洋环境要素(如海水温度和盐度等)资料。然而,在漫长的收集和积累过程中,往往会利用不同的观测仪器设备,有机械式的,也有电子感应式的,或者是遥测的,还会因各种因素产生这样那样的测量误差,需要采用一致公认的观测仪器和方法进行同步或准同步的比较测量,以便能了解和掌握各种测量手段的精度和可能产生的测量误差,并能根据不同的研究目的和要求,决定对观测资料采取实时模式质量控制(对资料精度要求较低)和延时模式质量控制(对资料精度要求较高)。而目前在我国海洋界,无论是管理部门还是科研院所,大都缺乏对海上观测资料质量控制重要性的认识。普遍只重视获取某一航次的现场观测资料,而忽视对观测资料的质量控制,对同一海区不同航次的观测资料进行质量控制更是无人问津,导致观测资料的质量低劣,浪费严重。即使有朝一日得到重视,但也是回天无力,没有同步或准同步的“标准”测量数据,也就难以补救。

    2)充分认识实验室高精度盐度计在深海大洋观测中的必要性。无论是自动剖面浮标,还是船载CTD仪,在恶劣的海洋环境中观测难免会产生测量误差,有的可能是系统误差,有的可能是偶然误差,也有的可能是两者的合成。各种海洋观测仪器设备出现测量误差并不可怕,也是十分正常的。但可怕的是,人们对产生的测量误差麻木不仁或者对测量误差是如何产生的,甚至是什么样的测量误差都一无所知,也就无法对误差进行纠正或校正。为此,呼吁我国海洋界,海洋调查从近岸浅海走向外海大洋时,务必高度重视实验室高精度盐度计在深海大洋观测中的重要性。在利用船载CTD仪进行深海大洋观测时,应配备玫瑰型采水器,做到每个CTD站都能在1000dbar水深以下采集5个以上代表性水层,以便有能力对船载CTD仪观测结果进行现场比测、验证;同时,在从事深海大洋调查的科学调查船上,须配备高精度实验室盐度计,并能确保其正常工作。甚至可以考虑船载CTD仪除了携带玫瑰型采水器外,还能配备颠倒温度表,方便在航次期间对CTD仪测量的温度进行比较、验证,特别是在船载CTD仪遇到故障、需临时调换备用CTD仪继续观测时,这种比较观测显得尤其重要。

    3)高度重视船载CTD仪观测数据的质量问题。从过去18年在执行中国Argo计划时布放剖面浮标的实践来看,总共搭载了8个海洋调查航次,获得了31条船载CTD观测剖面资料。可以看到,部分自动剖面浮标的第一条观测剖面在1000m以下与对应的船载CTD仪观测剖面存在较大差异(一般是在盐度剖面上,温度剖面两者均较为吻合),且浮标观测结果又与实验室高精度盐度计的测量结果较为吻合,这就使我们对船载CTD仪观测资料的质量产生了疑问。这种现象既有调查航次所使用的船载CTD仪标定参数人为设置错误所致,也有在航次期间船载CTD仪发生故障后,通过现场打开CTD仪检查,或者直接切割一段电缆以排除故障,然后又继续观测造成的。若遇这种情况,需严格按照相关调查规范的要求,不仅在航次前,更要在航次后将CTD仪送往国家权威计量部门重新标定。船载CTD仪生产商美国SEA-BIRD专业技术人员也一再建议,在调查航次的前后均需要对船载CTD仪进行标定,才可放心使用,否则CTD资料的质量就难以得到保证。此外,提供比测的船载CTD仪温、盐度资料,除了正常的CTD探头下放时的观测剖面外,还需提供探头上升时的观测剖面,以便能对船载CTD仪与代表性层上利用颠倒温度计和实验室盐度计获得的温、盐度数据进行同步比较分析。可见,在创新的深海大洋调查模式中,船载CTD仪观测已经不再是单纯的获取某个测站上的温、盐度剖面数据,而是承载着为所有自动或者长期观测仪器设备(如自动剖面浮标、水下滑翔机和锚碇浮标等)提供高精度、高可靠性“标准”数据的重任。

    4)积极为国际温盐度剖面计划(GTSPP)做出贡献。由于海洋环境的复杂多变以及自动剖面浮标使用的电子传感器易受环境影响的原因,对剖面浮标观测资料的质量控制需要使用到深海大洋上高精度的历史CTD观测资料。在过去几十年中,GTSPP已经建立了一个庞大的全球海洋温、盐度剖面资料数据库,也是国际Argo资料中心和各国Argo资料中心用来对剖面浮标观测数据进行延时质量控制的背景数据库或基础数据源,但我国对该数据库贡献的高质量船载CTD仪观测剖面,却是寥寥无几。为此,呼吁广大项目负责人和航次首席科学家,以及海洋科技工作者,既能确保每个调查航次中船载CTD仪观测资料的精度,又能积极主动地提供在深海大洋上获取的高质量CTD资料,以便用于检验和校正广阔海洋中免费提供的数以万计自动剖面浮标观测资料质量,以尽到一个国际Argo成员国的责任和义务。

    5)大力促进国产剖面浮标的批量应用。近20年来,国际上自动剖面浮标应用市场风生水起,每年的用量至少在1000个以上。在当前的海洋调查领域中,自动剖面浮标的使用量应该是最多的。国内也有多家单位在跟踪开发研制,到目前为止,至少有2种型号的自动剖面浮标已经通过国内验收,进入小批量生产和应用,其中一个型号(HM2000)还得到了国际组织的认证,用于全球Argo实时海洋观测网的建设、维护中。然而,数年过去了,该型剖面浮标的销售总量仍不足百台,真正用于全球海洋观测网中的数量还不到1/3。为此,需要建立一个倡导使用国产海洋仪器设备的生态,形成一个积极使用的氛围。任何一种新型仪器设备,只有在使用中才能发现问题,并不断改进和提高,才有可能成为高性能、高质量的产品,真正形成我国海洋仪器设备的品牌。希望我国科技和海洋主管部门,在积极支持国产仪器设备研制的同时,也能重视研制成果的转化与应用,并能出台相应的政策和措施,既能激励研制单位和科技人员从研制原理样机、实验样机和工程样机,转向通过不断试验、试用,最终能达到定型样机的方向努力,从而为新型仪器设备的推广应用铺平道路,又能鼓励科研单位和科研人员申报科研项目,积极采购和使用国产海洋观测仪器设备。

    综上所述,建议国家涉海管理或业务主管部门,能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和存档等。同时,也能为促进中国Argo计划的发展和北斗剖面浮标的大批量应用,打造覆盖“21世纪海上丝绸之路”沿线的Argo区域海洋观测网奠定基础。
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