紧跟时代步伐,实现大洋观测的跨越式发展
人类赖以生存的地球,是一颗“水的行星”。占地表总面积71%的海洋,容纳了地球97%以上的总水量。在太阳辐射的作用下,世界海洋每年大约 50.5万立方千米的海水被蒸发,向大气供应约87.5%的水汽。从海洋和陆地蒸发的水汽上升凝结后,又以雨或雪的形态降落到陆地或海洋。陆地上每年约有 4.7万立方千米的水沿地面注入河流或渗入土壤,形成地下水,最终注入海洋,从而构成地球上周而复始的水文循环。由于水具有很高的热容量,海洋单位面积所 吸收的太阳辐射能约比陆地多25 – 50%。大洋表层海水的年平均温度要比陆地高10oC以上。因此,海洋是大气中水汽和热量的重要来源,在地球表面物质和能量平衡中成为地球上太阳辐射能的 巨大仓库。由于太阳辐射能在地球表面分布的固有差异,使赤道附近的水温显著高于高纬度海区,导致暖流从赤道流向高纬度海区、寒流从高纬度海区流向赤道的大 尺度循环。由此不难看出,海洋对全球天气和气候的形成有多么深远的影响。
海水的温度与盐度是海洋水团的基本要素,其时空分布对了解海洋的热量收支,进而研究天气和气候系统的变化具有十分重要的意义。
由于技术原因,对海洋中海水温度、盐度的观测历史并不长。海面温度的测定相对比较简单,但从英国人库克1768 – 1779年的海洋探险中取得的第一批大洋表层温度资料至今,也仅有三百多年的历史。我国现代海洋学调查最初使用的颠倒温度计,是1876年由英国涅格洛齐 (Negrotti)和赞布拉(Zambra)发明的。其特点是准确度高、使用方便、性能比较稳定,但只能在停船时使用,且只能测定单层温度。能够观测海 水温度随深度变化的仪器是1937年发明的深度温度计(BT)。这种仪器可自动记录200或1000米以内的水温变化。仪器附有带坐标网格的放大镜,用来 读取玻璃片上所记录的各深度层的水温数值。另一种还带有采水器,可同时在多个指定的标准层采取水样,但观测准确度为±0.2oC。这两种仪器可以精确地判 别温跃层的深度与强度,在海洋调查中使用达30年之久。但它们有不少缺点,如感温较慢,灵敏度不高,不能长期连续使用等等,因而近年来已经被各种电子式温 度计替代。
海水的盐度无论是含义还是测定方法都要比温度复杂得多。二十世纪初,克纽森(Knudsen)等人建立了盐度定义并提出了测定盐度的硝酸银滴定法。其原理 是,在离子比例恒定的前提下采用硝酸银溶液滴定,通过海洋常用表(麦克伽莱表)查出氯度,再根据氯度和盐度的线性关系,确定水样的盐度。此法在海洋调查中 使用了70年之久。但克纽森的氯度与盐度关系式只是一种近似的关系,代表性较差,且滴定法在船上操作也很不方便。于是,科学家就不断地探索更精确更快速的 盐度测定方法。直到60年代末出现了电导测盐法。这种方法精度高、速度快,操作简便,适用于海上现场观测。
海洋要素的调查不仅取决于观测仪器的性能,还受到仪器载体的极大制约。遥感技术出现之前,大洋的调查观测主要通过船舶实现,致使调查资料不仅数量少,而且 分布极不均匀,特别是盐度观测资料尤为稀少,大多只能借助间接手段来判断。上世纪九十年代初中太平洋建成的第一个热带大气海洋观测网(TAO),也仅有 69个锚碇观测浮标,观测资料非常有限。1990 – 1998年间实施的世界大洋环流实验(WOCE)收集的近一百年来的海水温、盐度剖面历史资料总共只有2万余条,即使在资料相对丰富的北半球,其时间和空 间分布也很稀疏和不均匀,30oS以南的资料更是少得可怜。历史资料不仅数量少,质量也参杂不齐,既有仪器混杂的问题,又有系统误差带来的问题,远远不能 满足现代海洋科学研究的需要,更无法满足业务海洋预测预报对具有足够时空分辨率、全球覆盖和近实时现场观测资料的需求。
由美、日等国科学家在十年前发起的国际Argo计划,使人们对海洋温度和盐度的观测发生了革命性变化。十年来,参与该计划的20多个国家和欧盟在全球海洋 中建立了一个由3000多个卫星跟踪的自律式剖面观测浮标(Argo浮标)组成的全球Argo实时海洋观测网。Argo浮标是二十世纪末由美国和日本等国 研制生产的专用观测设备。它可以在海洋中自由漂移,自动测量从海面到2000米水深之间的海水温度、盐度和深度等。通过其漂移轨迹,又能获取海水的流动速 度和方向等信息。根据预先设定的程序,Argo浮标放入海洋后会自动下潜到1000米或1500米深处随海流自由漂移,到达预定时间后又会自动下潜到 2000米深度后上浮,并在上浮过程中利用自身携带的各种传感器进行温度和盐度等海洋学要素的连续剖面观测。当浮标到达海面后,通过卫星将观测数据传送到 地面接收站,再经处理后通过互联网或全球通信系统(GTS)向全世界用户发布。浮标在海面把全部数据发送给卫星后又会自动下沉到预定深度,开始下一个周期 的观测,一般十天为一个周期。Argo浮标采集的90%以上的数据可在浮标观测后的24小时内到达用户手中,在人类海洋调查历史上首次实现了真正意义上的 全球覆盖实时观测。十年来,全球Argo实时海洋观测网已经获取了世界大洋中0~2000米水深范围内的温、盐度剖面资料56万余条,是历年船基观测资料 的20倍之多,且仍以每年10万余条的速度增加。
在海洋科学研究中,所有重大的进展无不与新的观测仪器、研究方法的出现和运用密切相关。全球Argo实时海洋观测网是人类海洋调查研究史上前所未有的创 举,它使那些对海洋和气候研究至关重要的海洋学要素的采集发生了革命性的变化。这一在海洋中建立起来的“气象观测网”,可以实时获取海洋内部的温度、盐度 和海流等资料。有了这些资料,科学家就能随时随地勾画出海洋特别是深海大洋的“气候图”。Argo资料将大大促进海洋和大气科学的发展,改进人们对海洋过 程的了解,揭示海气相互作用的机理,为长期天气预报和短期气候预测提供前所未有的基础资料,从而提高长期天气预报和短期气候预测的能力和准确性。Argo 资料也可用于海洋和天气业务化预报和海洋渔业、海上交通、海上军事活动以及海洋环境与生态管理等社会经济活动。
经国务院批准,我国于2001年10月正式加入国际Argo计划,并于2002年1月26日正式对外宣布,成为继美国、日本、加拿大、英国、法国、德国、 澳大利亚和韩国后第九个加入Argo计划的国家。在科学技术部、国家海洋局和国家自然科学基金会的支持下,从2002年开始实施了中国Argo计划启动项 目“Argo大洋观测网试验”。同时,国家自然科学基金会“全球气候变化及其区域影响科学研究计划” 于2002年9月批准了两个与中国Argo计划有关的重大研究项目,即 “太平洋 – 印度洋暖池动力学和海气相互作用研究”和 “Argo浮标资料的同化技术及其在短期气候预测中的应用”。2003年1月科技部在“国际科技合作重点项目计划”中批准了 “太平洋 – 印度洋暖池的Argo浮标观测研究”项目。接着,“基于全球实时海洋观测计划(Argo)的上层海洋结构、变异及预测研究”项目被列为2007年度“国家 重点基础研究发展计划”项目得到重点支持。与此同时,“西北太平洋Argo剖面浮标观测及其应用研究”项目获得2007年度海洋公益性行业科研专项经费的 资助。
通过这些项目的实施,使我国的Argo计划得到了较快的发展。迄今我国在西北太平洋和印度洋共布放66个Argo浮标,其中仍在工作的浮标有35个,初步 建成了我国Argo大洋观测网框架。与此同时,还建立了“中国Argo资料中心” 和 “中国Argo实时资料中心”,成功注册“中国Argo网址(http://www.argo.org.cn)” 并接入宽带网,架起了与外界联系的快速通道。“中国Argo计划”在法国Argos卫星地面站资料服务中心(CLS)登记注册(编号为2528),与之建 立起长期的合作关系。中国Argo实时资料中心还引进了实时和延时质量控制模式,建成Argo资料质量控制系统。该中心不仅能快速接收和处理我国布放的 Argo浮标观测资料,而且还能接收和处理全球海洋中其他国家布放的Argo浮标观测资料,及时提供给国内广大用户使用;同时将我国布放的Argo浮标观 测资料上传给Argo全球资料中心,由法国CLS在全球通信系统上向全世界发布。该中心还建立了“中国Argo实时资料中心网站”,发布由中国布放的 Argo浮标获取的经实时质量控制的剖面资料及相关产品。为了方便国内广大Argo资料用户获取和使用Argo资料,中国Argo实时资料中心还开发了 “Argo网络数据库可视化平台”,以数据库管理的形式,使用Web-GIS技术和可视化方式向用户提供全球海洋Argo资料的查询和获取服务。该中心还 采用WJO方法,利用历史观测资料和Argo浮标附近的CTD或其他观测资料,对Argo资料进行延时模式质量控制,已经向Argo全球资料中心递交经延 时模式质量控制的剖面资料1800余条。
Argo资料的应用在我国也已初显成效,相关部门已经建立起一套能够同化Argo和卫星高度计等资料的业务化海洋资料同化系统,其中“热带太平洋温度与盐 度同化业务化系统” 已经在国家海洋环境预报中心得到业务化应用,可以发布热带太平洋月平均同化再分析产品;利用近海面Argo温盐数据与船舶报等数据进行加权平均的数据融合 方法,取得了热带太平洋表层海温场,被用于国家海洋环境预报中心“海表温度旬实况分析”。利用Argo资料对西太平洋多尺度海气相互作用过程的研究也取得 了可喜的成果。2004年11月和2006年6月先后举办了国内首次Argo资料应用研讨会和首次全国Argo科学研讨会,为国内海洋、气象、渔业和军事 等部门的专家、技术人员和管理人员交流Argo资料应用方面的经验提供了平台,有力地推动了我国Argo资料在海洋和大气等领域的科学研究和业务工作中的 应用研究进程。
与此同时,我国还积极参与了国际Argo计划的活动。除每年派代表出席Argo科学组会议和Argo资料管理组会议以及其他相关的Argo国际会议外,我 国还于2003年3月在杭州承办了第五次国际Argo科学组会议;2006年11月在天津承办了第七次国际Argo资料管理组会议;2009年3月在杭州 承办了第十次国际Argo科学组会议和第三次国际Argo科学研讨会,并从2007年开始每年为国际Argo计划提供一万美元的协调经费,成为继美国、英 国、法国、加拿大和澳大利亚之后第六个提供这项经费的国家,充分显示了我国对国际Argo计划以及政府间海委会/世界气象组织海洋学和大洋气象学联合技术 委员会海上观测平台支援中心(JCOMMOPS)的重视和支持。通过这些举措,大大提高了我国在国际Argo计划中的地位和作用,提高了我国在该计划中的 显示度,受到国际Argo计划科学组的高度评价。国际Argo计划联合主席、加拿大海洋研究所Howard Freeland 教授于2007年初给中国Argo计划首席科学家许建平研究员的来信中说:“中国的第一个Argo浮标是在2002年3月21日布放的。从那以后,中国对 Argo的贡献不断扩大。在西太平洋,澳大利亚、中国、日本和韩国的合作确保了该海域Argo浮标系统的建立和维持。值得指出的是,中国从布放第一个浮标 起,你们的科学家就能够满足Argo资料系统非常复杂而又繁琐的要求并提供资料,说明中国Argo做得很好。”他在第三届国际Argo科学研讨会在杭州成 功举行以后代表国际Argo科学组发来的感谢信中说:“国际Argo计划是成功的,这是许多国家密切合作的结果,在这些国家中,中国尤为突出。我非常赞赏 中国所做的贡献,也希望中国今后继续做出贡献。”
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来越突出。但是,长期以来,由于受到经济和科技发展水平的 限制,使我国的海洋调查研究和海洋观测手段长期处于比较落后的状态,海洋信息资源严重不足,无法满足建立海洋环境预报模式的需要,海洋环境保障能力十分薄 弱。参与国际Argo计划,与该计划其他成员国共享Argo观测资料,无疑是我国海洋观测领域的一次跨越式发展,必将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深远的影响,为人类应对全球气候变化做出应有的贡献。