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“中国Argo计划”成功布放第400个自动剖面浮标

2018-01-23

       2018年1月17日19时15分,我国“科学”号调查船在西北太平洋海域成功布放一个由中船重工第七一0研究所研制的HM2000型剖面浮标(采用北斗卫星导航系统传输观测数据),这是中国Argo计划自2002年实施以来布放的第400个剖面浮标,也是我国布放的第30个国产北斗剖面浮标。它们主要分布在西北太平洋、中北印度洋和南海(即“两洋一海”)海域,基本覆盖了由我国倡导的“21世纪海上丝绸之路”沿线海域。由此,中国不仅承担建设并维持了一个由100多浮标组成的中国Argo大洋观测网(最多时海上活跃浮标的数量曾达到204个),而且已经成为国际Argo计划(全球约有30个沿海国家参加)中的重要成员国。这也是我国正式建成的首个全球实时海洋观测网,填补了国内在这一领域中的空白。


 

图1、我国“科学”号调查船在西北太平洋海域布放国产北斗剖面浮标


 

图2、中国Argo大洋观测网内布放的各型浮标位置(止2018年1月18日)


       经中国Argo实时资料中心接收、采取实时质量控制的浮标观测资料,可按国际Argo资料管理组的严格要求,在24小时内通过世界气象组织(WMO)的全球通讯系统(GTS)北京接口(设在中国气象局)上传,与WMO成员国交换共享,并已成为九个有能力向全球Argo资料中心(GDAC)业务化提交浮标观测资料的国家之一;由中国Argo计划批量布放的北斗剖面浮标,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,并打破了全球Argo实时海洋观测网中剖面浮标(约15个型号)由欧美国家一统天下的局面;以此建立的“北斗剖面浮标数据服务中心(中国杭州)”,也已成为继法国CLS(Argos卫星)和美国CLS America(铱卫星)之后第三个有能力为全球Argo实时海洋观测网提供剖面浮标数据接收和处理的国家平台。
       十六年来,我国通过加入国际Argo计划,并参与全球Argo实时海洋观测网建设和维护,不仅建立了一支从事自动剖面浮标校验与布放、观测资料接收与校正,以及数据存储与批量处理、数据产品研制与试应用研究的创新型科技队伍,而且还创建了针对剖面浮标观测资料的数据质量控制系统,以及观测资料及其衍生数据产品的交换共享平台,推动了国内海洋资料的共享进程,同时也促进了Argo资料及其数据产品在国内海洋和天气/气候领域基础研究和业务化预测预报中的推广应用。短短16年中,中国Argo实时资料中心累计收集了近30个成员国在全球海洋中布放的约15000个浮标观测的近180万条0-2000米水深范围内的温、盐度剖面资料,比我国过去70年中在近海和大洋获得的全部海洋环境要素资料的总和还要多得多。这些经数据质量控制的高质量Argo资料,国内用户可以在24小时(从海上浮标观测、再经卫星传输至陆上实验室处理)后无条件地从国内外Argo网站和GTS上方便地获取。据国际Argo计划办公室的一份统计资料表明,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3000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430篇,仅次于美国(约900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,更是人类认知海洋、应对气候变化的重要科学依据。
       中国Argo大洋观测网的建设和维护得到了科技部、中科院、教育部、财政部和国家海洋局等部门及其下属科研院所的高度重视,同时也获得了一批承担国家重点基础研究发展计划、国家科技支撑计划、国家基础研究重大项目前期研究专项、国家海洋公益性行业科研专项、中央级大型科研仪器设备购置专项、中国科学院战略性先导科技专项和军民融合海洋观测专项等项目首席科学家和负责人的大力支持,主要来自中国科学院海洋研究所、中国科学院南海研究所、中国海洋大学、上海海洋大学、国家海洋环境预报中心、原海司航保部和国家海洋局第二海洋研究所等部门和单位,他们从申请的有限科研经费中,毫不吝啬地挤出部分资金用于购置剖面浮标,并无条件提供交换共享,这在目前的科研体制下可谓难能可贵;而且400个剖面浮标在全球海洋中的顺利布放,也离不开中国科学院“科学”号、“科学一”号和“实验1”号科学调查船,国家教育部“东方红2”号科学调查船,国家海洋局“向阳红14”号、“雪龙”号、“大洋一”号科考船,广州海洋地质调查局“海洋六”号科学调查船和威海中大航运有限公司“中大31”号长航拖轮,以及海军亚丁湾护航舰艇等提供的数十个航次搭载服务,从而使得中国Argo计划布放的剖面浮标几乎覆盖了从大洋(太平洋、印度洋和南大洋等)到重要边缘海(如日本海、地中海和南海等)的全球深海大洋区域。

新闻链接:
国际Argo计划实施现状、发展前景及其面临的挑战

       实施现状:2000年正式启动实施的全球Argo计划,在近30个国家和地区的努力下,截至2018年1月,已有3890个浮标在海上正常工作(图1),接近该计划由“核心Argo”(全球无冰覆盖的大洋区域)向“全球Argo”(包含了两极、西边界强流和重要边缘海在内的全部深海大洋区域)拓展提出的建成由4400个活跃浮标组成的全球Argo实时海洋观测网的目标,而实际布放的浮标数量已接近15,000个(由于受支持浮标观测的电池容量限制,每个浮标在海上正常工作的时间一般在3-4年,故每年需补充布放约1000个浮标)。

 
图1  2018年1月17日全球海洋活跃浮标分布(国际Argo计划办公室提供)

      Argo计划实施至今已收集到全球海洋上超过180万条温、盐度剖面,远远超过上世纪收集的全部物理海洋环境要素的总和,且还将以每年约12万条剖面的速度增长。Argo已成为获取全球海洋次表层以下海洋环境资料的最有效手段。
      发展前景:随着浮标、传感器技术的发展,以及人们认知海洋及应对全球气候变化的需求,Argo正向深海(>4000米)和生物地球化学领域拓展,已先后提出了Bio-Argo和Deep-Argo等子计划,越来越多的深海型剖面浮标和携带生物地球化学传感器(如溶解氧、叶绿素-a、pH、硝酸盐等)的剖面浮标已经开始布放到全球重要和关键海域中。而美国、日本、法国等8个国家和欧盟已经率先在南大洋和大西洋海域布放了一批深海型剖面浮标,至2017年底约有40个浮标仍在海上正常工作(图2)。

 
图2  深海剖面浮标分布(AIC提供)

      目前,在全球海洋上的生物地球化学剖面浮标也已达300个(图3),其中携带的传感器主要有溶解氧、叶绿素-a、pH、硝酸盐、悬浮颗粒和下行辐照度等。由此可见,自动剖面浮标不仅已经成为一个综合观测实时海洋的垂直移动平台,而且还可以实施大范围组网、长期观测,故而有着极其广阔的应用前景。

 
图3  生物地球化学剖面浮标分布(AIC提供)

      面临的挑战:目前,国际Argo计划的深入发展主要面临着诸如Argo是否可持续、Argo是否可与其他新颖观测设备结合使用和观测要素增加带来的数据处理和管理难度不断增加等问题。
      近年来,各国Argo计划布放的浮标数量,特别是“核心Argo”中的浮标数量呈下降趋势,其主要原因是政府财政预算的削减(如美国特朗普政府提议削减NOAA 20%的经费预算),以及科学家们更关注一些新的海洋特征或现象,导致部分经费流向Bio-Argo和Deep-Argo等子计划中,导致人们对Argo的可持续性产生疑问,甚至失去信心。但是,我们应该看到的是,Argo观测网是目前针对全球次表层以下海洋最为有效的观测手段,是其他观测手段所无法比拟的,可同时满足国家和社会需求,且具有显著的经济和社会效益,其累积的海量观测资料是留给人类社会宝贵的财富,是多少篇SCI论文都无法相提并论的。更为重要的是,Argo已经建立了一套成熟而有效的资料管理体系,保证了资料能在短时间内向用户提供,而且资料的质量还在不断提高。所以,Argo不仅具有可持续性,而且在未来的10~20年应该具有更好的发展前景,关键需要海洋和天气/大气科学领域的专家学者们能交出更多、更有说服力的基础研究和业务应用方面的创新成果来,以便让政府管理部门能充分认识到Argo的重要性。
      众所周知,自动剖面浮标的特点是通过大范围组网、长时间观测的方式,实时获取各大洋或海盆内的准同步、高分辨率和深层次海洋环境资料,而其他新颖观测设备(如水下滑翔机,可以说是自动剖面浮标的升级版),只能通过航线规划来获取几百甚至上千公里范围内的、更高分辨率的海洋环境资料,所以针对某个海区存在的海洋中尺度涡和海洋锋面等特殊海洋现象的观测特别有效。也就是说,水下滑翔机观测是自动剖面浮标的有效补充,即后者可以起到大面普查的目的,而前者可以局部细查,加密观测。美国斯克利普斯海洋研究所早已结合自动剖面浮标和水下滑翔机两种观测手段,在加利福尼亚沿岸开展了长达十年时间的观测(图4),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。

 
图4  美国加利福尼亚沿岸海域的联合观测
(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)

      不难发现,在该准业务化观测系统中,自动剖面浮标主要负责收集深海、大范围区域内的海洋环境资料,而水下滑翔机则进行从近海到深海几条特定断面上的高分辨率连续观测,两者(自动剖面浮标不适合在地形复杂、潮流较强的浅海观测;而水下滑翔机由于受到制造成本、水下定位困难和长距离运行偏航等因素的影响,不可能在大范围、长时间内组网观测,更不适用于深海观测)起到了互相补充和相辅相成的作用。因此,只要正确认识自动剖面浮标与其他仪器设备的测量特点,就能通过联合观测的方式,发挥其各自的特长,更好地获取海上第一手海洋环境资料,从而帮助人们更好地认知海洋。
      此外,随着Bio-Argo计划的实施,越来越多的浮标携带了生物地球化学多参数传感器,并且不同的卫星传输方式使用了不同的编码方式,即使同一型号浮标其数据编码格式也有差异。因此,如何正确处理或解译这些观测数据,是各国Argo资料中心面临的另一个巨大挑战,需要投入更多的人力和物力。同时,随着溶解氧、叶绿素-a、pH、硝酸盐和CDOM等生物地球化学参数的加入,Argo数据正变得越来越复杂,给一般用户的使用带来了很多麻烦,严重威胁到“核心Argo”的使命。因此,需要Argo资料管理组尽快制定有效的数据存储方式,在不影响“核心Argo”持续运行的前提下,为用户提供包含更多参数的数据集势在必行。而且,Argo资料所具有的准实时优势,对海洋环境安全保障和海洋权益维护,以及台风(热带气旋)和大洋渔场预报等都是不可或缺的数据源,但其在上述领域中的应用还远未达到预期。所以,如何从庞大而复杂的Argo数据中快速挖掘出有用信息,是需要解决的又一重要关键技术,也是各国Argo资料中心面临的另一挑战。不过,可以预见的是,随着人工智能、大数据信息处理和挖掘技术的快速发展,必将会给Argo计划的持续实施和Argo资料的广泛应用带来更为广阔的前景。