劉增宏

海洋覆蓋了地球表面70%以上的面積,對人類日常生活產生著巨大影響。科學家和探險者曾使用船只、浮標和其他手段(如漂流瓶)觀測海洋。然而,惡劣的海洋環(huán)境,讓使用傳統(tǒng)的科學儀器進行長期監(jiān)測變得十分困難,即使利用現代的衛(wèi)星遙感技術,也只能監(jiān)視海洋的表面,仍無法探測海面以下的海水溫度、鹽度和洋流的變化。

20多年前,一個由海洋和大氣科學家組成的國際團隊,決定要探秘這個險象環(huán)生而又充滿神奇的海洋世界,解決困惑人類很久的海面以下海洋環(huán)境數據獲取難的問題,提出的解決方案就是啟動實施一個針對全球深海大洋的觀測計劃,被稱為“Argo”計劃。

Argo是“實時地轉海洋學觀測陣”的英文縮寫。至今,Argo計劃已經在全球有冰和無冰覆蓋的國際公共水域,還包括部分重要邊緣海水域,投放了成千上萬個自沉浮式“水下機器人”,海洋科學家稱其為“自動剖面浮標”。如同陸地上由無數氣象站組成的天氣預報觀測網一樣,投放在海洋中的單個自動剖面浮標相當于氣象站上定時釋放的探空氣球,而世界大洋上分布廣泛的剖面浮標,就組成了覆蓋全球海洋的觀測網。

這些浮標常年游弋在廣闊無垠的海洋上,形成了一支由約4000個水下機器人組成的龐大“艦隊”,每時每刻監(jiān)視著海洋環(huán)境的變化,正在革命性地改變科學家認識海洋的途徑。

為大?！爱嬒瘛?/strong>

自動剖面浮標到底長啥樣?實際上,它是一個圓柱體狀的自沉浮裝置,長約1.5米、重45 公斤左右。一旦投放入海,浮標會隨洋流自由漂移,每隔10天通過內循環(huán)系統(tǒng)自動充氣、注油或者抽回氣體和油,來改變自身在海水中的浮力,不會對海洋造成二次污染,實現自主下沉或者上浮,并從海洋深處上浮到海面的過程中分層采集海水的溫度和鹽度數據,這被科學家稱其為一條“剖面”或者一幅“圖像”。

當浮標到達海面后,會自動將這條剖面的數據發(fā)送給衛(wèi)星,并由衛(wèi)星定位系統(tǒng)給這條剖面確定位置,再通過地面接收站將觀測的剖面數據和定位信息轉送給浮標用戶;之后,浮標又會再次下潛,進入下一個觀測循環(huán)。如此周而復始,在茫茫大海上自動運行4～5年,直到浮標自帶的電池容量耗盡為止。

通常,一個浮標在其生存期內可以獲得140-180條剖面。不過,現在大多數浮標(如利用銥星和北斗衛(wèi)星通訊的剖面浮標)還可以遠程控制,科學家只要在陸上實驗室向它們發(fā)送指令,就可以控制它們的沉浮循環(huán)周期(1天、2天或者5天、10天)和測量的最大深度(1000米、1500米或者2000米,甚至可以深達6000米),方便捕捉變化無常的海洋環(huán)境。這樣的浮標,在其生存期內可以獲得比早期浮標多得多的觀測剖面。

沉默的“哨兵”

自1999年開始,在廣闊海洋上布放第一個剖面浮標起,至今已經陸續(xù)投放了18000個左右,在全球海洋上獲得了累計約280萬幅反映海水物理海洋(如溫度和鹽度等)和生物地球化學(如溶解氧、pH和硝酸鹽等)性質的圖像。

而自19世紀70年代英國的《挑戰(zhàn)者》號探險船首次對全球深海大洋進行大規(guī)模巡航探測以來,各國調查船累計收集的水深在1000米或者2000米的海水溫、鹽度剖面總和也就50多萬條。也就是說,在本世紀剛剛過去的20多年里,由剖面浮標收集的深海剖面數量幾乎是過去100年的5倍。

這無疑是海洋觀測技術的一場革命,更是海洋調查史上的奇跡。早在2012年11月,Argo 就收集到了具有象征意義的第100萬條剖面,當時用了約13年;而第二個100萬條僅花了6年時間(2018年9月)。

Argo數據已經遠遠超過利用船只,甚至其他儀器設備觀測的總和,從而為科學家展示了一幅更加完整的、清晰的和立體的海洋演變圖像。自動剖面浮標不受天氣條件和惡劣海況的影響,幾乎可以一年四季、不分晝夜地在全球海洋的絕大部分海域進行監(jiān)測,無疑是人類的忠實衛(wèi)士,更有“沉默哨兵”的美譽。

Argo數據在全球范圍內都是免費共享的,已被廣泛應用于沿海國家的海水養(yǎng)殖、污染監(jiān)測、海洋教育和國防事業(yè)等。近些年由政府間氣候變化專門委員會(IPCC)提供的海洋和氣候評估報告,也都離不開Argo數據。而且,幾乎每天都會有一篇使用Argo數據的科學論文在國際主要學術刊物上公開發(fā)表。

有助研究“氣變”

Argo資料在氣候變化研究中的應用十分廣泛,特別適合于觀察和研究不斷波動的氣候變化。自20世紀70年代以來,海洋吸收了氣候系統(tǒng)90%以上的熱量,其中75%和15%分別儲存在2000米以上和以下的水層中。

科學家利用Argo數據可以準確地估算海洋熱含量及其分布與變化;還可以用來估算因海水變暖膨脹,對全球海平面上升造成的影響。

進一步研究還表明,隨著地球變暖,水循環(huán)也在發(fā)生改變。更暖的空氣可以儲存和輸運更多的水汽,從而導致世界上干燥的地區(qū)蒸發(fā)增強,而潮濕的地方降水愈來愈多。觀察Argo揭示的上層海水鹽度分布圖像可以發(fā)現,含鹽量相對較高的海域因蒸發(fā)強、降水弱,使得海水鹽度越來越高,而含鹽量較低的海域卻因蒸發(fā)弱、降水強而變得越來越淡。

Argo數據也正在幫助科學家描述厄爾尼諾與南方濤動現象的年際變化特征,以及包括北大西洋和太平洋年代際振蕩在內的年代際變化;同時,還可以使得科學家有能力追蹤發(fā)生在長時、空尺度內的海洋變化,提高業(yè)務化天氣預報和氣候預測的精度,從而使得海洋學發(fā)生了一場革命性改變。

Argo也是臺風海域觀測的有效手段。熱帶氣旋或臺風會從上層海洋中吸收熱量,獲得破壞性能量。這些在熱帶海域生成的風暴,當它們穿越海水溫度超過26℃的洋面時,強度會不斷增加?？茖W家利用海氣耦合數值模式的模擬結果表明,當氣候變暖時,影響我國的臺風就會變得更加勐烈。

Argo數據更多地被分布在世界各地的業(yè)務化天氣/海洋預報中心應用,改進數值模式,提高預測預報的準確度。全球海洋的表面狀態(tài)對日常天氣變化有很大的影響,氣象學家利用這些準實時的海洋次表層Argo數據,放進數值模式或預測模型中,使得預測預報的準確度有了明顯提高。但若要將天氣預報的時效從3-4天延長到十天以上,甚至更長時間,就需要利用更長時間序列的、更多的上層海洋溫、鹽度剖面數據。

兩個子計劃

當下,Argo已經進入了一個嶄新的全球、全水深、多學科海洋觀測時代。

盡管Argo計劃已經獲得了約280萬條剖面,但仍處于向海洋多維度、大規(guī)模擴張的新階段。其中,避冰剖面浮標通過引入在北冰洋和南極周圍季節(jié)性冰覆蓋區(qū)域的避冰算法,既可避免浮標與海冰碰撞,又可儲存觀測數據,直到浮標漂移進入無冰覆蓋的海域,再通過衛(wèi)星將測量的全部剖面數據轉送給浮標用戶。

目前,Argo正在測試能夠下潛至6000米的深海型浮標,以及在核心Argo(Core-Argo)計劃中增加同時測量海水溶解氧、pH和硝酸鹽等生物地球化學要素的傳感器等,使得Argo觀測網進一步向南、北極季節(jié)性冰覆蓋的海域,以及生物地球化學領域拓展,從而派生出了兩個子計劃:一個稱“Deep-Argo”,另一個則稱“BGC-Argo”。

早期,維持全球Argo觀測網中的大多數浮標,還不能承受2000米水深以下的海水壓力?？茖W家為了更好地了解深層海洋中如海水熱含量等重要海洋特征的變化,就需要收集4000米,甚至6000米以下的海洋環(huán)境數據,故研制能在更大壓力環(huán)境下存活的浮標,這是該子計劃得以順利實施的關鍵。

6000米深海型剖面浮標需要承受的海水壓力,相當于兩輛小貨車的重量壓在一張郵票上?？梢?深海浮標研發(fā)的難度和運行的環(huán)境,要比以往利用的浮標更具挑戰(zhàn)性。

Deep-Argo子計劃設想在全球海洋中布放和維持一個由1200個深海型剖面浮標組成觀測網,其現場觀測資料將會改善并提高衛(wèi)星遙感(如海平面、凈大氣頂部能量通量、海洋重力和陸地海冰變化等)資料的精度;不斷增加的深海溫、鹽度觀測資料還可以為衛(wèi)星觀測云量和地球輻照能量系統(tǒng)估算的地球能量不平衡變化提供驗證;全海深的Argo溫度同步觀測資料將改進地球系統(tǒng)人類活動凈熱總量的年際變化估計,也會減少年代際深海熱含量吸收估算的不確定性等。

另外,當初Argo計劃確定探測的主要海洋環(huán)境要素是海水的溫度和鹽度,近些年一些海洋觀測技術團隊已經研發(fā)成功可裝載測量其他海洋環(huán)境要素的剖面浮標。這些新的電子傳感器可以測量海水溶解氧、硝酸鹽、葉綠素和pH等生物地球化學要素,通常稱這類浮標為生物地球化學(BGC)浮標。

BGC-Argo子計劃設想在全球海洋中布放和維持一個由1000個BGC浮標組成的觀測網,這也是第一個有能力監(jiān)測全球生物地球化學過程的項目,具有在季節(jié)性海冰下全年、全天候觀測的能力,其觀測數據可以有效改進初級生產力的估算,提高對海洋碳循環(huán)、營養(yǎng)鹽和包括整個海洋食物鏈在內的生態(tài)系統(tǒng)的認知,解決諸如海洋碳吸收、海洋酸化、海洋缺氧和海洋低氧區(qū)等嚴重影響海洋生態(tài)系統(tǒng)健康的問題。

三大目標

正如Argo計劃首次對全球海洋進行系統(tǒng)性觀測一樣,目前科學技術的發(fā)展又為完整意義上的全球觀測帶來了新的機遇,可以通過增加全深度和多學科參數的觀測來擴展Argo,使之發(fā)展成為新一代海洋觀測系統(tǒng)(即“OneArgo”),不僅能體現重要的科學價值,還具有廣泛的社會價值。

OneArgo觀測網將會閉合氣候研究中至關重要的熱量、淡水通量以及海平面收支狀況,追蹤海洋熱量的波動,弄清海洋生物地球化學要素(包括海洋酸化和缺氧)的全球和區(qū)域性變化及其演變趨勢,并能準確描述從海表至海底的全球海洋環(huán)流變化。新一代OneArgo觀測系統(tǒng)設計達到的目標主要有如下三個:

一是要真正實現全球深海Argo觀測。將現有全球Argo觀測網2000米的限制深度增至3倍,達到6000米,從而革命性的更新科學家對深?；咎卣?、變異及其環(huán)流結構的認識。

二是要改變人類追蹤海洋健康的能力。在全球BGC-Argo觀測網建設過程中,其搭載的傳感器可以觀測葉綠素熒光、顆粒物后向散射、溶解氧、硝酸鹽、pH和輻照度等,還包括核心 Argo 觀測的溫度、鹽度和壓力。

三是要將核心Argo擴展到全球范圍。早期核心Argo觀測的海域僅為無冰覆蓋的公共水域,現在已經擴展到一些重要邊緣海和快速變化的季節(jié)性冰區(qū);同時還會在熱帶海域和西邊界流區(qū)域增加觀測密度。

為了實現這些目標,OneArgo觀測網需要維持約4700個活躍浮標長期運行,其中2500個為Core-Argo計劃浮標,1000個BGC-Argo計劃浮標和1200個Deep-Argo計劃浮標。至于那些仍在試驗中的新型傳感器及其科學價值、技術配備,以及能否納入Argo作為未來的觀測要素,則需要繼續(xù)給予評估。

Argo觀測網是全球海洋觀測系統(tǒng)的重要組成部分。面對越來越多的人類活動所帶來的全球和區(qū)域海平面、海洋熱含量、海洋酸化和缺氧等快速演變趨勢,迫切需要不斷監(jiān)測具有足夠時空分辨率的全球物理海洋和生物地球化學環(huán)境要素的變化。

擴展的Argo觀測網不僅可以通過基礎研究,提高人們對海洋、氣候變化的評估和認識,還可以通過改進長期海洋再分析和預報模型及其模式參數化等,提高對海洋和天氣/氣候的業(yè)務化預測水平,從而達到更好地監(jiān)控當前氣候變化和生態(tài)系統(tǒng)健康的目的,使得全社會能更好地適應氣候變化。此外,海洋熱量、淡水和生物地球化學等環(huán)境要素觀測資料的實時同化,還能進一步提高短期預報的水平,這對氣候敏感行業(yè)(如農業(yè)、水產養(yǎng)殖業(yè)、漁業(yè)、海洋石油和天然氣產業(yè)等)的持續(xù)發(fā)展同樣至關重要。

而且,OneArgo計劃還會將Core-Argo、BGC-Argo和Deep-Argo等觀測網收集的物理和生物地球化學環(huán)境要素資料統(tǒng)一集成在一個綜合的Argo數據管理系統(tǒng)中,繼續(xù)給予廣大用戶最好、最大化的利用 Argo 數據的免費共享環(huán)境,以促進Argo資料在科研教育、海洋資源開發(fā)、藍色經濟發(fā)展和氣候變化適應等科學和社會領域的廣泛應用,確保人類社會的可持續(xù)發(fā)展。

作者簡介

劉增宏,自然資源部第二海洋研究所正高級工程師,自然資源部杭州全球海洋Argo系統(tǒng)野外科學觀測研究站站長,碩士生導師,1999年本科畢業(yè)于中國海洋大學海洋學專業(yè)。主要從事Argo海洋觀測、數據質量控制和應用研究,建立了我國Argo浮標數據接收、處理和分發(fā)系統(tǒng),帶領團隊研制了有影響力的Argo數據產品。主持國家級專項、國家基金和省部級項目共10余項。曾獲國家科技進步獎二等獎1項、省部級獎勵5項?，F任國際Argo指導組、資料管理組和深海Argo任務組成員。2024年被授予國家卓越工程師稱號。

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