Argo：一支实时监测海洋的“水下舰队”

刘增宏

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影响。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。

20多年前,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实施一个针对全球深海大洋的观测计划,被称为“Argo”计划。

Argo是“实时地转海洋学观测阵”的英文缩写。至今,Argo计划已经在全球有冰和无冰覆盖的国际公共水域,还包括部分重要边缘海水域,投放了成千上万个自沉浮式“水下机器人”,海洋科学家称其为“自动剖面浮标”。如同陆地上由无数气象站组成的天气预报观测网一样,投放在海洋中的单个自动剖面浮标相当于气象站上定时释放的探空气球,而世界大洋上分布广泛的剖面浮标,就组成了覆盖全球海洋的观测网。

这些浮标常年游弋在广阔无垠的海洋上,形成了一支由约4000个水下机器人组成的庞大“舰队”,每时每刻监视着海洋环境的变化,正在革命性地改变科学家认识海洋的途径。

为大海“画像”

自动剖面浮标到底长啥样?实际上,它是一个圆柱体状的自沉浮装置,长约1.5米、重45 公斤左右。一旦投放入海,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,不会对海洋造成二次污染,实现自主下沉或者上浮,并从海洋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,这被科学家称其为一条“剖面”或者一幅“图像”。

当浮标到达海面后,会自动将这条剖面的数据发送给卫星,并由卫星定位系统给这条剖面确定位置,再通过地面接收站将观测的剖面数据和定位信息转送给浮标用户;之后,浮标又会再次下潜,进入下一个观测循环。如此周而复始,在茫茫大海上自动运行4～5年,直到浮标自带的电池容量耗尽为止。

通常,一个浮标在其生存期内可以获得140-180条剖面。不过,现在大多数浮标(如利用铱星和北斗卫星通讯的剖面浮标)还可以远程控制,科学家只要在陆上实验室向它们发送指令,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,甚至可以深达6000米),方便捕捉变化无常的海洋环境。这样的浮标,在其生存期内可以获得比早期浮标多得多的观测剖面。

沉默的“哨兵”

自1999年开始,在广阔海洋上布放第一个剖面浮标起,至今已经陆续投放了18000个左右,在全球海洋上获得了累计约280万幅反映海水物理海洋(如温度和盐度等)和生物地球化学(如溶解氧、pH和硝酸盐等)性质的图像。

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20多年里,由剖面浮标收集的深海剖面数量几乎是过去100年的5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。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;而第二个100万条仅花了6年时间(2018年9月)。

Argo数据已经远远超过利用船只,甚至其他仪器设备观测的总和,从而为科学家展示了一幅更加完整的、清晰的和立体的海洋演变图像。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监测,无疑是人类的忠实卫士,更有“沉默哨兵”的美誉。

Argo数据在全球范围内都是免费共享的,已被广泛应用于沿海国家的海水养殖、污染监测、海洋教育和国防事业等。近些年由政府间气候变化专门委员会(IPCC)提供的海洋和气候评估报告,也都离不开Argo数据。而且,几乎每天都会有一篇使用Argo数据的科学论文在国际主要学术刊物上公开发表。

有助研究“气变”

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强,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数据也正在帮助科学家描述厄尔尼诺与南方涛动现象的年际变化特征,以及包括北大西洋和太平洋年代际振荡在内的年代际变化;同时,还可以使得科学家有能力追踪发生在长时、空尺度内的海洋变化,提高业务化天气预报和气候预测的精度,从而使得海洋学发生了一场革命性改变。

Argo也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勐烈。

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。

两个子计划

当下,Argo已经进入了一个崭新的全球、全水深、多学科海洋观测时代。

尽管Argo计划已经获得了约280万条剖面,但仍处于向海洋多维度、大规模扩张的新阶段。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正在测试能够下潜至6000米的深海型浮标,以及在核心Argo(Core-Argo)计划中增加同时测量海水溶解氧、pH和硝酸盐等生物地球化学要素的传感器等,使得Argo观测网进一步向南、北极季节性冰覆盖的海域,以及生物地球化学领域拓展,从而派生出了两个子计划:一个称“Deep-Argo”,另一个则称“BGC-Argo”。

早期,维持全球Argo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。可见,深海浮标研发的难度和运行的环境,要比以往利用的浮标更具挑战性。

Deep-Argo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观测网,其现场观测资料将会改善并提高卫星遥感(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。

另外,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已经研发成功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。

BGC-Argo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。

三大目标

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(即“OneArgo”),不仅能体现重要的科学价值,还具有广泛的社会价值。

OneArgo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OneArgo观测系统设计达到的目标主要有如下三个:

一是要真正实现全球深海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。

二是要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。

三是要将核心Argo扩展到全球范围。早期核心Argo观测的海域仅为无冰覆盖的公共水域,现在已经扩展到一些重要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,OneArgo观测网需要维持约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。

Argo观测网是全球海洋观测系统的重要组成部分。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,OneArgo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,确保人类社会的可持续发展。

作者简介

刘增宏,自然资源部第二海洋研究所正高级工程师,自然资源部杭州全球海洋Argo系统野外科学观测研究站站长,硕士生导师,1999年本科毕业于中国海洋大学海洋学专业。主要从事Argo海洋观测、数据质量控制和应用研究,建立了我国Argo浮标数据接收、处理和分发系统,带领团队研制了有影响力的Argo数据产品。主持国家级专项、国家基金和省部级项目共10余项。曾获国家科技进步奖二等奖1项、省部级奖励5项。现任国际Argo指导组、资料管理组和深海Argo任务组成员。2024年被授予国家卓越工程师称号。