全球A rgo实时海洋观测网建设及应用进展朱伯康1,许建平1,2(11国家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州　310012;21卫星海洋环境动力学国家重点实验室,浙江杭州　310012)摘　要:为了使各国政府、部门管理人员和科技工作者了解国际A rgo计划的实施进展,以及帮助广大民众认识实施A rgo计划的重要性和已经取得的初步成果,国际A rgo信息中心、国际A rgo科学组和国际A rgo资料管理组联合编写了一本科普宣传册,题为“A rgo,一个观测实时海洋的剖面浮标网”,经翻译、整理成文,以帮助国内读者深入了解和认识这一新世纪的重大国际观测计划。

文章从陈述开展海洋观测的重要性和实施A rgo计划的必要性着手,系统介绍了全球A rgo实时海洋观测网建设的现状和A rgo资料应用研究所取得的初步成果,以及A rgo计划的发展前景等。

关键词:国际A rgo计划;实时海洋观测网;剖面浮标中图分类号:P71512 文献标识码:B 文章编号:100322029(2007)0120069208引言A rgo海洋观测网建设是一项国际合作计划。

它采用一种沉浮式的自动观测浮标收集无冰冻海洋剖面的温度、盐度和海流等要素资料。

A rgo浮标与JA SON卫星高度计协同配合,可以对全球海洋进行大面积观测。

A rgo计划会很快实现它的设计目标,即由3000个浮标组成的观测网在24h内可向研究人员和从事海洋、气象预报的相关业务中心快速提供海洋观测资料。

世界上已经有23个国家参与国际A rgo计划,并有很多国家参与了浮标布放等工作。

A rgo计划的实施,使得人们从海洋内部获取信息的手段产生了突破性进展。

1　人类为何要开展海洋观测人们越来越关注全球的变化及其对区域性的影响。

全球海平面以每年3mm速率加速上升,北极的冰层覆盖面也在开始收缩,高纬度地区的气温呈现急剧升高的趋势。

极端天气事件导致了大量人员伤亡和巨大财产损失。

就全球而言,自从1860年有仪器记录以来的10个最暖年中,其中有8个出现在最近10a中。

通过对地球的辐射平衡和海洋收稿日期:2006208215基金项目:国际科技合作重点项目计划(2002CB714001)资助项目作者简介:朱伯康(1954-),男,浙江长兴人,工程师,主要从事物理海洋学调查和技术信息工作。

的热贮量观测表明,过去10a,全球因表面温度升高使热能增加了约1W m2(瓦 平方米)。

这些影响是气候长期变化和自然界异常现象共同造成的。

这一方面对延长农作物生长季节,打开北极海域的航运通道等是有利的;而在另一方面则会引发沿海地区的洪水,产生严重干旱,以及频发极端恶劣的高温(热浪)天气事件和严重的热带气旋。

人类认识(当然最终是为了预测)海洋和大气的变化,对于指导一些国际性的活动、优化政府的决策、以及调整工业布局策略等,都是十分必要的。

为了准确预测气候,人们首先需要知道自然演变和长期变化的相对重要性。

这只有通过大气和整个地球系统(包括社会-经济因素在内)的预测模式来实现。

由于缺乏对大气、海洋和陆地持续不断的观测,阻碍了气候研究模式的发展和可靠性的提高。

近期的分析研究表明,大西洋中向北输送热量和影响西欧气候的海流,在过去的10a中已经减弱了30%。

这项研究结果是根据过去40a 中所进行的5次大规模调查所得出的。

这种变化可能是导致大西洋环流格局产生巨大变化的一种趋势(图1),或者说这种变化仅仅是自然的异常现象,将来会恢复,这项研究结果也又可能是受观测资料的限制而得出的错误结论。

正是由于缺乏对影响全球气候关键因素的观测,才促使各国政府在2003年构建“全球地球观测系统(GEO SS)”。

欧洲则提出了建设“全球环境和安全监测系统(G M ES)”。

GEO SS和G M ES的目标,旨在为预测影响天气、气候、水、能源、人类健康,以及灾害等的全球变化问题,提供必要的观测资料。

GEO SS又分气候和海洋两个部分,即“全球气第26卷　第1期2007年1月 海　洋　技　术O CEAN T ECHNOLO GYV o l126,N o11M arch,2007候观测系统(GCO S )”和“全球海洋观测系统(GOO S )”。

早在1999年,即GEO SS 构建之前,科学家们就提出了一个收集海洋内部资料的观测计划,即A rgo 计划(图2)。

2　为何实施A rgo 计划在A rgo 计划以前,人类对于海洋内部的认识和了解,主要来自科学调查船的观测和由商船投放的抛弃式温深计(XBT )的探测。

这样的观测是相当稀少的,夏季会比冬季多一些,特别是对全球气候影响巨大、且遥远的南大洋,其观测资料则更少。

而所有这些观测的持续时间都很短,以致于无法用来监测海洋的变化。

因此,人类对海洋气候的观测和了解是极其有限的。

图1　大西洋环流对全球气候起着关键作用(截止2006年8月,颜色代表不同国家布放的浮标)图2　全球海洋已有的2531个A rgo 浮标分布 特别一提的是,布设在太平洋海域的热带大气—海洋(TAO T riton )锚碇浮标观测网(图3),可以快速获得其现场的观测资料。

该观测网于1994年建成。

根据TAO T riton 观测数据开发的模式,有能力提前一年预报厄尔尼诺事件的发生。

这些预报还可以用来预测给美洲和澳大利亚可能带来的经济利益,并显示出对海洋持续、系统观测的实用价值。

20世纪90年代的另一个重要进展是,研究人员发起了全球海洋环流试验(W OCE ),这是迄今为止海洋观测史上规模最大的一次。

W OCE 的目的,就是要收集史无前例的观测数据集,以便改进用于全球气候研究的海洋模式。

这些图3　热带大气海洋观测网(TAO )资料来自新一代的、能连续监测海洋表面形状和粗糙度的07 海　洋　技　术 第26卷雷达卫星系统,从而使人类第一次能直观揭示表层海流的强度和方向,以及由海洋热储藏引起的海洋热膨胀效应和风作用下的海洋形状(图4)等。

W OCE 计划的目的是要了解全球海洋温度和盐度的分布、变化。

该计划前后共持续了8a 时间,采用在调查船上布放观测仪器的方式获得了20000个测站的观测数据(图5,图6)。

该项试验共计花费了25船年,费用高达2.2亿美元,但依然未能覆盖全球海洋。

为了观测海面以下的海流,W OCE 计划还使用了以电池为动力源的中性浮标(图7)。

该浮标能够每隔数周时间在中层和海面停留,并由卫星定位。

这些自动拉格朗日环流探测浮标(ALA CE )可以描绘出覆盖整个海盆的海流场。

(由Jason 21卫星观测并经GRA CE 重力卫星校正后的资料绘制)图4　全球海洋动力高度(c m )分布图5　1990-1998年期间,由W OCE 计划开展的温、盐度剖面观测站位分布(注意:仍留有大量空白区域尚无观测资料)图6　2004年30000个XBT 仪温度剖面观测站位分布3　“A rgo ”的由来1955年,英国的John Sw allow 博士(1923-1994年)发明了中性浮标(图8),并完成了首次对深海海流的观测。

A rgo 浮标就是在此基础上发展而来的。

自从ALA CE 浮标在W OCE 计划中显示出能够测量次表层海流的潜力后,经过改进后的浮标,则可在每次浮到海面时测量剖面温度和盐度。

早先调查船需要较长时间完成的观测工作,现在利用这些剖面浮标就能轻而易举地完17　第1期 朱伯康等:全球A rgo 实时海洋观测网建设及应用进展 图7　W OCE 计划中应用的ALA CE浮标图8　John Sw allow 博士在设计浮标原型成。

根据W OCE 计划所取得的经验,科学家们在1998年提出了一个新的计划,即在全球海洋无冰冻海域建设一个每隔3个经纬度分布的剖面浮标观测网,并与新一代Jason海洋卫星高度计一起,首次实现对全球海洋状况(温度、盐度、海流、风)进行系统监测,从而可以使人类有能力预测和处理由于气候异常和变化所带来的各种严重问题。

该浮标计划称为A rgo ,是以希腊神话中Jason 船长出海寻找金羊毛的那艘神船命名的。

把卫星和浮标观测资料结合起来,解释“海洋状态”,需要利用资料同化处理技术。

这种早先用于天气预报中的分析技术,在W OCE 计划期间已经被移植到海洋学研究中。

同化技术是将观测资料与复杂的计算机模式结合起来,使得计算结果能与主导海洋动力学的基本物理定理相一致。

A rgo 计划是一个全新的理念,需要海洋科学家的通力合作,监测全球海洋服务于全人类。

A rgo 浮标观测网建设更需要各国共同参与,共享资料,这些观测资料可以在24h 内送达全世界任何一个地方的任何一位用户手中。

为了提供A rgo 浮标观测网建设的动态变化信息,联合国科教文组织(UN ESCO )政府间海洋委员会(I OC )建立了一个A rgo 信息中心,以提供有关浮标的布放和位置等信息。

A rgo 浮标(图9)的设计寿命为4a ,这就意味着每年需要布放800个浮标,才能维持全球海洋中有3000个浮标在正常运行的目标。

第一个A rgo 浮标于1999年底布放。

图9　A rgo 浮标结构原理和在海洋中的工作状态图 A rgo 浮标可以在很小的科学调查船上布放(图10),也可以在巨大的远洋运输船上布放(图11),还可以用飞机布放(图12)。

4　A rgo 实时海洋观测网建设进展(1)哪些国家参与了国际A rgo 计划目前,不断有新的国家加入到A rgo 计划中。

A rgo 计划从2000年初发起时仅有10个国家参与,发展到现在则至少有27个国家和地区(阿根廷,澳大利亚、巴西、加拿大、智利、中国、哥斯达黎加、丹麦、法国、德国、冰岛、印度、印度尼西亚、爱尔兰、日本、韩国、毛里求斯、墨西哥、莫桑比克、荷兰、新西兰、挪威、俄罗斯、南非、西班牙、英国、美国,以及欧盟和一些太平洋岛国)参与了浮标布放、27 海　洋　技　术 第26卷(这是新西兰的Kaharoa 号调查船,其船长仅28m ,却是全球布放A rgo 浮标最多的船只)图10　在大洋中布放浮标的小型调查船图11　大型远洋商船在航行途中布放A rgo 剖面浮标生产或者协助布放浮标等工作。

(2)目前有多少浮标正在海上工作以及能提供多少资料截止2006年2月中旬,在全球海洋超过2000m 水深的无冰冻海域,已有2355个浮标在正常工作。

这表明,A rgo 浮标观测网建设已经完成总目标(3000个)的80%。

A rgo 浮标观测资料的剖面数量呈现稳步上升趋势(图13)。

自从2002年中期开始,A rgo 已经成为人们获取海洋剖面资料中最大的、也是唯一的来源。

除了观测资料多以外,A rgo 浮标的观测深度(2000m )远超过XBT 的观测深度(750m ),其观测的温度精度则更高。