南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)設(shè)計與構(gòu)建

劉增宏,曹敏杰,盧少磊,孫朝輝,吳曉芬,許建平

(1.衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學國家重點實驗室；2.自然資源部第二海洋研究所,浙江杭州310012)

0 引言

隨著國際Argo計劃的深入發(fā)展，全球Argo實時海洋觀測網(wǎng)正由無冰覆蓋的公共水域拓展到有冰覆蓋的高緯度海域，以及邊緣海區(qū)域，未來在西太平洋的典型邊緣海-南海布放的自動剖面浮標，也將會是“全球Argo”的組成部分[1-2]。雖然，在南海周邊國家中，目前只有我國在參與國際Argo計劃并布放自動剖面浮標，但不排除美國、日本和印度等對南海表示“關(guān)切”的國家，通過支援設(shè)備、技術(shù)等手段扶持如菲律賓和越南等南海周邊國家主導布放自動剖面浮標或建立“南海Argo區(qū)域中心”的可能性。為此，盡早組織實施以我為主導的“南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)”建設(shè)，并組織力量布放通過北斗導航衛(wèi)星定位、通訊的國產(chǎn)剖面浮標，變被動為主動，更好地發(fā)揮我國在國際大型合作調(diào)查計劃中的作用和影響力，乃是當務(wù)之急；同時，在南海建立Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)，也有著重要的科學意義和實用價值，為建設(shè)覆蓋“海上絲綢之路的Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)”奠定基礎(chǔ)[3]。

在國家科技基礎(chǔ)性工作專項——“西太平洋Argo實時海洋調(diào)查”重點項目的資助，以及項目專家組的高度重視和大力支持下，在項目組編制完成的“南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)建設(shè)方案”基礎(chǔ)上[4]，于2016年9月-11月期間，分別搭載由中國科學院南海海洋研究所“實驗1”號科學調(diào)查船執(zhí)行的國家自然科學基金委南海中部海盆綜合調(diào)查計劃航次(簡稱“第一航次”)，以及由國家海洋局南海分局“向陽紅14”號科學調(diào)查船執(zhí)行的另一調(diào)查航次(簡稱“第二航次”)，分別在南海中部海盆區(qū)域布放了8個和2個自動剖面浮標(HM 2000型)。正式啟動了由我國主導的南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)建設(shè)，并建立了北斗剖面浮標數(shù)據(jù)服務(wù)中心(中國杭州)。部分觀測資料通過全球通訊系統(tǒng)(GTS)和互聯(lián)網(wǎng)(WWW、FTP)與世界氣象組織(WMO)和國際Argo計劃成員國交換共享，成為繼法國圖盧茲ARGOS衛(wèi)星地面接收服務(wù)中心和美國馬里蘭IRIDIUM衛(wèi)星地面接收服務(wù)中心后，第3個為全球Argo實時海洋觀測網(wǎng)提供剖面浮標觀測資料接收服務(wù)的國家平臺[5]。

1 南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)總體設(shè)計

1.1 設(shè)計思想

在聯(lián)合國政府間海洋學委員會決議(XX-6和XLI-4)-Argo計劃框架下，以及在國際Argo組織(國際Argo指導組(AST)、國際Argo資料管理小組(ADMT)、國際Argo信息中心(AIC))的協(xié)調(diào)和指導下，中國Argo計劃在南海海域建立一個Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)。協(xié)調(diào)本地區(qū)Argo浮標的布放，為本地區(qū)提供Argo資料收集、處理與質(zhì)量控制和分發(fā)服務(wù)，促進本地區(qū)Argo資料在業(yè)務(wù)化海洋和氣候預測預報、以及基礎(chǔ)研究中的應用，并使之成為全球Argo實時海洋觀測網(wǎng)的重要組成部分。

南海Argo區(qū)域中心和南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)建設(shè)須掌握“以我為主、共同參與、資源共享”的建設(shè)原則，即由中方負責投資建設(shè)，吸收南海周邊國家參與，獲得的信息、資料有限度共享[6]。

1.2 建設(shè)目標及主要任務(wù)

1)建設(shè)目標。

2016-2020年期間，利用國產(chǎn)北斗剖面浮標，布放在南海深水區(qū)域，構(gòu)建和維持一個至少由20個剖面浮標組成的南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)(每年需布放15～20個浮標，總數(shù)為80個)。建立南海Argo區(qū)域中心，協(xié)調(diào)剖面浮標布放、觀測資料處理和數(shù)據(jù)產(chǎn)品研發(fā)等工作，為本地區(qū)提供浮標資料接收、延時模式質(zhì)量控制，以及資料交換和共享服務(wù)，成為全球Argo實時海洋觀測網(wǎng)中的重要組成部分，并承擔起一個Argo成員國和一個區(qū)域海洋大國的責任和義務(wù)，為南海業(yè)務(wù)化海洋學和基礎(chǔ)研究，以及應對氣候變化提供長期觀測資料。

2)主要任務(wù)。

①在南海深水區(qū)域分批布放80個剖面浮標，維持一個至少由20個剖面浮標組成的實時海洋觀測網(wǎng)，為開展業(yè)務(wù)化海洋學研究和海洋數(shù)據(jù)同化等提供現(xiàn)場觀測資料。

②建立南海Argo區(qū)域中心和南海Argo區(qū)域資料中心，協(xié)調(diào)本地區(qū)自動剖面浮標的布放，為本地區(qū)的浮標布放計劃提供建議和指導；改進自動剖面浮標資料接收、處理和分發(fā)系統(tǒng)，處理和分發(fā)本地區(qū)收集的Argo資料，并為沒有能力開展Argo資料質(zhì)量控制的國家提供質(zhì)量控制服務(wù)。

③通過各種渠道收集本地區(qū)最新的、高質(zhì)量的船載 CTD(Conductivity-Temperature-Depth)儀觀測資料，為南海自動剖面浮標觀測資料的延時模式質(zhì)量控制建立參考數(shù)據(jù)集；研究并尋求適合于南海區(qū)域Argo浮標實時數(shù)據(jù)質(zhì)量控制的新方法，確保浮標觀測資料能滿足國際Argo計劃的精度要求。

④通過產(chǎn)學研合作，盡快使國產(chǎn)北斗剖面浮標能滿足國際Argo計劃有關(guān)浮標信息、數(shù)據(jù)采集及資料交換的嚴格要求，并被正式接納成為Argo剖面浮標大家庭中的重要一員，早日用于全球Argo實時海洋觀測網(wǎng)建設(shè)和維護。

⑤舉辦培訓班，為南海周邊國家培養(yǎng)浮標資料處理和應用人才，幫助周邊國家建立浮標資料接收與處理中心，促進北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)在東南亞國家的推廣應用。

1.3 觀測網(wǎng)建設(shè)海域與資料共享范圍

1)浮標布放區(qū)域及浮標數(shù)量。

在南海水深超過1 500 m的海盆區(qū)域建立一個至少由20個剖面浮標組成的Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)(圖1)。為維持該觀測網(wǎng)的長期運行，每年約需補充布放15～20個剖面浮標。

圖1 南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)浮標分布示意圖Fig.1 Schematic diagram of float distribution in South China Sea Argo Regional Ocean Observation Network

2)主要技術(shù)指標。

根據(jù)南海的水深、地形和水動力狀況，擬采用國產(chǎn)北斗剖面浮標，利用其快速和雙向通訊的特點，縮短浮標在海面停留的時間，最大限度地降低海洋捕撈、海洋運輸?shù)群Ｑ蠡顒訉Ω嗽斐傻膿p害。

針對各種型號(如COPEX型、HM 2000型)的自動剖面浮標，應滿足如下技術(shù)性能(指實驗室內(nèi))指標：

①工作壽命：不低于2 a；

②循環(huán)周期：可調(diào)(1～10 d內(nèi))，利用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)，滿足雙向通訊的要求；

③定位精度：＜150 m；

④溫度測量范圍：-5～45℃；

⑤溫度測量精度：0.002℃；

⑥鹽度測量范圍：2～42 PSU；

⑦鹽度測量精度：0.005 PSU；

⑧壓力測量范圍：0～20 MPa；

⑨壓力測量精度：0.02 MPa。

針對各種型號的自動剖面浮標，應達到如下現(xiàn)場測量精度：

①溫度測量精度：0.005℃；

②鹽度測量精度：0.01 PSU；

③壓力測量精度：0.05 MPa。

3)觀測內(nèi)容與資料共享。

①觀測內(nèi)容：利用常規(guī)自動剖面浮標，其觀測內(nèi)容主要有：溫度、鹽度和壓力。

②觀測深度與采樣間隔：自動剖面浮標的漂移深度確定為1 000 m，觀測深度 0～1 500 m(或2 000 m)之間，測量層次約100層，且每隔1～5 d觀測一個剖面(圖2)。

圖2 自動剖面浮標測量流程Fig.2 Measurement flow of autonomous profile float

2 南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)構(gòu)建

構(gòu)建南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)，布放第一批自動剖面浮標，采用搭載航次實施，其中第一航次由中國科學院南海海洋研究所“實驗1”號科學調(diào)查船執(zhí)行，完成了8個國產(chǎn)北斗(HM 2000型)剖面浮標的投放；第二航次由國家海洋局南海分局“向陽紅14”號科學調(diào)查船執(zhí)行，完成了另外2個國產(chǎn)北斗(HM 2000型)剖面浮標的投放。由于第二航次僅布放了2個自動剖面浮標，且受條件限制沒有進行同步船載CTD儀比較觀測，因此，下面主要描述第一航次浮標布放和資料檢驗情況。

2.1 調(diào)查區(qū)域、測站位置與航次計劃

圖3 第一航次船載CTD儀觀測斷面及測站位置Fig.3 Shipboard CTD investigation sections and stations in the first cruise

圖4 布放的10個HM 2000型剖面浮標位置Fig.4 Deploying positions of 10 HM 2000 profile floats

第一航次調(diào)查海區(qū)位于南海北部及中部海盆區(qū)域，即18.0～22.0°N，110.0～119°E包圍的南海北部，以及10.0～16.0°N，114.5～118.5°E包圍的南海中部區(qū)域。共設(shè)置了6條調(diào)查斷面、70個CTD站位(圖3)，并選擇合適的CTD測站布放8個Argo剖面浮標(HM 2000型)，以及采集水樣等。Argo剖面浮標布放工作始于2016年9月6日，結(jié)束于2016年9月23日，浮標投放位置如圖4所示。

2.2 調(diào)查項目及主要觀測內(nèi)容

調(diào)查項目主要有：布放自動剖面浮標，采用船載CTD儀比較觀測，以及采用玫瑰型采水器采集特定層次上的水樣，并進行實驗室鹽度測量等。觀測內(nèi)容主要有：水溫、電導率(鹽度)、壓力，以及浮標漂移軌跡等。其中自動剖面浮標的采樣周期根據(jù)國際Argo指導組的要求，有8個浮標確定為5 d觀測一個0～20 MPa水深剖面，其浮標漂移深度設(shè)定為10 MPa。只有2個浮標嘗試每隔1 d觀測一個0～20 MPa水深的剖面，其浮標漂移深度同樣設(shè)定為10 MPa，同時浮標的采樣層次為110層，分別是：海面至2 MPa水深內(nèi)為每間隔0.05 MPa采樣一次，2～5 MPa水深內(nèi)為每間隔0.1 MPa采樣一次，5～10 MPa水深內(nèi)為每間隔0.2 MPa采樣一次，10～15 MPa水深內(nèi)為每間隔0.5 MPa采樣一次，15～20 MPa水深內(nèi)為每間隔1 MPa采樣一次。船載CTD儀的剖面觀測深度為0～40 MPa，而采集水樣的層次則根據(jù)作業(yè)區(qū)實際情況而定，其中選擇10～20 MPa(剖面浮標最大觀測深度)深水區(qū)作為比測的重點，通常會采集5個代表性水層上的水樣，如8 MPa、10 MPa、12 MPa、15 MPa、20 MPa。值得指出的是，由于第一航次“實驗1”號科學調(diào)查船的船期安排十分緊張，為了縮短航程時間，在絕大部分測站上CTD儀的最大觀測深度僅為15 MPa，其中在投放剖面浮標的8個測站上，僅在一個測站CTD儀最大觀測深度達到40 MPa。

2.3 主要調(diào)查成果

該航次按計劃順利投放了8個國產(chǎn)北斗剖面浮標(圖5)。需要說明的是：在“實驗1”號調(diào)查船執(zhí)行的第一航次期間，由于受到2016年14號臺風莫蘭蒂影響，曾回港(三亞港)避風1天；此外，布放的一個WMO編號為2902699的浮標，由于發(fā)生通訊故障，投放后未能收到任何信息。也就是說，整個秋季航次布放的10個自動剖面浮標，只有9個是正常的。至2017年10月，累計獲得了1 200余條0～20 MPa水深范圍內(nèi)的溫、鹽度剖面資料。此外，還獲得了8個0～20 MPa水深范圍內(nèi)的船載CTD儀觀測剖面，以及每個CTD站特定層次上的水樣。累計采集到的海水樣品為54個(在個別CTD站位上，由于玫瑰型采水器故障，未能采集到所需的比測水樣)；帶回陸上實驗室鹽度計對采集的全部水樣進行了鹽度測定，共獲得了54個鹽度值。

2.4 數(shù)據(jù)質(zhì)量檢驗

圖5 投放國產(chǎn)北斗(HM 2000型)剖面浮標Fig.5 Deployment of Beidou(HM 2000)profile float

表1 7個比測站特定層次上的溫、鹽度比對結(jié)果Table 1 Comparing results of temperature and salinity of 7 measuring stations in particular levels

圖6 利用不同觀測資料繪制的T-S曲線Fig.6 T-S curves plotted by different observations data

為了掌握自動剖面浮標布放后所攜帶的CTD傳感器的測量性能及其觀測精度，根據(jù)AST和ADMT的要求，盡可能借助船載CTD儀對自動剖面浮標觀測的溫、鹽度資料，特別是第一條觀測剖面進行現(xiàn)場質(zhì)量控制，以驗證剖面浮標觀測資料的質(zhì)量[7]。由表1對應層次上的鹽度比對結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在12

MPa水深以下，CTD和Argo觀測的鹽度差值在0.004～0.027范圍內(nèi)，只有個別站位、層次(如2號站12 MPa層上的鹽度差為0.004)上的鹽度差符合國際Argo計劃規(guī)定的鹽度觀測精度(0.01)，而大部分比測層上的差值都在0.01～0.02范圍內(nèi)，似乎也符合《海洋調(diào)查規(guī)范(GB/T12763.2—2007)——海洋水文要素調(diào)查》對鹽度準確度一級標準(±0.02)的規(guī)定[8]。但從CTD與Argo觀測的鹽度差值可以看出，本航次CTD觀測值要普遍高于Argo剖面浮標的觀測結(jié)果，大約在0.011～0.033之間。而CTD儀與實驗室鹽度計之間的測量差值，除在個別測站、層次上CTD偏低(-0.083～-0.206)外，大都在0.064～0.297之間，顯然遠超國標±0.02的精度要求。究其原因，與實驗室鹽度計(Portasal 8410A型)因電源電壓不匹配導致的鹽度計讀數(shù)不穩(wěn)定，從而帶來較大的測量誤差有關(guān)。至于船載CTD儀產(chǎn)生的誤差，可能與航次期間出現(xiàn)的CTD儀接口短路故障有關(guān)。雖經(jīng)拆卸、重新布線處理，最終排除了故障，但應返航后立即送國家權(quán)威計量部門重新標定，并采用新標定的參數(shù)對航次期間的CTD儀觀測資料進行重新計算。

為了更直觀地比較和驗證各種觀測資料的質(zhì)量及其可信度，還收集了觀測海域歷史上利用船載CTD儀觀測的、且最大觀測深度大于20 MPa的剖面進行了比較分析；并將本航次船載CTD儀和HM 2000型剖面浮標觀測的資料，與同期APEX型剖面浮標觀測的結(jié)果和歷史船載CTD儀觀測的結(jié)果，統(tǒng)一繪制在同一幅T-S曲線圖(圖6)上對比。不難發(fā)現(xiàn)，HM 2000型浮標獲取的剖面資料與同期APEX浮標和歷史船載CTD儀觀測的結(jié)果更吻合；而本航次船載CTD儀的剖面觀測資料同樣要比同期APEX浮標和歷史船載CTD儀觀測的結(jié)果偏高些，估計偏差在0.01～0.03之間。

由此可見，由該航次布放的7個HM 2000型剖面浮標獲取的觀測資料，應該是可靠、也是可信的。

3 討論與建議

在對深海大洋進行溫、鹽度剖面觀測時，利用船載CTD儀及其玫瑰型采水器進行同步測量和采集水樣(再利用實驗室高精度鹽度計進行現(xiàn)場測定)是十分重要、也是十分必要的一項基礎(chǔ)性工作，否則就很難佐證和校正由自動剖面浮標長期在海上漂移所獲得的觀測資料的質(zhì)量；反之，也能利用準同步獲得的自動剖面浮標觀測資料，甚至歷史觀測資料來驗證船載CTD儀觀測資料的質(zhì)量和可靠性。由上述分析和對觀測數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制，可以發(fā)現(xiàn)本航次主要存在以下幾個方面的問題：

1)國產(chǎn)剖面浮標的質(zhì)量還有待進一步提高。雖然整個航次布放的10個HM 2000型剖面浮標，只有一個因通訊故障沒有傳回任何信息，但還是希望能引起浮標研制單位的高度重視，認真查找產(chǎn)生故障的可能原因，進一步提高浮標技術(shù)的可靠性和穩(wěn)定性。

2)充分認識實驗室高精度鹽度計在深海大洋觀測中的必要性。無論是自動剖面浮標，還是船載CTD儀，在惡劣的海洋環(huán)境中觀測難免會產(chǎn)生測量誤差，有的可能是系統(tǒng)誤差，有的可能是偶然誤差，也有的可能是兩者的合成。因此，當海洋調(diào)查從近岸淺海走向外海大洋時，務(wù)必重視實驗室高精度鹽度計在深海大洋觀測中的重要性。對船載CTD儀而言，要嚴格遵守在航次前、后送往國家權(quán)威計量部門標定的要求，并能配備玫瑰型采水器，做到每個CTD站都能在10 MPa水深以下采集5個以上代表性水層，對船載CTD儀觀測結(jié)果進行現(xiàn)場比測、把關(guān)。在從事深海大洋調(diào)查的科學調(diào)查船上，務(wù)必配備高精度實驗室鹽度計，并能確保其正常工作。

3)充分認識對海上觀測資料實行分級(實時模式和延時模式)質(zhì)量控制的重要性。對物理海洋現(xiàn)象及其特征和變化規(guī)律的認識，往往需要積累較長時間序列的海洋環(huán)境要素(如海水溫度和鹽度等)資料。然而，在漫長的收集和積累過程中，往往會利用不同的觀測儀器設(shè)備，有機械式的、電子感應式的或者是遙測的，也會因各種因素產(chǎn)生這樣那樣的測量誤差，需要采用一致公認的觀測儀器和方法進行同步或準同步的比較測量，以便能了解和掌握各種測量手段的精度和可能產(chǎn)生的測量誤差；并能根據(jù)不同的研究目的和要求，決定對觀測資料采取實時模式質(zhì)量控制(對資料精度要求較低)和延時模式質(zhì)量控制(資料精度要求較高)。

隨著北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)和剖面浮標等技術(shù)手段的突破，我國獨立自主建立南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)的基本條件已經(jīng)具備，但需要加強頂層設(shè)計。建議由國家海洋主管部門牽頭，協(xié)調(diào)有關(guān)部門，整合資源，增加投入，設(shè)立南海Argo海洋觀測專項，制定南海調(diào)查研究規(guī)劃，建立長期穩(wěn)定的支持機制。

4 結(jié)論與展望

隨著國家科技基礎(chǔ)性工作專項“西太平洋Argo實時海洋調(diào)查”重點項目出資購置的首批國產(chǎn)北斗(HM 2000型)剖面浮標順利放入南海中部海盆水域中，標志著由我國主導建設(shè)的“南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)”正式拉開了序幕。除了其中的一個浮標由于通訊故障沒有獲得有效觀測剖面外，其他9個浮標均已經(jīng)按預先設(shè)定的觀測周期，通過北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)順利發(fā)送回海面至20 MPa水深范圍內(nèi)的溫、鹽度剖面資料；并通過ADMT規(guī)定的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制程序檢驗。這些現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)均符合國際Argo計劃規(guī)定的觀測精度(溫度高于0.005℃、鹽度高于0.01)要求。第一批由國產(chǎn)北斗剖面浮標獲得的來自“南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)”的溫、鹽度剖面資料，目前均已通過中國氣象局的GTS接口，與WMO和國際Argo計劃成員國即時共享。

在國際Argo計劃的框架下，通過構(gòu)建南海Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)，積累管理和運行經(jīng)驗，逐步向西北太平洋的臺風源地海域、印度洋孟加拉灣和阿拉伯海擴展，并適時邀請“21世紀海上絲綢之路”沿線國家參與布放浮標和國際Argo事務(wù)，盡早建成一個由400多個自動剖面浮標(主要以北斗剖面浮標為主)組成的覆蓋“海上絲綢之路”的Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)，使之成為“全球Argo”的重要組成部分。增進與“海上絲綢之路”沿線國家交流與合作的紐帶，進一步促進Argo資料在我國乃至沿線國家業(yè)務(wù)化預測預報和基礎(chǔ)研究中的推廣應用，不僅“將南海建設(shè)為造福地區(qū)各國人民的和平、合作、友誼之海”，還應為沿線各國海洋資源開發(fā)、海事安全、海洋運輸、海洋漁業(yè)管理和近海工業(yè)，以及應對全球氣候變化及防御自然災害等肩負起一個海洋大國的責任和擔當，讓沿線國家和民眾能夠真切體驗和更多享受到海上絲路建設(shè)帶來的福祉。