我國(guó)熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)初步建成*

王　凡　汪嘉寧中國(guó)科學(xué)院海洋研究所　青島　266071

我國(guó)熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)初步建成*

王凡汪嘉寧
中國(guó)科學(xué)院海洋研究所青島266071

構(gòu)建熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)是中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響”的重點(diǎn)任務(wù)之一。熱帶西太平洋環(huán)流系統(tǒng)深刻影響著暖池、厄爾尼諾/南方濤動(dòng)（ENSO）和東亞季風(fēng)的發(fā)展，對(duì)全球和我國(guó)氣候變化研究意義重大。隨著 2015 年 15 套深海潛標(biāo)及數(shù)據(jù)的成功回收，世界上最大規(guī)模的熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的初步建成，我國(guó)科學(xué)家獲得了熱帶西太平洋代表性海域連續(xù)一年涵蓋海洋上層和中深層水體的溫度、鹽度和洋流等觀測(cè)數(shù)據(jù)，這是世界上首次在這一地區(qū)獲取高質(zhì)量、高時(shí)空分辨率的定點(diǎn)連續(xù)數(shù)據(jù)，填補(bǔ)了國(guó)際上對(duì)該海域中深層環(huán)流大規(guī)模同步觀測(cè)的空白，為我國(guó)大洋觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，起到了示范作用。該網(wǎng)絡(luò)將會(huì)為我國(guó)大洋環(huán)流及其對(duì)我國(guó)氣候效應(yīng)的研究探索提供持續(xù)的數(shù)據(jù)支撐，將提高我國(guó)氣候和海洋環(huán)境的預(yù)測(cè)能力。

科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)，潛標(biāo)，熱帶西太平洋，海洋環(huán)流系統(tǒng)，氣候變化

構(gòu)建熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)是中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響”（以下簡(jiǎn)稱“海洋先導(dǎo)專項(xiàng)”）的重點(diǎn)任務(wù)之一，我國(guó)科學(xué)家將自主建立大洋觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)來研究和監(jiān)測(cè)對(duì)中國(guó)氣候影響最為顯著區(qū)域的海洋環(huán)境變化。Nature雜志曾在 2014 年刊發(fā)文章，將中國(guó)即將建立的西太科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)稱為第二次“鄭和下西洋”［1］，這引起了世界海洋科學(xué)界的廣泛關(guān)注。

1　熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的國(guó)家需求和科學(xué)意義

熱帶西太平洋擁有全球海洋中最大的暖水團(tuán)，是驅(qū)動(dòng)大氣環(huán)流系統(tǒng)的主要熱源地之一，在多種時(shí)間尺度上對(duì)東亞季風(fēng)、厄爾尼諾/南方濤動(dòng)（ENSO）等氣候現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展以及我國(guó)旱澇、極端冷暖等重大氣候?yàn)?zāi)害的形成都具有極為重要的影響［2，3］。在全球溫室氣體排放增加的趨勢(shì)下，近年來全球氣溫的升高卻出現(xiàn)了停滯，這被認(rèn)為和中深層大洋吸收存儲(chǔ)了大量熱量密切相關(guān)，特別是熱帶西太平洋在這一過程中扮演著重要角色［4，5］。熱帶西太平洋及其周邊海域海洋環(huán)流復(fù)雜和多變，數(shù)支緯向流和西邊界流在海洋緯向、經(jīng)向能量輸送和東西太平洋、南北半球水交換過程中起關(guān)鍵作用，直接影響和調(diào)制該區(qū)域海洋-大氣相互作用和海洋多圈層物質(zhì)能量交換。因此開展對(duì)熱帶太平洋海洋環(huán)境的大規(guī)模同步調(diào)查是提高我國(guó)氣候變異研究水平和預(yù)報(bào)能力的迫切需要，將為我國(guó)海洋環(huán)境保障能力的擴(kuò)展和提升起到科技先導(dǎo)作用。

熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)以實(shí)現(xiàn)對(duì)太平洋西邊界流、西太平洋緯向流系、中深層環(huán)流和印尼貫穿流大規(guī)模同步連續(xù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)為目標(biāo)。以潛標(biāo)為主要觀測(cè)平臺(tái)的科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)將會(huì)為我國(guó)和國(guó)際海洋與氣候?qū)W界提供該區(qū)域海洋上層、中層和深層環(huán)流系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征、變異規(guī)律及動(dòng)力學(xué)聯(lián)系的觀測(cè)證據(jù)，填補(bǔ)國(guó)際上在太平洋西邊界流和中深層環(huán)流觀測(cè)和研究的空白，為海洋和氣候模式的驗(yàn)證和改進(jìn)提供觀測(cè)數(shù)據(jù)支撐。

2　熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的設(shè)計(jì)和構(gòu)建

根據(jù)科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的科學(xué)目標(biāo)，海洋先導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目一在 2013 年完成了潛標(biāo)網(wǎng)絡(luò)布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、儀器設(shè)備采購等工作。圖 1 給出了科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的整體布局，觀測(cè)網(wǎng)設(shè)計(jì)了 3 個(gè)潛標(biāo)陣列和1套全水深潛標(biāo)。3 個(gè)潛標(biāo)陣列共包含 10 余套潛標(biāo)，分別布放在 130oE、140oE 和 142oE斷面，主要用于觀測(cè)西太平洋緯向流系和中深層環(huán)流系統(tǒng)。1 套全水深潛標(biāo)布放在馬里亞納島弧海山附近，用于研究地形變化對(duì)上、中、深層環(huán)流系統(tǒng)的影響，布放地點(diǎn)還位于東、西馬里亞納海盆的水交換通道處，這對(duì)研究大洋不同海盆的水交換至關(guān)重要。該潛標(biāo)配置的觀測(cè)傳感器還實(shí)現(xiàn)了全水深高垂直分辨率覆蓋，可用于建立大洋上層和中深層全水體的動(dòng)力和能量關(guān)聯(lián)。

圖 1　熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)布局圖

圖 2給出了一套代表性潛標(biāo)（以 140oE，2oN 潛標(biāo)為例）的設(shè)計(jì)方案。在 400 m 左右，潛標(biāo)主浮球裝載了兩臺(tái)分別向上和向下測(cè)量的 75 kHz 多普勒流速剖面儀，用于獲取表層至 1 000 m 左右的三維流速的高時(shí)空分辨率變化數(shù)據(jù)。在 1 000 m 以深以 500 m 左右為間隔布放了若干單點(diǎn)海流計(jì)，用于獲取大洋中深層流速的連續(xù)變化數(shù)據(jù)。在 400 m 以深配置了若干溫鹽深儀，用于獲取大洋水體溫度和鹽度的連續(xù)變化數(shù)據(jù)。根據(jù)溫度和鹽度的垂直變化特征，溫鹽深儀在 1 000 m 以淺垂直間距較小，在1 000 m 以深垂直間距較大。上述測(cè)量傳感器的采樣間隔均小于等于 1h。結(jié)合每套潛標(biāo)地點(diǎn)的流速特征和觀測(cè)儀器在水中的重量，科研人員通過計(jì)算潛標(biāo)的凈浮力來給潛標(biāo)配置浮球數(shù)量，以保證潛標(biāo)系統(tǒng)在大洋中可以保持穩(wěn)定的姿態(tài)，避免大幅的上下運(yùn)動(dòng)帶來大的觀測(cè)誤差，同時(shí)保證潛標(biāo)系統(tǒng)在回收時(shí)可以有足夠的浮力浮出水面。

圖 2　熱帶西太平洋潛標(biāo)（以 140oE，2oN 潛標(biāo)為例）設(shè)計(jì)圖

2014 年 8 月— 10 月，海洋先導(dǎo)專項(xiàng)科研人員搭載我國(guó)新一代海洋科學(xué)綜合科考船“科學(xué)”號(hào)，成功地在熱帶西北太平洋對(duì) 3 個(gè)潛標(biāo)陣列和1套全水深潛標(biāo)進(jìn)行了布放。在每個(gè)潛標(biāo)站點(diǎn)，科研人員首先使用船載多波束測(cè)深儀對(duì)潛標(biāo)布放地點(diǎn)周圍的地形進(jìn)行掃描測(cè)量（圖 3）。然后根據(jù)水深分布圖，選擇和設(shè)計(jì)水深相近且變化較小的區(qū)域?yàn)榘袇^(qū)，再選取其中一點(diǎn)為靶心。在潛標(biāo)布放時(shí)，船舶選擇逆流方向行進(jìn)，在船尾勻速布放纜繩和設(shè)備，纜繩和設(shè)備入水后會(huì)順流漂向船舶的下游。根據(jù)當(dāng)?shù)亓魉俅笮『筒挤艥摌?biāo)預(yù)估的時(shí)長(zhǎng)等，科研人員合理選擇布放起始點(diǎn)和靶心之間的距離，一般要保證在船舶到達(dá)靶心附近時(shí)，儀器設(shè)備布放完畢。在儀器設(shè)備布放完畢后，將潛標(biāo)最底端的重力錨布放入水，重力錨入水后利用自身較大的凈重將前面布放的儀器設(shè)備拉入水中。在潛標(biāo)布放完成后，科研人員需要在重力錨入水點(diǎn)附近1—3 公里范圍內(nèi)選擇 3—4 個(gè)點(diǎn)對(duì)潛標(biāo)進(jìn)行定位，利用聲學(xué)釋放器測(cè)量船體和聲學(xué)釋放器之間的斜距，進(jìn)而采用最小二乘法來確定重力錨在海底最終錨定點(diǎn)的經(jīng)緯度，以便于第二年進(jìn)行回收打撈。

圖 3　潛標(biāo)布放站位地形圖和布放過程示意圖

2015 年 8—11 月，海洋先導(dǎo)專項(xiàng)科研人員再次搭乘“科學(xué)”號(hào)考察船，對(duì)在大洋中布放了 1 年左右的潛標(biāo)進(jìn)行了回收、數(shù)據(jù)讀取、維護(hù)和再布放（圖 4）。科研人員經(jīng)過近 80 天的艱苦努力，成功回收了 2014 年布放的 15套深海潛標(biāo)和 402 件觀測(cè)設(shè)備，獲取了長(zhǎng)達(dá) 1 年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。在對(duì)潛標(biāo)站位進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，新布放了 13 套深海潛標(biāo)和 393 件觀測(cè)設(shè)備（圖 1），這開創(chuàng)了單一航次布放、回收深海潛標(biāo)和觀測(cè)設(shè)備數(shù)量最多的世界紀(jì)錄，標(biāo)志著熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)初步構(gòu)建完成。

圖 4　科考隊(duì)員在“科學(xué)”號(hào)考察船上進(jìn)行潛標(biāo)的布放和回收工作

3　熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的最新結(jié)果

2015 年超級(jí)厄爾尼諾事件在熱帶西太平洋發(fā)展，對(duì)全球和我國(guó)氣候影響顯著，而布放的潛標(biāo)數(shù)據(jù)恰好捕捉到這次超級(jí)厄爾尼諾事件的發(fā)展過程。圖 5 給出了 142oE赤道站位潛標(biāo)多普勒流速剖面儀所觀測(cè)的緯向流速深度時(shí)間變化圖，可以看出南赤道流、赤道潛流和赤道中層流的分布深度和流速的異常變化特征，這些潛標(biāo)數(shù)據(jù)將幫助科學(xué)家加深對(duì)厄爾尼諾現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)，提高我國(guó)科學(xué)家對(duì)極端氣候事件的預(yù)測(cè)和預(yù)報(bào)。

潛標(biāo)上單點(diǎn)海流計(jì)首次給出了這一區(qū)域大洋中深層海流的時(shí)空變化特征（圖 6），在 4 000 m 左右的深度上流速大小仍可以達(dá)到 5 cm/s，而且存在著包括近慣性振蕩、季節(jié)內(nèi)和季節(jié)等多時(shí)間尺度變化?？茖W(xué)家們?cè)赋鋈蜃兣渲幸粋€(gè)重要原因就在于西太平洋中深層海洋吸收了大量熱量［4，5］，這說明西太平洋和中深層大洋對(duì)全球氣候變化的重要意義?？茖W(xué)觀測(cè)網(wǎng)所獲得的中深層海洋前所未有的觀測(cè)數(shù)據(jù)必將幫助科學(xué)家突破對(duì)深海環(huán)境的認(rèn)知。

圖 5　142oE 赤道站位潛標(biāo)2臺(tái)多普勒流速剖面儀所觀測(cè)的緯向流速深度時(shí)間變化圖，其中紅色表示東向流，藍(lán)色表示西向流

圖 6　全水深潛標(biāo)站位單點(diǎn)海流計(jì)觀測(cè)的中深層緯向流速（藍(lán)色）和經(jīng)向流速（紅色）時(shí)間變化圖?；疑€表示單點(diǎn)海流計(jì)所在深度變化，黑色深度值為測(cè)量時(shí)間段內(nèi)的平均深度

4　結(jié)語

2015 年 15 套深海潛標(biāo)及數(shù)據(jù)的成功回收標(biāo)志著熱帶西太平洋科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的初步建成，我國(guó)科學(xué)家獲得了熱帶西太平洋代表性海域連續(xù) 1 年涵蓋海洋上層和中深層水體的溫度、鹽度和洋流等觀測(cè)數(shù)據(jù)，是世界上首次在這一地區(qū)獲取高質(zhì)量、高時(shí)空分辨率的定點(diǎn)連續(xù)觀測(cè)數(shù)據(jù)，為探索研究熱帶西太平洋環(huán)流的三維結(jié)構(gòu)、暖池變異及其對(duì)中國(guó)氣候變化的影響提供了寶貴的數(shù)據(jù)資料。

科學(xué)觀測(cè)網(wǎng)的初步建成標(biāo)志著我國(guó)已自主建立起熱帶西太平洋科學(xué)研究的觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)，奠定了我國(guó)在全世界對(duì)該海域觀測(cè)研究的核心地位，同時(shí)也填補(bǔ)了國(guó)際上對(duì)該海域中深層環(huán)流大規(guī)模同步觀測(cè)的空白，為我國(guó)大洋觀測(cè)網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)行積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)，起到了示范作用。該網(wǎng)絡(luò)將會(huì)為我國(guó)海洋學(xué)和氣候?qū)W研究探索提供持續(xù)的數(shù)據(jù)支撐，將提高我國(guó)氣候和海洋環(huán)境的預(yù)測(cè)能力。

1 Tollefson J. China plunges into ocean research. Nature， 2014，506： 276.

2 王凡， 胡敦欣， 穆穆， 等.熱帶太平洋海洋環(huán)流與暖池的結(jié)構(gòu)特征、變異機(jī)理和氣候效應(yīng). 地球科學(xué)進(jìn)展， 2012， 27（6）： 595-602.

3 Hu D， Wu L， Cai W， et al. Pacific western boundary currents and their roles in climate. Nature， 2015， 522（7556）： 299-308.

4 Chen X， Tung K K. Varying planetary heat sink led to globalwarming slowdown and acceleration. Science， 2014， 345： 897-903.

5 England M H， M cGregor S， Spence P， et al. Recent intensification of w ind-driven circulation in the Pacific and the ongoing warm ing hiatus. Nature Climate Change， 2014， 4： 222-227.

王 凡中科院海洋所黨委書記、副所長(zhǎng)，研究員，博士生導(dǎo)師。主要從事太平洋低緯度西邊界流、熱帶海洋環(huán)流、中國(guó)近海環(huán)流和海洋中尺度過程等方面研究。先后主持“973”項(xiàng)目、“863”課題、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、國(guó)家專項(xiàng)課題、中科院創(chuàng)新重要方向項(xiàng)目等科研課題 20 余項(xiàng)，發(fā)表論文 130 余篇，其中包括 Geophys. Res. Lett.、J. Geophys. Res.、J.Phys. Oceanogr.、Deep Sea Res. 等 SCI、EI 論文 50 余篇，出版專著 3 部。國(guó)家“萬人計(jì)劃”入選者，先后獲得全國(guó)優(yōu)秀科技工作者、山東青年五四獎(jiǎng)?wù)?、山東省優(yōu)秀青年知識(shí)分子標(biāo)兵、青島市青年科技獎(jiǎng)等。E-mail： fwang@qdio.ac.cn

Wang FanProfessor and Ph.D. supervisor， deputy director of Institute of Oceanology， Chinese Academy of Sciences. Dr. Wang is mainly working on ocean circulation dynamics， including the Pacific low-latitude western boundary currents， tropical ocean circulation， shelf circulations in China Seas， mesoscale processes， etc. He undertook more than 20 projects funded by National Basic Research Program， National High Technology Research and Development， and National Natural Science Foundation of China. Dr. Wang has published over 130 papers and 3 academic monographs. He was awarded as “National Excellent Scientific and Technological Worker”， “National Leader in Scientific and Technological Innovation”， and many others for his remarkable works. E-mail： fwang@qdio.ac.cn

Initial Establishment of China's Scientific Observing Network in Western Tropical Pacific Ocean

Wang FanWang Jianing
（Institute of Oceanology， Chinese Academy of Sciences， Qingdao266071， China）

The development of a scientific observing network in the western tropical Pacific Ocean is one of the key tasks of the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academ y of Sciences entitled “Western Pacific Ocean System”. Ocean circulation system s in the region critically influence the evolution of the “Warm Pool”， the El Ni?o/Southern Oscillation （ENSO） and the East Asian Monsoon， which have prominent impact on the global and regional climate. Fifteen subsurface moorings and the first batch of recorded data were successfully retrieved in 2015， demonstrating the initial establishment of China's scientific observing network. One-year high temporal and spatial resolution records of ocean temperature， salinity， and currents were obtained for the first time in this region. The unprecedented measurements in the intermediate and abyssal layers filled the gap in observing the deep ocean by the international community. Experience obtained from this work w ill tremendously benefit further development of the ocean observing network of China. New data w ill be provided for research of the deep blue and global climate， thus enhancing the capability in marine environment and climate prediction.

scientific observing network， subsurface mooring， western tropical Pacific Ocean， ocean circulation systems， climate change

10.16418/j.issn.1000-3045.2016.02.013

*資助項(xiàng)目：中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA 110102 01）

修改稿收到日期：2016年2月16日