小浮標，大能量

孫朝輝

Argo（全球海洋實時觀測網(wǎng)），將被廣泛應用于臺風預測預報、遠洋漁業(yè)生產(chǎn)、海上軍事活動和海洋資源開發(fā)利用等領域。它將成為“海絲”的護航者，快來一睹其真容吧！

何謂Argo？

Argo是英文“Array for Real-time Geostrophic Oceanography”的縮寫，其中文含義為“地轉海洋學實時觀測陣”。如同陸地上的氣象站組成的天氣預報觀測網(wǎng)一樣，該觀測網(wǎng)由許多在海上工作的自動剖面浮標組成，單個浮標相當于一個探空氣球，而世界大洋上分布廣泛的Argo浮標就組成了覆蓋全球的實時海洋觀測系統(tǒng)。Argo計劃設想在全球大洋中每隔300千米布放一個衛(wèi)星跟蹤浮標，總計為3000個，組成一個龐大的Argo全球海洋觀測網(wǎng)（圖1）。

一種稱為自律式的拉格朗日環(huán)流剖面觀測浮標（簡稱“Argo浮標”，圖2）是Argo觀測網(wǎng)的主角。它在海洋中隨海流自由漂移，自動測量海面到2000米水深之間的海水溫度、鹽度和深度，并可跟蹤它的漂移軌跡，獲取海水的移動速度和方向。它的設計壽命為3～5年，會每隔10天自動發(fā)送一組剖面實時觀測數(shù)據(jù)，該觀測網(wǎng)每年可提供多達10萬個剖面（0～2000米水深內(nèi)）的海水溫度和鹽度資料。

現(xiàn)在，全世界使用的Argo浮標有十幾種，其中我國成功研制了使用北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)進行通訊和定位的Argo浮標（圖2）。北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)覆蓋中國全部地域及周邊地區(qū)（圖3），在覆蓋區(qū)域內(nèi)的浮標可以通過北斗衛(wèi)星完成數(shù)據(jù)通信和定位等。該區(qū)域范圍之外的浮標目前只能依靠ARGOS衛(wèi)星或銥衛(wèi)星和GPS實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和定位。

眾所周知，任何物體在水中實現(xiàn)沉、浮運動通常有三種途徑，一是改變物體的體積而重量保持不變;二是改變物體的重量而體積不變;三是增加或減少對物體所施加的外力。Argo浮標的設計采用了第一種途徑，即浮標在水中沉浮依靠改變其體積來實現(xiàn)。浮標的沉浮功能主要依靠液壓驅動系統(tǒng)來實現(xiàn)（圖4）。

當泵體內(nèi)的油注入皮囊后會使皮囊體積增大，致使浮標的浮力逐漸增大而上升。反之，柱塞泵將皮囊里的油抽回，皮囊體積縮小，浮標浮力隨之減小，直至重力大于浮力，浮標體逐漸下沉。若在浮標的控制微機中輸入按預定動作要求編寫的程序，則微機會根據(jù)壓力傳感器測量的深度參數(shù)控制下潛深度、水下停留時間、上浮、剖面參數(shù)測量、水面停留和數(shù)據(jù)傳輸，以及再次下潛等工作環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)浮標的自動沉浮、測量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

當浮標被海洋科學工作者投放在海洋中的某個區(qū)域后，根據(jù)上述工作原理，它會自動潛入2000米深處，隨深層海流漂浮，到達預定時間（約10天）后，它又會自動上浮，并在上升過程中利用自身攜帶的各種傳感器進行連續(xù)溫鹽度測量。當浮標到達海面后，通過定位與數(shù)據(jù)傳輸衛(wèi)星系統(tǒng)（例如北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)）自動將測量數(shù)據(jù)傳送到衛(wèi)星地面接收站，經(jīng)信號轉換處理后發(fā)送給浮標擁有者。待全部測量數(shù)據(jù)傳輸完畢后，浮標會再次自動下沉到預定深度，重新開始下一個循環(huán)過程。

2000年啟動的國際Argo計劃，在美國、日本、法國、英國、德國、澳大利亞和中國等30多個國家和團體的共同努力下，已經(jīng)于2007年10月在全球無冰覆蓋的開闊大洋中建成一個由3000多個Argo剖面浮標組成的實時海洋觀測網(wǎng)（簡稱“核心Argo”），用來監(jiān)測上層海洋內(nèi)的海水溫度、鹽度和海流，以幫助人類應對全球氣候變化，提高防災抗災能力，以及準確預測諸如發(fā)生在太平洋的臺風和厄爾尼諾等極端天氣/海洋事件等。這是人類歷史上建成的首個全球海洋立體觀測系統(tǒng)。

15年來，各國在全球海洋布放的Argo浮標數(shù)量超過12000個，已累計獲得了約150萬條溫度和鹽度剖面，比過去100年收集的總量還要多，且觀測資料免費共享，被譽為“海洋觀測技術的一場革命”。

目前，國際Argo計劃正從“核心Argo”向“全球Argo”（即向季節(jié)性冰覆蓋區(qū)、赤道、邊緣海、西邊界流域和2000 米以下的深海域，以及生物地球化學等領域）拓展，最終會建成一個至少由4000個Argo剖面浮標組成的覆蓋水域更深厚、涉及領域更寬廣、觀測時域更長遠的真正意義上的全球Argo實時海洋觀測網(wǎng)。海量觀測資料已經(jīng)應用到世界眾多國家的業(yè)務化預測預報和基礎研究中，并在應對全球氣候變化及防御自然災害中得到廣泛應用，取得了大批調(diào)查研究成果。

“海絲”Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)構想

我們在國際Argo計劃的框架下，通過構建南海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、印度洋的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，最終建成由400多個Argo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”（或稱“兩洋一?！?，太平洋、印度洋和南海）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，以及增進與“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)務化預測預報和基礎研究中的推廣應用。

這不僅“將南海建設為造福地區(qū)各國人民的和平、合作、友誼之?！?，還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享受到更多海上絲路建設帶來的福祉。

Argo資料如何服務于“海絲”

近年來，在全球發(fā)生的許多自然災害（如臺風、龍卷風、暴雨、洪水、干旱和暖冬現(xiàn)象等），使人們深深體會到了短期氣候劇變給人類所帶來的巨大危害。

你可知道，為了預報一次臺風、天氣變暖或其他僅持續(xù)幾天時間的天氣現(xiàn)象，氣象學家使用了一個大范圍的天氣觀測系統(tǒng)，這包括對陸地和海洋表層要素的觀測，以及至少一天一次的探空氣球（收集大氣溫度、濕度和風力等的剖面觀測資料）觀測，從而可以精確預報3～5天的天氣情況。但如果要預報更大范圍、更長時間尺度（如季節(jié)或年際）的氣候變化，僅有海洋表層的觀測數(shù)據(jù)還不夠，需要有海洋上層（2000米水深以上）海水溫度、鹽度和海流的觀測資料。

海洋變化與異常天氣狀況有著密切的聯(lián)系。由于海洋覆蓋了地球表面70%的面積，蘊藏著巨大的熱容量，所以海洋對全球氣候變化有著重要作用。于是，人們意識到監(jiān)測全球海洋中上層的變化對長期天氣預報和氣候預測有著重大意義。所以，迫切需要建設一個高分辨率的全球海洋監(jiān)測系統(tǒng)。

在1990年到1998年間，世界海洋環(huán)流試驗（WOCE）對全球海洋進行了一次全面調(diào)查，收集了20000條溫、鹽度剖面。而Argo全球海洋觀測網(wǎng)建成后，它每10天就可以提供3000條深度為2000米的剖面數(shù)據(jù)，一年則可得到多達10萬條剖面的記錄。可見，Argo計劃最顯著的貢獻莫過于提供了海量的、實時的、高分辯率的海洋次表層觀測數(shù)據(jù)。

海量Argo資料不僅為揭示海洋立體結構和各種時空尺度的變化特征，以及完善并建立海洋環(huán)流新理論提供了有利條件，而且也促進了海氣相互作用過程的研究，有望大幅度提高海洋與氣候變化的預測水平。

近年來，海洋災害等非傳統(tǒng)安全問題日益凸顯，沿線國家在應對這些問題時具有廣泛的共同利益訴求。我國作為負責任的大國，為沿線國家提供海上公共服務和產(chǎn)品，共同應對非傳統(tǒng)安全挑戰(zhàn)，同樣應是21世紀海上絲綢之路建設的重要目標。我國海軍亞丁灣護航、也門撤僑、地中海聯(lián)合戰(zhàn)術演習和潛艇突遇大洋“掉深”險情，以及中國巨大的能源進口和交通運輸?shù)绕惹行枨蟮暮Ｑ蟓h(huán)境安全保障，也都離不開對深海大洋環(huán)境的了解和掌握。

中國的Argo可謂“海上絲綢之路”的基石，對維護我國海洋權益、實現(xiàn)海洋強國夢意義重大。

（責任編輯/李銀慧）