基于Argo浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)的海洋溫、鹽度特征分析

趙相彬 陳雪

摘要：海洋在調(diào)節(jié)全球氣候變化中起著重要的作用，人們對海洋的研究也日益重視。隨著國際Argo計(jì)劃的實(shí)施，其不僅提供了大量準(zhǔn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)同步的海洋觀測數(shù)據(jù)，還能夠獲取海深超過1000m處的海洋物理參數(shù)，有助于全面、準(zhǔn)確地了解海洋狀態(tài)，對分析全球氣候變化，充分利用海洋資源具有重大意義。該文采用中國Argo資料中心提供的海洋觀測數(shù)據(jù)，以其中一個(gè)浮標(biāo)所采集的觀測數(shù)據(jù)為研究對象，采用Matlab工具與相關(guān)性分析等技術(shù)，對海水溫度、鹽度特征進(jìn)行了分析。根據(jù)繪制的海洋溫度-深度圖和海洋鹽度-深度圖，文對海水溫度和鹽度值隨海水深度變化的特征進(jìn)行了分析，并根據(jù)相關(guān)系數(shù)公式對海水溫度-鹽度相關(guān)性進(jìn)行了計(jì)算。通過對海水溫度、鹽度的特征進(jìn)行分析，可以為人們了解海水溫度、鹽度的分布狀況提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：海洋觀測;溫度;鹽度;特征分析

中圖分類號(hào)：TP302.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）36-0040-03

開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

1 引言

深入認(rèn)識(shí)和了解海洋狀態(tài)及其運(yùn)動(dòng)規(guī)律對人們的生產(chǎn)、生活具有非常重要的意義，海洋溫度和鹽度是物理海洋研究領(lǐng)域中極為重要的兩個(gè)基本物理參數(shù)，與許多的物理海洋學(xué)問題有著密切的關(guān)系[1]。在廣闊的海洋中使用有限的錨系浮標(biāo)、觀測站點(diǎn)等設(shè)備進(jìn)行海洋觀測時(shí)，受動(dòng)態(tài)、復(fù)雜海洋環(huán)境的影響和觀測設(shè)備不能長期、連續(xù)觀測的限制，獲取的觀測數(shù)據(jù)往往只針對某個(gè)具體的海域，對海洋空間尺度范圍的溫鹽度研究仍需進(jìn)一步深入。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，海洋觀測手段與技術(shù)不斷發(fā)展，獲得更多的海洋觀測數(shù)據(jù)的方式有了顯著提升，這就使得科研工作者更加深入研究海洋狀態(tài)的動(dòng)態(tài)變化過程變成可能[2]。21 世紀(jì)初開始實(shí)施的國際 Argo 計(jì)劃，是一種新型觀測方式。Argo浮標(biāo)可以同步、連續(xù)、大范圍獲取全球海洋環(huán)境資料，為研究海洋溫鹽度時(shí)空變化提供了大量的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[3-4]。

中國于2001年正式加入全球海洋觀測網(wǎng)，成為全球Argo的成員國之一。 2002年初，隨著我國在印度洋布放了第一個(gè)Argo浮標(biāo)，中國Argo計(jì)劃的試驗(yàn)項(xiàng)目——大洋觀測網(wǎng)試驗(yàn)正式實(shí)施。目前，我國已經(jīng)在太平洋和印度洋等海域布放了近500個(gè)浮標(biāo)[5]。圖1為中國在Argo計(jì)劃中布放的浮標(biāo)位置圖。

Argo觀測數(shù)據(jù)在物理海洋學(xué)領(lǐng)域的研究中，已經(jīng)得到了比較廣泛的應(yīng)用[6-8]。由于Argo浮標(biāo)在觀測過程中隨波浪的漂移特性會(huì)導(dǎo)致觀測剖面存在空間離散、觀測周期隨機(jī)、測量海深不確定等特點(diǎn)，使得Argo觀測數(shù)據(jù)的應(yīng)用受到了一定的限制。

本文主要基于Argo浮標(biāo)獲取的觀測數(shù)據(jù)對海洋溫鹽度在不同剖面的分布特征進(jìn)行分析。通過對比不同剖面海洋溫度、鹽度的分布圖，對海洋溫鹽度特征進(jìn)行客觀分析和描述，為探索海洋、認(rèn)知海洋提供一定的參考。

2 Argo數(shù)據(jù)介紹

2.1 Argo觀測過程分析

海洋溫鹽度變化對氣候變化具有重要影響，充分了解海洋溫鹽度特征并掌握海洋溫鹽度變化規(guī)律可有助于改進(jìn)當(dāng)前的氣候預(yù)報(bào)模型。Argo計(jì)劃投放的浮標(biāo)可覆蓋全球大部分的海域，獲取的大量海洋觀測數(shù)據(jù)可有效地提高海洋觀測數(shù)據(jù)在時(shí)間和空間上的覆蓋范圍，改善對海洋數(shù)據(jù)匱乏的現(xiàn)狀。

Argo浮標(biāo)投放進(jìn)海洋中后，工作過程按照周期為單位。通常，浮標(biāo)的觀測過程分為以下幾步[9]：（1）布放階段。Argo計(jì)劃參與方在海洋的某個(gè)位置將記錄浮標(biāo)號(hào)的浮標(biāo)投放入大海中。（2）浮標(biāo)下沉與漂移。浮標(biāo)布放完畢后，在自身重力和海水浮力、海浪的共同作用下，浮標(biāo)會(huì)下降至一定海洋深度，并進(jìn)行漂移，此過程大概需要十天。（3）浮標(biāo)上浮工作。浮標(biāo)下沉到一定深度后，在自身動(dòng)力裝置作用下，開始上浮并進(jìn)行海水相關(guān)物理參數(shù)的采集，采集的物理參數(shù)主要包括對應(yīng)的海水壓強(qiáng)值、溫度值、鹽度值等。（4）海面漂浮。浮標(biāo)上浮到海面之后，會(huì)通過定位裝置和通信裝置將對應(yīng)的位置信息與采集的海水物理參數(shù)值傳送給衛(wèi)星，并接收新的任務(wù)指令，開始進(jìn)入下一個(gè)工作周期。

2.2 觀測數(shù)據(jù)格式分析

中國在Argo計(jì)劃中布放的浮標(biāo)所采集的海洋觀測數(shù)據(jù)可以通過中國 Argo 資料中心（https：//www.argo-cndc.org）網(wǎng)站上獲取。中國Argo資料中心網(wǎng)站上提供給用戶使用的數(shù)據(jù)主要有三種數(shù)據(jù)格式：（1）以Netcdf格式進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。該類數(shù)據(jù)主要包括按數(shù)據(jù)資料所在洋區(qū)和時(shí)間存放的數(shù)據(jù)和按采集數(shù)據(jù)資料的浮標(biāo)號(hào)進(jìn)行存放的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)是與全球Argo資料中心同步的，在原始數(shù)據(jù)（洋區(qū)）中，每個(gè)洋區(qū)每年每月一條記錄，在原始數(shù)據(jù)（浮標(biāo)）中，每個(gè)浮標(biāo)一條記錄。（2）以ASCII碼格式進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。該類數(shù)據(jù)主要是按數(shù)據(jù)資料所在洋區(qū)和時(shí)間存放的溫鹽標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)從全球Argo資料中心獲取，經(jīng)過國家海洋信息中心處理質(zhì)控的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集中只包含海洋溫度鹽度信息。（3）以csv格式進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。該類數(shù)據(jù)主要是按采集數(shù)據(jù)資料的浮標(biāo)號(hào)進(jìn)行存放的全要素標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)從全球Argo資料中心獲取，國家海洋信息中心將其從Netcdf轉(zhuǎn)為csv格式存放，數(shù)據(jù)集中包含Netcdf所有要素信息。

3 結(jié)果與分析

針對海洋溫度、鹽度特征分析，以中國Argo資料中心網(wǎng)站上獲取的數(shù)據(jù)資料為基礎(chǔ)，以圖形的方式實(shí)現(xiàn)海洋溫鹽度特征分析、溫鹽相關(guān)性計(jì)算等。首先，從中國Argo資料中心下載選定浮標(biāo)號(hào)所對應(yīng)的數(shù)據(jù)文件，下載的數(shù)據(jù)文件主要是nc文件（以Netcdf格式進(jìn)行存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)）。其次，借助于Matlab對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理與分析，將下載的數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入Matlab，并實(shí)現(xiàn)對nc文件做處理，以圖形的形式對海洋溫度、鹽度曲線圖進(jìn)行直觀展示與保存。圖2為所選擇浮標(biāo)在單一剖面中觀測的海水溫度變化曲線圖，受浮標(biāo)觀測數(shù)據(jù)影響，本文分析的海洋數(shù)據(jù)主要為海深300m以內(nèi)的數(shù)據(jù)。從圖2中可以看出，隨著海水深度的逐漸增加，海水溫度逐漸下降，海水溫度變化范圍從海水表面約30℃到海深300m處的8℃左右，變化范圍較大。在海深50m和海深220m處，分別出現(xiàn)了海水溫度的躍變，該變化與海水溫躍層關(guān)聯(lián)較大。

圖3是所選擇浮標(biāo)在單一剖面中對應(yīng)的海水鹽度變化曲線圖，從圖中可以看出，隨著海水深度的增加，海水鹽度的變化范圍較小，在海深110m處，鹽度值達(dá)到最大。

為了進(jìn)一步分析海水溫度和鹽度之間的關(guān)聯(lián)特性，本文以該浮標(biāo)所采集的8個(gè)剖面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，使用皮爾森相關(guān)系數(shù)的方法對海水溫度和鹽度的相關(guān)性進(jìn)行了量化分析。其中皮爾森相關(guān)系數(shù)的計(jì)算公式為：

[Corr=（X-X）（Y-Y）（X-X）2（Y-Y）2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

圖4是以該浮標(biāo)所采集的8個(gè)剖面數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)繪制的海水溫度鹽度變化相關(guān)性曲線圖，其中橫坐標(biāo)為該浮標(biāo)采集的溫度值，縱坐標(biāo)為同一剖面對應(yīng)海深處的鹽度值。從圖中可以看出，海水溫度從10℃到22℃變化時(shí)，海水溫度增加，對應(yīng)的鹽度也在相應(yīng)增大。為了更精確地表示海水溫度和鹽度之間的相關(guān)性，基于皮爾森相關(guān)系數(shù)公式對兩者的相關(guān)性進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果為0.865，說明海水溫度和鹽度具有強(qiáng)相關(guān)性。

4 結(jié)論

本文利用中國 Argo 資料中心提供海洋觀測數(shù)據(jù)集，分析探討了海水溫度、鹽度隨海洋深度的變化情況及海水溫度與鹽度之間的相關(guān)特性。通過借助Matlab工具，實(shí)現(xiàn)以圖的形式對海洋溫度、鹽度變化情況進(jìn)行直觀展示與保存，為進(jìn)一步利用Argo數(shù)據(jù)進(jìn)行海洋溫度、鹽度變化規(guī)律總結(jié)提供了基礎(chǔ)。隨著Argo浮標(biāo)觀測時(shí)間的不斷延長，Argo觀測數(shù)據(jù)將會(huì)更廣泛地應(yīng)用于物理海洋學(xué)研究，為海洋和海氣耦合機(jī)制的分析提供研究基礎(chǔ)，從而提高海洋與氣候預(yù)測的精度。

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【通聯(lián)編輯：梁書】