2019年09月11日
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第03B版: 减灾

海洋浮标大幅提升观测能力 海上调查模式亟待完善

浮标观测数据期待“精准质控”

越来越多剖面漂流浮标的投入使用,正在改变中国深海大洋的调查方式。自1999年以来,短短20年间剖面浮标观测网已经覆盖了全球无冰海域次表层至2000米水深的公共海域,获得的剖面总量达到200多万条,比过去100年利用各种观测方式获取的剖面总量(低于100万条)都要多得多。

截至2019年9月8日,在海上正常工作的剖面浮标数量有3852个,每年能提供约14万条观测剖面。这可以帮助人类应对全球气候变化,提高防灾抗灾能力,以及预测台风和厄尔尼诺等极端天气、海洋事件等。

如今,剖面浮标观测网仍然迅速发展,至2025年有望实现4700个的目标。届时,深海大洋调查将迎来全球性、全海深、多学科的剖面浮标观测时代。

合格的剖面浮标观测数据是海洋科学的“生命线”。但由于种种原因,一些原始观测数据或多或少存在精度不高、质量欠佳等问题,需要有相应的质量控制措施。而在这些方面,我国目前仍有待完善和提高。

■ 本报记者 朱 彧

数据实时传输对气候预测意义重大

浮标观测网有何用?前不久,中国科学院海洋研究所在黄海、东海布设的共计14套锚碇浮标和1套自动气象站组成的海洋观测系统,在“利奇马”经过我国近海及登陆期间,完整记录了全过程实时观测数据,为台风路线预报、防御和应急响应提供了可靠数据支撑。

当今,应对气候变化全球瞩目。海洋是地球生命系统的重要组成部分,在调节全球气候变化中扮演着重要角色。近年来,由海洋与气候变化交互作用引发的极端天气事件和海洋灾害日益加剧,各国科学家在海洋调查中开发了许多海洋环境监测系统对深海大洋进行观测,取得了大量成果。

自然资源部第二海洋研究所研究员、中国Argo首席科学家许建平介绍,我国传统的海洋调查模式主要有3种:一是断面调查,为了长期收集和积累某海区代表性测线上海洋环境要素数据而开展的定期、定点观测;二是专题调查,根据研究问题的需要而专门选择调查区域、设计调查断面和测点。其调查周期比较短,一般在1年~5年之间;三是专项调查,为了摸清全国海洋状况而不断开展的综合性海洋调查。

毋庸置疑,传统海洋调查为我国海洋研究积累了大量、丰富的海上第一手观测数据资料。但许建平指出,这些原始的测量数据,由于受调查体制机制制约,或因调查仪器设备落后,观测数据精度不高;还有的忽视了调查过程中的质量控制(对先进调查仪器设备的标定和观测资料的校正等),海洋环境观测数据质量欠佳;甚至由于人为因素的影响,导致观测数据得不到共享,未能在气候预测、防灾减灾等应用研究中充分发挥作用。

在深海大洋研究上,要想获得海洋内部最新最准确的数据并非易事。相较于传统定点观测的方式,剖面浮标具备大范围、准同步、投入产出比高等优势,在海洋调查中得到广泛应用,已成为国际海洋监测活动中大量使用的高技术设备。

上世纪90年代,美国人在热带太平洋布放了几十个锚碇浮标,实现了对上层海洋环境信息的实时传输,对厄尔尼诺的预报起到了跨时代的改变。深海观测数据实时传输后,海洋上层几百米、甚至上千米的温度、盐度和海流的信息就会第一时间传给预报部门,对未来气候预测和防灾减灾来讲,剖面浮标实时观测网会发挥更大作用。

数据质量控制亟待加强

许建平说,为了确保剖面浮标观测网提供的各种海洋环境要素资料准确无误,仍然要依赖传统的海洋观测方式,特别是利用调查船进行定点、断面和大面(巡航)观测等。

过去20年,科研人员从剖面浮标观测资料的质量控制发现,在对深海大洋进行温度、盐度剖面观测时,必须利用船载CTD(温盐深仪)及玫瑰型采水器在代表性观测站上,进行同步测量和采集水样,再利用实验室高精度盐度计进行测定,否则很难佐证和校正由剖面浮标在海上长期漂流所获得的观测资料质量。反之,也能利用准同步获得的剖面浮标观测资料,甚至高质量的历史观测资料来验证船载CTD仪观测资料的质量和可靠性。

然而,让许建平有些遗憾的是,现在很多科研人员从未想过要验证观测资料的质量,总是把CTD传感器的实验室测量精度当作是海上观测精度。事实上,在实验室标定的CTD传感器,其测量精度再高,也只能代表在理想、可控状态下的测量结果,但在摇摆不定的调查船上和复杂多变的海洋环境下,船载CTD仪难免会发生碰撞,以及受海面油污和电子信号的影响、干扰,甚至自身元器件老化等,都会使观测数据产生误差,若不经过严格的质量控制,现场观测资料也就无任何质量可言。

“近年来,我国海洋调查投入猛增,但对调查数据质量却重视不够,正面临着因观测资料先天不足,分析研究难以深入,创新性成果难出的尴尬局面。”许建平说,海洋观测由于涉及的调查单位多、队伍庞大,投入的调查仪器设备多、性能不一,调查和采样方法五花八门、缺乏统一等,从而导致观测数据质量较低。

许建平认为,我国海洋调查由近岸浅海走向深海大洋时,应高度重视海洋调查环境的严酷性、各种海洋现象的复杂多变性,以及深层海洋环境微弱变化,特别是大范围、高分辨率、高质量长时间海洋环境要素对全球气候研究带来巨大影响。

“因此,改革传统的海洋调查体制或机制,创新海洋调查方式手段,特别是针对深海大洋的调查模式迫在眉睫。”许建平举例说,就物理海洋学调查而言,若是按传统的海洋调查方式,每个单位负责承担一个调查区域,且采用不同的调查仪器设备和观测方法,以及利用不同的资料质量控制手段等,不利于相关研究工作的开展。

助力我国全球实时海洋观测网建设

“阿尔戈”(Argo)在古希腊神话中,是一艘令勇士们无往不胜的神船。一项以它命名的海洋实时观测计划在全球已实施近20年,我国也于2002年加入该计划。作为目前全球唯一海洋实时观测计划,Argo计划受到世界上众多沿海国家政府和科学家关注。

2019年初,在西北太平洋海域,“科学”号上的科考队员将HM2000型剖面浮标缓缓放入海面。这是我国新一代海洋实时观测系统(Argo)计划自2002年实施以来布放的第400个剖面浮标,也是我国布放的第30个国产北斗剖面浮标。

至此,我国首个全球实时海洋观测网正式建成。这些浮标主要分布在西北太平洋、中北印度洋和南海海域,基本覆盖了由我国倡导的“21世纪海上丝绸之路”沿线海域。

2000年正式启动实施的全球Argo计划,到目前为止,参与的国家和团体已达40个,在全球海洋中总共布放了15000多个浮标,目前在海上正常工作的剖面浮标数量有3852个。这些散布在全球深海大洋的浮标,主要用来监测上层海洋的海水温度、盐度和海流,迄今累计获得了200多万条温度、盐度剖面和部分涉及生物地球化学要素的观测剖面。

为了保证浮标在海上长期工作所获取的剖面资料有较高的质量,美国、法国和德国等国家的科学家开发了Argo延时模式质量控制方法,利用浮标附近的历史水文观测资料进行检验和校正。除了要求在布放浮标时,尽可能使用专业的科学调查船(配备船载CTD仪,并携带玫瑰型采水器),以便准同步获取浮标布放期间的船载CTD仪测量资料和特定层次的海水样品,再采用高精度实验室盐度计测出各层的盐度值,以此来检验船载CTD仪的观测精度,以及用来校正或验证剖面浮标观测资料的质量外,还专门制作了Argo参考数据库,用来快速、自动检验浮标观测资料的质量。该数据库主要收集了大量高质量的船载CTD仪历史观测资料,且只有通过了采水器(瓶)数据检验或校正后的观测数据才能加入到该数据库中。一些海区因符合要求的历史高质量船载CTD剖面资料十分稀少或者难以收集,为此还采取了将经过严格质量控制的高质量历史Argo资料加入参考数据库的措施,来弥补对这些海区浮标观测资料快速、自动检验,以及质量控制的需求。

许建平呼吁,国家涉海管理或业务主管部门,从深海大洋环境的复杂性、海洋调查观测的科学性及其观测资料质量控制的重要性和必要性出发,对利用自动剖面浮标获取温度、盐度剖面资料的科研或业务项目,明确指定由国内专门机构统一负责浮标观测信息及数据的接收、解码、校正、质控和分发等,以充分发挥我国分散投资的有限浮标资源及观测资料的综合效益,确保观测资料的高质量,避免过去在近岸浅海区域海洋环境调查中长期存在的观测数据汇总难、共享难,以及观测资料质量不高的问题,方便国家对深海大洋环境观测信息及数据的统一收集和存档。同时,也能为促进中国Argo计划的发展和北斗剖面浮标的大批量应用,打造覆盖“21世纪海上丝绸之路”沿线的Argo区域海洋观测网奠定基础。

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