Argo全球剖面浮标系列中国Argo实时资料中心.docx

1、Argo全球剖面浮标系列中国Argo实时资料中心Argo计划及其面临的技术问题郭 明 编译 （国家海洋局第二海洋研究所，杭州，310012）Argo，一个大范围的全球温盐剖面浮标观测网，已被计划作为海洋观测系统的一个重要组成部分，并已于2000年开始投放浮标，目前尚在建设之中。实际上，Argo计划是基于现存的海洋上层热量观测系统，并对其在时间、空间、观测深度和准确性上进行了扩展，同时还增加了对盐度和速度的观测。命名Argo，主要是为了强调全球浮标网与Jason高度计任务的密切关系，这是第一次人们可以几乎实时地系统测量和收集上层海洋的物理状态信息。1 Argo的诞生和设计全球剖面浮标观测网是在如

2、下三方面技术的最新发展促使下诞生的，从而使得海洋和气候科学迈出了关键的一步。（1）可以利用每隔10天测量全球海面高度一次的高精度卫星高度计资料建立了一个令人信服的现场实测数据库，但这个数据库需要有效的解译和补充海面地形。（2）剖面浮标技术的发展使得它可以在常规条件下，在全球任何海区对海洋物理性质进行观测。这是最重要的一点，因为这意味着在海陆空三维气候系统中，主要被海洋变化所左右的热量与淡水的贮存，将可以第一次被准确的测量出来。（3）数据同化技术的成熟(包括硬件及软件的发展)使我们可以在把水下数据和遥感所得海面数据结合在一起。这些数据包括风力（由散射计观测）、海平面变化和次表层要素等。因此，在综

3、合的卫星遥感系统和强有力的数据同化技术的支持下，使得实施全球次表层海洋观测网无论在科学上还是在运行中都具有广泛的优越性。另外需强调的是，Argo并非一个完美无缺的现场观测系统。它的目标是提供大尺度空间范围及时间尺度在数月以上的覆盖全球大洋上层的海洋资料。该系统的这空间分辨率不足以用来计算边界流，而且其时间取样对于研究赤道波导也是不够的。此外，浮标的设计深度只有2000m，故全球浮标观测网必须采用其他有效的手段给予补充。这就是说，Argo必须与区域网结合起来，并为它们提供全球海洋的背景。气候本身就是一个全球性问题，区域性的观测不能解决这些问题。认识到了建立全球水下系统的必要性后，设计Argo是一

4、次再实践的机会，需要平衡浮标网的需求与受技术和资源限制关系。由于海洋变化的统计数据在一些海域相当稀少，所以在设计Argo系统时需要一个重复的过程。AST需要从各个不同角度考虑设计问题，这种多视角考虑可以保证全球观测系统的协调一致，其中包括5个方面：（1）以前和现行的浮标计划：为了描述不随时间变化的中层深度上的平均地转压力场，5年内在热带和西太平洋投放了300个浮标，几乎覆盖了全球海洋的一半区域。结果表明要想描绘随时间变化的地转压力场，就要大幅度的增加布设浮标的密度。最近，在北大西洋实施的高密度剖面浮标计划就强调了这一点。（2）现存的上层海洋热量观测网：已经进行了许多网络设计研究，主要使用XBT

5、数据库提供有关的统计资料。概略的说，一个间距数百公里的观测网足以确定表层的热贮量，在季节时间尺度和边长为1000公里的海域上的计算精度为。对年际波动，其精度可提高到约。如果把XBT和高度计资料结合起来，则可以获得更高的计算精度。（3）高度计数据库： Wunsch and Stammer(1995) 利用高度计数据的谱分析表明，就全球而言，有一半的海面变化的波长小于1000公里，如果我们感兴趣的气候信号，包括波长大于1000公里的，那么一个500公里间隔的观测网提供的信噪比将达到11。250公里间隔其信噪比会提高1/3。而那些无法消除的影响（如中尺度涡等），与人们感兴趣的季节变化或更大时间的气候

6、变化相比，其时间尺度相对较小，只有1022天，因此可以通过时间或多轨平均来提高。 Stammer（1997）认为，半功率点作为纬度的函数，其变化波长由热带区域的1300公里变为50N区域的700公里。（4）WOCE水文数据中的气候信息：通过WOCE水文断面与历史上沿相同轨迹观测的水文数据比较发现在亚热带海区十年周期的变化。分样实验表明，可以使用间隔3 网格的测站资料在指示这些盆地尺度的信号，并可足以滤去涡动噪声的独立样品。（5）同化模型的需要：起初，对于纯数据分析的各种需求并无明显区别，但这些模型需要足够的数据来确定相关点测量到模拟平滑场的统计特征，而且还需要足够数据来估算对模拟结果进行严格检

7、验的比较场。而这些都需要确定一个最理想的同化数据库，显然，这些需求始终都存在着。AST认为在全球范围内以3个经纬度间隔投放总数3000个浮标是可行的，这也是实施Argo计划的最终目标（图1）。按照这一目标设计，在纬度60 海区的浮标密度要比赤道区高出两倍。但也不是阶梯式增加浮标的数量，而是要利用高度计测得的海区变化的统计结果确定。在高纬海区施放Argo浮标自然更具有可测性，而在赤道海区主要为了改进年际预报，所以网格可以稀疏一些。当然我们也应该认识到Argo计划并非一成不变，它将随着科学需求的变化而改进，Argo观测网本身也可以提供足够的统计信息来完善其设计。仪器本身也在不断改进，新型传感器的开

8、发和滑行技术的发展都会改进浮标的设计、深度范围、能量的效率、所测盐度稳定性。尤其是滑行技术的发展可以使我们有效控制浮标的运动，从而可以使其担当很多的新任务，如在一个固定位置处和水文断面上几个时间序列的观测。这样既可以保证大尺度物理性质测量的连续性，同时又可以增加对区域或全球海洋的了解，因此Argo设计始终存在挑战。图1 全球Argo浮标布设示意图2 Argo的目标Argo的目标有如下几个方面：Argo可以对大洋上层的演变过程及海洋气候变化的模态进行详尽的描述，其中包括热量和淡水的贮存和输运。Argo数据还可以通过对海面以下温盐垂直结构及参考层流速的测量来提升Jason高度计的使用价值，为解释高

9、度计获得的海面高度的变化提供足够的覆盖范围和分辨率。Argo数据还可应用于对海洋及耦合预报模式进行初始化、数据同化及动力学模拟。Argo的着重点放在季节到年际间气候的变化及预测，同时我们也希望该数据可以被广泛应用于高质量的全球海洋分析中。Argo观测网的最初设计基于三个方面：现有的观测系统的建设经验、TOPEX/POSEIDON高度计所提供的最新的海面变化情况，以及气候和高分辨率海洋模型的预报需求。Argo计划在全球海洋中每隔3个经纬度投放一个浮标，总共约为3000个，每年可提供10万个温度/盐度（T/S）剖面和参考层速度。这些浮标每10天在02000m深度循环一次，每个浮标的寿命约为45年。

10、全部 Argo资料将通过全球通信系统（GTS）可以接近实时地获得，经过质量控制的Argo资料则要迟后几个月才能获得。因为全球海洋数据同化实验（GODAE）以及气候变化与预测实验（CLIVAR）和全球气候观测系统/全球海洋观测系统（GCOS/GOOS），均要求观测覆盖全球范围，正是这些科学和业务工作的需要推动了Argo。故Argo的设计强调了其在全球海洋观测系统中的框架作用。国际Argo 计划是由Argo科学组（AST）负责协调制定的，包括样品采集和技术问题等。目前已加入Argo计划（包括采购和制造浮标）的国家有澳大利亚、加拿大、法国、德国、日本、英国、美国及欧盟。到2001年这些国家每年所投放

11、的浮标总和将超过700个。我们期望和鼓励更多的国家以不同的形式（如购买浮标、为浮标投放提供支持方便或参与 Argo资料的分析和同化等等）加入Argo计划。3 Argo计划的预期成果Argo是对当前海洋上层热量观测网的扩展。通过目前在全球范围的一些综合性调查的结果，可以预测Argo计划所能取得的成果。利用XBT技术，以及不再局限于目前的商船航线，这都可以使我们获得许多以前未有的信息。尤其是时间序列盐度场情况的缺乏，使得尽快建立这样一个探测网就显得更有意义了，因为在许多情况下盐度的变化可以导致密度的显著变化，而且盐度变化也是水循环的一个诊断变量。所以，如果我们假设Argo按计划实施，并持续至少10

12、年时间的话，那么它所能取得的预期成果将包括以下几个方面：（1）为下一代全球海洋和大气耦合模型的初始化、数据同化和动力一致性检测提供前所未有的巨大数据库；（2）实现第一次实时全球海洋预报；（3）建立一个准确的随深度变化的温度、盐度逐月平均的全球气候数据库；（4）建立一个随时间变化的数据库，其中包括全球热量和淡水的贮存，以及中层水团和温跃层水团的温盐结构和体积特征；（5）向由表层热量和淡水交换所建立的大气模型提供大尺度约束条件；（6）完成对全球大尺度海洋环流描述性研究，其中包括大洋内部的水体、热量及淡水的输送；（7）确定温度、盐度年际变化的主要形式及演变过程，例如，通过对海气耦合模型的分析，发现在

13、全球海洋中存在的其它类似ENSO的现象，以及这些现象对季节一年际气候改变的影响；（8）提供全球海面绝对高度图，该图精确度在一年或更长的时间尺度内可以达到2cm，从而可以使Jason（高度计）资料跟Argo资料在研究大尺度的空间和时间问题时可以结合得更好；（9）通过海面高度变化和海面以下温度、盐度的变化关系有效的解译高度计所测的海面高度（SSH）；（10）解释引起海面高度异常的直接原因（以El Nino所造成的全球海面变化为例，可分为以下几个方面的影响：1）E-P；2）冷热差异；3）热量和淡水的对流；4）风力驱动的水体重新分配）。4 Argo计划的实施Argo现在已进入了前期实施阶段，包括漂流浮

14、标的投放，建立数据处理系统以及仪器的进一步改进和浮标网设定的研究。目前已经投放或计划投放Argo剖面浮标的国家有澳大利亚、加拿大、法国、德国、日本、英国、美国和欧盟。目前已确定的浮标投放海区有东印度洋（澳大利亚，1999）、北大西洋热带地区（美国，2000）、东北大西洋（法国，2000）和东南太平洋（美国，2000），预计将有更多的剖面浮标或其它浮标被投放到这些海区。Argo浮标的全面投放最早将在2000年实现，以后每年大约投放700个浮标，预计在2003年将会建立一个全球范围的浮标网，全球海洋数据同化实验也同步开始。Argo浮标网估计会在2005年全部建成。目前，Argo浮标投放计划的主要问

15、题是投放的浮标总数是否能达到预定要求，以及在偏远海区是否投放了足够多的浮标。目前，国际上海洋学家的兴趣主要集中在大西洋和太平洋地区，所以这就要求参与者在全球浮标网的实施过程中要有合作精神，要为在偏远海区投放浮标做出贡献。很明显投放浮标最困难的地区是印度洋，该地区需要投放440个浮标；还有南大洋，需要投放970个浮标。所以必须对在这些海区建立浮标网予以特别的重视。因为，目前全球热量观测网在印度洋上层水域取样较少，但是，我们知道，如果获得该海域更多的观测数据，就可以非常有效的改进目前的季节和年际海洋预报的准确性。另外，印度洋还有另外一个典型特征，就是强烈的季风现象，这些都是以前我们了解较少的。南大

16、洋是以前观测最缺乏的地区，我们知道那里还有许多未被了解的气候信息，实际上我们甚至还不知道该海域每年的环流情况。所以尽管在南大洋投放浮标获取有效数据的风险性远大于中纬度及赤道区，但是在该海域投放浮标的紧迫性也是最大的。5 Argo计划面临的技术问题5.1 通讯问题目前我们利用Argos和ORBCOMM卫星进行数据通讯，将来也可能会加上全球多通道网络监测系统，除了费用问题外，通讯中的技术问题有：(1)、数据数量：要求是每个文件2千字节，这样可以使温度、盐度的测量精确到0.001，其中在0500m深度，每隔2m测量一次；在500m2000m深度，每隔5m测量一次。(2)、在海面的停留时间：目标是30

17、分钟或更短，缩短时间将可以减小仪器及其传感器随表层流漂移的距离。(3)、能量消耗：目标是把用于通讯的能量降低到小于浮标测量一个剖面所耗能的10%。所以，目前我们不能仅把注意力放在某一个通讯系统上，因为在不久的将来可能有几个系统都能达到Argo浮标的设计要求。5.2 盐度测量我们已经认识到,目前Argo计划最困难的技术问题就是如何使盐度传感器可以稳定的工作4年时间。目前的工作主要集中于延长现有传感器的工作寿命和研制更好的传感器上。不久前在大西洋进行的采样实验表明有两家公司制造的传感器可以在一年或两年时间内提供非常稳定的盐度资料（图2）。图3 TS点聚图（由投放在Sargasso海的浮标所测）造成

18、测量的盐度不准确的主要原因是传感器受到了生物腐蚀。目前控制生物腐蚀的技术手段包括加入防腐蚀化合物，当浮标在相邻两个剖面之间漂移时将探头同海水隔离，以及使用多探头进行误差订正等。到目前为止，最主要的问题还是如何验证这些防护方法的有效性。5.3 浮标能量在降低能耗方面最近已取得了显著成效，主要是使用效率更高的单击泵以及在通讯时更有效的利用能量。所有的实验都表明，SOLO、APEX、PROVOR这三种浮标电池的寿命均可达到2000个剖面下潜周期。能量问题的解决对于实验的设计有两方面的影响，一是可以进行更深的剖面盐度订正；二是可以使浮标每隔10天测一个剖面而不必再设法延长浮标的寿命。5.4 投放技术A

19、rgo浮标将由自愿观测船（VOS）、飞机或专业调查船施放。我们已经利用VOS成功的完成过投放浮标，而飞机投放是最近才提出并被证明是可行的。考虑到高昂的费用，应尽量减少使用专业调查船专门进行浮标投放工作，当然在一些偏远海域还是必须使用专业调查船的。XBT和MET报告的分布表明，大部分海区都可以使用VOS投放浮标，但由于表层流场的存在，导致浮标投放存在一定偏差，如图3标明的是WOCE浮标的投放位置和漂移后的位置，显然两者之间存在一定的差距（可以看到在广阔海域沿一条直线投放的浮标随着流场随机的漂移到了海区的各个地方）。所以需要进一步研究VOS和飞机投放的优劣性，从而保证浮标分布的最优化。图3 WOC

20、E计划中投放的浮标的投放位置（上图）和漂移后的位置（下图）浮标的驻留深度，即浮标在两个剖面之间的漂流深度，这对于浮标投放的效率，传感器抗生物腐蚀的能力以及相关大洋环流的观测都是有影响的。新型浮标系统可以停留于不止一个深度，而且其深度的选择是不依赖于剖面深度的。6 Argo数据处理系统Argo数据处理系统（图4）是由目前的上层大洋热量数据中心转变而来的，因此它可以兼容当前所有格式的实时温度盐度资料。但是我们也认识，到盐度资料的质量控制要远难于温度资料。所以要实现盐度的质量控制，就必须在数据中心跟浮标之间建立直接联系。参加数据中心的科学家毫无疑问也是Argo计划的成员之一。用户数据实时传输途径质量

21、控制后的数据传输途径 . . . 数据来源1 自动质量控制 数据来源2 数据来源3数据自动记录和输出系统数据中心1数据来源4数据中心数据来源80% 10% 10%资源的近似分布情况图4 Argo数据处理系统示意图(从图中可以看出即时数据被快速提供给预报中心，而经过完整的质量控制后的数据供科学分析使用)Argo数据可以由两个公开渠道获得：1）从GTS得到近似于实时的数据用来运行模式和进行预报；2）稍晚一些获得质量更好的用于科学研究的数据。这个双通道数据系统包括以下部分：(1)、数据传输系统数据传输是通过卫星完成的，卫星接收到浮标发射的数据几小时后，就会把这些剖面数据发射给地面数据中心。所以，这一

22、系统目前无论在获取数据的实时性上，还是在保证数据的合理性上都比现有的VOS、XBT系统优越。(2)、实时质量控制系统（QC）该系统是完全自动化的，按照每周7天、每天24小时自动运行，其目标是使数据使用者可以获得12小时内收集到的所有有效数据。该系统主要对温度、盐度进行统计检测，对同一浮标以前所测数据进行比较，在盐度检测中还会利用垂向密度稳定性和T/S变化的深度限制。(3)、数据跟踪系统一旦资料收集完成就必须保证其可以迅速而有效的提供给使用者。全球XBT网络系统正好就是VOS向使用者提供数据的途径。在该网络的每个节点处设有网关，这些网关可以计算数据的数量以及数据之间的差异。当差异过大时，超过一定

23、限制，系统就会自动寻找原因并对数据进行更正。对于Argo数据，将来可能会建立一个更复杂的跟踪系统，在每个剖面数据上都附带一个标志，注明该剖面的时间和地点。(4)、延时QC模式该模式主要是为了保障向当前及将来的研究人员提供高质量的数据。在这一过程中，将尽可能多的使用上层大洋的温度、盐度实测数据，而且单个浮标的测值必需要同其相邻浮标以及XBT、XCTD和TSG的数据进行比较后才可使用。该模式的另一个用途是利用每个仪器及相邻仪器的历史记录来检查该仪器的工作情况。（该模型主要针对的是几个月以内所收集的数据。）(5)、数据评估业务预报中心是Argo数据的主要使用者，所以获得的数据是否可以被同化模型所接受

24、是对Argo数据质量的一项很重要的检测。那些无法被模式接受的数据将会被重新检查以确定问题在于仪器还是在同化方法上。如果问题出在数据本身，则数据收集系统末端的精度标准则会被改进，所以，最后这一步保证了我们可以最大可能的利用Argo数据。7 国际合作Argo计划从一开始就是一个国际性的合作项目，因为它已经正式作为GCOS/GOOS的一个组成部分，同时Argo计划还是GODAE中的主要实测数据的来源，而且它也已被确定为世界气候研究中心（WCRP）中的气候变化和预测实验（CLIVAR）的一个组成部分。所有国家都有同等权力获取Argo资料，并从全球气候观测与预报精度的改善中受益。Argo计划已经得到国际

25、社会的有力支持，我们希望在今后会继续获得这种支持。加入Argo计划可以有多种形式。由于剖面浮标的制造技术难度很大而价格昂贵，所以浮标的制造和购买将由少数几个有兴趣和能力的国家来完成。目前，浮标的制造国主要是法国和美国。但是，随着斯克里普斯 solo浮标设计图的公开，有兴趣的国家和公司也可以得到这种高级剖面浮标的制造技术。我们鼓励更多国家以不同形式加入Argo计划，AST欢迎任何有兴趣于Argo计划的参与者。Argo计划是一项特殊的海洋研究计划，它由多个国家的科学家、政府部门和私人机构共同参与组成，其目的是建立一个可以向广大用户提供即时服务的全球性数据库，这其中许多参加者都是各个技术领域的专家，

26、但是他们将团体利益至于个人利益之上，无私的提供自己的技术。全球浮标网的完成以及高质量数据的快速传输将有力的推动Argo计划的实施，Argo计划将完成一个无论对实时用户还是对长期用户来说都是规模宏大、价值丰富的数据宝库。8 结束语现在已有越来越多的国家注意到，实施全球剖面浮标网对于完成海洋观测体系具有很大的重要性，无论它的科研价值还是实用价值都是很吸引人的。这将是第一次把全球海洋实测技术跟卫星遥感技术结合在一起。因为，Argo计划可以把众多地区性海洋观测网联系起来，并将其放在全球的大背景中，利用同化技术把它们结合起来应用于海洋预报。可以说，Argo计划是一项很有前途而且值得长期投资实施的计划，它在海洋学研究中是空前的。现在我们正在把各国学术界和政府中的科学家及研究机构联合起来以便于集中力量去进行浮标的投放和实时数据库的建立工作。当然也需要建立进一步的通讯系统来确保Argo数据的迅速利用，从而可以更好的进行海洋和气候预报，为人类的共同利益服务。参考文献（略）（本文根据“AST，Argo: the global array of profiling floats”一文翻译整理）