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        小浮標(biāo),大能量

        2016-12-06 18:07:26孫朝輝
        知識(shí)就是力量 2016年12期
        關(guān)鍵詞:觀測(cè)網(wǎng)浮標(biāo)鹽度

        孫朝輝

        Argo(全球海洋實(shí)時(shí)觀測(cè)網(wǎng)),將被廣泛應(yīng)用于臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)、遠(yuǎn)洋漁業(yè)生產(chǎn)、海上軍事活動(dòng)和海洋資源開(kāi)發(fā)利用等領(lǐng)域。它將成為“海絲”的護(hù)航者,快來(lái)一睹其真容吧!

        何謂Argo?

        Argo是英文“Array for Real-time Geostrophic Oceanography”的縮寫(xiě),其中文含義為“地轉(zhuǎn)海洋學(xué)實(shí)時(shí)觀測(cè)陣”。如同陸地上的氣象站組成的天氣預(yù)報(bào)觀測(cè)網(wǎng)一樣,該觀測(cè)網(wǎng)由許多在海上工作的自動(dòng)剖面浮標(biāo)組成,單個(gè)浮標(biāo)相當(dāng)于一個(gè)探空氣球,而世界大洋上分布廣泛的Argo浮標(biāo)就組成了覆蓋全球的實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)系統(tǒng)。Argo計(jì)劃設(shè)想在全球大洋中每隔300千米布放一個(gè)衛(wèi)星跟蹤浮標(biāo),總計(jì)為3000個(gè),組成一個(gè)龐大的Argo全球海洋觀測(cè)網(wǎng)(圖1)。

        一種稱(chēng)為自律式的拉格朗日環(huán)流剖面觀測(cè)浮標(biāo)(簡(jiǎn)稱(chēng)“Argo浮標(biāo)”,圖2)是Argo觀測(cè)網(wǎng)的主角。它在海洋中隨海流自由漂移,自動(dòng)測(cè)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(dòng)速度和方向。它的設(shè)計(jì)壽命為3~5年,會(huì)每隔10天自動(dòng)發(fā)送一組剖面實(shí)時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù),該觀測(cè)網(wǎng)每年可提供多達(dá)10萬(wàn)個(gè)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(biāo)有十幾種,其中我國(guó)成功研制了使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行通訊和定位的Argo浮標(biāo)(圖2)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)覆蓋中國(guó)全部地域及周邊地區(qū)(圖3),在覆蓋區(qū)域內(nèi)的浮標(biāo)可以通過(guò)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(biāo)目前只能依靠ARGOS衛(wèi)星或銥衛(wèi)星和GPS實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和定位。

        眾所周知,任何物體在水中實(shí)現(xiàn)沉、浮運(yùn)動(dòng)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(duì)物體所施加的外力。Argo浮標(biāo)的設(shè)計(jì)采用了第一種途徑,即浮標(biāo)在水中沉浮依靠改變其體積來(lái)實(shí)現(xiàn)。浮標(biāo)的沉浮功能主要依靠液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)(圖4)。

        當(dāng)泵體內(nèi)的油注入皮囊后會(huì)使皮囊體積增大,致使浮標(biāo)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(biāo)浮力隨之減小,直至重力大于浮力,浮標(biāo)體逐漸下沉。若在浮標(biāo)的控制微機(jī)中輸入按預(yù)定動(dòng)作要求編寫(xiě)的程序,則微機(jī)會(huì)根據(jù)壓力傳感器測(cè)量的深度參數(shù)控制下潛深度、水下停留時(shí)間、上浮、剖面參數(shù)測(cè)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(shí)現(xiàn)浮標(biāo)的自動(dòng)沉浮、測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ堋?/p>

        當(dāng)浮標(biāo)被海洋科學(xué)工作者投放在海洋中的某個(gè)區(qū)域后,根據(jù)上述工作原理,它會(huì)自動(dòng)潛入2000米深處,隨深層海流漂浮,到達(dá)預(yù)定時(shí)間(約10天)后,它又會(huì)自動(dòng)上浮,并在上升過(guò)程中利用自身攜帶的各種傳感器進(jìn)行連續(xù)溫鹽度測(cè)量。當(dāng)浮標(biāo)到達(dá)海面后,通過(guò)定位與數(shù)據(jù)傳輸衛(wèi)星系統(tǒng)(例如北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng))自動(dòng)將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送到衛(wèi)星地面接收站,經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換處理后發(fā)送給浮標(biāo)擁有者。待全部測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸完畢后,浮標(biāo)會(huì)再次自動(dòng)下沉到預(yù)定深度,重新開(kāi)始下一個(gè)循環(huán)過(guò)程。

        2000年啟動(dòng)的國(guó)際Argo計(jì)劃,在美國(guó)、日本、法國(guó)、英國(guó)、德國(guó)、澳大利亞和中國(guó)等30多個(gè)國(guó)家和團(tuán)體的共同努力下,已經(jīng)于2007年10月在全球無(wú)冰覆蓋的開(kāi)闊大洋中建成一個(gè)由3000多個(gè)Argo剖面浮標(biāo)組成的實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng)(簡(jiǎn)稱(chēng)“核心Argo”),用來(lái)監(jiān)測(cè)上層海洋內(nèi)的海水溫度、鹽度和海流,以幫助人類(lèi)應(yīng)對(duì)全球氣候變化,提高防災(zāi)抗災(zāi)能力,以及準(zhǔn)確預(yù)測(cè)諸如發(fā)生在太平洋的臺(tái)風(fēng)和厄爾尼諾等極端天氣/海洋事件等。這是人類(lèi)歷史上建成的首個(gè)全球海洋立體觀測(cè)系統(tǒng)。

        15年來(lái),各國(guó)在全球海洋布放的Argo浮標(biāo)數(shù)量超過(guò)12000個(gè),已累計(jì)獲得了約150萬(wàn)條溫度和鹽度剖面,比過(guò)去100年收集的總量還要多,且觀測(cè)資料免費(fèi)共享,被譽(yù)為“海洋觀測(cè)技術(shù)的一場(chǎng)革命”。

        目前,國(guó)際Argo計(jì)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(xué)等領(lǐng)域)拓展,最終會(huì)建成一個(gè)至少由4000個(gè)Argo剖面浮標(biāo)組成的覆蓋水域更深厚、涉及領(lǐng)域更寬廣、觀測(cè)時(shí)域更長(zhǎng)遠(yuǎn)的真正意義上的全球Argo實(shí)時(shí)海洋觀測(cè)網(wǎng)。海量觀測(cè)資料已經(jīng)應(yīng)用到世界眾多國(guó)家的業(yè)務(wù)化預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和基礎(chǔ)研究中,并在應(yīng)對(duì)全球氣候變化及防御自然災(zāi)害中得到廣泛應(yīng)用,取得了大批調(diào)查研究成果。

        “海絲”Argo區(qū)域海洋觀測(cè)網(wǎng)構(gòu)想

        我們?cè)趪?guó)際Argo計(jì)劃的框架下,通過(guò)構(gòu)建南海Argo區(qū)域海洋觀測(cè)網(wǎng),積累管理和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn),逐步向西北太平洋的臺(tái)風(fēng)源地海域、印度洋的孟加拉灣和阿拉伯海擴(kuò)展,并適時(shí)邀請(qǐng)“21世紀(jì)海上絲綢之路”沿線國(guó)家參與布放浮標(biāo)和國(guó)際Argo事務(wù),最終建成由400多個(gè)Argo剖面浮標(biāo)(主要以北斗剖面浮標(biāo)為主)組成的覆蓋“海上絲綢之路”(或稱(chēng)“兩洋一?!?,太平洋、印度洋和南海)的Argo區(qū)域海洋觀測(cè)網(wǎng)。使之成為“全球Argo”的重要組成部分,以及增進(jìn)與“海上絲綢之路”沿線國(guó)家交流與合作的紐帶,進(jìn)一步促進(jìn)Argo資料在我國(guó)乃至沿線國(guó)家業(yè)務(wù)化預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)和基礎(chǔ)研究中的推廣應(yīng)用。

        這不僅“將南海建設(shè)為造福地區(qū)各國(guó)人民的和平、合作、友誼之?!?,還為沿線各國(guó)海洋資源開(kāi)發(fā)、海事安全、海洋運(yùn)輸、海洋漁業(yè)管理和近海工業(yè),以及應(yīng)對(duì)全球氣候變化及防御自然災(zāi)害等肩負(fù)起一個(gè)海洋大國(guó)的責(zé)任和擔(dān)當(dāng),讓沿線國(guó)家和民眾能夠真切體驗(yàn)和享受到更多海上絲路建設(shè)帶來(lái)的福祉。

        Argo資料如何服務(wù)于“海絲”

        近年來(lái),在全球發(fā)生的許多自然災(zāi)害(如臺(tái)風(fēng)、龍卷風(fēng)、暴雨、洪水、干旱和暖冬現(xiàn)象等),使人們深深體會(huì)到了短期氣候劇變給人類(lèi)所帶來(lái)的巨大危害。

        你可知道,為了預(yù)報(bào)一次臺(tái)風(fēng)、天氣變暖或其他僅持續(xù)幾天時(shí)間的天氣現(xiàn)象,氣象學(xué)家使用了一個(gè)大范圍的天氣觀測(cè)系統(tǒng),這包括對(duì)陸地和海洋表層要素的觀測(cè),以及至少一天一次的探空氣球(收集大氣溫度、濕度和風(fēng)力等的剖面觀測(cè)資料)觀測(cè),從而可以精確預(yù)報(bào)3~5天的天氣情況。但如果要預(yù)報(bào)更大范圍、更長(zhǎng)時(shí)間尺度(如季節(jié)或年際)的氣候變化,僅有海洋表層的觀測(cè)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(cè)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(yùn)藏著巨大的熱容量,所以海洋對(duì)全球氣候變化有著重要作用。于是,人們意識(shí)到監(jiān)測(cè)全球海洋中上層的變化對(duì)長(zhǎng)期天氣預(yù)報(bào)和氣候預(yù)測(cè)有著重大意義。所以,迫切需要建設(shè)一個(gè)高分辨率的全球海洋監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

        在1990年到1998年間,世界海洋環(huán)流試驗(yàn)(WOCE)對(duì)全球海洋進(jìn)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(cè)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(dá)10萬(wàn)條剖面的記錄??梢?jiàn),Argo計(jì)劃最顯著的貢獻(xiàn)莫過(guò)于提供了海量的、實(shí)時(shí)的、高分辯率的海洋次表層觀測(cè)數(shù)據(jù)。

        海量Argo資料不僅為揭示海洋立體結(jié)構(gòu)和各種時(shí)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(jìn)了海氣相互作用過(guò)程的研究,有望大幅度提高海洋與氣候變化的預(yù)測(cè)水平。

        近年來(lái),海洋災(zāi)害等非傳統(tǒng)安全問(wèn)題日益凸顯,沿線國(guó)家在應(yīng)對(duì)這些問(wèn)題時(shí)具有廣泛的共同利益訴求。我國(guó)作為負(fù)責(zé)任的大國(guó),為沿線國(guó)家提供海上公共服務(wù)和產(chǎn)品,共同應(yīng)對(duì)非傳統(tǒng)安全挑戰(zhàn),同樣應(yīng)是21世紀(jì)海上絲綢之路建設(shè)的重要目標(biāo)。我國(guó)海軍亞丁灣護(hù)航、也門(mén)撤僑、地中海聯(lián)合戰(zhàn)術(shù)演習(xí)和潛艇突遇大洋“掉深”險(xiǎn)情,以及中國(guó)巨大的能源進(jìn)口和交通運(yùn)輸?shù)绕惹行枨蟮暮Q蟓h(huán)境安全保障,也都離不開(kāi)對(duì)深海大洋環(huán)境的了解和掌握。

        中國(guó)的Argo可謂“海上絲綢之路”的基石,對(duì)維護(hù)我國(guó)海洋權(quán)益、實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)夢(mèng)意義重大。

        (責(zé)任編輯/李銀慧)

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