邱國強(qiáng)，王海黎*，邢小罡

(1．近海海洋環(huán)境科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(廈門大學(xué))，福建 廈門 361102；2．國家海洋局第二海洋研究所衛(wèi)星海洋環(huán)境動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310012)

海洋中的生物地球化學(xué)過程和物理過程是緊密耦合在一起的，物理過程決定著海洋生物生存環(huán)境、初級生產(chǎn)、漁業(yè)資源、生態(tài)結(jié)構(gòu)、生物地球化學(xué)循環(huán)等，同時(shí)生物地球化學(xué)過程在一定程度上也會影響物理過程.海洋物理強(qiáng)迫及其引起的生物地球化學(xué)響應(yīng)體現(xiàn)在不同時(shí)空尺度上，在時(shí)間尺度上從晝夜、天氣(如臺風(fēng)、沙塵暴等)、季節(jié)、年際到氣候尺度，在空間尺度上從次中尺度(如鋒面、渦絲)、中尺度(如渦旋、沿岸上升流)、海盆尺度到全球尺度等(圖1)[1].理解和預(yù)測這種耦合關(guān)系，需要同步觀測大量的生態(tài)及物理數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)觀測主要通過船載平臺或遙感手段實(shí)現(xiàn)，而這兩種方式都有一定的局限性[2].船載平臺采樣數(shù)據(jù)精度較高，但是時(shí)間分辨率不足，很難描述完整的季節(jié)變化，且在極端天氣(如臺風(fēng))或邊緣海區(qū)(如極地)條件下難以實(shí)現(xiàn)，此外船載觀測時(shí)人物力花費(fèi)巨大，成本較高.在過去40年，海色遙感技術(shù)快速發(fā)展，具備了在大時(shí)空尺度上對生物地球化學(xué)的觀測能力[3].典型的海色傳感器，如中等分辨率成像光譜儀(moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS)，空間分辨率可以達(dá)到1 km；靜止軌道海色傳感器(geostationary ocean color imager，GOCI)時(shí)間分辨率可以達(dá)到1 h[4]；海岸帶高光譜成像儀(hyperspectral imager for the coastal ocean，HICO)光譜分辨率達(dá)到5.7 nm，空間分辨率達(dá)到90 m[5].但是海色遙感也存在很多缺陷：首先，遙感不是直接觀測，而是通過遙感算法計(jì)算得到，其算法的建立和驗(yàn)證需要大量現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)；其次，遙感只能獲得海洋表層信息，無法直接得到剖面數(shù)據(jù)；再者，海色遙感受云層影響嚴(yán)重，在任何時(shí)刻，70%的海洋表面都被云層覆蓋，實(shí)際得到的有效數(shù)據(jù)較少.這種觀測能力的不足制約了人們對海洋生物地球化學(xué)過程的理解，因此還需要發(fā)展新的觀測平臺.

實(shí)時(shí)地轉(zhuǎn)海洋學(xué)列陣(array for real-time geostrophic oceanography，Argo)計(jì)劃是物理海洋學(xué)家于20世紀(jì)末提出的一個(gè)全球海洋觀測計(jì)劃，通過布放3 000 套剖面浮標(biāo)(也稱為Argo浮標(biāo))組成陣列，實(shí)時(shí)觀測全球海洋上層2 000 m的溫鹽數(shù)據(jù)，以提高氣候模式的模擬與預(yù)報(bào)精度[6-7].Argo計(jì)劃自實(shí)施以來發(fā)展迅速，目前每年新投放浮標(biāo)達(dá)到800套以上，并維持3 800 套以上正常運(yùn)行的狀態(tài)，每年可獲得超過14萬組剖面數(shù)據(jù)，提供了全球95%的溫度和鹽度觀測數(shù)據(jù)，極大地豐富了海洋觀測數(shù)據(jù)(圖2).隨著技術(shù)發(fā)展，一些微型、低功耗的物理、生物、化學(xué)傳感器被研發(fā)出來，將這些傳感器加載到Argo浮標(biāo)上，形成能同步觀測物理和生物地球化學(xué)參數(shù)的生物地球化學(xué)剖面浮標(biāo)(biogeochemical Argo float，BGC-Argo浮標(biāo))，如圖3所示.這種新型的海洋自主觀測平臺為海洋生物地球化學(xué)的現(xiàn)場觀測帶來了技術(shù)上的重大飛躍[2，8].同傳統(tǒng)觀測方式相比，BGC-Argo浮標(biāo)具有3個(gè)顯著的優(yōu)勢：1) 可以在船舶不易觀測的極端海況(如臺風(fēng)、南極西風(fēng)帶)和極端海區(qū)(極地、冰下)條件下進(jìn)行自動化觀測；2) 能進(jìn)行長期觀測，覆蓋晝夜、天氣、季節(jié)以至年際的連續(xù)時(shí)間尺度；3) 具有很高的垂向分辨率，最高可達(dá)0.2 m.BGC-Argo浮標(biāo)同船載平臺和遙感觀測手段相互補(bǔ)充，為物理-生物地球化學(xué)耦合研究提供了一個(gè)重要的數(shù)據(jù)來源[2，9-11].截至2018年3月投放的BGC-Argo浮標(biāo)已經(jīng)超過600套，仍然活躍的數(shù)量為314套，主要集中在北大西洋、印度洋和南大洋區(qū)域(圖2)，雖然和僅配置物理傳感器的核心Argo浮標(biāo)相比數(shù)量仍然較少，但應(yīng)用前景廣泛，是Argo計(jì)劃的重要組成部分和發(fā)展方向.

黃色陰影部分為BGC-Argo浮標(biāo)觀測尺度.

1 工作原理和科學(xué)目標(biāo)

BGC-Argo浮標(biāo)工作原理同核心Argo浮標(biāo)一樣，其上浮和下沉運(yùn)動通過調(diào)節(jié)外部油囊體積來實(shí)現(xiàn).當(dāng)油從內(nèi)部油泵壓入外部油囊時(shí)，浮標(biāo)因浮力增大開始上??；反之油從外部油囊注回時(shí)，浮標(biāo)開始下沉.圖3顯示了浮標(biāo)的工作流程：浮標(biāo)平時(shí)停留在1 000 m等密度層隨深層洋流做中性漂流，達(dá)到程序設(shè)定時(shí)間后先下沉到2 000 m，然后在上升階段觀測數(shù)據(jù)，當(dāng)浮標(biāo)到達(dá)海面時(shí)通過衛(wèi)星將數(shù)據(jù)傳回地面，然后接受新的指令，再次下沉到1 000 m，開始下一個(gè)循環(huán).上浮速率約10 cm/s，剖面觀測時(shí)間約6 h，最高采樣率可高于0.2 m.觀測深度、周期、采樣率等參數(shù)都可自主設(shè)定，并根據(jù)科學(xué)任務(wù)實(shí)時(shí)做出調(diào)整.

圖片來源：http:∥www.jcommops.org.

圖片來源：http:∥www.argo.ucsd.edu，http:∥www.seabird.com.

BGC-Argo浮標(biāo)的科學(xué)目標(biāo)是為海洋生物地球化學(xué)研究提供大量高垂向分辨率的剖面數(shù)據(jù).除了溫度和鹽度，BGC-Argo浮標(biāo)還可觀測一系列生物地球化學(xué)參數(shù)，如葉綠素a(chlorophyll-a，Chl-a)濃度、有色可溶性有機(jī)物(colored dissolved organic matter，CDOM)熒光、溶解氧含量、硝酸鹽濃度、顆粒物后向散射系數(shù)(particulate backward scattering coefficient，bbp)、顆粒物衰減系數(shù)(particulate beam attenuation coefficient，cp)、下行輻照度以及pH等.海洋光學(xué)性質(zhì)取決于水體中光學(xué)活躍成分的濃度、粒徑和種類，同生物地球化學(xué)參數(shù)有密切聯(lián)系.海洋中顆粒有機(jī)碳(particulate organic carbon，POC)濃度同cp和bbp都有很好的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，cp和bbp都可用來反演POC濃度[12].海洋中浮游植物碳含量(phytoplankton carbon biomass，Cphy)與海洋初級生產(chǎn)、碳循環(huán)、氣候變化直接相關(guān)，其占POC濃度的比例在局地海區(qū)相對穩(wěn)定[13]，因此在一階角度上cp和bbp也可用于估算Cphy[14-16].基于米散射理論，bbp和cp反映了兩種不同粒徑類型顆粒，粒徑較小(<1 μm)的非活性顆粒決定著bbp，而粒徑較大(>0.5 μm)的顆粒決定著cp[17-18]，因此在二階角度上，bbp與cp的比值攜帶著顆粒物組分信息[19].溶解氧是海洋生態(tài)和生物地球化學(xué)中的一個(gè)重要參數(shù)，可以用來研究海洋通風(fēng)和環(huán)流[20-21]、海洋新陳代謝[22]、海氣交換[23]、溶解氧最小值區(qū)(oxygen minimum zones，OMZs)變異[24]等.Chl-a、溶解氧、硝酸鹽的濃度、bbp和cp還可用來估算海洋凈初級生產(chǎn)力(net primary productivity，NPP)和凈群落生產(chǎn)力(net community production，NCP)或輸出生產(chǎn)力(export production，EP)[22，25-26].NPP可以由基于Chl-a的VGPM(vertically generalized production model)模型[27]或基于bbp的CbPM(carbon-based production model)模型[13]估算.NCP可以由硝酸鹽吸收率[28]、氧氣質(zhì)量平衡模型[26]或生物量累積[25]等方式估算.根據(jù)漂流期間cp的增長速率可以估算碳通量指數(shù)(carbon flux index)，將其與沉積物收集器數(shù)據(jù)比較，可直接得到中深層海洋(200～1 000 m)的輸出通量[29].光學(xué)bbp或cp剖面信號經(jīng)常會出現(xiàn)較大的尖刺(spike)，這些信號與顆粒物的聚集有關(guān)，并非傳統(tǒng)認(rèn)為的噪聲，根據(jù)這些尖刺信號可以估算顆粒物的沉降速率[30].顆粒無機(jī)碳可以由改裝的透射率儀觀測的雙折射信號來估算，該類型傳感器在BGC-Argo浮標(biāo)上已有實(shí)驗(yàn)[31]，將來技術(shù)成熟后會拓展BGC-Argo浮標(biāo)在海洋生物地球化學(xué)上的應(yīng)用.pH在海洋碳酸鹽體系中占據(jù)重要地位，可用于碳酸鹽系統(tǒng)的季節(jié)變化以及海洋酸化問題研究[32-33].此外，BGC-Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)還可用于標(biāo)定與驗(yàn)證衛(wèi)星海色遙感產(chǎn)品，或與遙感數(shù)據(jù)結(jié)合建立四維時(shí)空數(shù)據(jù)庫，也可用于驗(yàn)證與同化海洋生物地球化學(xué)模型.

2 在季節(jié)及年際尺度過程的應(yīng)用

2.1 海洋浮游植物生物光學(xué)關(guān)系及其生理狀態(tài)調(diào)整

傳統(tǒng)上浮游植物量一直用其細(xì)胞內(nèi)的Chl-a濃度來表征，但是Chl-a濃度會隨著光照、溫度、營養(yǎng)鹽等環(huán)境因子變化，并不能很好地反映其生物量.當(dāng)光照減弱且營養(yǎng)鹽充足時(shí)，浮游植物會增加細(xì)胞內(nèi)Chl-a濃度來更加有效地利用光能；而當(dāng)營養(yǎng)鹽濃度降低時(shí)，浮游植物會降低細(xì)胞內(nèi)Chl-a濃度[34-35].這種生理調(diào)整導(dǎo)致Chl-a濃度與Cphy的比值變化可能跨越一個(gè)量級[36].已有研究表明，bbp和cp都能很好地反映Cphy[14，16].BGC-Argo浮標(biāo)能同步觀測Chl-a濃度和bbp或cp，這為浮游植物生物光學(xué)關(guān)系及生理狀態(tài)調(diào)整的研究提供了非常好的平臺.基于投放在北大西洋副極地海區(qū)2套BGC-Argo浮標(biāo)的2年觀測數(shù)據(jù)，Xing等[11]發(fā)現(xiàn)海洋上層Chl-a濃度、bbp和cp三者之間有著非常好的相關(guān)性，建立的生物光學(xué)關(guān)系同前人基于船載平臺觀測的結(jié)果一致，在季節(jié)變化上三者都呈現(xiàn)冬低夏高的趨勢，并且Chl-a濃度與cp的比值有明顯的光照依賴性，意味著在高緯度區(qū)域浮游植物也存在光適應(yīng)性現(xiàn)象.基于投放在全球海洋的105 套BGC-Argo浮標(biāo)觀測的8 500組剖面數(shù)據(jù)，Barbieux等[37]分析了不同深度、區(qū)域和季節(jié)Chl-a濃度和bbp的關(guān)系，結(jié)果表明在高緯度區(qū)域二者有著非常好的耦合關(guān)系，在低緯度區(qū)域二者的關(guān)系較弱，Chl-a濃度受到海洋中顆粒物組成和浮游植物光適應(yīng)性兩方面共同調(diào)控.

2.2 浮游植物葉綠素垂向分布

研究浮游植物Chl-a濃度的垂向分布對估算上層海洋輻射傳輸、浮游植物總生物量、初級生產(chǎn)力、碳循環(huán)都有重要意義，此外，建立Chl-a濃度垂向分布同表層Chl-a濃度的關(guān)系可以拓展遙感應(yīng)用[38].在絕大多數(shù)上層混合較弱的區(qū)域，Chl-a濃度的垂向分布是不均勻的，在50～200 m處存在一個(gè)次表層最大值(subsurface chlorophyll maximum，SCM)[10，39].SCM的形成和維持是多種機(jī)制共同作用的結(jié)果，包括表層的營養(yǎng)鹽限制與深層的光照限制在SCM深度位置達(dá)到平衡形成的浮游植物最佳的生長環(huán)境、生理調(diào)整或物理混合引起的浮游植物遷移或聚集、浮游植物光適應(yīng)性、浮游動物捕食等因素，其中光照和營養(yǎng)鹽的垂向分布是最主要的影響因素[39].BGC-Argo浮標(biāo)能夠測得Chl-a濃度剖面數(shù)據(jù)，同時(shí)光學(xué)數(shù)據(jù)bbp或cp可以用來估算Cphy，還能觀測浮游植物生長所需的光照和硝酸鹽濃度，得到的物理數(shù)據(jù)可以估算上層海洋的垂向混合狀態(tài)，因此BGC-Argo浮標(biāo)非常適合浮游植物的垂向分布研究.基于投放在太平洋副熱帶海區(qū)和地中海的4套BGC-Argo浮標(biāo)觀測資料，Mignot等[10]分析了真光層內(nèi)生態(tài)動力機(jī)制，結(jié)果顯示浮游植物具有光照依賴性，在真光層底部，SCM深度同等光照線吻合得非常好，其季節(jié)變化主要受光驅(qū)動(light driven)；在真光層上部，Chl-a濃度總是在冬季增大，這由浮游植物本身生物量增長和生理響應(yīng)共同貢獻(xiàn).此外在光照較強(qiáng)的夏季，SCM深度較深，接近硝酸鹽躍層，對應(yīng)的Chl-a濃度也較高.

2.3 浮游植物藻華機(jī)制

藻華是指浮游植物在某個(gè)季節(jié)迅速增加的現(xiàn)象，如北大西洋浮游植物在春季爆發(fā)，即著名的春季藻華[40]，而在低緯度區(qū)域如南海，藻華通常發(fā)生在冬季[41].浮游植物藻華的發(fā)生機(jī)制到目前仍有較大爭議，主流的理論有經(jīng)典的臨界深度理論(critical depth hypothesis)[40]，基于臨界深度理論發(fā)展出的臨界湍流層理論(critical turbulence hypothesis)[42]和稀釋再耦合理論(dilution recoupling hypothesis)[43].臨界深度理論的基本觀點(diǎn)是當(dāng)混合層深度淺于臨界深度時(shí)，水柱內(nèi)光合作用大于呼吸作用，浮游植物發(fā)生累積，其中，臨界深度(critical depth)定義為其上方至海面的整個(gè)水體的碳生產(chǎn)量與消耗量(包括浮游植物的呼吸作用、沉降和其他消耗項(xiàng))相等的深度.現(xiàn)場觀測發(fā)現(xiàn)，北大西洋春季藻華發(fā)生在水體層化之前，并不符合混合層首先變淺的假設(shè).臨界湍流層理論認(rèn)為基于溫度密度計(jì)算的混合層很深，但真正的有效混合深度(mixing layer)可能較淺.這兩種理論都是基于物理過程(混合或?qū)α?將營養(yǎng)鹽帶到海洋上層，進(jìn)而促進(jìn)浮游植物增長.稀釋再耦合理論則主要考慮了浮游動物的捕食作用，認(rèn)為冬季強(qiáng)烈的混合作用改變了浮游生物在混合層內(nèi)的垂向分布，打破了浮游植物-浮游動物的耦合關(guān)系，導(dǎo)致浮游植物量在冬季就開始增加[43].

BGC-Argo浮標(biāo)同時(shí)搭載物理和生物光學(xué)傳感器，能得到長時(shí)間序列的觀測數(shù)據(jù)，便于分析浮游植物的季節(jié)變化特征.針對北大西洋春季藻華現(xiàn)象，于2008年在冰島海盆投放了一套BGC-Argo 浮標(biāo)并得到了大量觀測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)藻華觸發(fā)機(jī)制為光照增強(qiáng)和上層海洋層化加強(qiáng)，而層化主要是由渦旋引起的[44].同樣是基于BGC-Argo浮標(biāo)的現(xiàn)場觀測，Behrenfeld等[45]發(fā)現(xiàn)水柱積分的Chl-a濃度和bbp都是從冬季開始增大，支持稀釋再耦合理論的假設(shè).浮游植物藻華機(jī)制的爭議主要源于觀測數(shù)據(jù)的不充分，當(dāng)搭載更多傳感器(如硝酸鹽、湍流)的BGC-Argo浮標(biāo)應(yīng)用后，這一問題會越來越清晰.

2.4 海洋碳循環(huán)

有機(jī)碳從上層海洋輸運(yùn)到深層，即生物泵過程(biological bump)，對全球碳循環(huán)和氣候變化有重要影響[46].在穩(wěn)定的海洋狀態(tài)下，上層海洋的EP等同于其NCP.經(jīng)過空氣定標(biāo)后，溶解氧平均誤差可控制在0.1%[47]，在風(fēng)速較小的低緯度海區(qū)，氧氣平衡方法為NCP最佳測量手段[26].此方法需要長時(shí)間序列的剖面數(shù)據(jù)，在海洋連續(xù)站已有著很好的應(yīng)用[48].BGC-Argo浮標(biāo)突破了時(shí)間空間上的限制，極大地拓展了低緯度海洋NCP的觀測能力.Yang等[26]根據(jù)投放在太平洋不同位置的BGC-Argo浮標(biāo)估算其NCP，其中西北副熱帶區(qū)域年累積NCP同東太平洋結(jié)果相近，均約為2 mol/(m2·a)，而南太平洋區(qū)域年累積NCP接近0，意味著在南太平洋區(qū)域上層海洋碳輸出通量可以忽略不計(jì)；同遙感估算NCP相比，BGC-Argo浮標(biāo)估算的NCP在北太平洋偏高，在南太平洋偏低.

2.5 海洋脫氧過程

隨著全球變暖，上層海洋層化現(xiàn)象加強(qiáng)，海洋中溶解氧呈現(xiàn)降低趨勢，開闊大洋的脫氧作用(deoxygenation)不斷增強(qiáng)，OMZs范圍不斷擴(kuò)大，且大部分發(fā)生在北太平洋和熱帶海洋的溫躍層以下[49-50].海洋脫氧加強(qiáng)反硝化作用，會生成溫室作用更強(qiáng)烈的氣體N2O，同時(shí)硝酸鹽作為呼吸作用的替代受體也會被快速消耗，對海洋碳、氮循環(huán)和其他生物地球化學(xué)過程產(chǎn)生重大影響[8，49].模型結(jié)果表明，到21世紀(jì)末全球海洋氧儲庫將降低1%～7%[51]，對生物地球化學(xué)過程和氣候影響甚至體現(xiàn)在千年尺度上[52].通過常規(guī)船載手段觀測和分析OMZs的變化是非常困難的，而BGC-Argo浮標(biāo)能同步觀測溶解氧、硝酸鹽和POC的濃度，為海洋脫氧的研究提供了一個(gè)非常好的平臺.

2.6 海洋通風(fēng)和模態(tài)水

海洋對大氣強(qiáng)迫的響應(yīng)體現(xiàn)在不同的時(shí)空尺度上，在年際尺度上的響應(yīng)深度可達(dá)到主溫躍層以下的中深層.在一些特殊區(qū)域(如極地海區(qū))，上層海洋因?yàn)闇囟冉档突螓}度增大導(dǎo)致密度較大，通過深對流生成中層水或模態(tài)水[53].模態(tài)水是溫躍層通風(fēng)的結(jié)果，影響著海洋溫鹽結(jié)構(gòu)、大洋徑向翻轉(zhuǎn)流(meridional overturning circulation，MOC)等物理過程，也影響著海洋生物地球化學(xué)過程，如亞南極水(Subantarctic mode water，SAMW)和南極中層水(Antarctic intermediate water，AAIW)極大地促進(jìn)了人為排放CO2的吸收[54]，也是中深層水溶解氧的主要來源，調(diào)節(jié)著OMZs的含氧量[55]，同時(shí)也是溫躍層營養(yǎng)鹽的主要來源[56].除了常規(guī)的溫度和鹽度，一些化學(xué)參數(shù)(如溶解氧和CDOM)也可以用來示蹤中深層水團(tuán).2003年投放在拉布拉多海的一套BGC-Argo浮標(biāo)觀測到溶解氧的季節(jié)變化，在強(qiáng)烈通風(fēng)階段上層1 400 m內(nèi)溶解氧總量增加17 mol/m2，海洋如同做了一個(gè)“深呼吸”[20].船載觀測大西洋、太平洋和印度洋的CDOM垂向分布結(jié)果表明，大洋徑向CDOM垂向分布除受生物地球化學(xué)過程(如異養(yǎng)活動和光漂白)影響外，主要受到MOC制約，證實(shí)CDOM可示蹤中層水團(tuán)、主溫躍層、深層海洋環(huán)流[57].在全球海洋變暖的背景下，海洋通風(fēng)和MOC也變得更加復(fù)雜[58]，BGC-Argo浮標(biāo)能同時(shí)觀測物理(溫度、鹽度)和化學(xué)(溶解氧、CDOM)變量，能為研究此問題提供更為完善的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù).

3 在天氣尺度或中尺度過程的應(yīng)用

3.1 大氣沉降過程

開闊大洋對全球海洋生產(chǎn)力的貢獻(xiàn)超過75%[59]，來自底層的營養(yǎng)鹽并不能維持上層海洋初級生產(chǎn)活動[60]，大氣沉降過程包括沙塵暴和火山爆發(fā)等，是營養(yǎng)鹽一個(gè)非常重要的來源[61-63].大氣沉降不僅帶來了浮游植物生長必需的營養(yǎng)鹽，還帶來了痕量元素鐵[61，64].鐵能提高浮游植物的硝酸鹽吸收效率[65]，尤其是在高營養(yǎng)鹽低葉綠素(high nutrient low chlorophyll，HNLC)海區(qū)加鐵能極大地促進(jìn)浮游植物的生長[61].2001年4月，投放在北太平洋的2套BGC-Argo浮標(biāo)觀測到沙塵暴過后上層海洋生產(chǎn)力增加的現(xiàn)象，但是只持續(xù)了2周，比通常認(rèn)為的時(shí)間要短得多，此外Chl-a濃度增加了20%而POC濃度增大了1倍，浮游植物的光合作用效率提高很多，這是其他觀測方式很難觀測到的現(xiàn)象[9].在全球變暖趨勢下，上層海洋層化加強(qiáng)會抑制垂向混合，降低底層營養(yǎng)鹽對上層的補(bǔ)充，大氣沉降作用會逐漸顯著[66].目前海洋對大氣沉降活動的響應(yīng)研究主要依靠衛(wèi)星遙感，船載觀測記錄非常稀少，在BGC-Argo浮標(biāo)出現(xiàn)之前，船載觀測甚至從未獲取到大氣沉降的時(shí)間序列數(shù)據(jù).BGC-Argo浮標(biāo)具備在局地海區(qū)進(jìn)行長時(shí)間連續(xù)剖面觀測的能力，且觀測頻率可隨時(shí)調(diào)整，這種垂向連續(xù)觀測能力與靈活的觀測模式將會大大增加對大氣沉降現(xiàn)場觀測的機(jī)會，特別是可用于量化大氣沉降過程對海洋生態(tài)系統(tǒng)的影響深度、對垂向總生物量的影響程度，以及影響的時(shí)間尺度.

3.2 臺風(fēng)過程

臺風(fēng)會帶來強(qiáng)烈的垂向混合、上升流和夾卷，加深混合層，降低海表面溫度，還會引起近慣性震蕩，對海洋物質(zhì)、熱量和能量交換有較大影響[67].臺風(fēng)把底層的營養(yǎng)鹽帶到真光層內(nèi)，可促進(jìn)浮游植物光合作用，提高了Chl-a濃度、NPP和固碳能力[68].2000年7月中等強(qiáng)度臺風(fēng)Kai-Tak經(jīng)過南海后，表層Chl-a濃度增加30倍，大約固碳0.8 Mt， 約占南海年新生產(chǎn)力的2%～4%[69].另一方面，很多研究發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)并不一定引起浮游植物增長.Hu等[70]發(fā)現(xiàn)臺風(fēng)Dennis經(jīng)過墨西哥灣北部后，在淺水區(qū)域表層Chl-a濃度增大，但在深水區(qū)域表層Chl-a濃度幾乎沒有變化.Lin等[71]總結(jié)了西北太平洋2003年全年11個(gè)臺風(fēng)的影響，發(fā)現(xiàn)只有2個(gè)臺風(fēng)引起了浮游植物增長，不是每個(gè)臺風(fēng)都能將底層營養(yǎng)鹽有效地輸運(yùn)到上層，其輸運(yùn)能力取決于上層海洋的層化狀態(tài)、臺風(fēng)強(qiáng)度及移動速度等，認(rèn)為西北太平洋臺風(fēng)對全球海洋固碳的貢獻(xiàn)非常小.臺風(fēng)對海洋生物地球化學(xué)的影響體現(xiàn)在很多方面，不僅是浮游植物，還包括上層海洋溶解無機(jī)碳[72]、海氣界面氣體交換(如氧氣)[73]以及漁業(yè)資源[74].受到觀測手段限制，對臺風(fēng)過程引起的生物地球化學(xué)變化的認(rèn)識仍然不夠充分，尤其是臺風(fēng)經(jīng)過時(shí)的即時(shí)響應(yīng).Argo浮標(biāo)能在任何天氣狀況下工作，目前已有大量研究利用核心Argo浮標(biāo)數(shù)據(jù)分析臺風(fēng)引起的物理響應(yīng)[75-76].搭載多傳感器的BGC-Argo浮標(biāo)不僅能記錄臺風(fēng)引起的物理響應(yīng)，還能同時(shí)觀測生物地球化學(xué)響應(yīng).Chacko等[77]通過一個(gè)投放在孟加拉灣的BGC-Argo浮標(biāo)觀測到2014年熱帶氣旋Hudhud過境時(shí)Chl-a濃度垂向分布的變化過程，發(fā)現(xiàn)衛(wèi)星遙感觀測到的表層Chl-a濃度升高現(xiàn)象實(shí)際包含了兩個(gè)同步過程：1) 次表層Chl-a被混合作用夾卷到表層的物理過程，2) 表層營養(yǎng)鹽的補(bǔ)充從而促進(jìn)浮游植物生長的生態(tài)過程.隨著浮標(biāo)投放量的逐漸增多，未來對于臺風(fēng)事件的海洋學(xué)研究將主要依賴于BGC-Argo浮標(biāo)平臺，其海量的觀測數(shù)據(jù)不僅可用于證實(shí)(或證偽)基于衛(wèi)星遙感和數(shù)值模式的研究結(jié)論，還可能發(fā)現(xiàn)新的海洋學(xué)現(xiàn)象，從垂向分布的角度更全面地量化臺風(fēng)引起的海洋生態(tài)響應(yīng)，并可用于臺風(fēng)模型的參數(shù)優(yōu)化.

3.3 中尺度渦過程

中尺度渦是海洋環(huán)流中普遍存在的現(xiàn)象，影響著上層海洋的溫鹽結(jié)構(gòu)和環(huán)流特征，通過對營養(yǎng)鹽的垂向輸運(yùn)影響著上層海洋生物地球化學(xué)過程[78-81].基于遙感數(shù)據(jù)分析，中尺度渦對表層Chl-a的影響機(jī)制可概括為4類：渦旋抽吸(eddy pumping)、渦旋-?？寺槲?eddy-Ekman pumping)、渦旋水平輸運(yùn)(eddy advection)和次中尺度抽吸(sub-mesoscale pumping)[80].渦旋抽吸為渦旋運(yùn)動引起的內(nèi)部升降流，氣旋渦將底層營養(yǎng)鹽帶入真光層促進(jìn)浮游植物增長，反氣旋渦則會抑制浮游植物增長[79]，因此渦旋抽吸被認(rèn)為是最重要的動力過程，其引起的垂向流速普遍認(rèn)為要高于渦旋-?？寺槲鸬牧魉賉81-82].渦旋水平輸運(yùn)由渦旋旋轉(zhuǎn)運(yùn)動造成，導(dǎo)致表層Chl-a濃度分布不均勻[78，80].次中尺度抽吸主要是非線性過程造成的，會引起很大的垂向速度，對表層Chl-a濃度也有重要影響[83].中尺度渦的動力過程非常復(fù)雜，之前的大多數(shù)研究都依賴于遙感表層的Chl-a濃度，缺乏必要的垂向剖面觀測，各個(gè)動力機(jī)制對生物地球化學(xué)的影響也有很大爭議.投放在北大西洋的一套BGC-Argo浮標(biāo)捕捉到了一個(gè)反氣旋渦，表層的Chl-a濃度和bbp只有微弱的增加，但是垂向積分的bbp卻有著極大的增加，意味著在這個(gè)反氣旋渦中有大顆粒物向深層沉降，但是遙感觀測的表層Chl-a濃度幾乎沒有變化，這也說明只有遙感觀測時(shí)會漏掉重要的垂向信息[84].在冬季南印度洋副熱帶區(qū)域，海色遙感也經(jīng)常觀測到反氣旋渦表層Chl-a濃度增加現(xiàn)象.一套BGC-Argo浮標(biāo)橫切了一個(gè)反氣旋渦，觀測獲得了6周的時(shí)間序列剖面數(shù)據(jù)，結(jié)果顯示Chl-a濃度較高是多個(gè)動力過程共同造成的，主要為水平輸運(yùn)和渦旋深部垂向?qū)α?，垂向?qū)α鲗⒋伪韺覥hl-a帶到表層，同時(shí)將底層營養(yǎng)鹽帶到上層促進(jìn)了浮游植物增長[85].雖然BGC-Argo浮標(biāo)能提供高垂向分辨率的剖面數(shù)據(jù)，但單一浮標(biāo)對于中尺度過程的觀測能力較為有限，主要體現(xiàn)在難以刻畫其空間分布，通過陣列式投放則可以在一定程度上彌補(bǔ)這一不足.此外，通過與其他海洋觀測平臺(如生物地球化學(xué)水下滑翔機(jī)BGC-Glider、水下拖體SeaSoar、海色衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)等)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，將完善對中尺度過程的觀測.

4 在晝夜尺度過程的應(yīng)用

光合作用是向海洋上層輸入有機(jī)碳的主要過程，晝夜尺度是其典型的時(shí)間尺度.然而，由于觀測非常消耗時(shí)間，對生物學(xué)過程如此重要的時(shí)間尺度在觀測中卻經(jīng)常被忽略.盡管如此，海洋光學(xué)參數(shù)和生物地球化學(xué)參數(shù)的晝夜循環(huán)變化在海洋學(xué)界形成了共識[86].一些現(xiàn)場數(shù)據(jù)觀測到，在一維物理過程為主(無側(cè)向平流或者生物學(xué)尺度大于平流尺度)的站點(diǎn)，光學(xué)方法測得的POC濃度顯示出明顯的晝夜振蕩現(xiàn)象：白天增加，夜晚減少.這種POC濃度的晝夜振蕩可以看作是NCP的一個(gè)指標(biāo)參數(shù)[87]，反映了海洋生產(chǎn)力的晝夜變化.通過BGC-Argo浮標(biāo)在1 d內(nèi)多次測量，可以定量計(jì)算這一變化率.這種高時(shí)間分辨率的現(xiàn)場觀測能更好地理解碳的晝夜變化過程.

5 在海色遙感和海洋模式中的應(yīng)用

5.1 海色遙感產(chǎn)品驗(yàn)證

海色遙感觀測的輻射和反演的生物地球化學(xué)數(shù)據(jù)需要大量的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)來評估和驗(yàn)證，目前用于海色遙感驗(yàn)證的現(xiàn)場數(shù)據(jù)大都是在船載或錨系浮標(biāo)上進(jìn)行的.錨系浮標(biāo)平臺雖然可以進(jìn)行連續(xù)觀測以滿足高采樣頻率的要求，增加其與衛(wèi)星同步數(shù)據(jù)匹配的可能性，但對空間的覆蓋非常有限；而船載觀測雖然可以達(dá)到空間尺度的要求，但是通常覆蓋的時(shí)間尺度太短，且觀測成本較高.相對于上述兩種觀測方式，BGC-Argo浮標(biāo)具有明顯的優(yōu)勢：首先，BGC-Argo浮標(biāo)可設(shè)置為衛(wèi)星過境時(shí)進(jìn)行觀測，極大地提高了數(shù)據(jù)匹配量；其次，BGC-Argo浮標(biāo)可以投放在任意海區(qū)，獲得各種天氣條件下和各種營養(yǎng)水平海區(qū)的數(shù)據(jù)，特別是在一些船舶不易到達(dá)的高緯度海區(qū)以及遠(yuǎn)離人類活動的副熱帶流渦區(qū).BGC-Argo浮標(biāo)觀測的遙感反射率同衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)在412，443和488 nm 波段具有良好的一致性，但在555 nm兩者關(guān)系較弱[88-89].在南大洋海區(qū)，不論采用BGC-Argo浮標(biāo)熒光法還是船載平臺高效液相色譜法(HPLC)，測得的Chl-a濃度都同遙感OCI(ocean color index)算法[90]計(jì)算的Chl-a濃度最為接近，證明OCI算法可靠性較高[91].隨著BGC-Argo浮標(biāo)投放量的逐漸增多，未來可能成為驗(yàn)證海色遙感產(chǎn)品的主要數(shù)據(jù)來源.

5.2 海洋生物地球化學(xué)模式

海洋生物地球化學(xué)模型的初始化、邊界條件、參數(shù)優(yōu)化與模型驗(yàn)證都需要現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)支持.海色遙感提供的Chl-a濃度是目前模型驗(yàn)證的重要來源[92]，但只能進(jìn)行表層數(shù)據(jù)的驗(yàn)證；長時(shí)間序列連續(xù)站(如BATS和HOTS)可提供垂向剖面數(shù)據(jù)，但時(shí)間分辨率通常只能達(dá)到每月1次，用于模型的建立和驗(yàn)證仍顯不足.BGC-Argo浮標(biāo)可觀測到長時(shí)間序列的高垂向分辨率剖面數(shù)據(jù)，非常適用于生物地球化學(xué)模型的建立和驗(yàn)證.數(shù)據(jù)同化可以將數(shù)值模型和現(xiàn)場觀測有效地結(jié)合，彌補(bǔ)現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)時(shí)空分辨率較低的劣勢，極大地發(fā)揮現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)的價(jià)值.南大洋生物地球化學(xué)模式(biogeochemical Southern Ocean state estimate，B-SOSE)同化了BGC-Argo浮標(biāo)觀測的溶解氧數(shù)據(jù)，其性能得到顯著改善，如在現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)較多的區(qū)域，能很好地模擬海洋表面CO2濃度和中層溶解氧的變化程度[93].BGC-Argo浮標(biāo)觀測的Chl-a和硝酸鹽數(shù)據(jù)在生物地球化學(xué)模式中已有應(yīng)用[94].

5.3 上層海洋太陽輻射增溫問題

進(jìn)入到海洋內(nèi)部的太陽輻射大小和時(shí)空變化會引起上層海洋垂向上的熱量結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，這將會影響到溫躍層厚度和混合層深度，進(jìn)而影響到上層海洋動力過程，甚至?xí)ㄟ^海氣相互作用影響到全球氣候變化[95-96].太陽輻射在上層海洋的穿透深度和強(qiáng)度受海洋固有光學(xué)性質(zhì)、云量和太陽高度等環(huán)境因素影響[97]，在開闊大洋可以由Chl-a濃度垂向分布確定[98].受全球變暖影響，低緯度海區(qū)層化加強(qiáng)，混合層內(nèi)營養(yǎng)鹽濃度降低，在年際變化上表層Chl-a濃度呈降低趨勢[99]，這就意味著更多的太陽輻射會穿透混合層進(jìn)入到次表層并對其直接增溫.在夏季北極海區(qū)，全球變暖造成陸架邊緣海冰融化，由于海水的反照率遠(yuǎn)小于海冰，進(jìn)入海洋的太陽輻射會劇烈增加，同期的浮游植物藻華造成Chl-a濃度很高，這會將太陽輻射能量限制在海洋上層，對海洋上層溫度有顯著正反饋影響[100].搭載輻射計(jì)的BGC-Argo浮標(biāo)能提供水下太陽輻射的直接觀測數(shù)據(jù)，也可用來優(yōu)化輻射衰減模型.

6 南海BGC-Argo浮標(biāo)的應(yīng)用

廈門大學(xué)于2014年夏季在南海投放了2套BGC-Argo浮標(biāo)(型號SeaBird Navis BGCi，序列號分別為F347和F348)，于2016年9月在南海中央海盆再次投放了1套BGC-Argo浮標(biāo)(型號NKE Provor CTS4，序列號為XMU001b)(圖4).Navis搭載的傳感器有CTD(型號SBE 41CP)、溶解氧傳感器(型號SBE 63)、熒光后向散射計(jì)(型號MCOMS，測量Chl-a熒光、CDOM熒光和bbp)，浮標(biāo)常規(guī)觀測周期為3 d，對臺風(fēng)或中尺度渦的觀測周期調(diào)整為1 d.F347在南海北部海盆SEATS站(18° N，116° E)投放，截至2016年8月壽命終止共觀測到245組剖面數(shù)據(jù)，F(xiàn)348在南海中央海盆(14° N，116° E)投放，截至2016年7月壽命終止共觀測到241組剖面數(shù)據(jù)，2套剖面浮標(biāo)都得到了2年的長時(shí)間剖面觀測數(shù)據(jù).Provor搭載的傳感器有CTD(型號SBE 41CP)、溶解氧傳感器(型號Aanderaa 4330)、熒光后向散射計(jì)(型號ECO3)、水下光譜儀(型號OCR504)和透射率儀(型號C-Rovor，測量cp)，常規(guī)采樣周期為5 d，加密觀測時(shí)調(diào)整為0.25 d.XMU001b投放在南海海盆(14.3° N，115.3° E)位置，截至2018年3月共觀測到134組剖面數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)可運(yùn)行到2019年6月.

圖4 南海BGC-Argo浮標(biāo)的運(yùn)行軌跡

圖5為南海北部海盆和中央海盆位置的Navis BGC-Argo浮標(biāo)觀測的溫度和Chl-a濃度2年時(shí)間序列，Zhang等[101]利用這批數(shù)據(jù)分析了兩區(qū)域Chl-a濃度的季節(jié)變化特征及動力機(jī)制：在中央海盆，存在一個(gè)穩(wěn)定的SCM層，深度在48～96 m，不存在明顯季節(jié)變化；受季風(fēng)影響，混合層有著明顯季節(jié)變化，冬季最深達(dá)67 m，但仍淺于SCM深度.在南海北部海盆，受冬季季風(fēng)影響顯著，混合層較深，最深達(dá)到80 m，SCM層在冬季消失.SCM受到營養(yǎng)鹽躍層的影響，營養(yǎng)鹽躍層越淺對應(yīng)的SCM越大.強(qiáng)風(fēng)混合和垂向?qū)α魇嵌颈韺覥hl-a濃度較高的主要物理驅(qū)動因素.南海北部海盆比中央海盆風(fēng)力更強(qiáng)，海表溫度更低，垂向混合和對流比中央海盆位置的大，更多的營養(yǎng)鹽被帶到表層.同時(shí)高鹽度黑潮水入侵，有利于水體垂向?qū)α骷盃I養(yǎng)鹽向上輸送.風(fēng)致混合、垂向?qū)α骱秃诔彼肭值纫蛩毓餐瑢?dǎo)致南海北部海盆冬季藻華現(xiàn)象.

Huang 等[102]利用投放在南海中央海盆的Navis BGC-Argo浮標(biāo)觀測溶解氧數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建上層氧氣物質(zhì)通量模型，計(jì)算得到海洋NCP.圖6(a)為高頻的NCP日變化，總體來說，NCP季節(jié)分布呈現(xiàn)東北季風(fēng)盛行時(shí)期(11—4月)大于西南季風(fēng)盛行時(shí)期(6—9月).其中NCP在1月出現(xiàn)峰值，而夏天出現(xiàn)短暫異養(yǎng)狀態(tài)(即NCP小于0).結(jié)合BGC-Argo浮標(biāo)觀測的表層Chl-a濃度和風(fēng)速(圖6(b))，發(fā)現(xiàn)表層Chl-a濃度同風(fēng)速有較高的相關(guān)性(r=0.45，p<0.01)，對應(yīng)的NCP同Chl-a濃度也有很好的相關(guān)性(r=0.54，p<0.01)，NCP的季節(jié)變化主要與風(fēng)致混合和初級生產(chǎn)力密切相關(guān).與遙感結(jié)果比較，剖面浮標(biāo)估算的NCP與基于遙感CbPM算法計(jì)算的NCP在量值上更為接近，而VGPM算法計(jì)算得到的NCP則低于剖面浮標(biāo)觀測，但是兩者季節(jié)變化趨勢一致(r=0.66，p<0.01)(圖6(c)).南海中央海盆全年的NPP是(2.7±1.0) mol/ (m2·a) (m(C)∶m(O)=1.45)，說明寡營養(yǎng)的海盆雖然出現(xiàn)自養(yǎng)和異養(yǎng)的變化，但是從全年尺度看仍是個(gè)顯著的自養(yǎng)系統(tǒng).這也是南海首次觀測到的高時(shí)間分辨率、長時(shí)間序列的NCP數(shù)據(jù)，揭示了BGC-Argo浮標(biāo)在南海生物地球化學(xué)過程研究中有著很高的應(yīng)用價(jià)值.

黑線為混合層深度，紫線為20 ℃等溫線，白線為SCM深度.

圖6 2014年7月—2015年7月上層主要氧氣物質(zhì)通量日變化(a)、 Chl-a濃度和風(fēng)速的日變化(b)以及BGC-Argo浮標(biāo)觀測和遙感估算月累積NCP比較(c)(修改自文獻(xiàn)[102])

7 展 望

作為一種新的綜合性海洋觀測工具，BGC-Argo浮標(biāo)具有廣泛的應(yīng)用前景，不僅可用于海色遙感衛(wèi)星的定標(biāo)與驗(yàn)證、生物光學(xué)算法的改進(jìn)，而且大大提高了各種生物地球化學(xué)參數(shù)的觀測能力，可以深入到一些之前的觀測模式無法觸及的或關(guān)鍵時(shí)間尺度上的生物地球化學(xué)過程.未來的海洋觀測將在很大程度上依靠自動化和遠(yuǎn)程控制技術(shù).BGC-Argo浮標(biāo)將對海洋的觀測能力提升到一個(gè)新的高度：從晝夜循環(huán)到年際尺度，從局地海域到全球分布，從海表面到垂向變化，從物理參數(shù)到各種生物地球化學(xué)變量，從而構(gòu)建起一個(gè)綜合性的海洋觀測數(shù)據(jù)庫.