張春玲,竺江港,蘇 涵,程靈巧,胡 松*

(1.上海海洋大學(xué) 海洋科學(xué)學(xué)院,上海 201306;2.復(fù)旦大學(xué) 計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院,上海 201306;3.上海海洋大學(xué)極地研究中心,上海 201306)

引 言

溶解氧,即溶解于海水中的氧氣,是生物地球化學(xué)循環(huán)的關(guān)鍵要素。其作為海洋學(xué)最基本的參數(shù)之一,不僅是海洋生命活動不可缺少的重要物質(zhì),還與海-氣相互作用過程密切相關(guān)。但開闊大洋的溶解氧觀測數(shù)據(jù)的匱乏,極大地限制了人們對全球海洋溶解氧時空分布及其所受物理過程影響的認識與理解[1-2]。生物地球化學(xué)Argo子計劃(Biogeochemical-Argo,BGC-Argo)及其能自動觀測生物地球化學(xué)參數(shù)的剖面浮標的出現(xiàn),為全球海洋溶解氧現(xiàn)場觀測能力帶來了革命性的提高[3-4]。

21世紀初,隨著自動剖面浮標和傳感器技術(shù)的不斷創(chuàng)新發(fā)展,國際上一些長期從事生物地球化學(xué)觀測研究的科學(xué)家,嘗試利用常規(guī)自動剖面浮標攜帶觀測生物地球化學(xué)環(huán)境要素的傳感器,在南大洋、北大西洋、西北太平洋、印度洋和地中海五個試驗區(qū)開展了一個區(qū)域海洋觀測網(wǎng)試驗項目。經(jīng)過近十年的持續(xù)努力,這些實驗項目都取得了顯著的成效,充分證明了剖面浮標在獲取空前規(guī)模生物地球化學(xué)觀測資料方面的獨特潛力[5-6],以及改變?nèi)藗儗Ｑ蠡瘜W(xué)和生物學(xué)理解的潛力[7]。2016年10月,由14個國家參與的國際生物地球化學(xué)BGC-Argo計劃正式啟動,旨在建立一個由1 000個“BGC-Argo”剖面浮標組成的全球海洋觀測網(wǎng),主要觀測包括溶解氧、硝酸鹽、pH值、葉綠素a、懸浮顆粒和下沉輻照度等在內(nèi)的六個核心變量,最大觀測深度同樣達2 000 m[8-9]。目前,BGC-Argo已經(jīng)成為正在實施和建設(shè)運行的國際Argo計劃及其全球Argo實時海洋觀測網(wǎng)中的重要組成部分。

溶解氧傳感器作為第一個裝備在剖面浮標上的生物地球化學(xué)觀測設(shè)備,是當前自動剖面浮標上除了溫度、電導(dǎo)率(鹽度)和壓力(深度)傳感器外,最常見、最成熟的一種生化觀測設(shè)備。且由于“BGC-Argo”浮標上的溶解氧傳感器能夠分辨溶解氧濃度小于1 μmol kg-1的變化[10-12],這將有助于評估最低含氧區(qū)范圍的時空變化[13]。但由于目前國際生物Argo計劃剛剛起步,各國搭載溶解氧傳感器的生物Argo浮標類型及安裝方式各不相同,業(yè)務(wù)化投放的站位也根據(jù)資金項目的需求而具有不均勻性,溶解氧數(shù)據(jù)的統(tǒng)計特征并未被大眾熟知,導(dǎo)致其利用率不高。因此,本文對全球海域及幾個試驗區(qū)的生物Argo溶解氧資料進行系統(tǒng)統(tǒng)計,明確該觀測資料的空間分布、數(shù)量變化、數(shù)據(jù)類型等,這可為充分利用這一寶貴的觀測數(shù)據(jù)進行理論研究奠定基礎(chǔ)。

1 BGC-Argo浮標及其溶解氧傳感器簡介

目前裝載在Argo浮標上的溶解氧傳感器,主要有兩種類型:挪威Aanderaa公司生產(chǎn)的4330型和美國Seabird公司生產(chǎn)的SBE63型(圖1)。這兩種傳感器均為熒光淬滅傳感器,主要包括傳感器膜、激發(fā)光系統(tǒng)、相敏檢測系統(tǒng)三個重要部分。由于氧氣是許多熒光敏感物質(zhì)的良性淬滅劑,因此氧氣的濃度與熒光指示劑的某些固有參數(shù)(如熒光效率,熒光時間等)具有一定的定量關(guān)系,因此該類傳感器基于熒光淬滅原理[14-15],通過測量熒光信息來計算指示器指示的被測水體中的氧氣含量。

圖1 裝載在BGC-Argo浮標上的兩種主要的溶解氧傳感器(圖片來源:www.aanderaa.com;www.seabird.com)

雖然裝載在Argo浮標上的溶解氧傳感器只有兩種,但Argo浮標卻有很多種,而且隨著浮標技術(shù)的進步,浮標種類和型號也不斷推陳出新。其中,APEX型浮標和POROVOR型浮標是目前裝載溶解氧傳感器數(shù)量最多的兩種浮標類型[16-17]。除此之外,還有ARVOR、NAVIS、SOLO、NOVA、NEMO、NINJA、S2ASBE等類型。不同的浮標類型,其裝載的溶解氧傳感器及裝載方式都不盡相同,由此,這些BGC-Argo浮標觀測到的溶解氧數(shù)據(jù)的誤差來源也多種多樣。

4330型溶解氧傳感器有兩種裝載方式[5,15]。一種是與CTD傳感器并列裝載在浮標的頂部平臺(圖2a);一種是通過將傳感器加高至天線高度(圖2b),采用水-氣界面連續(xù)測量模式,即在浮標上浮過程中,且傳感器露出水面后,都會連續(xù)測量,所測得的空氣中的氧氣含量可用于傳感器數(shù)據(jù)校正。但目前只有極少數(shù)BGC-Argo浮標采用第二種裝載方式。SBE63型溶解氧傳感器主要用于美國Seabird公司的Navis型浮標,其采用溶解氧傳感器與CTD傳感器中測量海水電導(dǎo)率的水泵相連的設(shè)計方案[18-19],可以最大程度地降低傳感器膜受光分解和生物附著等原因產(chǎn)生的數(shù)據(jù)漂移,但其SBE63傳感器不能伸出水面(圖2c)。

圖2 BGC-Argo浮標上的溶解氧傳感器裝載方式

2 BGC-Argo溶解氧資料統(tǒng)計

本文基于中國Argo實時資料中心經(jīng)質(zhì)量再控制后制作的《全球海洋Argo散點資料集》(ftp://ftp.argo.org.cn/pub/ARGO/global/),選用由BGC-Argo剖面浮標觀測的5～2 000 m海洋上表層的Argo溶解氧剖面,對全球海域及五個試驗區(qū)的溶解氧剖面觀測資料的數(shù)量、觀測密度及類型進行了較全面的統(tǒng)計。

2.1 全球BGC-Argo溶解氧

自2002年開始,攜帶溶解氧傳感器的Argo浮標開始出現(xiàn),2007年以前,由BGC-Argo獲得的溶解氧觀測剖面較少(圖3),每年都不超過5 000條,且2005年以前每年均少于1 000條,2002—2007年的6年間,累積溶解氧剖面數(shù)量約為1萬條。但自2007年開始,各個BGC-Argo區(qū)域海洋觀測網(wǎng)試驗項目陸續(xù)開展,攜帶溶解氧傳感器的Argo浮標數(shù)量大幅增多,所獲得的溶解氧觀測剖面數(shù)量也快速增長,至2014年達到年均最高值(2萬條/每年),之后,隨著BGC-Argo計劃于2016年10月的正式實施,BGC-Argo浮標的布放進入常態(tài)化時期,觀測剖面數(shù)量較之前的集中試驗期有所下降,但也一直保持著每年1.3萬條的觀測剖面。2002—2019年的18年間所獲得的溶解氧剖面數(shù)量共計172 944條,且2007年以來一直以每年約1萬條的速度在增長。

圖3 2002—2019年全球海域溶解氧剖面數(shù)量逐年統(tǒng)計

雖然,截止到2019年底,BGC-Argo溶解氧觀測剖面的已超過17萬條,但其在全球海域的分布具有明顯的不均勻性(圖4)。由于BGC-Argo計劃正式實施距今還不到5年的時間,目前大部分溶解氧觀測剖面仍集中在5個試驗區(qū)。其中,南大洋的碳循環(huán)與氣候觀測模擬項目(the Southern Ocean Carbon and Climate Observations and Modeling project,SOCCOM)實驗區(qū)的經(jīng)緯度范圍約為-180°～180°E,30°～80°S,其18年間的溶解氧觀測剖面總數(shù)為58 699條;北大西洋的海洋遙感生物化學(xué)地球循環(huán)項目(the Remotely Sensed Biogeochemical Cycles in the Ocean project,remOcean)試驗區(qū)的經(jīng)緯度范圍約為80°～180°W,0°～60°N,溶解氧觀測剖面有27 640條;西北太平洋的物理-生物地球化學(xué)綜合觀測實驗區(qū)(the Integrated Physical-Biogeochemical Ocean Observation Experiment,INBOX)(40°～100°E,10°S～25°N)的溶解氧觀測剖面數(shù)為27 823條;而分別位于北印度洋和地中海海域的澳大利亞-印度印度洋聯(lián)合生物Argo計劃、新型Argo觀測系統(tǒng)(the Australia-India Joint Indian Ocean Bio-Argo Project,IO Bio-Argo、the Novel Argo Ocean Observing System,NAOS)試驗區(qū),其溶解氧剖面觀測數(shù)量也分別達到了9 057、11 737條。

圖4 2002—2019年全球海域及5個試驗區(qū)溶解氧資料站位分布

根據(jù)不同浮標類型進行分類統(tǒng)計結(jié)果可以看出(圖5),2002—2019年間,搭載溶解氧傳感器的BGC-Argo浮標可以分為9種(忽略型號差異),由APEX和PROVOR兩種浮標獲得的剖面數(shù)居多(圖5b),均超過6萬條,而且這兩種型號的浮標觀測剖面每年都有,其2011年以后的觀測資料數(shù)量,遠超出其他浮標的溶解氧觀測數(shù)量(5a)。兩者相比,前期(2007年以前)PROVOR浮標較多,2007—2014年,每年布放的APEX型浮標明顯多于PROVOR,而2015年以后PROVOR浮標又大幅增加,至2019年仍多于APEX型浮標。ARVOR、SOLO浮標2010年以前較多(每年溶解氧觀測剖面數(shù)>1 000條),之后幾年的觀測資料數(shù)量逐年減少;而S2ASBE、NEMO浮標的觀測剖面數(shù)則集中在2012、2013、2014年;NAVIS浮標近幾年明顯增多;NINJA、NOVA兩種浮標僅在2015—2017年使用的較多,其總的觀測資料數(shù)量均不超過1 000千條(圖5b)。

圖5 2002—2019年間全球海域各類浮標逐年(a)和多年(b)獲取的溶解氧剖面數(shù)量

2.2 試驗區(qū)BGC-Argo溶解氧

圖6分別給出了五個試驗區(qū)由9類浮標觀測到的溶解氧剖面站位的分布情況。北大西洋(圖6a)以PROVOR浮標的觀測數(shù)據(jù)最多,其次是APEX,這兩類浮標數(shù)據(jù)多數(shù)集中在30°N以北,而該海域也有很多ARVOR、SOLO型浮標數(shù)據(jù)和部分NAVIS型浮標數(shù)據(jù),而SOLO和NAVIS浮標數(shù)據(jù)基本在北大西洋0～15°N的范圍內(nèi)。西北太平洋(圖6b)是五個試驗區(qū)中,浮標類型最多的海域,其囊括了所有類型的浮標數(shù)據(jù),大部分觀測剖面位于日本東部,黑潮延伸體區(qū)域。北印度洋(圖6c)基本以APEX和PROVOR兩種類型的浮標數(shù)據(jù)為主,且PROVOR型浮標觀測數(shù)據(jù)占多數(shù),并且,北印度洋西南部(6°N以南,70°E以西)基本沒有觀測數(shù)據(jù)。地中海(圖6d)基本全都PROVOR型浮標數(shù)據(jù),而南大洋(圖6e)因其實驗范圍較廣,包括的浮標類型相對也較多(6種),APEX和PROVOR浮標數(shù)據(jù)仍占多數(shù),在60°S以南,60°～150°E范圍內(nèi)的極區(qū),SOLO型浮標數(shù)據(jù)分布較為集中。

圖6 2002—2019年五個試驗區(qū)各類浮標所獲得的溶解氧剖面站位分布(a:北大西洋-remOcean;b:西北太平洋-INBOX;c:北印度洋-IO Bio-Argo;d:地中海-NAOS;e:南大洋-SOCCOM)

從五個試驗區(qū)各類浮標的溶解氧觀測數(shù)據(jù)隨時間的變化(圖7)可以看出,北大西洋的remOcean、北印度洋的IO Bio-Argo、地中海的NAOS等三個實驗項目所獲取的溶解氧剖面數(shù)量,均自2013年以后才逐年大幅增長,近幾年每年均多于1 000條觀測剖面,而且主要采用的是PROVOR型浮標(圖7a、圖7c、圖7d),但北大西洋的remOcean項目在2012年之前,采用多種類型的剖面浮標,但每種類型的浮標觀測數(shù)據(jù)均不超過500條。西北太平洋的INBOX和南大洋的SOCCOM兩個實驗項目采用的浮標類型相對較多。其中西北太平洋(圖7b)的觀測數(shù)據(jù)以2011—2016年居多,多數(shù)浮標的觀測數(shù)據(jù)大于1 000條/年,南大洋(圖7e)自2006年開始,每年都有不少類型的浮標觀測數(shù)量超過1 000條,且APEX型浮標的溶解氧觀測數(shù)量自2008年開始,每年都在2 000條以上,甚至達到近4 000條/年。

圖7 2002—2019年五個試驗區(qū)各類浮標所獲得的溶解氧剖面數(shù)量統(tǒng)計(a:北大西洋-remOcean;b:西北太平洋-INBOX;c:北印度洋-IO Bio-Argo;d:地中海-NAOS;e:南大洋-SOCCOM)

3 BGC-Argo溶解氧觀測現(xiàn)狀分析

截止到2019年底,全球海域由BGC-Argo浮標獲取的溶解氧剖面總數(shù)已超過17萬條,在1°×1°的網(wǎng)格內(nèi),約有36.8%的網(wǎng)格點上的觀測剖面數(shù)超過5條(圖8)。特別是五個試驗區(qū)范圍內(nèi),大部分格點的溶解氧觀測密度均大于10條/度,在太平洋的東北部及東南部海域,觀測資料密度也均超過了5條/度。30°～80°S之間的南大洋海域,因其范圍較大,觀測數(shù)據(jù)空間分布相對分散,與其他試驗區(qū)相比,其觀測密度略小,但大部分格點上的觀測剖面數(shù)量也多于3條。

圖8 2002—2019年全球海域溶解氧資料的密度分布

以滿足客觀分析的標準(5條/度),對多年月平均的觀測密度進行統(tǒng)計,如表1所示,在1°×1°的網(wǎng)格內(nèi),每個試驗區(qū)12個月份均約有15%以上的格點,溶解氧觀測剖面數(shù)量超過5條。地中海海域觀測密度最高,每個月都有大于40%,甚至接近1/2的格點上具有較高的觀測密度(>5條/度)。其次是西北太平洋和北大西洋海域,多數(shù)月份有近20%的格點滿足客觀分析的數(shù)據(jù)要求。北印度洋和南大洋觀測密度相對稍小,但每個月也有近15%的格點滿足要求。

表1 五個實驗區(qū)1°×1°的網(wǎng)格內(nèi)逐月的觀測剖面大于5條的格點百分比(%)

4 結(jié)論

BGC-Argo計劃雖然正式實施距今還不到五年時間,但其溶解氧觀測剖面總數(shù)已超過17萬條,并正以每年約1萬條的速度在持續(xù)增長,這是傳統(tǒng)的測站觀測所無法比擬的,且伴隨著近幾十年船載觀測數(shù)據(jù)量的大幅度下降,BGC-Argo浮標儼然已成為全球海洋溶解氧觀測最主要的數(shù)據(jù)來源。

目前,BGC-Argo溶解氧數(shù)據(jù)的空間分布極不均勻,觀測剖面集中分布在五個試驗區(qū)及其周邊海域。地中海因其特殊的地理位置,觀測資料較為集中,其余四個試驗區(qū)也均有約20%的格點,其觀測數(shù)據(jù)已滿足客觀分析的要求。對于中西太平洋、大西洋與印度洋的赤道附近海域,這些數(shù)據(jù)缺測或稀疏區(qū),或許可以作為未來BGC-Argo浮標布放的重點考慮區(qū)域。我國于2019年3月首次布放了2個國際BGC-Argo計劃確定的全部6個生物地球化學(xué)核心參量的“全配置”BGC浮標。由此,自2018年5月起,我國已在西北太平洋海域累計布放了11個攜帶溶解氧傳感器的BGC剖面浮標,并計劃于2019—2020年繼續(xù)布放8個,這為加快建成國際上首個西北太平洋生物Argo觀測網(wǎng),確立我國在國際BGC-Argo計劃中的重要地位和國際話語權(quán)具有重要意義。

除此之外,裝載溶解氧傳感器的BGC-Argo剖面浮標有多個型號。以APEX型和POROVOR型浮標為現(xiàn)今獲取溶解氧資料最多的兩種類型,并且,這兩類浮標已成為近年來BGC-Argo浮標的主要型號。但目前的大量溶解氧觀測數(shù)據(jù)中,仍有較多是由其他7種類型的浮標所獲取的。這些浮標裝載的溶解氧傳感器及觀測方式都不盡相同,其觀測資料所對應(yīng)的觀測誤差也各有特點,這在數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制中應(yīng)當引起注意。