西太平洋深海科学观测网的建设和运行*

深远海数据的连续和实时观测能力建设对海洋与气候预报和海洋环境安全保障意义重大, 世界海洋大国纷纷致力于其关键技术和系统集成的攻关(Cravatteet al, 2016; Fischeret al, 2017)。在中国科学院战略性先导科技专项“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”(以下简称“海洋专项”)的支持下,中国科学院自主建成了国际领先的西太平洋潜标观测网, 现已成功获取西太平洋代表性海域连续3年的温度、盐度和海流等数据, 并在 2016年航次中首次实现了深海观测数据的实时回传, 成功破解了这一海洋观测难题。

深海观测数据的长时间连续积累和实时化传输,将加快我国海洋与气候预报和环境保障业务系统建设步伐, 提升我国深海探测和科学研究能力, 为实施“21世纪海上丝绸之路”倡议、保障国家海洋环境安全提供重要基础支撑。

1　构建西太平洋科学观测网的战略意义

热带西太平洋拥有全球海洋中最大的暖水体——热带西太平洋暖池, 是驱动大气环流系统的主要热源地之一, 是全球最强劲的 Walker环流和Hadley环流的对流中心和上升流分支。暖池在赤道太平洋上东西移动及相应的大气环流变化, 深刻影响厄尔尼诺和南方涛动(El Niño-Southern Oscillation, ENSO)气候现象的发生和发展, 并通过季风系统对我国的气候变化、特别是我国旱涝和冷暖异常等重大气候灾害的形成具有极为重要的影响。热带西太平洋和暖池周边海域的表层和次表层海洋环流复杂、多变, 由数支赤道流和西边界流组成的环流系统, 直接影响和调制暖池自身的变异和暖池区海洋-大气相互作用过程, 同时在海洋纬向和经向的热量和质量输送、热带印度洋-太平洋水交换、南北半球水交换等过程中均起关键作用(图 1,王凡等, 2012, 2016)。

图1　热带西太平洋和暖池区域上层和中深层海洋动力过程概述图Fig.1 Schematic showing dynamic processes in the upper, intermediate, and deep layers of the tropical western Pacific and the warm pool

深海动力过程对全球气候系统年代际和更长时间尺度的变异起决定性作用, 中深层环流对海洋热量的输运和再分配决定全球气候的变化趋势, 在当前全球变暖日趋严重的背景下, 深海动力过程与海洋碳、氮等生源物质循环之间的关系等已成为新的科学前沿。近年来研究指出工业时代以来全球海洋热含量的增加量, 在1950年基本都存储在2000m以浅的水层内, 而在2013年约14%进入了2000m以深的深海大洋(Gleckleret al, 2016)。深层大洋存储热量的增加被认为和全球变暖的停滞密切相关(Trenberthet al,2013), 并也深刻影响我国的气候变异, 关乎我国的国家安全、资源、环境等各方面的核心利益。因此开展深海动力过程观测研究对于解密全球和我国气候系统长期变化至关重要, 同时也孕育着海洋和气候学研究中的重大理论突破和发现。

与此同时, 热带西太平洋毗邻我国, 是我国战略性物资的主要海上运输通道之一, 是我国近海动力环境和生态环境变化的重要外部驱动因子, 对我国经济社会平稳发展和国家安全保障至关重要, 是我国海洋核心利益的重要组成部分。开展热带西太平洋上层和中深层海洋环流的系统科学调查研究, 不仅可以扩展和提升我国海洋环境综合保障能力, 还可促进海洋科学发展、服务我国气候预测与防灾减灾需求。随着我国国力的日益提升和国家利益的不断拓展,作为我国从近海挺进大洋的必由之路, 热带西太平洋成为我国必须重点关注的海域。因此, 在“一带一路”倡议和深海战略的实施中, 迫切需要对大洋全水层海洋动力过程进行长期、系统、综合的观测, 掌握西太平洋的海洋环境、特别是水文和动力过程的变异规律, 具有毋庸置疑的重要性和紧迫性！

2　西太平洋科学观测网的规模和内容

中国科学院战略性先导科技专项“热带西太平洋海洋系统物质能量交换及其影响”于 2013年启动, 构建西太平洋科学观测网是专项的重点任务之一。西太平洋科学观测网的建设目标是实现对西太平洋赤道主流系及其与西边界流关联区、中深层环流大规模同步连续现场观测, 填补国际上在西太平洋赤道流系和中深层环流同步观测的空白。2013年, 项目组对科学观测网进行了顶层设计和系统规划。2014年, 项目组开始组织实施西太平洋综合考察航次, 进行了大规模的深海潜标布放和大面站综合调查作业。2015年, 西太平洋综合考察航次成功进行了第一次潜标数据回收,并进行了设备维护和潜标的再布放, 标志着科学观测网初步建成。2016年, 西太平洋综合考察航次再次成功实现了潜标的维护和数据回收, 标志着科学观测网已经实现稳定运行, 并成功进行了深海潜标数据的实时化传输升级, 破解了这一海洋观测技术难题。

图2　2014—2016年(自左向右)西太平洋综合考察航次站位Fig.2 Research stations in the western Pacific cruises in 2014, 2015 and 2016

图3　西太平洋科学观测网潜标位置图Fig.3 Locations of subsurface moorings in the western Pacific

3年来, 西太平洋综合考察航次总航程25519海里, 科研人员共成功布放和回收潜标 73套次, 建成了由16套深海潜标组成的我国西太平洋科学观测网并实现稳定运行, 获取西太平洋代表性海域连续3年的温度、盐度和洋流等数据。16套深海潜标主要分布在130°E断面北赤道流的流轴上、140°E和142°E断面北赤道逆流的流轴上、雅浦-马里亚纳海沟连接区等(图3)。图4给出了西太平洋科学观测网潜标的典型结构图。在400m左右, 潜标主浮球装载了两台分别向上和向下测量的75kHz多普勒流速剖面仪, 用于获取表层至 1000m左右的三维流速的高时空分辨率变化数据。在1000m以深以500m左右为间隔布放了若干单点海流计, 用于获取大洋中深层流速的连续变化数据。在400m以深配置了若干温盐深仪, 用于获取大洋水体温度和盐度的连续变化数据。在潜标底部配置了 2—3台声学释放器, 实现潜标的测距、定位和回收。通过和国际同行潜标观测比较, 我国西太平洋科学观测网首次实现了对西太平洋上层赤道流系及其与西边界流关联区、中深层环流的同步观测,其中上层海流观测的垂直分辨率达到 8m, 中深层海流和温度盐度观测的垂直分辨率达到 500m, 全部要素的观测时间分辨率达到1小时。我国西太平洋潜标网观测的时空分辨率已达到国际领先水平。

3　西太平洋科学观测网的建设和运行技术

西太平洋科学观测网的建设和运行具有三个主要特点。一是稳定, 3年来潜标布放成功率100%, 回收成功率96.6%。二是高效, 16套潜标800余件观测设备的回收和再布放、70余个综合站位的调查历时54天完成, 工作效率实现历史性飞越。三是活力, 建立了一支成熟可靠、年轻有为的专业科考团队, 航次首席队长平均年龄34岁, 科考队员平均年龄29岁。西太平洋科学观测网的建设和维护实现稳定和高效,一是得益于形成了一支有活力的海洋观测团队, 二是得益于建立一整套行之有效的潜标观测网建设和维护工作流程。我们基于大数据分析, 量化评估各项工程技术指标, 用于科学计划, 优化设计, 合理采购, 理顺流程, 提高效率。经过三年多的建设和运行, 我国的西太平洋科学观测网实现了建设与维护批量化、标准化和常态化, 可为我国大洋观测网建设提供示范。

图4　西太平洋科学观测网潜标结构Fig.4 Schematic diagram of the configuration of the subsurface mooring in the western Pacific

图5　2016年各潜标站位布放设备类型和数量统计(上)、潜标设备密度和布放速度统计(中)、以及潜标设备密度和布放速度的线性拟合关系(下)Fig.5 The type, position, and number of subsurface moorings deployed in 2016(upper); instrument density and deployment velocity statistics(middle); and the linear correlation between instrument density and deployment velocity(bottom)

以下给出西太平洋科学观测网建设和运行技术几个例子。图5上图给出了2016年14套潜标布放设备类型和对应的数量、以及布放地点水深等信息。2016年西太航次累计布放潜标设备803件, 平均每套布放 57件, 每套潜标包含的设备数量和布放地点的水深成正比。图5中图给出了每套潜标的设备密度(即每米的设备数量)和潜标布放速度的关系图, 从图上可以看出布放速度和设备密度成反比, 进一步计算得到线性拟合关系式, 两者相关系数的平方达到0.7(图5下图)。通过这一统计关系式, 我们就可以根据每套潜标设计的设备密度, 合理安排作业时间, 有效掌控整个航次的作业进度和安排。

每套潜标在布放前首先根据科学目标设计设备数量和布放深度, 初步设计完成后将对潜标布放在海水中的姿态进行仿真计算, 分别考虑在布放地点气候态流速下、5倍、10倍、20倍和50倍气候态流速下的潜标姿态(图 6), 确保在极端流速环境下, 潜标仍可以锚定在原位置, 并能保证潜标在海水中的姿态正常, 所有观测设备在正常耐压深度范围内。

4　西太平洋科学观测网的实时传输技术

深海数据的实时传输对海洋预报系统的完善和科研成果的加速产出意义重大, 各国纷纷致力于研究攻关。上世纪 90年代, 海洋卫星技术的发展实现了海洋表层数据的实时传输。例如1992年美法合作发射了 TOPEX/Poseidon卫星, 科学家实现了实时获取海洋表层流场和海表面高度场等数据。1982—1983年强厄尔尼诺事件及其引起的全球气候灾害, 使科学家开始关注热带太平洋海气相互作用和海洋上层海洋动力过程。随后, 美国太平洋海洋环境实验室历经10余年的建设, 于1994年建成了70套浮标组成的赤道太平洋浮标阵列, 后 2000年日本海洋地球科学技术中心加入, 称为TAO/TRITON浮标阵列, 该阵列提供了实时的海气通量和上层100m左右海洋温度等数据, 为监测、预报和理解厄尔尼诺和拉尼娜海洋气候现象做出了贡献。海表和海气界面的观测数据实现实时传输后, 海洋学家亟待解决深海数据的实时传输问题, 这对提高气候预报精度具有重要意义。

深海潜标最上面一个浮体距离海平面还有四五百米, 这些数据很难穿透海水传输到卫星上。如何实现潜标观测、数据水下采集和传输、卫星通信等多系统集成, 并设置好其工作程序, 降低功耗实现长时间稳定工作是深海数据实时传输的难点。海上现场作业具有很大的不确定性和工程难度, 潜标的布放是一个压力和张力快速变化的过程, 如何在这一过程中保证实时传输系统设备的正常工作是另一个难点。

图6　在布放地点气候态流速下、20倍和50倍气候态流速下(从上至下)潜标姿态仿真计算Fig.6 Simulation of mooring postures when subjected to 1×, 20×, and 50×climatological current velocity of the deployment locations(from top to bottom)

针对上述问题, 中国科学院海洋研究所联合中国科学院声学研究所组织开展了技术攻关, 研发了潜标数据采集、无线水声通信传输、水面实时通讯、潜标布放等一系列技术方案。在 2016年航次中, 科考队员在其中一套潜标系统安装了水面实时传输浮体, 深海观测数据首先进行成功采集后, 将通过无线水声通信方式传输给水面浮体, 水面浮体再将其发射到卫星上, 卫星反馈回陆地实验室。最终, 无线实时数据传输的方案获得了试验成功。截至 2017年 9月, 深海数据已成功连续实时回传260余天, 深海数据的成功回传率在 95%以上, 创造了国内外有明确文献记录的实时获取深海数据的最长工作时间。图7给出了 140°E赤道站位大洋上层 1000m纬向流速的实时回传数据。

通常潜标观测数据每年只能采集一次, 科考船前往潜标站位后, 科考队员向位于潜标底部的声学释放器发射指令, 使潜标系统释放并上浮至海表面,再将潜标系统回收至船甲板, 通过电脑连接设备进行数据的回收。而深海潜标数据实现实时传输后, 科学家和业务用户可以通过电脑或手机终端实时掌握深海大洋的动力状况, 对深海数据的查看模式从“录像回放”变成了“现场直播”。

图7　142°E赤道站位大洋上层1000m纬向流速的实时回传数据Fig.7 Real-time transmission of time-depth variation of zonal velocity in the upper 1000m at 0°, 142°E. Red and blue denote eastward and westward currents

5　西太平洋科学观测网已取得的数据

3年来, 西太平洋综合考察航次共完成大面观测站位270余个(图2), 获取原始观测数据100多个GB,调查内容实现了多学科、多尺度、多水层全覆盖, 更加突出对 2000m以深深层大洋的加密观测, 最深观测深度达到 6000m。16套深海潜标获取了西太平洋代表性海域连续3年的温度、盐度和海流等数据, 潜标累积获取观测数据量达到约25个GB。图8给出了其中一套潜标观测获取的西太平洋上层 1000m内纬向流速的时间-深度变化。图 9给出了其中一套潜标观测获取的 1000m以深中深层纬向和经向流速的时间变化。

6　西太平洋科学观测网应用和展望

西太平洋科学观测网数据成功回收后, 中国科学院海洋所正在建设和完善深海数据实时接收、集成与挖掘平台, 实现潜标数据的实时接收和数据统计分析, 可对深海长时序环境数据进行动态模拟和展示, 提供深海环境保障基础信息服务。2017年 6月,中国科学院海洋研究所、国家海洋环境预报中心和中国科学院大气物理研究所三方签署了“西太平洋深海实时化潜标观测数据使用战略合作协议”, 依托各自在相关领域的优势, 对深海实时化观测数据进行了拓展性应用。国家海洋环境预报中心主要负责应用西太平洋实时化潜标观测数据, 将该资料与现有深远海海洋环境预报模式相融合, 及时修订温盐流和短期气候预报产品, 提高海洋环境预报精准度, 提高国家海洋环境安全保障能力。中国科学院大气物理研究所主要负责利用西太平洋实时化潜标观测数据发展和改进海洋动力模式, 开展深海海洋环境参数化和模式数据同化等研究, 对现有潜标站点进行评估。两方将根据数据使用情况向中科院海洋所提供关于西太平洋科学观测网优化和升级的建议和意见。

图8　142°E赤道站位潜标在2014年8月—2016年12月观测的上层1000m范围内纬向流速Fig.8 Time-depth variation of zonal velocity in the upper 1000m at 0°, 142°E

图9　15.5°N, 130°E站位潜标在2014年9月—2015年9月观测的中深层流速变化, 蓝色表示纬向流, 红色表示经向流。Fig.9 Time series of zonal (blue) and meridional (red) velocities at various depths of deep ocean at 15.5°N, 130°E

西太平洋科学观测网数据的连续积累和实时获取将产生如下几方面的重要意义。一是将为探索研究热带西太平洋环流的三维结构、暖池变异及其对气候变化的影响提供宝贵数据资料, 提升我国海洋探测和深海科学研究能力。二是将加速我国海洋预报和环境保障新业务系统的完善, 提升我国海洋环境和气候的预测能力。三是将满足海洋强国建设、“一带一路”倡议的实施对海洋环境安全保障的重大需求。“十三五”时期, 我国正全面推进深海进入、深海探测和深海开发的深海战略, 深海科学观测网建设技术和深海数据实时传输技术对我国深海探测能力的提升意义重大。

几十年来, 北美和日本等发达国家一直在进行大洋观测网的建设和维护。TAO/TRITON阵列自1994年建成后, 由美国太平洋海洋环境实验室和日本海洋地球科学技术中心至今维护了23年。加拿大贝德福德海洋研究所建设的用于监测大西洋经向翻转环流和全球气候变化的北极区拉布拉多海 AR7W 观测断面, 自1990年以来至今已坚持维护了27年。这些观测网络不但为全球气候变化研究提供了数据支撑,还增加了这些国家在全球气候变化政策制定和科学研究中的话语权。

通过中国科学院战略性先导科技专项的实施,我们国家的西太平洋深海观测网已经成功实现了“弯道超车”, 上世纪国外科学家建立了海洋表层和海气界面观测网并实现了数据的实时传输, 而在本世纪中国科学家没有再次将解决海洋观测技术难题的机会拱手相让, 成功实现了深海数据的实时传输, 并连续获取了高质量高时空分辨率的深海数据。

深海大洋不只是人类了解地球亟待填补的空白,也是国家资源和安全保障之所系。我国要自主建设深海大洋观测网, 并使其长期运行, 这是一个国家综合国力的体现, 需要大量的人力投入和长期持续的经费支持。

王 凡, 汪嘉宁, 2016. 我国热带西太平洋科学观测网初步建成. 中国科学院院刊, 31(2), 258—262

王 凡, 胡敦欣, 穆 穆等, 2012. 热带太平洋海洋环流与暖池的结构特征、变异机理和气候效应. 地球科学进展,27(6):, 595—602.

Cravatte S, Kessler W, Smith Net al, 2016. First report of TPOS 2020. GOOS-215, 200, http://tpos2020.org/first-report

Fischer A, Lindstrom E, Johnson G Cet al, 2017. Consultative draft V5-1: deep ocean observing strategy. GOOS, 55,http://www.deepoceanobserving.org/reports/consultative-rep ort

Gleckler P J, Durack P J, Stouffer R Jet al, 2016. Industrial-era global ocean heat uptake doubles in recent decades. Nature Climate Change, 6(4): 394—398

Trenberth K E, Fasullo J T, 2013. An apparent hiatus in global warming? Earth’s Future, 1(1): 19—32