BGC-Argo浮标观测在海洋生物地球化学中的应用

邱国强，王海黎*，邢小罡

(1．近海海洋环境科学国家重点实验室(厦门大学)，福建 厦门 361102；2．国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室，浙江 杭州 310012)

海洋中的生物地球化学过程和物理过程是紧密耦合在一起的，物理过程决定着海洋生物生存环境、初级生产、渔业资源、生态结构、生物地球化学循环等，同时生物地球化学过程在一定程度上也会影响物理过程.海洋物理强迫及其引起的生物地球化学响应体现在不同时空尺度上，在时间尺度上从昼夜、天气(如台风、沙尘暴等)、季节、年际到气候尺度，在空间尺度上从次中尺度(如锋面、涡丝)、中尺度(如涡旋、沿岸上升流)、海盆尺度到全球尺度等(图1)[1].理解和预测这种耦合关系，需要同步观测大量的生态及物理数据，传统观测主要通过船载平台或遥感手段实现，而这两种方式都有一定的局限性[2].船载平台采样数据精度较高，但是时间分辨率不足，很难描述完整的季节变化，且在极端天气(如台风)或边缘海区(如极地)条件下难以实现，此外船载观测时人物力花费巨大，成本较高.在过去40年，海色遥感技术快速发展，具备了在大时空尺度上对生物地球化学的观测能力[3].典型的海色传感器，如中等分辨率成像光谱仪(moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS)，空间分辨率可以达到1 km；静止轨道海色传感器(geostationary ocean color imager，GOCI)时间分辨率可以达到1 h[4]；海岸带高光谱成像仪(hyperspectral imager for the coastal ocean，HICO)光谱分辨率达到5.7 nm，空间分辨率达到90 m[5].但是海色遥感也存在很多缺陷：首先，遥感不是直接观测，而是通过遥感算法计算得到，其算法的建立和验证需要大量现场观测数据；其次，遥感只能获得海洋表层信息，无法直接得到剖面数据；再者，海色遥感受云层影响严重，在任何时刻，70%的海洋表面都被云层覆盖，实际得到的有效数据较少.这种观测能力的不足制约了人们对海洋生物地球化学过程的理解，因此还需要发展新的观测平台.

实时地转海洋学列阵(array for real-time geostrophic oceanography，Argo)计划是物理海洋学家于20世纪末提出的一个全球海洋观测计划，通过布放3 000 套剖面浮标(也称为Argo浮标)组成阵列，实时观测全球海洋上层2 000 m的温盐数据，以提高气候模式的模拟与预报精度[6-7].Argo计划自实施以来发展迅速，目前每年新投放浮标达到800套以上，并维持3 800 套以上正常运行的状态，每年可获得超过14万组剖面数据，提供了全球95%的温度和盐度观测数据，极大地丰富了海洋观测数据(图2).随着技术发展，一些微型、低功耗的物理、生物、化学传感器被研发出来，将这些传感器加载到Argo浮标上，形成能同步观测物理和生物地球化学参数的生物地球化学剖面浮标(biogeochemical Argo float，BGC-Argo浮标)，如图3所示.这种新型的海洋自主观测平台为海洋生物地球化学的现场观测带来了技术上的重大飞跃[2，8].同传统观测方式相比，BGC-Argo浮标具有3个显著的优势：1) 可以在船舶不易观测的极端海况(如台风、南极西风带)和极端海区(极地、冰下)条件下进行自动化观测；2) 能进行长期观测，覆盖昼夜、天气、季节以至年际的连续时间尺度；3) 具有很高的垂向分辨率，最高可达0.2 m.BGC-Argo浮标同船载平台和遥感观测手段相互补充，为物理-生物地球化学耦合研究提供了一个重要的数据来源[2，9-11].截至2018年3月投放的BGC-Argo浮标已经超过600套，仍然活跃的数量为314套，主要集中在北大西洋、印度洋和南大洋区域(图2)，虽然和仅配置物理传感器的核心Argo浮标相比数量仍然较少，但应用前景广泛，是Argo计划的重要组成部分和发展方向.

黄色阴影部分为BGC-Argo浮标观测尺度.

1 工作原理和科学目标

BGC-Argo浮标工作原理同核心Argo浮标一样，其上浮和下沉运动通过调节外部油囊体积来实现.当油从内部油泵压入外部油囊时，浮标因浮力增大开始上浮；反之油从外部油囊注回时，浮标开始下沉.图3显示了浮标的工作流程：浮标平时停留在1 000 m等密度层随深层洋流做中性漂流，达到程序设定时间后先下沉到2 000 m，然后在上升阶段观测数据，当浮标到达海面时通过卫星将数据传回地面，然后接受新的指令，再次下沉到1 000 m，开始下一个循环.上浮速率约10 cm/s，剖面观测时间约6 h，最高采样率可高于0.2 m.观测深度、周期、采样率等参数都可自主设定，并根据科学任务实时做出调整.

图片来源：http:∥www.jcommops.org.

图片来源：http:∥www.argo.ucsd.edu，http:∥www.seabird.com.

BGC-Argo浮标的科学目标是为海洋生物地球化学研究提供大量高垂向分辨率的剖面数据.除了温度和盐度，BGC-Argo浮标还可观测一系列生物地球化学参数，如叶绿素a(chlorophyll-a，Chl-a)浓度、有色可溶性有机物(colored dissolved organic matter，CDOM)荧光、溶解氧含量、硝酸盐浓度、颗粒物后向散射系数(particulate backward scattering coefficient，bbp)、颗粒物衰减系数(particulate beam attenuation coefficient，cp)、下行辐照度以及pH等.海洋光学性质取决于水体中光学活跃成分的浓度、粒径和种类，同生物地球化学参数有密切联系.海洋中颗粒有机碳(particulate organic carbon，POC)浓度同cp和bbp都有很好的统计关系，cp和bbp都可用来反演POC浓度[12].海洋中浮游植物碳含量(phytoplankton carbon biomass，Cphy)与海洋初级生产、碳循环、气候变化直接相关，其占POC浓度的比例在局地海区相对稳定[13]，因此在一阶角度上cp和bbp也可用于估算Cphy[14-16].基于米散射理论，bbp和cp反映了两种不同粒径类型颗粒，粒径较小(<1 μm)的非活性颗粒决定着bbp，而粒径较大(>0.5 μm)的颗粒决定着cp[17-18]，因此在二阶角度上，bbp与cp的比值携带着颗粒物组分信息[19].溶解氧是海洋生态和生物地球化学中的一个重要参数，可以用来研究海洋通风和环流[20-21]、海洋新陈代谢[22]、海气交换[23]、溶解氧最小值区(oxygen minimum zones，OMZs)变异[24]等.Chl-a、溶解氧、硝酸盐的浓度、bbp和cp还可用来估算海洋净初级生产力(net primary productivity，NPP)和净群落生产力(net community production，NCP)或输出生产力(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可以由硝酸盐吸收率[28]、氧气质量平衡模型[26]或生物量累积[25]等方式估算.根据漂流期间cp的增长速率可以估算碳通量指数(carbon flux index)，将其与沉积物收集器数据比较，可直接得到中深层海洋(200～1 000 m)的输出通量[29].光学bbp或cp剖面信号经常会出现较大的尖刺(spike)，这些信号与颗粒物的聚集有关，并非传统认为的噪声，根据这些尖刺信号可以估算颗粒物的沉降速率[30].颗粒无机碳可以由改装的透射率仪观测的双折射信号来估算，该类型传感器在BGC-Argo浮标上已有实验[31]，将来技术成熟后会拓展BGC-Argo浮标在海洋生物地球化学上的应用.pH在海洋碳酸盐体系中占据重要地位，可用于碳酸盐系统的季节变化以及海洋酸化问题研究[32-33].此外，BGC-Argo浮标数据还可用于标定与验证卫星海色遥感产品，或与遥感数据结合建立四维时空数据库，也可用于验证与同化海洋生物地球化学模型.

2 在季节及年际尺度过程的应用

2.1 海洋浮游植物生物光学关系及其生理状态调整

传统上浮游植物量一直用其细胞内的Chl-a浓度来表征，但是Chl-a浓度会随着光照、温度、营养盐等环境因子变化，并不能很好地反映其生物量.当光照减弱且营养盐充足时，浮游植物会增加细胞内Chl-a浓度来更加有效地利用光能；而当营养盐浓度降低时，浮游植物会降低细胞内Chl-a浓度[34-35].这种生理调整导致Chl-a浓度与Cphy的比值变化可能跨越一个量级[36].已有研究表明，bbp和cp都能很好地反映Cphy[14，16].BGC-Argo浮标能同步观测Chl-a浓度和bbp或cp，这为浮游植物生物光学关系及生理状态调整的研究提供了非常好的平台.基于投放在北大西洋副极地海区2套BGC-Argo浮标的2年观测数据，Xing等[11]发现海洋上层Chl-a浓度、bbp和cp三者之间有着非常好的相关性，建立的生物光学关系同前人基于船载平台观测的结果一致，在季节变化上三者都呈现冬低夏高的趋势，并且Chl-a浓度与cp的比值有明显的光照依赖性，意味着在高纬度区域浮游植物也存在光适应性现象.基于投放在全球海洋的105 套BGC-Argo浮标观测的8 500组剖面数据，Barbieux等[37]分析了不同深度、区域和季节Chl-a浓度和bbp的关系，结果表明在高纬度区域二者有着非常好的耦合关系，在低纬度区域二者的关系较弱，Chl-a浓度受到海洋中颗粒物组成和浮游植物光适应性两方面共同调控.

2.2 浮游植物叶绿素垂向分布

研究浮游植物Chl-a浓度的垂向分布对估算上层海洋辐射传输、浮游植物总生物量、初级生产力、碳循环都有重要意义，此外，建立Chl-a浓度垂向分布同表层Chl-a浓度的关系可以拓展遥感应用[38].在绝大多数上层混合较弱的区域，Chl-a浓度的垂向分布是不均匀的，在50～200 m处存在一个次表层最大值(subsurface chlorophyll maximum，SCM)[10，39].SCM的形成和维持是多种机制共同作用的结果，包括表层的营养盐限制与深层的光照限制在SCM深度位置达到平衡形成的浮游植物最佳的生长环境、生理调整或物理混合引起的浮游植物迁移或聚集、浮游植物光适应性、浮游动物捕食等因素，其中光照和营养盐的垂向分布是最主要的影响因素[39].BGC-Argo浮标能够测得Chl-a浓度剖面数据，同时光学数据bbp或cp可以用来估算Cphy，还能观测浮游植物生长所需的光照和硝酸盐浓度，得到的物理数据可以估算上层海洋的垂向混合状态，因此BGC-Argo浮标非常适合浮游植物的垂向分布研究.基于投放在太平洋副热带海区和地中海的4套BGC-Argo浮标观测资料，Mignot等[10]分析了真光层内生态动力机制，结果显示浮游植物具有光照依赖性，在真光层底部，SCM深度同等光照线吻合得非常好，其季节变化主要受光驱动(light driven)；在真光层上部，Chl-a浓度总是在冬季增大，这由浮游植物本身生物量增长和生理响应共同贡献.此外在光照较强的夏季，SCM深度较深，接近硝酸盐跃层，对应的Chl-a浓度也较高.

2.3 浮游植物藻华机制

藻华是指浮游植物在某个季节迅速增加的现象，如北大西洋浮游植物在春季爆发，即著名的春季藻华[40]，而在低纬度区域如南海，藻华通常发生在冬季[41].浮游植物藻华的发生机制到目前仍有较大争议，主流的理论有经典的临界深度理论(critical depth hypothesis)[40]，基于临界深度理论发展出的临界湍流层理论(critical turbulence hypothesis)[42]和稀释再耦合理论(dilution recoupling hypothesis)[43].临界深度理论的基本观点是当混合层深度浅于临界深度时，水柱内光合作用大于呼吸作用，浮游植物发生累积，其中，临界深度(critical depth)定义为其上方至海面的整个水体的碳生产量与消耗量(包括浮游植物的呼吸作用、沉降和其他消耗项)相等的深度.现场观测发现，北大西洋春季藻华发生在水体层化之前，并不符合混合层首先变浅的假设.临界湍流层理论认为基于温度密度计算的混合层很深，但真正的有效混合深度(mixing layer)可能较浅.这两种理论都是基于物理过程(混合或对流)将营养盐带到海洋上层，进而促进浮游植物增长.稀释再耦合理论则主要考虑了浮游动物的捕食作用，认为冬季强烈的混合作用改变了浮游生物在混合层内的垂向分布，打破了浮游植物-浮游动物的耦合关系，导致浮游植物量在冬季就开始增加[43].

BGC-Argo浮标同时搭载物理和生物光学传感器，能得到长时间序列的观测数据，便于分析浮游植物的季节变化特征.针对北大西洋春季藻华现象，于2008年在冰岛海盆投放了一套BGC-Argo 浮标并得到了大量观测数据，发现藻华触发机制为光照增强和上层海洋层化加强，而层化主要是由涡旋引起的[44].同样是基于BGC-Argo浮标的现场观测，Behrenfeld等[45]发现水柱积分的Chl-a浓度和bbp都是从冬季开始增大，支持稀释再耦合理论的假设.浮游植物藻华机制的争议主要源于观测数据的不充分，当搭载更多传感器(如硝酸盐、湍流)的BGC-Argo浮标应用后，这一问题会越来越清晰.

2.4 海洋碳循环

有机碳从上层海洋输运到深层，即生物泵过程(biological bump)，对全球碳循环和气候变化有重要影响[46].在稳定的海洋状态下，上层海洋的EP等同于其NCP.经过空气定标后，溶解氧平均误差可控制在0.1%[47]，在风速较小的低纬度海区，氧气平衡方法为NCP最佳测量手段[26].此方法需要长时间序列的剖面数据，在海洋连续站已有着很好的应用[48].BGC-Argo浮标突破了时间空间上的限制，极大地拓展了低纬度海洋NCP的观测能力.Yang等[26]根据投放在太平洋不同位置的BGC-Argo浮标估算其NCP，其中西北副热带区域年累积NCP同东太平洋结果相近，均约为2 mol/(m2·a)，而南太平洋区域年累积NCP接近0，意味着在南太平洋区域上层海洋碳输出通量可以忽略不计；同遥感估算NCP相比，BGC-Argo浮标估算的NCP在北太平洋偏高，在南太平洋偏低.

2.5 海洋脱氧过程

随着全球变暖，上层海洋层化现象加强，海洋中溶解氧呈现降低趋势，开阔大洋的脱氧作用(deoxygenation)不断增强，OMZs范围不断扩大，且大部分发生在北太平洋和热带海洋的温跃层以下[49-50].海洋脱氧加强反硝化作用，会生成温室作用更强烈的气体N2O，同时硝酸盐作为呼吸作用的替代受体也会被快速消耗，对海洋碳、氮循环和其他生物地球化学过程产生重大影响[8，49].模型结果表明，到21世纪末全球海洋氧储库将降低1%～7%[51]，对生物地球化学过程和气候影响甚至体现在千年尺度上[52].通过常规船载手段观测和分析OMZs的变化是非常困难的，而BGC-Argo浮标能同步观测溶解氧、硝酸盐和POC的浓度，为海洋脱氧的研究提供了一个非常好的平台.

2.6 海洋通风和模态水

海洋对大气强迫的响应体现在不同的时空尺度上，在年际尺度上的响应深度可达到主温跃层以下的中深层.在一些特殊区域(如极地海区)，上层海洋因为温度降低或盐度增大导致密度较大，通过深对流生成中层水或模态水[53].模态水是温跃层通风的结果，影响着海洋温盐结构、大洋径向翻转流(meridional overturning circulation，MOC)等物理过程，也影响着海洋生物地球化学过程，如亚南极水(Subantarctic mode water，SAMW)和南极中层水(Antarctic intermediate water，AAIW)极大地促进了人为排放CO2的吸收[54]，也是中深层水溶解氧的主要来源，调节着OMZs的含氧量[55]，同时也是温跃层营养盐的主要来源[56].除了常规的温度和盐度，一些化学参数(如溶解氧和CDOM)也可以用来示踪中深层水团.2003年投放在拉布拉多海的一套BGC-Argo浮标观测到溶解氧的季节变化，在强烈通风阶段上层1 400 m内溶解氧总量增加17 mol/m2，海洋如同做了一个“深呼吸”[20].船载观测大西洋、太平洋和印度洋的CDOM垂向分布结果表明，大洋径向CDOM垂向分布除受生物地球化学过程(如异养活动和光漂白)影响外，主要受到MOC制约，证实CDOM可示踪中层水团、主温跃层、深层海洋环流[57].在全球海洋变暖的背景下，海洋通风和MOC也变得更加复杂[58]，BGC-Argo浮标能同时观测物理(温度、盐度)和化学(溶解氧、CDOM)变量，能为研究此问题提供更为完善的现场观测数据.

3 在天气尺度或中尺度过程的应用

3.1 大气沉降过程

开阔大洋对全球海洋生产力的贡献超过75%[59]，来自底层的营养盐并不能维持上层海洋初级生产活动[60]，大气沉降过程包括沙尘暴和火山爆发等，是营养盐一个非常重要的来源[61-63].大气沉降不仅带来了浮游植物生长必需的营养盐，还带来了痕量元素铁[61，64].铁能提高浮游植物的硝酸盐吸收效率[65]，尤其是在高营养盐低叶绿素(high nutrient low chlorophyll，HNLC)海区加铁能极大地促进浮游植物的生长[61].2001年4月，投放在北太平洋的2套BGC-Argo浮标观测到沙尘暴过后上层海洋生产力增加的现象，但是只持续了2周，比通常认为的时间要短得多，此外Chl-a浓度增加了20%而POC浓度增大了1倍，浮游植物的光合作用效率提高很多，这是其他观测方式很难观测到的现象[9].在全球变暖趋势下，上层海洋层化加强会抑制垂向混合，降低底层营养盐对上层的补充，大气沉降作用会逐渐显著[66].目前海洋对大气沉降活动的响应研究主要依靠卫星遥感，船载观测记录非常稀少，在BGC-Argo浮标出现之前，船载观测甚至从未获取到大气沉降的时间序列数据.BGC-Argo浮标具备在局地海区进行长时间连续剖面观测的能力，且观测频率可随时调整，这种垂向连续观测能力与灵活的观测模式将会大大增加对大气沉降现场观测的机会，特别是可用于量化大气沉降过程对海洋生态系统的影响深度、对垂向总生物量的影响程度，以及影响的时间尺度.

3.2 台风过程

台风会带来强烈的垂向混合、上升流和夹卷，加深混合层，降低海表面温度，还会引起近惯性震荡，对海洋物质、热量和能量交换有较大影响[67].台风把底层的营养盐带到真光层内，可促进浮游植物光合作用，提高了Chl-a浓度、NPP和固碳能力[68].2000年7月中等强度台风Kai-Tak经过南海后，表层Chl-a浓度增加30倍，大约固碳0.8 Mt， 约占南海年新生产力的2%～4%[69].另一方面，很多研究发现台风并不一定引起浮游植物增长.Hu等[70]发现台风Dennis经过墨西哥湾北部后，在浅水区域表层Chl-a浓度增大，但在深水区域表层Chl-a浓度几乎没有变化.Lin等[71]总结了西北太平洋2003年全年11个台风的影响，发现只有2个台风引起了浮游植物增长，不是每个台风都能将底层营养盐有效地输运到上层，其输运能力取决于上层海洋的层化状态、台风强度及移动速度等，认为西北太平洋台风对全球海洋固碳的贡献非常小.台风对海洋生物地球化学的影响体现在很多方面，不仅是浮游植物，还包括上层海洋溶解无机碳[72]、海气界面气体交换(如氧气)[73]以及渔业资源[74].受到观测手段限制，对台风过程引起的生物地球化学变化的认识仍然不够充分，尤其是台风经过时的即时响应.Argo浮标能在任何天气状况下工作，目前已有大量研究利用核心Argo浮标数据分析台风引起的物理响应[75-76].搭载多传感器的BGC-Argo浮标不仅能记录台风引起的物理响应，还能同时观测生物地球化学响应.Chacko等[77]通过一个投放在孟加拉湾的BGC-Argo浮标观测到2014年热带气旋Hudhud过境时Chl-a浓度垂向分布的变化过程，发现卫星遥感观测到的表层Chl-a浓度升高现象实际包含了两个同步过程：1) 次表层Chl-a被混合作用夹卷到表层的物理过程，2) 表层营养盐的补充从而促进浮游植物生长的生态过程.随着浮标投放量的逐渐增多，未来对于台风事件的海洋学研究将主要依赖于BGC-Argo浮标平台，其海量的观测数据不仅可用于证实(或证伪)基于卫星遥感和数值模式的研究结论，还可能发现新的海洋学现象，从垂向分布的角度更全面地量化台风引起的海洋生态响应，并可用于台风模型的参数优化.

3.3 中尺度涡过程

中尺度涡是海洋环流中普遍存在的现象，影响着上层海洋的温盐结构和环流特征，通过对营养盐的垂向输运影响着上层海洋生物地球化学过程[78-81].基于遥感数据分析，中尺度涡对表层Chl-a的影响机制可概括为4类：涡旋抽吸(eddy pumping)、涡旋-埃克曼抽吸(eddy-Ekman pumping)、涡旋水平输运(eddy advection)和次中尺度抽吸(sub-mesoscale pumping)[80].涡旋抽吸为涡旋运动引起的内部升降流，气旋涡将底层营养盐带入真光层促进浮游植物增长，反气旋涡则会抑制浮游植物增长[79]，因此涡旋抽吸被认为是最重要的动力过程，其引起的垂向流速普遍认为要高于涡旋-埃克曼抽吸引起的流速[81-82].涡旋水平输运由涡旋旋转运动造成，导致表层Chl-a浓度分布不均匀[78，80].次中尺度抽吸主要是非线性过程造成的，会引起很大的垂向速度，对表层Chl-a浓度也有重要影响[83].中尺度涡的动力过程非常复杂，之前的大多数研究都依赖于遥感表层的Chl-a浓度，缺乏必要的垂向剖面观测，各个动力机制对生物地球化学的影响也有很大争议.投放在北大西洋的一套BGC-Argo浮标捕捉到了一个反气旋涡，表层的Chl-a浓度和bbp只有微弱的增加，但是垂向积分的bbp却有着极大的增加，意味着在这个反气旋涡中有大颗粒物向深层沉降，但是遥感观测的表层Chl-a浓度几乎没有变化，这也说明只有遥感观测时会漏掉重要的垂向信息[84].在冬季南印度洋副热带区域，海色遥感也经常观测到反气旋涡表层Chl-a浓度增加现象.一套BGC-Argo浮标横切了一个反气旋涡，观测获得了6周的时间序列剖面数据，结果显示Chl-a浓度较高是多个动力过程共同造成的，主要为水平输运和涡旋深部垂向对流，垂向对流将次表层Chl-a带到表层，同时将底层营养盐带到上层促进了浮游植物增长[85].虽然BGC-Argo浮标能提供高垂向分辨率的剖面数据，但单一浮标对于中尺度过程的观测能力较为有限，主要体现在难以刻画其空间分布，通过阵列式投放则可以在一定程度上弥补这一不足.此外，通过与其他海洋观测平台(如生物地球化学水下滑翔机BGC-Glider、水下拖体SeaSoar、海色卫星遥感数据等)进行数据融合，将完善对中尺度过程的观测.

4 在昼夜尺度过程的应用

光合作用是向海洋上层输入有机碳的主要过程，昼夜尺度是其典型的时间尺度.然而，由于观测非常消耗时间，对生物学过程如此重要的时间尺度在观测中却经常被忽略.尽管如此，海洋光学参数和生物地球化学参数的昼夜循环变化在海洋学界形成了共识[86].一些现场数据观测到，在一维物理过程为主(无侧向平流或者生物学尺度大于平流尺度)的站点，光学方法测得的POC浓度显示出明显的昼夜振荡现象：白天增加，夜晚减少.这种POC浓度的昼夜振荡可以看作是NCP的一个指标参数[87]，反映了海洋生产力的昼夜变化.通过BGC-Argo浮标在1 d内多次测量，可以定量计算这一变化率.这种高时间分辨率的现场观测能更好地理解碳的昼夜变化过程.

5 在海色遥感和海洋模式中的应用

5.1 海色遥感产品验证

海色遥感观测的辐射和反演的生物地球化学数据需要大量的现场观测数据来评估和验证，目前用于海色遥感验证的现场数据大都是在船载或锚系浮标上进行的.锚系浮标平台虽然可以进行连续观测以满足高采样频率的要求，增加其与卫星同步数据匹配的可能性，但对空间的覆盖非常有限；而船载观测虽然可以达到空间尺度的要求，但是通常覆盖的时间尺度太短，且观测成本较高.相对于上述两种观测方式，BGC-Argo浮标具有明显的优势：首先，BGC-Argo浮标可设置为卫星过境时进行观测，极大地提高了数据匹配量；其次，BGC-Argo浮标可以投放在任意海区，获得各种天气条件下和各种营养水平海区的数据，特别是在一些船舶不易到达的高纬度海区以及远离人类活动的副热带流涡区.BGC-Argo浮标观测的遥感反射率同卫星观测数据在412，443和488 nm 波段具有良好的一致性，但在555 nm两者关系较弱[88-89].在南大洋海区，不论采用BGC-Argo浮标荧光法还是船载平台高效液相色谱法(HPLC)，测得的Chl-a浓度都同遥感OCI(ocean color index)算法[90]计算的Chl-a浓度最为接近，证明OCI算法可靠性较高[91].随着BGC-Argo浮标投放量的逐渐增多，未来可能成为验证海色遥感产品的主要数据来源.

5.2 海洋生物地球化学模式

海洋生物地球化学模型的初始化、边界条件、参数优化与模型验证都需要现场观测数据支持.海色遥感提供的Chl-a浓度是目前模型验证的重要来源[92]，但只能进行表层数据的验证；长时间序列连续站(如BATS和HOTS)可提供垂向剖面数据，但时间分辨率通常只能达到每月1次，用于模型的建立和验证仍显不足.BGC-Argo浮标可观测到长时间序列的高垂向分辨率剖面数据，非常适用于生物地球化学模型的建立和验证.数据同化可以将数值模型和现场观测有效地结合，弥补现场观测数据时空分辨率较低的劣势，极大地发挥现场观测数据的价值.南大洋生物地球化学模式(biogeochemical Southern Ocean state estimate，B-SOSE)同化了BGC-Argo浮标观测的溶解氧数据，其性能得到显著改善，如在现场观测数据较多的区域，能很好地模拟海洋表面CO2浓度和中层溶解氧的变化程度[93].BGC-Argo浮标观测的Chl-a和硝酸盐数据在生物地球化学模式中已有应用[94].

5.3 上层海洋太阳辐射增温问题

进入到海洋内部的太阳辐射大小和时空变化会引起上层海洋垂向上的热量结构发生变化，这将会影响到温跃层厚度和混合层深度，进而影响到上层海洋动力过程，甚至会通过海气相互作用影响到全球气候变化[95-96].太阳辐射在上层海洋的穿透深度和强度受海洋固有光学性质、云量和太阳高度等环境因素影响[97]，在开阔大洋可以由Chl-a浓度垂向分布确定[98].受全球变暖影响，低纬度海区层化加强，混合层内营养盐浓度降低，在年际变化上表层Chl-a浓度呈降低趋势[99]，这就意味着更多的太阳辐射会穿透混合层进入到次表层并对其直接增温.在夏季北极海区，全球变暖造成陆架边缘海冰融化，由于海水的反照率远小于海冰，进入海洋的太阳辐射会剧烈增加，同期的浮游植物藻华造成Chl-a浓度很高，这会将太阳辐射能量限制在海洋上层，对海洋上层温度有显著正反馈影响[100].搭载辐射计的BGC-Argo浮标能提供水下太阳辐射的直接观测数据，也可用来优化辐射衰减模型.

6 南海BGC-Argo浮标的应用

厦门大学于2014年夏季在南海投放了2套BGC-Argo浮标(型号SeaBird Navis BGCi，序列号分别为F347和F348)，于2016年9月在南海中央海盆再次投放了1套BGC-Argo浮标(型号NKE Provor CTS4，序列号为XMU001b)(图4).Navis搭载的传感器有CTD(型号SBE 41CP)、溶解氧传感器(型号SBE 63)、荧光后向散射计(型号MCOMS，测量Chl-a荧光、CDOM荧光和bbp)，浮标常规观测周期为3 d，对台风或中尺度涡的观测周期调整为1 d.F347在南海北部海盆SEATS站(18° N，116° E)投放，截至2016年8月寿命终止共观测到245组剖面数据，F348在南海中央海盆(14° N，116° E)投放，截至2016年7月寿命终止共观测到241组剖面数据，2套剖面浮标都得到了2年的长时间剖面观测数据.Provor搭载的传感器有CTD(型号SBE 41CP)、溶解氧传感器(型号Aanderaa 4330)、荧光后向散射计(型号ECO3)、水下光谱仪(型号OCR504)和透射率仪(型号C-Rovor，测量cp)，常规采样周期为5 d，加密观测时调整为0.25 d.XMU001b投放在南海海盆(14.3° N，115.3° E)位置，截至2018年3月共观测到134组剖面数据，预计可运行到2019年6月.

图4 南海BGC-Argo浮标的运行轨迹

图5为南海北部海盆和中央海盆位置的Navis BGC-Argo浮标观测的温度和Chl-a浓度2年时间序列，Zhang等[101]利用这批数据分析了两区域Chl-a浓度的季节变化特征及动力机制：在中央海盆，存在一个稳定的SCM层，深度在48～96 m，不存在明显季节变化；受季风影响，混合层有着明显季节变化，冬季最深达67 m，但仍浅于SCM深度.在南海北部海盆，受冬季季风影响显著，混合层较深，最深达到80 m，SCM层在冬季消失.SCM受到营养盐跃层的影响，营养盐跃层越浅对应的SCM越大.强风混合和垂向对流是冬季表层Chl-a浓度较高的主要物理驱动因素.南海北部海盆比中央海盆风力更强，海表温度更低，垂向混合和对流比中央海盆位置的大，更多的营养盐被带到表层.同时高盐度黑潮水入侵，有利于水体垂向对流及营养盐向上输送.风致混合、垂向对流和黑潮水入侵等因素共同导致南海北部海盆冬季藻华现象.

Huang 等[102]利用投放在南海中央海盆的Navis BGC-Argo浮标观测溶解氧数据，通过构建上层氧气物质通量模型，计算得到海洋NCP.图6(a)为高频的NCP日变化，总体来说，NCP季节分布呈现东北季风盛行时期(11—4月)大于西南季风盛行时期(6—9月).其中NCP在1月出现峰值，而夏天出现短暂异养状态(即NCP小于0).结合BGC-Argo浮标观测的表层Chl-a浓度和风速(图6(b))，发现表层Chl-a浓度同风速有较高的相关性(r=0.45，p<0.01)，对应的NCP同Chl-a浓度也有很好的相关性(r=0.54，p<0.01)，NCP的季节变化主要与风致混合和初级生产力密切相关.与遥感结果比较，剖面浮标估算的NCP与基于遥感CbPM算法计算的NCP在量值上更为接近，而VGPM算法计算得到的NCP则低于剖面浮标观测，但是两者季节变化趋势一致(r=0.66，p<0.01)(图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)，说明寡营养的海盆虽然出现自养和异养的变化，但是从全年尺度看仍是个显著的自养系统.这也是南海首次观测到的高时间分辨率、长时间序列的NCP数据，揭示了BGC-Argo浮标在南海生物地球化学过程研究中有着很高的应用价值.

黑线为混合层深度，紫线为20 ℃等温线，白线为SCM深度.

图6 2014年7月—2015年7月上层主要氧气物质通量日变化(a)、 Chl-a浓度和风速的日变化(b)以及BGC-Argo浮标观测和遥感估算月累积NCP比较(c)(修改自文献[102])

7 展 望

作为一种新的综合性海洋观测工具，BGC-Argo浮标具有广泛的应用前景，不仅可用于海色遥感卫星的定标与验证、生物光学算法的改进，而且大大提高了各种生物地球化学参数的观测能力，可以深入到一些之前的观测模式无法触及的或关键时间尺度上的生物地球化学过程.未来的海洋观测将在很大程度上依靠自动化和远程控制技术.BGC-Argo浮标将对海洋的观测能力提升到一个新的高度：从昼夜循环到年际尺度，从局地海域到全球分布，从海表面到垂向变化，从物理参数到各种生物地球化学变量，从而构建起一个综合性的海洋观测数据库.