南海Argo区域海洋观测网设计与构建

刘增宏,曹敏杰,卢少磊,孙朝辉,吴晓芬,许建平

(1.卫星海洋环境动力学国家重点实验室；2.自然资源部第二海洋研究所,浙江杭州310012)

0 引言

随着国际Argo计划的深入发展，全球Argo实时海洋观测网正由无冰覆盖的公共水域拓展到有冰覆盖的高纬度海域，以及边缘海区域，未来在西太平洋的典型边缘海-南海布放的自动剖面浮标，也将会是“全球Argo”的组成部分[1-2]。虽然，在南海周边国家中，目前只有我国在参与国际Argo计划并布放自动剖面浮标，但不排除美国、日本和印度等对南海表示“关切”的国家，通过支援设备、技术等手段扶持如菲律宾和越南等南海周边国家主导布放自动剖面浮标或建立“南海Argo区域中心”的可能性。为此，尽早组织实施以我为主导的“南海Argo区域海洋观测网”建设，并组织力量布放通过北斗导航卫星定位、通讯的国产剖面浮标，变被动为主动，更好地发挥我国在国际大型合作调查计划中的作用和影响力，乃是当务之急；同时，在南海建立Argo区域海洋观测网，也有着重要的科学意义和实用价值，为建设覆盖“海上丝绸之路的Argo区域海洋观测网”奠定基础[3]。

在国家科技基础性工作专项——“西太平洋Argo实时海洋调查”重点项目的资助，以及项目专家组的高度重视和大力支持下，在项目组编制完成的“南海Argo区域海洋观测网建设方案”基础上[4]，于2016年9月-11月期间，分别搭载由中国科学院南海海洋研究所“实验1”号科学调查船执行的国家自然科学基金委南海中部海盆综合调查计划航次(简称“第一航次”)，以及由国家海洋局南海分局“向阳红14”号科学调查船执行的另一调查航次(简称“第二航次”)，分别在南海中部海盆区域布放了8个和2个自动剖面浮标(HM 2000型)。正式启动了由我国主导的南海Argo区域海洋观测网建设，并建立了北斗剖面浮标数据服务中心(中国杭州)。部分观测资料通过全球通讯系统(GTS)和互联网(WWW、FTP)与世界气象组织(WMO)和国际Argo计划成员国交换共享，成为继法国图卢兹ARGOS卫星地面接收服务中心和美国马里兰IRIDIUM卫星地面接收服务中心后，第3个为全球Argo实时海洋观测网提供剖面浮标观测资料接收服务的国家平台[5]。

1 南海Argo区域海洋观测网总体设计

1.1 设计思想

在联合国政府间海洋学委员会决议(XX-6和XLI-4)-Argo计划框架下，以及在国际Argo组织(国际Argo指导组(AST)、国际Argo资料管理小组(ADMT)、国际Argo信息中心(AIC))的协调和指导下，中国Argo计划在南海海域建立一个Argo区域海洋观测网。协调本地区Argo浮标的布放，为本地区提供Argo资料收集、处理与质量控制和分发服务，促进本地区Argo资料在业务化海洋和气候预测预报、以及基础研究中的应用，并使之成为全球Argo实时海洋观测网的重要组成部分。

南海Argo区域中心和南海Argo区域海洋观测网建设须掌握“以我为主、共同参与、资源共享”的建设原则，即由中方负责投资建设，吸收南海周边国家参与，获得的信息、资料有限度共享[6]。

1.2 建设目标及主要任务

1)建设目标。

2016-2020年期间，利用国产北斗剖面浮标，布放在南海深水区域，构建和维持一个至少由20个剖面浮标组成的南海Argo区域海洋观测网(每年需布放15～20个浮标，总数为80个)。建立南海Argo区域中心，协调剖面浮标布放、观测资料处理和数据产品研发等工作，为本地区提供浮标资料接收、延时模式质量控制，以及资料交换和共享服务，成为全球Argo实时海洋观测网中的重要组成部分，并承担起一个Argo成员国和一个区域海洋大国的责任和义务，为南海业务化海洋学和基础研究，以及应对气候变化提供长期观测资料。

2)主要任务。

①在南海深水区域分批布放80个剖面浮标，维持一个至少由20个剖面浮标组成的实时海洋观测网，为开展业务化海洋学研究和海洋数据同化等提供现场观测资料。

②建立南海Argo区域中心和南海Argo区域资料中心，协调本地区自动剖面浮标的布放，为本地区的浮标布放计划提供建议和指导；改进自动剖面浮标资料接收、处理和分发系统，处理和分发本地区收集的Argo资料，并为没有能力开展Argo资料质量控制的国家提供质量控制服务。

③通过各种渠道收集本地区最新的、高质量的船载 CTD(Conductivity-Temperature-Depth)仪观测资料，为南海自动剖面浮标观测资料的延时模式质量控制建立参考数据集；研究并寻求适合于南海区域Argo浮标实时数据质量控制的新方法，确保浮标观测资料能满足国际Argo计划的精度要求。

④通过产学研合作，尽快使国产北斗剖面浮标能满足国际Argo计划有关浮标信息、数据采集及资料交换的严格要求，并被正式接纳成为Argo剖面浮标大家庭中的重要一员，早日用于全球Argo实时海洋观测网建设和维护。

⑤举办培训班，为南海周边国家培养浮标资料处理和应用人才，帮助周边国家建立浮标资料接收与处理中心，促进北斗卫星导航系统在东南亚国家的推广应用。

1.3 观测网建设海域与资料共享范围

1)浮标布放区域及浮标数量。

在南海水深超过1 500 m的海盆区域建立一个至少由20个剖面浮标组成的Argo区域海洋观测网(图1)。为维持该观测网的长期运行，每年约需补充布放15～20个剖面浮标。

图1 南海Argo区域海洋观测网浮标分布示意图Fig.1 Schematic diagram of float distribution in South China Sea Argo Regional Ocean Observation Network

2)主要技术指标。

根据南海的水深、地形和水动力状况，拟采用国产北斗剖面浮标，利用其快速和双向通讯的特点，缩短浮标在海面停留的时间，最大限度地降低海洋捕捞、海洋运输等海洋活动对浮标造成的损害。

针对各种型号(如COPEX型、HM 2000型)的自动剖面浮标，应满足如下技术性能(指实验室内)指标：

①工作寿命：不低于2 a；

②循环周期：可调(1～10 d内)，利用北斗卫星导航系统，满足双向通讯的要求；

③定位精度：＜150 m；

④温度测量范围：-5～45℃；

⑤温度测量精度：0.002℃；

⑥盐度测量范围：2～42 PSU；

⑦盐度测量精度：0.005 PSU；

⑧压力测量范围：0～20 MPa；

⑨压力测量精度：0.02 MPa。

针对各种型号的自动剖面浮标，应达到如下现场测量精度：

①温度测量精度：0.005℃；

②盐度测量精度：0.01 PSU；

③压力测量精度：0.05 MPa。

3)观测内容与资料共享。

①观测内容：利用常规自动剖面浮标，其观测内容主要有：温度、盐度和压力。

②观测深度与采样间隔：自动剖面浮标的漂移深度确定为1 000 m，观测深度 0～1 500 m(或2 000 m)之间，测量层次约100层，且每隔1～5 d观测一个剖面(图2)。

图2 自动剖面浮标测量流程Fig.2 Measurement flow of autonomous profile float

2 南海Argo区域海洋观测网构建

构建南海Argo区域海洋观测网，布放第一批自动剖面浮标，采用搭载航次实施，其中第一航次由中国科学院南海海洋研究所“实验1”号科学调查船执行，完成了8个国产北斗(HM 2000型)剖面浮标的投放；第二航次由国家海洋局南海分局“向阳红14”号科学调查船执行，完成了另外2个国产北斗(HM 2000型)剖面浮标的投放。由于第二航次仅布放了2个自动剖面浮标，且受条件限制没有进行同步船载CTD仪比较观测，因此，下面主要描述第一航次浮标布放和资料检验情况。

2.1 调查区域、测站位置与航次计划

图3 第一航次船载CTD仪观测断面及测站位置Fig.3 Shipboard CTD investigation sections and stations in the first cruise

图4 布放的10个HM 2000型剖面浮标位置Fig.4 Deploying positions of 10 HM 2000 profile floats

第一航次调查海区位于南海北部及中部海盆区域，即18.0～22.0°N，110.0～119°E包围的南海北部，以及10.0～16.0°N，114.5～118.5°E包围的南海中部区域。共设置了6条调查断面、70个CTD站位(图3)，并选择合适的CTD测站布放8个Argo剖面浮标(HM 2000型)，以及采集水样等。Argo剖面浮标布放工作始于2016年9月6日，结束于2016年9月23日，浮标投放位置如图4所示。

2.2 调查项目及主要观测内容

调查项目主要有：布放自动剖面浮标，采用船载CTD仪比较观测，以及采用玫瑰型采水器采集特定层次上的水样，并进行实验室盐度测量等。观测内容主要有：水温、电导率(盐度)、压力，以及浮标漂移轨迹等。其中自动剖面浮标的采样周期根据国际Argo指导组的要求，有8个浮标确定为5 d观测一个0～20 MPa水深剖面，其浮标漂移深度设定为10 MPa。只有2个浮标尝试每隔1 d观测一个0～20 MPa水深的剖面，其浮标漂移深度同样设定为10 MPa，同时浮标的采样层次为110层，分别是：海面至2 MPa水深内为每间隔0.05 MPa采样一次，2～5 MPa水深内为每间隔0.1 MPa采样一次，5～10 MPa水深内为每间隔0.2 MPa采样一次，10～15 MPa水深内为每间隔0.5 MPa采样一次，15～20 MPa水深内为每间隔1 MPa采样一次。船载CTD仪的剖面观测深度为0～40 MPa，而采集水样的层次则根据作业区实际情况而定，其中选择10～20 MPa(剖面浮标最大观测深度)深水区作为比测的重点，通常会采集5个代表性水层上的水样，如8 MPa、10 MPa、12 MPa、15 MPa、20 MPa。值得指出的是，由于第一航次“实验1”号科学调查船的船期安排十分紧张，为了缩短航程时间，在绝大部分测站上CTD仪的最大观测深度仅为15 MPa，其中在投放剖面浮标的8个测站上，仅在一个测站CTD仪最大观测深度达到40 MPa。

2.3 主要调查成果

该航次按计划顺利投放了8个国产北斗剖面浮标(图5)。需要说明的是：在“实验1”号调查船执行的第一航次期间，由于受到2016年14号台风莫兰蒂影响，曾回港(三亚港)避风1天；此外，布放的一个WMO编号为2902699的浮标，由于发生通讯故障，投放后未能收到任何信息。也就是说，整个秋季航次布放的10个自动剖面浮标，只有9个是正常的。至2017年10月，累计获得了1 200余条0～20 MPa水深范围内的温、盐度剖面资料。此外，还获得了8个0～20 MPa水深范围内的船载CTD仪观测剖面，以及每个CTD站特定层次上的水样。累计采集到的海水样品为54个(在个别CTD站位上，由于玫瑰型采水器故障，未能采集到所需的比测水样)；带回陆上实验室盐度计对采集的全部水样进行了盐度测定，共获得了54个盐度值。

2.4 数据质量检验

图5 投放国产北斗(HM 2000型)剖面浮标Fig.5 Deployment of Beidou(HM 2000)profile float

表1 7个比测站特定层次上的温、盐度比对结果Table 1 Comparing results of temperature and salinity of 7 measuring stations in particular levels

图6 利用不同观测资料绘制的T-S曲线Fig.6 T-S curves plotted by different observations data

为了掌握自动剖面浮标布放后所携带的CTD传感器的测量性能及其观测精度，根据AST和ADMT的要求，尽可能借助船载CTD仪对自动剖面浮标观测的温、盐度资料，特别是第一条观测剖面进行现场质量控制，以验证剖面浮标观测资料的质量[7]。由表1对应层次上的盐度比对结果可以发现，在12

MPa水深以下，CTD和Argo观测的盐度差值在0.004～0.027范围内，只有个别站位、层次(如2号站12 MPa层上的盐度差为0.004)上的盐度差符合国际Argo计划规定的盐度观测精度(0.01)，而大部分比测层上的差值都在0.01～0.02范围内，似乎也符合《海洋调查规范(GB/T12763.2—2007)——海洋水文要素调查》对盐度准确度一级标准(±0.02)的规定[8]。但从CTD与Argo观测的盐度差值可以看出，本航次CTD观测值要普遍高于Argo剖面浮标的观测结果，大约在0.011～0.033之间。而CTD仪与实验室盐度计之间的测量差值，除在个别测站、层次上CTD偏低(-0.083～-0.206)外，大都在0.064～0.297之间，显然远超国标±0.02的精度要求。究其原因，与实验室盐度计(Portasal 8410A型)因电源电压不匹配导致的盐度计读数不稳定，从而带来较大的测量误差有关。至于船载CTD仪产生的误差，可能与航次期间出现的CTD仪接口短路故障有关。虽经拆卸、重新布线处理，最终排除了故障，但应返航后立即送国家权威计量部门重新标定，并采用新标定的参数对航次期间的CTD仪观测资料进行重新计算。

为了更直观地比较和验证各种观测资料的质量及其可信度，还收集了观测海域历史上利用船载CTD仪观测的、且最大观测深度大于20 MPa的剖面进行了比较分析；并将本航次船载CTD仪和HM 2000型剖面浮标观测的资料，与同期APEX型剖面浮标观测的结果和历史船载CTD仪观测的结果，统一绘制在同一幅T-S曲线图(图6)上对比。不难发现，HM 2000型浮标获取的剖面资料与同期APEX浮标和历史船载CTD仪观测的结果更吻合；而本航次船载CTD仪的剖面观测资料同样要比同期APEX浮标和历史船载CTD仪观测的结果偏高些，估计偏差在0.01～0.03之间。

由此可见，由该航次布放的7个HM 2000型剖面浮标获取的观测资料，应该是可靠、也是可信的。

3 讨论与建议

在对深海大洋进行温、盐度剖面观测时，利用船载CTD仪及其玫瑰型采水器进行同步测量和采集水样(再利用实验室高精度盐度计进行现场测定)是十分重要、也是十分必要的一项基础性工作，否则就很难佐证和校正由自动剖面浮标长期在海上漂移所获得的观测资料的质量；反之，也能利用准同步获得的自动剖面浮标观测资料，甚至历史观测资料来验证船载CTD仪观测资料的质量和可靠性。由上述分析和对观测数据的质量控制，可以发现本航次主要存在以下几个方面的问题：

1)国产剖面浮标的质量还有待进一步提高。虽然整个航次布放的10个HM 2000型剖面浮标，只有一个因通讯故障没有传回任何信息，但还是希望能引起浮标研制单位的高度重视，认真查找产生故障的可能原因，进一步提高浮标技术的可靠性和稳定性。

2)充分认识实验室高精度盐度计在深海大洋观测中的必要性。无论是自动剖面浮标，还是船载CTD仪，在恶劣的海洋环境中观测难免会产生测量误差，有的可能是系统误差，有的可能是偶然误差，也有的可能是两者的合成。因此，当海洋调查从近岸浅海走向外海大洋时，务必重视实验室高精度盐度计在深海大洋观测中的重要性。对船载CTD仪而言，要严格遵守在航次前、后送往国家权威计量部门标定的要求，并能配备玫瑰型采水器，做到每个CTD站都能在10 MPa水深以下采集5个以上代表性水层，对船载CTD仪观测结果进行现场比测、把关。在从事深海大洋调查的科学调查船上，务必配备高精度实验室盐度计，并能确保其正常工作。

3)充分认识对海上观测资料实行分级(实时模式和延时模式)质量控制的重要性。对物理海洋现象及其特征和变化规律的认识，往往需要积累较长时间序列的海洋环境要素(如海水温度和盐度等)资料。然而，在漫长的收集和积累过程中，往往会利用不同的观测仪器设备，有机械式的、电子感应式的或者是遥测的，也会因各种因素产生这样那样的测量误差，需要采用一致公认的观测仪器和方法进行同步或准同步的比较测量，以便能了解和掌握各种测量手段的精度和可能产生的测量误差；并能根据不同的研究目的和要求，决定对观测资料采取实时模式质量控制(对资料精度要求较低)和延时模式质量控制(资料精度要求较高)。

随着北斗卫星导航系统和剖面浮标等技术手段的突破，我国独立自主建立南海Argo区域海洋观测网的基本条件已经具备，但需要加强顶层设计。建议由国家海洋主管部门牵头，协调有关部门，整合资源，增加投入，设立南海Argo海洋观测专项，制定南海调查研究规划，建立长期稳定的支持机制。

4 结论与展望

随着国家科技基础性工作专项“西太平洋Argo实时海洋调查”重点项目出资购置的首批国产北斗(HM 2000型)剖面浮标顺利放入南海中部海盆水域中，标志着由我国主导建设的“南海Argo区域海洋观测网”正式拉开了序幕。除了其中的一个浮标由于通讯故障没有获得有效观测剖面外，其他9个浮标均已经按预先设定的观测周期，通过北斗卫星导航系统顺利发送回海面至20 MPa水深范围内的温、盐度剖面资料；并通过ADMT规定的数据质量控制程序检验。这些现场观测数据均符合国际Argo计划规定的观测精度(温度高于0.005℃、盐度高于0.01)要求。第一批由国产北斗剖面浮标获得的来自“南海Argo区域海洋观测网”的温、盐度剖面资料，目前均已通过中国气象局的GTS接口，与WMO和国际Argo计划成员国即时共享。

在国际Argo计划的框架下，通过构建南海Argo区域海洋观测网，积累管理和运行经验，逐步向西北太平洋的台风源地海域、印度洋孟加拉湾和阿拉伯海扩展，并适时邀请“21世纪海上丝绸之路”沿线国家参与布放浮标和国际Argo事务，尽早建成一个由400多个自动剖面浮标(主要以北斗剖面浮标为主)组成的覆盖“海上丝绸之路”的Argo区域海洋观测网，使之成为“全球Argo”的重要组成部分。增进与“海上丝绸之路”沿线国家交流与合作的纽带，进一步促进Argo资料在我国乃至沿线国家业务化预测预报和基础研究中的推广应用，不仅“将南海建设为造福地区各国人民的和平、合作、友谊之海”，还应为沿线各国海洋资源开发、海事安全、海洋运输、海洋渔业管理和近海工业，以及应对全球气候变化及防御自然灾害等肩负起一个海洋大国的责任和担当，让沿线国家和民众能够真切体验和更多享受到海上丝路建设带来的福祉。