我國熱帶西太平洋科學觀測網初步建成*

王　凡　汪嘉寧中國科學院海洋研究所　青島　266071

我國熱帶西太平洋科學觀測網初步建成*

王凡汪嘉寧
中國科學院海洋研究所青島266071

構建熱帶西太平洋科學觀測網是中科院戰略性先導科技專項“熱帶西太平洋海洋系統物質能量交換及其影響”的重點任務之一。熱帶西太平洋環流系統深刻影響著暖池、厄爾尼諾/南方濤動（ENSO）和東亞季風的發展，對全球和我國氣候變化研究意義重大。隨著 2015 年 15 套深海潛標及數據的成功回收，世界上最大規模的熱帶西太平洋科學觀測網的初步建成，我國科學家獲得了熱帶西太平洋代表性海域連續一年涵蓋海洋上層和中深層水體的溫度、鹽度和洋流等觀測數據，這是世界上首次在這一地區獲取高質量、高時空分辨率的定點連續數據，填補了國際上對該海域中深層環流大規模同步觀測的空白，為我國大洋觀測網的建設和運行積累了寶貴經驗，起到了示范作用。該網絡將會為我國大洋環流及其對我國氣候效應的研究探索提供持續的數據支撐，將提高我國氣候和海洋環境的預測能力。

科學觀測網，潛標，熱帶西太平洋，海洋環流系統，氣候變化

構建熱帶西太平洋科學觀測網是中科院戰略性先導科技專項“熱帶西太平洋海洋系統物質能量交換及其影響”（以下簡稱“海洋先導專項”）的重點任務之一，我國科學家將自主建立大洋觀測網絡來研究和監測對中國氣候影響最為顯著區域的海洋環境變化。Nature雜志曾在 2014 年刊發文章，將中國即將建立的西太科學觀測網稱為第二次“鄭和下西洋”［1］，這引起了世界海洋科學界的廣泛關注。

1　熱帶西太平洋科學觀測網的國家需求和科學意義

熱帶西太平洋擁有全球海洋中最大的暖水團，是驅動大氣環流系統的主要熱源地之一，在多種時間尺度上對東亞季風、厄爾尼諾/南方濤動（ENSO）等氣候現象的發生和發展以及我國旱澇、極端冷暖等重大氣候災害的形成都具有極為重要的影響［2，3］。在全球溫室氣體排放增加的趨勢下，近年來全球氣溫的升高卻出現了停滯，這被認為和中深層大洋吸收存儲了大量熱量密切相關，特別是熱帶西太平洋在這一過程中扮演著重要角色［4，5］。熱帶西太平洋及其周邊海域海洋環流復雜和多變，數支緯向流和西邊界流在海洋緯向、經向能量輸送和東西太平洋、南北半球水交換過程中起關鍵作用，直接影響和調制該區域海洋-大氣相互作用和海洋多圈層物質能量交換。因此開展對熱帶太平洋海洋環境的大規模同步調查是提高我國氣候變異研究水平和預報能力的迫切需要，將為我國海洋環境保障能力的擴展和提升起到科技先導作用。

熱帶西太平洋科學觀測網以實現對太平洋西邊界流、西太平洋緯向流系、中深層環流和印尼貫穿流大規模同步連續現場觀測為目標。以潛標為主要觀測平臺的科學觀測網將會為我國和國際海洋與氣候學界提供該區域海洋上層、中層和深層環流系統結構特征、變異規律及動力學聯系的觀測證據，填補國際上在太平洋西邊界流和中深層環流觀測和研究的空白，為海洋和氣候模式的驗證和改進提供觀測數據支撐。

2　熱帶西太平洋科學觀測網的設計和構建

根據科學觀測網的科學目標，海洋先導專項項目一在 2013 年完成了潛標網絡布局和結構設計、儀器設備采購等工作。圖 1 給出了科學觀測網的整體布局，觀測網設計了 3 個潛標陣列和1套全水深潛標。3 個潛標陣列共包含 10 余套潛標，分別布放在 130oE、140oE 和 142oE斷面，主要用于觀測西太平洋緯向流系和中深層環流系統。1 套全水深潛標布放在馬里亞納島弧海山附近，用于研究地形變化對上、中、深層環流系統的影響，布放地點還位于東、西馬里亞納海盆的水交換通道處，這對研究大洋不同海盆的水交換至關重要。該潛標配置的觀測傳感器還實現了全水深高垂直分辨率覆蓋，可用于建立大洋上層和中深層全水體的動力和能量關聯。

圖 1　熱帶西太平洋科學觀測網布局圖

圖 2給出了一套代表性潛標（以 140oE，2oN 潛標為例）的設計方案。在 400 m 左右，潛標主浮球裝載了兩臺分別向上和向下測量的 75 kHz 多普勒流速剖面儀，用于獲取表層至 1 000 m 左右的三維流速的高時空分辨率變化數據。在 1 000 m 以深以 500 m 左右為間隔布放了若干單點海流計，用于獲取大洋中深層流速的連續變化數據。在 400 m 以深配置了若干溫鹽深儀，用于獲取大洋水體溫度和鹽度的連續變化數據。根據溫度和鹽度的垂直變化特征，溫鹽深儀在 1 000 m 以淺垂直間距較小，在1 000 m 以深垂直間距較大。上述測量傳感器的采樣間隔均小于等于 1h。結合每套潛標地點的流速特征和觀測儀器在水中的重量，科研人員通過計算潛標的凈浮力來給潛標配置浮球數量，以保證潛標系統在大洋中可以保持穩定的姿態，避免大幅的上下運動帶來大的觀測誤差，同時保證潛標系統在回收時可以有足夠的浮力浮出水面。

圖 2　熱帶西太平洋潛標（以 140oE，2oN 潛標為例）設計圖

2014 年 8 月— 10 月，海洋先導專項科研人員搭載我國新一代海洋科學綜合科考船“科學”號，成功地在熱帶西北太平洋對 3 個潛標陣列和1套全水深潛標進行了布放。在每個潛標站點，科研人員首先使用船載多波束測深儀對潛標布放地點周圍的地形進行掃描測量（圖 3）。然后根據水深分布圖，選擇和設計水深相近且變化較小的區域為靶區，再選取其中一點為靶心。在潛標布放時，船舶選擇逆流方向行進，在船尾勻速布放纜繩和設備，纜繩和設備入水后會順流漂向船舶的下游。根據當地流速大小和布放潛標預估的時長等，科研人員合理選擇布放起始點和靶心之間的距離，一般要保證在船舶到達靶心附近時，儀器設備布放完畢。在儀器設備布放完畢后，將潛標最底端的重力錨布放入水，重力錨入水后利用自身較大的凈重將前面布放的儀器設備拉入水中。在潛標布放完成后，科研人員需要在重力錨入水點附近1—3 公里范圍內選擇 3—4 個點對潛標進行定位，利用聲學釋放器測量船體和聲學釋放器之間的斜距，進而采用最小二乘法來確定重力錨在海底最終錨定點的經緯度，以便于第二年進行回收打撈。

圖 3　潛標布放站位地形圖和布放過程示意圖

2015 年 8—11 月，海洋先導專項科研人員再次搭乘“科學”號考察船，對在大洋中布放了 1 年左右的潛標進行了回收、數據讀取、維護和再布放（圖 4）。科研人員經過近 80 天的艱苦努力，成功回收了 2014 年布放的 15套深海潛標和 402 件觀測設備，獲取了長達 1 年的觀測數據。在對潛標站位進行優化調整后，新布放了 13 套深海潛標和 393 件觀測設備（圖 1），這開創了單一航次布放、回收深海潛標和觀測設備數量最多的世界紀錄，標志著熱帶西太平洋科學觀測網初步構建完成。

圖 4　科考隊員在“科學”號考察船上進行潛標的布放和回收工作

3　熱帶西太平洋科學觀測網的最新結果

2015 年超級厄爾尼諾事件在熱帶西太平洋發展，對全球和我國氣候影響顯著，而布放的潛標數據恰好捕捉到這次超級厄爾尼諾事件的發展過程。圖 5 給出了 142oE赤道站位潛標多普勒流速剖面儀所觀測的緯向流速深度時間變化圖，可以看出南赤道流、赤道潛流和赤道中層流的分布深度和流速的異常變化特征，這些潛標數據將幫助科學家加深對厄爾尼諾現象的認識，提高我國科學家對極端氣候事件的預測和預報。

潛標上單點海流計首次給出了這一區域大洋中深層海流的時空變化特征（圖 6），在 4 000 m 左右的深度上流速大小仍可以達到 5 cm/s，而且存在著包括近慣性振蕩、季節內和季節等多時間尺度變化。科學家們曾指出全球變暖停滯其中一個重要原因就在于西太平洋中深層海洋吸收了大量熱量［4，5］，這說明西太平洋和中深層大洋對全球氣候變化的重要意義。科學觀測網所獲得的中深層海洋前所未有的觀測數據必將幫助科學家突破對深海環境的認知。

圖 5　142oE 赤道站位潛標2臺多普勒流速剖面儀所觀測的緯向流速深度時間變化圖，其中紅色表示東向流，藍色表示西向流

圖 6　全水深潛標站位單點海流計觀測的中深層緯向流速（藍色）和經向流速（紅色）時間變化圖。灰色曲線表示單點海流計所在深度變化，黑色深度值為測量時間段內的平均深度

4　結語

2015 年 15 套深海潛標及數據的成功回收標志著熱帶西太平洋科學觀測網的初步建成，我國科學家獲得了熱帶西太平洋代表性海域連續 1 年涵蓋海洋上層和中深層水體的溫度、鹽度和洋流等觀測數據，是世界上首次在這一地區獲取高質量、高時空分辨率的定點連續觀測數據，為探索研究熱帶西太平洋環流的三維結構、暖池變異及其對中國氣候變化的影響提供了寶貴的數據資料。

科學觀測網的初步建成標志著我國已自主建立起熱帶西太平洋科學研究的觀測網絡，奠定了我國在全世界對該海域觀測研究的核心地位，同時也填補了國際上對該海域中深層環流大規模同步觀測的空白，為我國大洋觀測網的建設和運行積累了寶貴經驗，起到了示范作用。該網絡將會為我國海洋學和氣候學研究探索提供持續的數據支撐，將提高我國氣候和海洋環境的預測能力。

1 Tollefson J. China plunges into ocean research. Nature， 2014，506： 276.

2 王凡， 胡敦欣， 穆穆， 等.熱帶太平洋海洋環流與暖池的結構特征、變異機理和氣候效應. 地球科學進展， 2012， 27（6）： 595-602.

3 Hu D， Wu L， Cai W， et al. Pacific western boundary currents and their roles in climate. Nature， 2015， 522（7556）： 299-308.

4 Chen X， Tung K K. Varying planetary heat sink led to globalwarming slowdown and acceleration. Science， 2014， 345： 897-903.

5 England M H， M cGregor S， Spence P， et al. Recent intensification of w ind-driven circulation in the Pacific and the ongoing warm ing hiatus. Nature Climate Change， 2014， 4： 222-227.

王 凡中科院海洋所黨委書記、副所長，研究員，博士生導師。主要從事太平洋低緯度西邊界流、熱帶海洋環流、中國近海環流和海洋中尺度過程等方面研究。先后主持“973”項目、“863”課題、國家自然科學基金項目、國家專項課題、中科院創新重要方向項目等科研課題 20 余項，發表論文 130 余篇，其中包括 Geophys. Res. Lett.、J. Geophys. Res.、J.Phys. Oceanogr.、Deep Sea Res. 等 SCI、EI 論文 50 余篇，出版專著 3 部。國家“萬人計劃”入選者，先后獲得全國優秀科技工作者、山東青年五四獎章、山東省優秀青年知識分子標兵、青島市青年科技獎等。E-mail： fwang@qdio.ac.cn

Wang FanProfessor and Ph.D. supervisor， deputy director of Institute of Oceanology， Chinese Academy of Sciences. Dr. Wang is mainly working on ocean circulation dynamics， including the Pacific low-latitude western boundary currents， tropical ocean circulation， shelf circulations in China Seas， mesoscale processes， etc. He undertook more than 20 projects funded by National Basic Research Program， National High Technology Research and Development， and National Natural Science Foundation of China. Dr. Wang has published over 130 papers and 3 academic monographs. He was awarded as “National Excellent Scientific and Technological Worker”， “National Leader in Scientific and Technological Innovation”， and many others for his remarkable works. E-mail： fwang@qdio.ac.cn

Initial Establishment of China's Scientific Observing Network in Western Tropical Pacific Ocean

Wang FanWang Jianing
（Institute of Oceanology， Chinese Academy of Sciences， Qingdao266071， China）

The development of a scientific observing network in the western tropical Pacific Ocean is one of the key tasks of the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academ y of Sciences entitled “Western Pacific Ocean System”. Ocean circulation system s in the region critically influence the evolution of the “Warm Pool”， the El Ni?o/Southern Oscillation （ENSO） and the East Asian Monsoon， which have prominent impact on the global and regional climate. Fifteen subsurface moorings and the first batch of recorded data were successfully retrieved in 2015， demonstrating the initial establishment of China's scientific observing network. One-year high temporal and spatial resolution records of ocean temperature， salinity， and currents were obtained for the first time in this region. The unprecedented measurements in the intermediate and abyssal layers filled the gap in observing the deep ocean by the international community. Experience obtained from this work w ill tremendously benefit further development of the ocean observing network of China. New data w ill be provided for research of the deep blue and global climate， thus enhancing the capability in marine environment and climate prediction.

scientific observing network， subsurface mooring， western tropical Pacific Ocean， ocean circulation systems， climate change

10.16418/j.issn.1000-3045.2016.02.013

*資助項目：中科院戰略性先導科技專項（XDA 110102 01）

修改稿收到日期：2016年2月16日