西太平洋深海科學觀測網的建設和運行*

深遠海數據的連續和實時觀測能力建設對海洋與氣候預報和海洋環境安全保障意義重大, 世界海洋大國紛紛致力于其關鍵技術和系統集成的攻關(Cravatteet al, 2016; Fischeret al, 2017)。在中國科學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“海洋專項”)的支持下,中國科學院自主建成了國際領先的西太平洋潛標觀測網, 現已成功獲取西太平洋代表性海域連續3年的溫度、鹽度和海流等數據, 并在 2016年航次中首次實現了深海觀測數據的實時回傳, 成功破解了這一海洋觀測難題。

深海觀測數據的長時間連續積累和實時化傳輸,將加快我國海洋與氣候預報和環境保障業務系統建設步伐, 提升我國深海探測和科學研究能力, 為實施“21世紀海上絲綢之路”倡議、保障國家海洋環境安全提供重要基礎支撐。

1　構建西太平洋科學觀測網的戰略意義

熱帶西太平洋擁有全球海洋中最大的暖水體——熱帶西太平洋暖池, 是驅動大氣環流系統的主要熱源地之一, 是全球最強勁的 Walker環流和Hadley環流的對流中心和上升流分支。暖池在赤道太平洋上東西移動及相應的大氣環流變化, 深刻影響厄爾尼諾和南方濤動(El Ni?o-Southern Oscillation, ENSO)氣候現象的發生和發展, 并通過季風系統對我國的氣候變化、特別是我國旱澇和冷暖異常等重大氣候災害的形成具有極為重要的影響。熱帶西太平洋和暖池周邊海域的表層和次表層海洋環流復雜、多變, 由數支赤道流和西邊界流組成的環流系統, 直接影響和調制暖池自身的變異和暖池區海洋-大氣相互作用過程, 同時在海洋緯向和經向的熱量和質量輸送、熱帶印度洋-太平洋水交換、南北半球水交換等過程中均起關鍵作用(圖 1,王凡等, 2012, 2016)。

圖1　熱帶西太平洋和暖池區域上層和中深層海洋動力過程概述圖Fig.1 Schematic showing dynamic processes in the upper, intermediate, and deep layers of the tropical western Pacific and the warm pool

深海動力過程對全球氣候系統年代際和更長時間尺度的變異起決定性作用, 中深層環流對海洋熱量的輸運和再分配決定全球氣候的變化趨勢, 在當前全球變暖日趨嚴重的背景下, 深海動力過程與海洋碳、氮等生源物質循環之間的關系等已成為新的科學前沿。近年來研究指出工業時代以來全球海洋熱含量的增加量, 在1950年基本都存儲在2000m以淺的水層內, 而在2013年約14%進入了2000m以深的深海大洋(Gleckleret al, 2016)。深層大洋存儲熱量的增加被認為和全球變暖的停滯密切相關(Trenberthet al,2013), 并也深刻影響我國的氣候變異, 關乎我國的國家安全、資源、環境等各方面的核心利益。因此開展深海動力過程觀測研究對于解密全球和我國氣候系統長期變化至關重要, 同時也孕育著海洋和氣候學研究中的重大理論突破和發現。

與此同時, 熱帶西太平洋毗鄰我國, 是我國戰略性物資的主要海上運輸通道之一, 是我國近海動力環境和生態環境變化的重要外部驅動因子, 對我國經濟社會平穩發展和國家安全保障至關重要, 是我國海洋核心利益的重要組成部分。開展熱帶西太平洋上層和中深層海洋環流的系統科學調查研究, 不僅可以擴展和提升我國海洋環境綜合保障能力, 還可促進海洋科學發展、服務我國氣候預測與防災減災需求。隨著我國國力的日益提升和國家利益的不斷拓展,作為我國從近海挺進大洋的必由之路, 熱帶西太平洋成為我國必須重點關注的海域。因此, 在“一帶一路”倡議和深海戰略的實施中, 迫切需要對大洋全水層海洋動力過程進行長期、系統、綜合的觀測, 掌握西太平洋的海洋環境、特別是水文和動力過程的變異規律, 具有毋庸置疑的重要性和緊迫性！

2　西太平洋科學觀測網的規模和內容

中國科學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”于 2013年啟動, 構建西太平洋科學觀測網是專項的重點任務之一。西太平洋科學觀測網的建設目標是實現對西太平洋赤道主流系及其與西邊界流關聯區、中深層環流大規模同步連續現場觀測, 填補國際上在西太平洋赤道流系和中深層環流同步觀測的空白。2013年, 項目組對科學觀測網進行了頂層設計和系統規劃。2014年, 項目組開始組織實施西太平洋綜合考察航次, 進行了大規模的深海潛標布放和大面站綜合調查作業。2015年, 西太平洋綜合考察航次成功進行了第一次潛標數據回收,并進行了設備維護和潛標的再布放, 標志著科學觀測網初步建成。2016年, 西太平洋綜合考察航次再次成功實現了潛標的維護和數據回收, 標志著科學觀測網已經實現穩定運行, 并成功進行了深海潛標數據的實時化傳輸升級, 破解了這一海洋觀測技術難題。

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

圖3　西太平洋科學觀測網潛標位置圖Fig.3 Locations of subsurface moorings in the western Pacific

3年來, 西太平洋綜合考察航次總航程25519海里, 科研人員共成功布放和回收潛標 73套次, 建成了由16套深海潛標組成的我國西太平洋科學觀測網并實現穩定運行, 獲取西太平洋代表性海域連續3年的溫度、鹽度和洋流等數據。16套深海潛標主要分布在130°E斷面北赤道流的流軸上、140°E和142°E斷面北赤道逆流的流軸上、雅浦-馬里亞納海溝連接區等(圖3)。圖4給出了西太平洋科學觀測網潛標的典型結構圖。在400m左右, 潛標主浮球裝載了兩臺分別向上和向下測量的75kHz多普勒流速剖面儀, 用于獲取表層至 1000m左右的三維流速的高時空分辨率變化數據。在1000m以深以500m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400m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。在潛標底部配置了 2—3臺聲學釋放器, 實現潛標的測距、定位和回收。通過和國際同行潛標觀測比較, 我國西太平洋科學觀測網首次實現了對西太平洋上層赤道流系及其與西邊界流關聯區、中深層環流的同步觀測,其中上層海流觀測的垂直分辨率達到 8m, 中深層海流和溫度鹽度觀測的垂直分辨率達到 500m, 全部要素的觀測時間分辨率達到1小時。我國西太平洋潛標網觀測的時空分辨率已達到國際領先水平。

3　西太平洋科學觀測網的建設和運行技術

西太平洋科學觀測網的建設和運行具有三個主要特點。一是穩定, 3年來潛標布放成功率100%, 回收成功率96.6%。二是高效, 16套潛標800余件觀測設備的回收和再布放、70余個綜合站位的調查歷時54天完成, 工作效率實現歷史性飛越。三是活力, 建立了一支成熟可靠、年輕有為的專業科考團隊, 航次首席隊長平均年齡34歲, 科考隊員平均年齡29歲。西太平洋科學觀測網的建設和維護實現穩定和高效,一是得益于形成了一支有活力的海洋觀測團隊, 二是得益于建立一整套行之有效的潛標觀測網建設和維護工作流程。我們基于大數據分析, 量化評估各項工程技術指標, 用于科學計劃, 優化設計, 合理采購, 理順流程, 提高效率。經過三年多的建設和運行, 我國的西太平洋科學觀測網實現了建設與維護批量化、標準化和常態化, 可為我國大洋觀測網建設提供示范。

圖4　西太平洋科學觀測網潛標結構Fig.4 Schematic diagram of the configuration of the subsurface mooring in the western Pacific

圖5　2016年各潛標站位布放設備類型和數量統計(上)、潛標設備密度和布放速度統計(中)、以及潛標設備密度和布放速度的線性擬合關系(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)

以下給出西太平洋科學觀測網建設和運行技術幾個例子。圖5上圖給出了2016年14套潛標布放設備類型和對應的數量、以及布放地點水深等信息。2016年西太航次累計布放潛標設備803件, 平均每套布放 57件, 每套潛標包含的設備數量和布放地點的水深成正比。圖5中圖給出了每套潛標的設備密度(即每米的設備數量)和潛標布放速度的關系圖, 從圖上可以看出布放速度和設備密度成反比, 進一步計算得到線性擬合關系式, 兩者相關系數的平方達到0.7(圖5下圖)。通過這一統計關系式, 我們就可以根據每套潛標設計的設備密度, 合理安排作業時間, 有效掌控整個航次的作業進度和安排。

每套潛標在布放前首先根據科學目標設計設備數量和布放深度, 初步設計完成后將對潛標布放在海水中的姿態進行仿真計算, 分別考慮在布放地點氣候態流速下、5倍、10倍、20倍和50倍氣候態流速下的潛標姿態(圖 6), 確保在極端流速環境下, 潛標仍可以錨定在原位置, 并能保證潛標在海水中的姿態正常, 所有觀測設備在正常耐壓深度范圍內。

4　西太平洋科學觀測網的實時傳輸技術

深海數據的實時傳輸對海洋預報系統的完善和科研成果的加速產出意義重大, 各國紛紛致力于研究攻關。上世紀 90年代, 海洋衛星技術的發展實現了海洋表層數據的實時傳輸。例如1992年美法合作發射了 TOPEX/Poseidon衛星, 科學家實現了實時獲取海洋表層流場和海表面高度場等數據。1982—1983年強厄爾尼諾事件及其引起的全球氣候災害, 使科學家開始關注熱帶太平洋海氣相互作用和海洋上層海洋動力過程。隨后, 美國太平洋海洋環境實驗室歷經10余年的建設, 于1994年建成了70套浮標組成的赤道太平洋浮標陣列, 后 2000年日本海洋地球科學技術中心加入, 稱為TAO/TRITON浮標陣列, 該陣列提供了實時的海氣通量和上層100m左右海洋溫度等數據, 為監測、預報和理解厄爾尼諾和拉尼娜海洋氣候現象做出了貢獻。海表和海氣界面的觀測數據實現實時傳輸后, 海洋學家亟待解決深海數據的實時傳輸問題, 這對提高氣候預報精度具有重要意義。

深海潛標最上面一個浮體距離海平面還有四五百米, 這些數據很難穿透海水傳輸到衛星上。如何實現潛標觀測、數據水下采集和傳輸、衛星通信等多系統集成, 并設置好其工作程序, 降低功耗實現長時間穩定工作是深海數據實時傳輸的難點。海上現場作業具有很大的不確定性和工程難度, 潛標的布放是一個壓力和張力快速變化的過程, 如何在這一過程中保證實時傳輸系統設備的正常工作是另一個難點。

圖6　在布放地點氣候態流速下、20倍和50倍氣候態流速下(從上至下)潛標姿態仿真計算Fig.6 Simulation of mooring postures when subjected to 1×, 20×, and 50×climatological current velocity of the deployment locations(from top to bottom)

針對上述問題, 中國科學院海洋研究所聯合中國科學院聲學研究所組織開展了技術攻關, 研發了潛標數據采集、無線水聲通信傳輸、水面實時通訊、潛標布放等一系列技術方案。在 2016年航次中, 科考隊員在其中一套潛標系統安裝了水面實時傳輸浮體, 深海觀測數據首先進行成功采集后, 將通過無線水聲通信方式傳輸給水面浮體, 水面浮體再將其發射到衛星上, 衛星反饋回陸地實驗室。最終, 無線實時數據傳輸的方案獲得了試驗成功。截至 2017年 9月, 深海數據已成功連續實時回傳260余天, 深海數據的成功回傳率在 95%以上, 創造了國內外有明確文獻記錄的實時獲取深海數據的最長工作時間。圖7給出了 140°E赤道站位大洋上層 1000m緯向流速的實時回傳數據。

通常潛標觀測數據每年只能采集一次, 科考船前往潛標站位后, 科考隊員向位于潛標底部的聲學釋放器發射指令, 使潛標系統釋放并上浮至海表面,再將潛標系統回收至船甲板, 通過電腦連接設備進行數據的回收。而深海潛標數據實現實時傳輸后, 科學家和業務用戶可以通過電腦或手機終端實時掌握深海大洋的動力狀況, 對深海數據的查看模式從“錄像回放”變成了“現場直播”。

圖7　142°E赤道站位大洋上層1000m緯向流速的實時回傳數據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　西太平洋科學觀測網已取得的數據

3年來, 西太平洋綜合考察航次共完成大面觀測站位270余個(圖2), 獲取原始觀測數據100多個GB,調查內容實現了多學科、多尺度、多水層全覆蓋, 更加突出對 2000m以深深層大洋的加密觀測, 最深觀測深度達到 6000m。16套深海潛標獲取了西太平洋代表性海域連續3年的溫度、鹽度和海流等數據, 潛標累積獲取觀測數據量達到約25個GB。圖8給出了其中一套潛標觀測獲取的西太平洋上層 1000m內緯向流速的時間-深度變化。圖 9給出了其中一套潛標觀測獲取的 1000m以深中深層緯向和經向流速的時間變化。

6　西太平洋科學觀測網應用和展望

西太平洋科學觀測網數據成功回收后, 中國科學院海洋所正在建設和完善深海數據實時接收、集成與挖掘平臺, 實現潛標數據的實時接收和數據統計分析, 可對深海長時序環境數據進行動態模擬和展示, 提供深海環境保障基礎信息服務。2017年 6月,中國科學院海洋研究所、國家海洋環境預報中心和中國科學院大氣物理研究所三方簽署了“西太平洋深海實時化潛標觀測數據使用戰略合作協議”, 依托各自在相關領域的優勢, 對深海實時化觀測數據進行了拓展性應用。國家海洋環境預報中心主要負責應用西太平洋實時化潛標觀測數據, 將該資料與現有深遠海海洋環境預報模式相融合, 及時修訂溫鹽流和短期氣候預報產品, 提高海洋環境預報精準度, 提高國家海洋環境安全保障能力。中國科學院大氣物理研究所主要負責利用西太平洋實時化潛標觀測數據發展和改進海洋動力模式, 開展深海海洋環境參數化和模式數據同化等研究, 對現有潛標站點進行評估。兩方將根據數據使用情況向中科院海洋所提供關于西太平洋科學觀測網優化和升級的建議和意見。

圖8　142°E赤道站位潛標在2014年8月—2016年12月觀測的上層1000m范圍內緯向流速Fig.8 Time-depth variation of zonal velocity in the upper 1000m at 0°, 142°E

圖9　15.5°N, 130°E站位潛標在2014年9月—2015年9月觀測的中深層流速變化, 藍色表示緯向流, 紅色表示經向流。Fig.9 Time series of zonal (blue) and meridional (red) velocities at various depths of deep ocean at 15.5°N, 130°E

西太平洋科學觀測網數據的連續積累和實時獲取將產生如下幾方面的重要意義。一是將為探索研究熱帶西太平洋環流的三維結構、暖池變異及其對氣候變化的影響提供寶貴數據資料, 提升我國海洋探測和深海科學研究能力。二是將加速我國海洋預報和環境保障新業務系統的完善, 提升我國海洋環境和氣候的預測能力。三是將滿足海洋強國建設、“一帶一路”倡議的實施對海洋環境安全保障的重大需求。“十三五”時期, 我國正全面推進深海進入、深海探測和深海開發的深海戰略, 深海科學觀測網建設技術和深海數據實時傳輸技術對我國深海探測能力的提升意義重大。

幾十年來, 北美和日本等發達國家一直在進行大洋觀測網的建設和維護。TAO/TRITON陣列自1994年建成后, 由美國太平洋海洋環境實驗室和日本海洋地球科學技術中心至今維護了23年。加拿大貝德福德海洋研究所建設的用于監測大西洋經向翻轉環流和全球氣候變化的北極區拉布拉多海 AR7W 觀測斷面, 自1990年以來至今已堅持維護了27年。這些觀測網絡不但為全球氣候變化研究提供了數據支撐,還增加了這些國家在全球氣候變化政策制定和科學研究中的話語權。

通過中國科學院戰略性先導科技專項的實施,我們國家的西太平洋深海觀測網已經成功實現了“彎道超車”, 上世紀國外科學家建立了海洋表層和海氣界面觀測網并實現了數據的實時傳輸, 而在本世紀中國科學家沒有再次將解決海洋觀測技術難題的機會拱手相讓, 成功實現了深海數據的實時傳輸, 并連續獲取了高質量高時空分辨率的深海數據。

深海大洋不只是人類了解地球亟待填補的空白,也是國家資源和安全保障之所系。我國要自主建設深海大洋觀測網, 并使其長期運行, 這是一個國家綜合國力的體現, 需要大量的人力投入和長期持續的經費支持。

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