BGC-Argo浮標觀測在海洋生物地球化學中的應用

邱國強，王海黎*，邢小罡

(1．近海海洋環境科學國家重點實驗室(廈門大學)，福建 廈門 361102；2．國家海洋局第二海洋研究所衛星海洋環境動力學國家重點實驗室，浙江 杭州 310012)

海洋中的生物地球化學過程和物理過程是緊密耦合在一起的，物理過程決定著海洋生物生存環境、初級生產、漁業資源、生態結構、生物地球化學循環等，同時生物地球化學過程在一定程度上也會影響物理過程.海洋物理強迫及其引起的生物地球化學響應體現在不同時空尺度上，在時間尺度上從晝夜、天氣(如臺風、沙塵暴等)、季節、年際到氣候尺度，在空間尺度上從次中尺度(如鋒面、渦絲)、中尺度(如渦旋、沿岸上升流)、海盆尺度到全球尺度等(圖1)[1].理解和預測這種耦合關系，需要同步觀測大量的生態及物理數據，傳統觀測主要通過船載平臺或遙感手段實現，而這兩種方式都有一定的局限性[2].船載平臺采樣數據精度較高，但是時間分辨率不足，很難描述完整的季節變化，且在極端天氣(如臺風)或邊緣海區(如極地)條件下難以實現，此外船載觀測時人物力花費巨大，成本較高.在過去40年，海色遙感技術快速發展，具備了在大時空尺度上對生物地球化學的觀測能力[3].典型的海色傳感器，如中等分辨率成像光譜儀(moderate resolution imaging spectroradiometer，MODIS)，空間分辨率可以達到1 km；靜止軌道海色傳感器(geostationary ocean color imager，GOCI)時間分辨率可以達到1 h[4]；海岸帶高光譜成像儀(hyperspectral imager for the coastal ocean，HICO)光譜分辨率達到5.7 nm，空間分辨率達到90 m[5].但是海色遙感也存在很多缺陷：首先，遙感不是直接觀測，而是通過遙感算法計算得到，其算法的建立和驗證需要大量現場觀測數據；其次，遙感只能獲得海洋表層信息，無法直接得到剖面數據；再者，海色遙感受云層影響嚴重，在任何時刻，70%的海洋表面都被云層覆蓋，實際得到的有效數據較少.這種觀測能力的不足制約了人們對海洋生物地球化學過程的理解，因此還需要發展新的觀測平臺.

實時地轉海洋學列陣(array for real-time geostrophic oceanography，Argo)計劃是物理海洋學家于20世紀末提出的一個全球海洋觀測計劃，通過布放3 000 套剖面浮標(也稱為Argo浮標)組成陣列，實時觀測全球海洋上層2 000 m的溫鹽數據，以提高氣候模式的模擬與預報精度[6-7].Argo計劃自實施以來發展迅速，目前每年新投放浮標達到800套以上，并維持3 800 套以上正常運行的狀態，每年可獲得超過14萬組剖面數據，提供了全球95%的溫度和鹽度觀測數據，極大地豐富了海洋觀測數據(圖2).隨著技術發展，一些微型、低功耗的物理、生物、化學傳感器被研發出來，將這些傳感器加載到Argo浮標上，形成能同步觀測物理和生物地球化學參數的生物地球化學剖面浮標(biogeochemical Argo float，BGC-Argo浮標)，如圖3所示.這種新型的海洋自主觀測平臺為海洋生物地球化學的現場觀測帶來了技術上的重大飛躍[2，8].同傳統觀測方式相比，BGC-Argo浮標具有3個顯著的優勢：1) 可以在船舶不易觀測的極端海況(如臺風、南極西風帶)和極端海區(極地、冰下)條件下進行自動化觀測；2) 能進行長期觀測，覆蓋晝夜、天氣、季節以至年際的連續時間尺度；3) 具有很高的垂向分辨率，最高可達0.2 m.BGC-Argo浮標同船載平臺和遙感觀測手段相互補充，為物理-生物地球化學耦合研究提供了一個重要的數據來源[2，9-11].截至2018年3月投放的BGC-Argo浮標已經超過600套，仍然活躍的數量為314套，主要集中在北大西洋、印度洋和南大洋區域(圖2)，雖然和僅配置物理傳感器的核心Argo浮標相比數量仍然較少，但應用前景廣泛，是Argo計劃的重要組成部分和發展方向.

黃色陰影部分為BGC-Argo浮標觀測尺度.

1 工作原理和科學目標

BGC-Argo浮標工作原理同核心Argo浮標一樣，其上浮和下沉運動通過調節外部油囊體積來實現.當油從內部油泵壓入外部油囊時，浮標因浮力增大開始上?。环粗蛷耐獠坑湍易⒒貢r，浮標開始下沉.圖3顯示了浮標的工作流程：浮標平時停留在1 000 m等密度層隨深層洋流做中性漂流，達到程序設定時間后先下沉到2 000 m，然后在上升階段觀測數據，當浮標到達海面時通過衛星將數據傳回地面，然后接受新的指令，再次下沉到1 000 m，開始下一個循環.上浮速率約10 cm/s，剖面觀測時間約6 h，最高采樣率可高于0.2 m.觀測深度、周期、采樣率等參數都可自主設定，并根據科學任務實時做出調整.

圖片來源：http:∥www.jcommops.org.

圖片來源：http:∥www.argo.ucsd.edu，http:∥www.seabird.com.

BGC-Argo浮標的科學目標是為海洋生物地球化學研究提供大量高垂向分辨率的剖面數據.除了溫度和鹽度，BGC-Argo浮標還可觀測一系列生物地球化學參數，如葉綠素a(chlorophyll-a，Chl-a)濃度、有色可溶性有機物(colored dissolved organic matter，CDOM)熒光、溶解氧含量、硝酸鹽濃度、顆粒物后向散射系數(particulate backward scattering coefficient，bbp)、顆粒物衰減系數(particulate beam attenuation coefficient，cp)、下行輻照度以及pH等.海洋光學性質取決于水體中光學活躍成分的濃度、粒徑和種類，同生物地球化學參數有密切聯系.海洋中顆粒有機碳(particulate organic carbon，POC)濃度同cp和bbp都有很好的統計關系，cp和bbp都可用來反演POC濃度[12].海洋中浮游植物碳含量(phytoplankton carbon biomass，Cphy)與海洋初級生產、碳循環、氣候變化直接相關，其占POC濃度的比例在局地海區相對穩定[13]，因此在一階角度上cp和bbp也可用于估算Cphy[14-16].基于米散射理論，bbp和cp反映了兩種不同粒徑類型顆粒，粒徑較小(<1 μm)的非活性顆粒決定著bbp，而粒徑較大(>0.5 μm)的顆粒決定著cp[17-18]，因此在二階角度上，bbp與cp的比值攜帶著顆粒物組分信息[19].溶解氧是海洋生態和生物地球化學中的一個重要參數，可以用來研究海洋通風和環流[20-21]、海洋新陳代謝[22]、海氣交換[23]、溶解氧最小值區(oxygen minimum zones，OMZs)變異[24]等.Chl-a、溶解氧、硝酸鹽的濃度、bbp和cp還可用來估算海洋凈初級生產力(net primary productivity，NPP)和凈群落生產力(net community production，NCP)或輸出生產力(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可以由硝酸鹽吸收率[28]、氧氣質量平衡模型[26]或生物量累積[25]等方式估算.根據漂流期間cp的增長速率可以估算碳通量指數(carbon flux index)，將其與沉積物收集器數據比較，可直接得到中深層海洋(200～1 000 m)的輸出通量[29].光學bbp或cp剖面信號經常會出現較大的尖刺(spike)，這些信號與顆粒物的聚集有關，并非傳統認為的噪聲，根據這些尖刺信號可以估算顆粒物的沉降速率[30].顆粒無機碳可以由改裝的透射率儀觀測的雙折射信號來估算，該類型傳感器在BGC-Argo浮標上已有實驗[31]，將來技術成熟后會拓展BGC-Argo浮標在海洋生物地球化學上的應用.pH在海洋碳酸鹽體系中占據重要地位，可用于碳酸鹽系統的季節變化以及海洋酸化問題研究[32-33].此外，BGC-Argo浮標數據還可用于標定與驗證衛星海色遙感產品，或與遙感數據結合建立四維時空數據庫，也可用于驗證與同化海洋生物地球化學模型.

2 在季節及年際尺度過程的應用

2.1 海洋浮游植物生物光學關系及其生理狀態調整

傳統上浮游植物量一直用其細胞內的Chl-a濃度來表征，但是Chl-a濃度會隨著光照、溫度、營養鹽等環境因子變化，并不能很好地反映其生物量.當光照減弱且營養鹽充足時，浮游植物會增加細胞內Chl-a濃度來更加有效地利用光能；而當營養鹽濃度降低時，浮游植物會降低細胞內Chl-a濃度[34-35].這種生理調整導致Chl-a濃度與Cphy的比值變化可能跨越一個量級[36].已有研究表明，bbp和cp都能很好地反映Cphy[14，16].BGC-Argo浮標能同步觀測Chl-a濃度和bbp或cp，這為浮游植物生物光學關系及生理狀態調整的研究提供了非常好的平臺.基于投放在北大西洋副極地海區2套BGC-Argo浮標的2年觀測數據，Xing等[11]發現海洋上層Chl-a濃度、bbp和cp三者之間有著非常好的相關性，建立的生物光學關系同前人基于船載平臺觀測的結果一致，在季節變化上三者都呈現冬低夏高的趨勢，并且Chl-a濃度與cp的比值有明顯的光照依賴性，意味著在高緯度區域浮游植物也存在光適應性現象.基于投放在全球海洋的105 套BGC-Argo浮標觀測的8 500組剖面數據，Barbieux等[37]分析了不同深度、區域和季節Chl-a濃度和bbp的關系，結果表明在高緯度區域二者有著非常好的耦合關系，在低緯度區域二者的關系較弱，Chl-a濃度受到海洋中顆粒物組成和浮游植物光適應性兩方面共同調控.

2.2 浮游植物葉綠素垂向分布

研究浮游植物Chl-a濃度的垂向分布對估算上層海洋輻射傳輸、浮游植物總生物量、初級生產力、碳循環都有重要意義，此外，建立Chl-a濃度垂向分布同表層Chl-a濃度的關系可以拓展遙感應用[38].在絕大多數上層混合較弱的區域，Chl-a濃度的垂向分布是不均勻的，在50～200 m處存在一個次表層最大值(subsurface chlorophyll maximum，SCM)[10，39].SCM的形成和維持是多種機制共同作用的結果，包括表層的營養鹽限制與深層的光照限制在SCM深度位置達到平衡形成的浮游植物最佳的生長環境、生理調整或物理混合引起的浮游植物遷移或聚集、浮游植物光適應性、浮游動物捕食等因素，其中光照和營養鹽的垂向分布是最主要的影響因素[39].BGC-Argo浮標能夠測得Chl-a濃度剖面數據，同時光學數據bbp或cp可以用來估算Cphy，還能觀測浮游植物生長所需的光照和硝酸鹽濃度，得到的物理數據可以估算上層海洋的垂向混合狀態，因此BGC-Argo浮標非常適合浮游植物的垂向分布研究.基于投放在太平洋副熱帶海區和地中海的4套BGC-Argo浮標觀測資料，Mignot等[10]分析了真光層內生態動力機制，結果顯示浮游植物具有光照依賴性，在真光層底部，SCM深度同等光照線吻合得非常好，其季節變化主要受光驅動(light driven)；在真光層上部，Chl-a濃度總是在冬季增大，這由浮游植物本身生物量增長和生理響應共同貢獻.此外在光照較強的夏季，SCM深度較深，接近硝酸鹽躍層，對應的Chl-a濃度也較高.

2.3 浮游植物藻華機制

藻華是指浮游植物在某個季節迅速增加的現象，如北大西洋浮游植物在春季爆發，即著名的春季藻華[40]，而在低緯度區域如南海，藻華通常發生在冬季[41].浮游植物藻華的發生機制到目前仍有較大爭議，主流的理論有經典的臨界深度理論(critical depth hypothesis)[40]，基于臨界深度理論發展出的臨界湍流層理論(critical turbulence hypothesis)[42]和稀釋再耦合理論(dilution recoupling hypothesis)[43].臨界深度理論的基本觀點是當混合層深度淺于臨界深度時，水柱內光合作用大于呼吸作用，浮游植物發生累積，其中，臨界深度(critical depth)定義為其上方至海面的整個水體的碳生產量與消耗量(包括浮游植物的呼吸作用、沉降和其他消耗項)相等的深度.現場觀測發現，北大西洋春季藻華發生在水體層化之前，并不符合混合層首先變淺的假設.臨界湍流層理論認為基于溫度密度計算的混合層很深，但真正的有效混合深度(mixing layer)可能較淺.這兩種理論都是基于物理過程(混合或對流)將營養鹽帶到海洋上層，進而促進浮游植物增長.稀釋再耦合理論則主要考慮了浮游動物的捕食作用，認為冬季強烈的混合作用改變了浮游生物在混合層內的垂向分布，打破了浮游植物-浮游動物的耦合關系，導致浮游植物量在冬季就開始增加[43].

BGC-Argo浮標同時搭載物理和生物光學傳感器，能得到長時間序列的觀測數據，便于分析浮游植物的季節變化特征.針對北大西洋春季藻華現象，于2008年在冰島海盆投放了一套BGC-Argo 浮標并得到了大量觀測數據，發現藻華觸發機制為光照增強和上層海洋層化加強，而層化主要是由渦旋引起的[44].同樣是基于BGC-Argo浮標的現場觀測，Behrenfeld等[45]發現水柱積分的Chl-a濃度和bbp都是從冬季開始增大，支持稀釋再耦合理論的假設.浮游植物藻華機制的爭議主要源于觀測數據的不充分，當搭載更多傳感器(如硝酸鹽、湍流)的BGC-Argo浮標應用后，這一問題會越來越清晰.

2.4 海洋碳循環

有機碳從上層海洋輸運到深層，即生物泵過程(biological bump)，對全球碳循環和氣候變化有重要影響[46].在穩定的海洋狀態下，上層海洋的EP等同于其NCP.經過空氣定標后，溶解氧平均誤差可控制在0.1%[47]，在風速較小的低緯度海區，氧氣平衡方法為NCP最佳測量手段[26].此方法需要長時間序列的剖面數據，在海洋連續站已有著很好的應用[48].BGC-Argo浮標突破了時間空間上的限制，極大地拓展了低緯度海洋NCP的觀測能力.Yang等[26]根據投放在太平洋不同位置的BGC-Argo浮標估算其NCP，其中西北副熱帶區域年累積NCP同東太平洋結果相近，均約為2 mol/(m2·a)，而南太平洋區域年累積NCP接近0，意味著在南太平洋區域上層海洋碳輸出通量可以忽略不計；同遙感估算NCP相比，BGC-Argo浮標估算的NCP在北太平洋偏高，在南太平洋偏低.

2.5 海洋脫氧過程

隨著全球變暖，上層海洋層化現象加強，海洋中溶解氧呈現降低趨勢，開闊大洋的脫氧作用(deoxygenation)不斷增強，OMZs范圍不斷擴大，且大部分發生在北太平洋和熱帶海洋的溫躍層以下[49-50].海洋脫氧加強反硝化作用，會生成溫室作用更強烈的氣體N2O，同時硝酸鹽作為呼吸作用的替代受體也會被快速消耗，對海洋碳、氮循環和其他生物地球化學過程產生重大影響[8，49].模型結果表明，到21世紀末全球海洋氧儲庫將降低1%～7%[51]，對生物地球化學過程和氣候影響甚至體現在千年尺度上[52].通過常規船載手段觀測和分析OMZs的變化是非常困難的，而BGC-Argo浮標能同步觀測溶解氧、硝酸鹽和POC的濃度，為海洋脫氧的研究提供了一個非常好的平臺.

2.6 海洋通風和模態水

海洋對大氣強迫的響應體現在不同的時空尺度上，在年際尺度上的響應深度可達到主溫躍層以下的中深層.在一些特殊區域(如極地海區)，上層海洋因為溫度降低或鹽度增大導致密度較大，通過深對流生成中層水或模態水[53].模態水是溫躍層通風的結果，影響著海洋溫鹽結構、大洋徑向翻轉流(meridional overturning circulation，MOC)等物理過程，也影響著海洋生物地球化學過程，如亞南極水(Subantarctic mode water，SAMW)和南極中層水(Antarctic intermediate water，AAIW)極大地促進了人為排放CO2的吸收[54]，也是中深層水溶解氧的主要來源，調節著OMZs的含氧量[55]，同時也是溫躍層營養鹽的主要來源[56].除了常規的溫度和鹽度，一些化學參數(如溶解氧和CDOM)也可以用來示蹤中深層水團.2003年投放在拉布拉多海的一套BGC-Argo浮標觀測到溶解氧的季節變化，在強烈通風階段上層1 400 m內溶解氧總量增加17 mol/m2，海洋如同做了一個“深呼吸”[20].船載觀測大西洋、太平洋和印度洋的CDOM垂向分布結果表明，大洋徑向CDOM垂向分布除受生物地球化學過程(如異養活動和光漂白)影響外，主要受到MOC制約，證實CDOM可示蹤中層水團、主溫躍層、深層海洋環流[57].在全球海洋變暖的背景下，海洋通風和MOC也變得更加復雜[58]，BGC-Argo浮標能同時觀測物理(溫度、鹽度)和化學(溶解氧、CDOM)變量，能為研究此問題提供更為完善的現場觀測數據.

3 在天氣尺度或中尺度過程的應用

3.1 大氣沉降過程

開闊大洋對全球海洋生產力的貢獻超過75%[59]，來自底層的營養鹽并不能維持上層海洋初級生產活動[60]，大氣沉降過程包括沙塵暴和火山爆發等，是營養鹽一個非常重要的來源[61-63].大氣沉降不僅帶來了浮游植物生長必需的營養鹽，還帶來了痕量元素鐵[61，64].鐵能提高浮游植物的硝酸鹽吸收效率[65]，尤其是在高營養鹽低葉綠素(high nutrient low chlorophyll，HNLC)海區加鐵能極大地促進浮游植物的生長[61].2001年4月，投放在北太平洋的2套BGC-Argo浮標觀測到沙塵暴過后上層海洋生產力增加的現象，但是只持續了2周，比通常認為的時間要短得多，此外Chl-a濃度增加了20%而POC濃度增大了1倍，浮游植物的光合作用效率提高很多，這是其他觀測方式很難觀測到的現象[9].在全球變暖趨勢下，上層海洋層化加強會抑制垂向混合，降低底層營養鹽對上層的補充，大氣沉降作用會逐漸顯著[66].目前海洋對大氣沉降活動的響應研究主要依靠衛星遙感，船載觀測記錄非常稀少，在BGC-Argo浮標出現之前，船載觀測甚至從未獲取到大氣沉降的時間序列數據.BGC-Argo浮標具備在局地海區進行長時間連續剖面觀測的能力，且觀測頻率可隨時調整，這種垂向連續觀測能力與靈活的觀測模式將會大大增加對大氣沉降現場觀測的機會，特別是可用于量化大氣沉降過程對海洋生態系統的影響深度、對垂向總生物量的影響程度，以及影響的時間尺度.

3.2 臺風過程

臺風會帶來強烈的垂向混合、上升流和夾卷，加深混合層，降低海表面溫度，還會引起近慣性震蕩，對海洋物質、熱量和能量交換有較大影響[67].臺風把底層的營養鹽帶到真光層內，可促進浮游植物光合作用，提高了Chl-a濃度、NPP和固碳能力[68].2000年7月中等強度臺風Kai-Tak經過南海后，表層Chl-a濃度增加30倍，大約固碳0.8 Mt， 約占南海年新生產力的2%～4%[69].另一方面，很多研究發現臺風并不一定引起浮游植物增長.Hu等[70]發現臺風Dennis經過墨西哥灣北部后，在淺水區域表層Chl-a濃度增大，但在深水區域表層Chl-a濃度幾乎沒有變化.Lin等[71]總結了西北太平洋2003年全年11個臺風的影響，發現只有2個臺風引起了浮游植物增長，不是每個臺風都能將底層營養鹽有效地輸運到上層，其輸運能力取決于上層海洋的層化狀態、臺風強度及移動速度等，認為西北太平洋臺風對全球海洋固碳的貢獻非常小.臺風對海洋生物地球化學的影響體現在很多方面，不僅是浮游植物，還包括上層海洋溶解無機碳[72]、海氣界面氣體交換(如氧氣)[73]以及漁業資源[74].受到觀測手段限制，對臺風過程引起的生物地球化學變化的認識仍然不夠充分，尤其是臺風經過時的即時響應.Argo浮標能在任何天氣狀況下工作，目前已有大量研究利用核心Argo浮標數據分析臺風引起的物理響應[75-76].搭載多傳感器的BGC-Argo浮標不僅能記錄臺風引起的物理響應，還能同時觀測生物地球化學響應.Chacko等[77]通過一個投放在孟加拉灣的BGC-Argo浮標觀測到2014年熱帶氣旋Hudhud過境時Chl-a濃度垂向分布的變化過程，發現衛星遙感觀測到的表層Chl-a濃度升高現象實際包含了兩個同步過程：1) 次表層Chl-a被混合作用夾卷到表層的物理過程，2) 表層營養鹽的補充從而促進浮游植物生長的生態過程.隨著浮標投放量的逐漸增多，未來對于臺風事件的海洋學研究將主要依賴于BGC-Argo浮標平臺，其海量的觀測數據不僅可用于證實(或證偽)基于衛星遙感和數值模式的研究結論，還可能發現新的海洋學現象，從垂向分布的角度更全面地量化臺風引起的海洋生態響應，并可用于臺風模型的參數優化.

3.3 中尺度渦過程

中尺度渦是海洋環流中普遍存在的現象，影響著上層海洋的溫鹽結構和環流特征，通過對營養鹽的垂向輸運影響著上層海洋生物地球化學過程[78-81].基于遙感數據分析，中尺度渦對表層Chl-a的影響機制可概括為4類：渦旋抽吸(eddy pumping)、渦旋-?？寺槲?eddy-Ekman pumping)、渦旋水平輸運(eddy advection)和次中尺度抽吸(sub-mesoscale pumping)[80].渦旋抽吸為渦旋運動引起的內部升降流，氣旋渦將底層營養鹽帶入真光層促進浮游植物增長，反氣旋渦則會抑制浮游植物增長[79]，因此渦旋抽吸被認為是最重要的動力過程，其引起的垂向流速普遍認為要高于渦旋-?？寺槲鸬牧魉賉81-82].渦旋水平輸運由渦旋旋轉運動造成，導致表層Chl-a濃度分布不均勻[78，80].次中尺度抽吸主要是非線性過程造成的，會引起很大的垂向速度，對表層Chl-a濃度也有重要影響[83].中尺度渦的動力過程非常復雜，之前的大多數研究都依賴于遙感表層的Chl-a濃度，缺乏必要的垂向剖面觀測，各個動力機制對生物地球化學的影響也有很大爭議.投放在北大西洋的一套BGC-Argo浮標捕捉到了一個反氣旋渦，表層的Chl-a濃度和bbp只有微弱的增加，但是垂向積分的bbp卻有著極大的增加，意味著在這個反氣旋渦中有大顆粒物向深層沉降，但是遙感觀測的表層Chl-a濃度幾乎沒有變化，這也說明只有遙感觀測時會漏掉重要的垂向信息[84].在冬季南印度洋副熱帶區域，海色遙感也經常觀測到反氣旋渦表層Chl-a濃度增加現象.一套BGC-Argo浮標橫切了一個反氣旋渦，觀測獲得了6周的時間序列剖面數據，結果顯示Chl-a濃度較高是多個動力過程共同造成的，主要為水平輸運和渦旋深部垂向對流，垂向對流將次表層Chl-a帶到表層，同時將底層營養鹽帶到上層促進了浮游植物增長[85].雖然BGC-Argo浮標能提供高垂向分辨率的剖面數據，但單一浮標對于中尺度過程的觀測能力較為有限，主要體現在難以刻畫其空間分布，通過陣列式投放則可以在一定程度上彌補這一不足.此外，通過與其他海洋觀測平臺(如生物地球化學水下滑翔機BGC-Glider、水下拖體SeaSoar、海色衛星遙感數據等)進行數據融合，將完善對中尺度過程的觀測.

4 在晝夜尺度過程的應用

光合作用是向海洋上層輸入有機碳的主要過程，晝夜尺度是其典型的時間尺度.然而，由于觀測非常消耗時間，對生物學過程如此重要的時間尺度在觀測中卻經常被忽略.盡管如此，海洋光學參數和生物地球化學參數的晝夜循環變化在海洋學界形成了共識[86].一些現場數據觀測到，在一維物理過程為主(無側向平流或者生物學尺度大于平流尺度)的站點，光學方法測得的POC濃度顯示出明顯的晝夜振蕩現象：白天增加，夜晚減少.這種POC濃度的晝夜振蕩可以看作是NCP的一個指標參數[87]，反映了海洋生產力的晝夜變化.通過BGC-Argo浮標在1 d內多次測量，可以定量計算這一變化率.這種高時間分辨率的現場觀測能更好地理解碳的晝夜變化過程.

5 在海色遙感和海洋模式中的應用

5.1 海色遙感產品驗證

海色遙感觀測的輻射和反演的生物地球化學數據需要大量的現場觀測數據來評估和驗證，目前用于海色遙感驗證的現場數據大都是在船載或錨系浮標上進行的.錨系浮標平臺雖然可以進行連續觀測以滿足高采樣頻率的要求，增加其與衛星同步數據匹配的可能性，但對空間的覆蓋非常有限；而船載觀測雖然可以達到空間尺度的要求，但是通常覆蓋的時間尺度太短，且觀測成本較高.相對于上述兩種觀測方式，BGC-Argo浮標具有明顯的優勢：首先，BGC-Argo浮標可設置為衛星過境時進行觀測，極大地提高了數據匹配量；其次，BGC-Argo浮標可以投放在任意海區，獲得各種天氣條件下和各種營養水平海區的數據，特別是在一些船舶不易到達的高緯度海區以及遠離人類活動的副熱帶流渦區.BGC-Argo浮標觀測的遙感反射率同衛星觀測數據在412，443和488 nm 波段具有良好的一致性，但在555 nm兩者關系較弱[88-89].在南大洋海區，不論采用BGC-Argo浮標熒光法還是船載平臺高效液相色譜法(HPLC)，測得的Chl-a濃度都同遙感OCI(ocean color index)算法[90]計算的Chl-a濃度最為接近，證明OCI算法可靠性較高[91].隨著BGC-Argo浮標投放量的逐漸增多，未來可能成為驗證海色遙感產品的主要數據來源.

5.2 海洋生物地球化學模式

海洋生物地球化學模型的初始化、邊界條件、參數優化與模型驗證都需要現場觀測數據支持.海色遙感提供的Chl-a濃度是目前模型驗證的重要來源[92]，但只能進行表層數據的驗證；長時間序列連續站(如BATS和HOTS)可提供垂向剖面數據，但時間分辨率通常只能達到每月1次，用于模型的建立和驗證仍顯不足.BGC-Argo浮標可觀測到長時間序列的高垂向分辨率剖面數據，非常適用于生物地球化學模型的建立和驗證.數據同化可以將數值模型和現場觀測有效地結合，彌補現場觀測數據時空分辨率較低的劣勢，極大地發揮現場觀測數據的價值.南大洋生物地球化學模式(biogeochemical Southern Ocean state estimate，B-SOSE)同化了BGC-Argo浮標觀測的溶解氧數據，其性能得到顯著改善，如在現場觀測數據較多的區域，能很好地模擬海洋表面CO2濃度和中層溶解氧的變化程度[93].BGC-Argo浮標觀測的Chl-a和硝酸鹽數據在生物地球化學模式中已有應用[94].

5.3 上層海洋太陽輻射增溫問題

進入到海洋內部的太陽輻射大小和時空變化會引起上層海洋垂向上的熱量結構發生變化，這將會影響到溫躍層厚度和混合層深度，進而影響到上層海洋動力過程，甚至會通過海氣相互作用影響到全球氣候變化[95-96].太陽輻射在上層海洋的穿透深度和強度受海洋固有光學性質、云量和太陽高度等環境因素影響[97]，在開闊大洋可以由Chl-a濃度垂向分布確定[98].受全球變暖影響，低緯度海區層化加強，混合層內營養鹽濃度降低，在年際變化上表層Chl-a濃度呈降低趨勢[99]，這就意味著更多的太陽輻射會穿透混合層進入到次表層并對其直接增溫.在夏季北極海區，全球變暖造成陸架邊緣海冰融化，由于海水的反照率遠小于海冰，進入海洋的太陽輻射會劇烈增加，同期的浮游植物藻華造成Chl-a濃度很高，這會將太陽輻射能量限制在海洋上層，對海洋上層溫度有顯著正反饋影響[100].搭載輻射計的BGC-Argo浮標能提供水下太陽輻射的直接觀測數據，也可用來優化輻射衰減模型.

6 南海BGC-Argo浮標的應用

廈門大學于2014年夏季在南海投放了2套BGC-Argo浮標(型號SeaBird Navis BGCi，序列號分別為F347和F348)，于2016年9月在南海中央海盆再次投放了1套BGC-Argo浮標(型號NKE Provor CTS4，序列號為XMU001b)(圖4).Navis搭載的傳感器有CTD(型號SBE 41CP)、溶解氧傳感器(型號SBE 63)、熒光后向散射計(型號MCOMS，測量Chl-a熒光、CDOM熒光和bbp)，浮標常規觀測周期為3 d，對臺風或中尺度渦的觀測周期調整為1 d.F347在南海北部海盆SEATS站(18° N，116° E)投放，截至2016年8月壽命終止共觀測到245組剖面數據，F348在南海中央海盆(14° N，116° E)投放，截至2016年7月壽命終止共觀測到241組剖面數據，2套剖面浮標都得到了2年的長時間剖面觀測數據.Provor搭載的傳感器有CTD(型號SBE 41CP)、溶解氧傳感器(型號Aanderaa 4330)、熒光后向散射計(型號ECO3)、水下光譜儀(型號OCR504)和透射率儀(型號C-Rovor，測量cp)，常規采樣周期為5 d，加密觀測時調整為0.25 d.XMU001b投放在南海海盆(14.3° N，115.3° E)位置，截至2018年3月共觀測到134組剖面數據，預計可運行到2019年6月.

圖4 南海BGC-Argo浮標的運行軌跡

圖5為南海北部海盆和中央海盆位置的Navis BGC-Argo浮標觀測的溫度和Chl-a濃度2年時間序列，Zhang等[101]利用這批數據分析了兩區域Chl-a濃度的季節變化特征及動力機制：在中央海盆，存在一個穩定的SCM層，深度在48～96 m，不存在明顯季節變化；受季風影響，混合層有著明顯季節變化，冬季最深達67 m，但仍淺于SCM深度.在南海北部海盆，受冬季季風影響顯著，混合層較深，最深達到80 m，SCM層在冬季消失.SCM受到營養鹽躍層的影響，營養鹽躍層越淺對應的SCM越大.強風混合和垂向對流是冬季表層Chl-a濃度較高的主要物理驅動因素.南海北部海盆比中央海盆風力更強，海表溫度更低，垂向混合和對流比中央海盆位置的大，更多的營養鹽被帶到表層.同時高鹽度黑潮水入侵，有利于水體垂向對流及營養鹽向上輸送.風致混合、垂向對流和黑潮水入侵等因素共同導致南海北部海盆冬季藻華現象.

Huang 等[102]利用投放在南海中央海盆的Navis BGC-Argo浮標觀測溶解氧數據，通過構建上層氧氣物質通量模型，計算得到海洋NCP.圖6(a)為高頻的NCP日變化，總體來說，NCP季節分布呈現東北季風盛行時期(11—4月)大于西南季風盛行時期(6—9月).其中NCP在1月出現峰值，而夏天出現短暫異養狀態(即NCP小于0).結合BGC-Argo浮標觀測的表層Chl-a濃度和風速(圖6(b))，發現表層Chl-a濃度同風速有較高的相關性(r=0.45，p<0.01)，對應的NCP同Chl-a濃度也有很好的相關性(r=0.54，p<0.01)，NCP的季節變化主要與風致混合和初級生產力密切相關.與遙感結果比較，剖面浮標估算的NCP與基于遙感CbPM算法計算的NCP在量值上更為接近，而VGPM算法計算得到的NCP則低于剖面浮標觀測，但是兩者季節變化趨勢一致(r=0.66，p<0.01)(圖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)，說明寡營養的海盆雖然出現自養和異養的變化，但是從全年尺度看仍是個顯著的自養系統.這也是南海首次觀測到的高時間分辨率、長時間序列的NCP數據，揭示了BGC-Argo浮標在南海生物地球化學過程研究中有著很高的應用價值.

黑線為混合層深度，紫線為20 ℃等溫線，白線為SCM深度.

圖6 2014年7月—2015年7月上層主要氧氣物質通量日變化(a)、 Chl-a濃度和風速的日變化(b)以及BGC-Argo浮標觀測和遙感估算月累積NCP比較(c)(修改自文獻[102])

7 展 望

作為一種新的綜合性海洋觀測工具，BGC-Argo浮標具有廣泛的應用前景，不僅可用于海色遙感衛星的定標與驗證、生物光學算法的改進，而且大大提高了各種生物地球化學參數的觀測能力，可以深入到一些之前的觀測模式無法觸及的或關鍵時間尺度上的生物地球化學過程.未來的海洋觀測將在很大程度上依靠自動化和遠程控制技術.BGC-Argo浮標將對海洋的觀測能力提升到一個新的高度：從晝夜循環到年際尺度，從局地海域到全球分布，從海表面到垂向變化，從物理參數到各種生物地球化學變量，從而構建起一個綜合性的海洋觀測數據庫.