Argo计划

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截至2014年2月Argo大洋观测网浮标分布

Argo 是一个海洋观测系统的名称,可为气候、天气、海洋学及渔业研究提供实时海洋观测数据。[1][2]

该观测系统由大量布放在全球海洋中小型、自由漂移的自动探测设备(Argo剖面浮标)组成。大部分浮标在1000米漂移(被称为停留深度),每隔10天下潜到2000米深度并上浮至海面,在这过程中进行海水温度和电导率等要素的测量,由此可计算获得海水盐度(salinity)和密度。观测数据通过卫星传送到地面科研人员,并向所有人免费、无限制提供。Argo计划的名字起源于希腊神话中勇士杰森(Jason)和阿格诺(Argonauts)寻找金色羊毛(Golden Fleece)时所乘的船。之所以选用该名字,意在强调Argo计划与杰森(Jason)卫星高度计的相互补充。

国际合作[编辑]

Argo计划通过全球30多个国家的合作来维持一个全球海洋观测网,使任何国家可以探测海洋环境要素。Argo是Global Ocean Observing System (GOOS)的重要组成部分。Argo通过Argo指导工作组 进行协调– 一个由科学家和技术专家组成的国际团体,每年召开一次会议。Argo数据流由Argo数据管理组管理。 所有的协调工作通过 Argo信息中心协助完成,该中心隶属于 政府间海洋委员会及世界气象组织(World Meteorological Organization)。Argo还受GEO-地球观测小组的支持,早期就已获得世界气候研究计划的CLIVAR 项目 (海洋-大气系统的变异性及可预测性)以及 全球海洋数据同化试验 (GODAE OceanView)的批准。

历史[编辑]

Argo计划首先在1999年召开的海洋观测大会上提出,该会议是由国际机构组织的,旨在创建可协调的海洋观测方式。原始的 Argo 计划书 由一个科学家组成的小组编写,该计划书描述了一个由3000个浮标组成的全球海洋观测网计划,并将在2007年的某时完成。2007年11月,由3000个浮标组成的全球海洋观测网全面建成。Argo指导工作组于1999年在美国马里兰召开了第一次会议,并在会上概述了全球数据共享原则。Argo指导工作组于2009年向海洋观测大会提交了十年进展报告[3] ,并收到了有关如何完善观测网的建议。这些建议包括在高纬度海区、边缘海(如墨西哥湾和地中海)和沿赤道海区加强观测,在西边界强流区(如湾流Gulf Stream和黑潮Kuroshio)强化观测,向深海扩展观测以及利用新型传感器监测海洋生物和化学变化等。2012年11月,Argo观测网已收集了100万条剖面(是20世纪所有调查船观测资料的两倍),并在多家组织的网站上进行了报道。[4] [5]

浮标设计和运行[编辑]

Argo浮标结构示意图

通过改变浮标自身的有效密度,按照预定的时间表在海中上浮和下沉是Argo浮标的重要特点。任何物体的密度由物体的质量除以体积获得。Argo浮标在自身质量不变的情况下,通过改变体积的方式改变密度。浮标通过液压活塞把油注入位于浮标底部的外部皮囊来改变其体积。随着皮囊的膨胀,浮标的密度变得小于海水密度,从而向海面上浮。当任务结束时,浮标收缩活塞再次下潜。[6]

典型的Argo浮标标体长1米,顶部半球型的帽子约14 厘米。所以浮标体积最小约16600立方厘米。在阿拉斯加湾的Papa海洋站,海表的温度和盐度约6°C 和32.55‰,所以海水密度为1.0256克/立方厘米。而2000米深度处的温度约2°C,盐度为34.58‰,如果包含压力效应(海水可轻微压缩),海水密度为1.0369克/立方厘米,密度的变化除以深层密度的值为0.0109。

浮标到达2000米和上浮至海表时必须匹配这些密度。因为浮标的密度为其质量除以体积,所以需要改变0.0109 x 16,600 = 181立方厘米的体积来实现该过程。所有浮标装载传感器来测量海水温度和盐度,但越来越多的浮标还装载其他传感器,如溶解氧及叶绿素、营养物和pH等生物化学传感器。正在开发的被称为 生物Argo的扩展计划,将在浮标上加装生物和化学传感器来观测海洋。

用于卫星通讯的天线被安装在浮标顶部,将在浮标完成上浮后伸至海面以上。由于海水含盐分,可导电,所以在海面以下进行无线通讯是不可能的。早期的Argo浮标使用慢速的单向卫星通讯,但2013年中期投放的浮标主要使用快速的双向卫星通讯。使用双向通讯系统的浮标可以传输更多的观测数据,在海面只需要停留约20分钟,而不是过去的8-12小时,大大降低了搁浅和生物污染的风险。

自Argo计划开始以来,Argo浮标的平均寿命已经大大增加,2005年布放的浮标其平均寿命已经第一次超过4年。目前正在进行得技术改进有望使浮标的寿命增加到6年或更长。

观测网设计[编辑]

30°S 以南海区由Argo浮标观测的剖面数量(上面的曲线)与其他方式观测数量(下面曲线)的对比。

观测网最初提出的分布密度为浮标间的平均距离为3°x3°Argo计划书 。这可以使高纬度海区有较高的浮标分布密度(数公里),因为控制海洋特征尺度(如涡旋)的罗斯贝变形半径(Rossby radius of deformation)随纬度的增加而变小。至2007年,该观测网基本建成,但南大洋深海的分布密度仍未实现。[7]

正在努力完成在世界各大洋布放浮标的最初计划,但由于南大洋(Southern Ocean)布放机会很少,所以还面临困难。

正如“历史”部分提到的那样,目前正计划在赤道海区、西边界流及边缘海区进行强化观测,这需要将原来计划的3000个浮标增至4000个。

利用剖面浮标观测海洋的一个成果是可以消除季节性偏差。上图显示了自Argo计划实施以来至2012年11月30°S 以南海区(上面曲线)浮标观测剖面数量与同期其他观测资料的对比。下面的曲线显示出强的年变化,即南半球夏季收集的剖面是冬季的4倍,而Argo资料的比率小于1.2。

数据获取[编辑]

Argo模式的一个重要特征是可以准实时地、无限制地获取全球资料。当一个浮标传送一条剖面后,能被快速转换成可上传至GTS(全球通信系统)的格式。GTS由世界气象组织(World Meteorological Organisation)运行,其目的是为天气预报共享数据。所以所有WMO成员国能在几小时内接收到所有Argo剖面数据。数据还可通过两个全球Argo资料中心(GDAC)法国GDAC美国GDAC的FTP及WWW入口获取。

约90%的剖面资料能在24小时内提供给用户,剩余的剖面也能在稍后提供。

用户在使用从GTS或GDAC获取的Argo数据是需要编程技巧。GDAC提供的多剖面文件用Ocean DataView软件可以读取。类似于20121106_prof.nc名称的文件即多剖面文件,为2012年11月6日在某个洋区获取的所有剖面并包含到一个 NetCDF 格式的文件中。GDAC确定了3个洋区,分别为大西洋、印度洋和太平洋。所以某一天将有3个多剖面文件来装载所有剖面数据。

使用Argo资料计算得到的全球海洋图集中沿日期变更线的盐度断面。

那些缺乏编程技巧,但想使用Argo资料的用户,可以下载Argo全球海洋图集 [8] ,它使用方便,不仅能制作像右图显示的Argo盐度断面图,还能制作海洋要素的水平分布图及任何地点的时间序列图等。该图集装载了一个“更新”按钮,可定期对数据集进行更新。该数据集由美国斯克里普斯海洋研究所维护。

对Argo数据制作的网格化资料感兴趣的用户,可访问网页 ,上面列出了一些可用的网格资料。

Argo资料还能通过谷歌地球显示由Argo技术协调员开发的层。有关如何使用该层的指南可访问这里。不考虑获取和研究Argo数据的方式,重要的是用户能熟悉Argo数据文件的结构、Argo浮标的特性及质量控制标记的含义。用户可以参考一个有用的 Argo用户手册。强烈建议用户在使用Argo资料前阅读该手册。Argo指导工作组也通过网页发布了一些有关[1]的贴士。


数据结果[编辑]

每年使用Argo资料在专业性期刊上发表的学术论文数量。

Argo是目前获取海洋的气候状态信息的主要来源,已被广泛应用到许多研究论文中(如右图所示),内容涉及海-气相互作用、海洋环流(ocean currents)、年际变化、厄尔尼诺(El Niño)、中尺度涡、水团性质及变化,Argo资料已经应用到物理海洋学的各个领域。Argo还能用于直接计算全球海洋热含量。

Durack和Wijffels最近发表的一篇具代表性论文中,分析了全球海表盐度模式的变化。[9]

他们认为全球海洋中高表层盐度的海水正变得更咸,而表层盐度相对较低的海域其海水正变得更淡,也可描述为“富人变得更富,而穷人变得更穷”。从科学上来讲,盐度的分布受降水和蒸发间差异的控制。如在北太平洋(Pacific Ocean)北部, 降水强于蒸发,使海水盐度低于平均值。他们的研究结果表明地球正在寻找一个全球水文循环的强化。Argo数据还被用于驱动气候系统模式,使人们有能力改进气候季节性变化的预报。[10]

请参阅[编辑]

参考文献[编辑]

  1. ^ Argo Begins Systematic Global Probing of the Upper Oceans Toni Feder, Phys. Today 53, 50 (2000), doi:10.1063/1.1292477
  2. ^ Richard Stenger. Flotilla of sensors to monitor world's oceans. CNN. September 19, 2000 [2007-10-28]. (原始内容存档于6 November 2007). 
  3. ^ https://abstracts.congrex.com/scripts/jmevent/abstracts/FCXNL-09A02a-1727773-1-Argo_CWP_Reformatv2.pdf Argo – 十年进展(提交至09海洋观测大会的白皮书)
  4. ^ http://www.bodc.ac.uk/about/news_and_events/argo_millionth_profile.html 英国海洋数据中心祝贺100万条剖面。
  5. ^ http://www.unesco.org/new/en/media-services/single-view/news/argo_collects_its_one_millionth_observation/#.UiS-m9JwpyI 联合国教科文组织祝贺100万条Argo剖面。
  6. ^ http://www.argo.ucsd.edu/How_Argo_floats.html UCSD有关Argo浮标如何工作的描述
  7. ^ https://abstracts.congrex.com/scripts/jmevent/abstracts/FCXNL-09A02a-1727773-1-Argo_CWP_Reformatv2.pdf Argo – 十年进展(提交至09海洋观测大会的白皮书)
  8. ^ http://www-argo.ucsd.edu/Marine_Atlas.html 由Megan Scanderbeg制作的Argo全球海洋图集
  9. ^ Durack, P. J., S. E. Wijffels, and R. J. Matear, 2012: Ocean Salinities Reveal Strong Global Water Cycle Intensification During 1950 to 2000. Science, 336, 455-458,http://www.sciencemag.org/content/336/6080/455.abstract
  10. ^ GODAE/OceanView https://www.godae-oceanview.org

其他链接[编辑]

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