海洋观测系统100年进步

　　作者：Russ E. Davis（斯克里普斯海洋研究所）；Lynne D. Talley（斯克里普斯海洋研究所）；Dean Roemmich（斯克里普斯海洋研究所）；W. Brechner Owens（伍兹霍尔海洋研究所）；Daniel L. Rudnick,John Toole（伍兹霍尔海洋研究所）；Robert Weller（伍兹霍尔海洋研究所）；Michael J. Mcphaden（Noaa 太平洋海洋环境研究室）；John A. Barth（俄勒冈州立大学）

　　编译：贾朋群 田晓阳

　　　摘要：评述了观测海洋的超过100年的历史。海洋观测的特别种类（如船载水文、系泊和漂流浮标）与这些测量可能带来的一些发现和动力认识一起进行了概述。到1970年代，孤立的和“探险队”观测方法演化成为覆盖大面积海洋、处理多尺度现象、使用各种仪器设备并配备模拟和分析研究团队的外场试验。洋中动力学试验（Mid-Ocean Dynamics Experiment，MODE）面对中尺度“涡旋”及其与更大尺度洋流的相互作用，采用了新的海洋模拟和试验设计技术，还开发了一系列观测方法。MODE之后，新仪器站网建立，用于研究控制不同区域海洋行为的过程。热带海洋全球大气项目得到热带太平洋多年时间序列，并最终预报了像ENSO这样的耦合海洋大气现象。世界海洋环流试验（WOCE）在较少漂浮和系泊设备直接速度观测区域，利用温度、盐分和其他示踪观测在全球海洋量化海洋传输。东部和西部边界层洋流吸引了复杂的观测，不同沿海区域有其独特的科学和社会意义上重要的现象，成为区域观测系统的的选择地。当前出现的很多类型仪器组成网络观测阵列的趋势在持续，为认识和预报大尺度海洋现象提供了可行之路。

　　1. 引言

　　本章就海洋观测，简要总结了最近海洋科学观测的历史，重点放在新观测能力如何带来对气候动力和海气相互作用认识的增加。在海洋中尺度和更大尺度上，海洋和大气在很多方面具有动力相似，但是在如何观测方面存在根本性的不同。这种不同的关键原因有：从涡旋尺度和人类活动角度看，海洋较大气更大；海洋对光和无线电波都不透明；海水有不可吸入成分、高的流体静力压力和严酷的海况。这些使得观测复杂化并提高了成本。例如，严酷海况和大的海域要求昂贵的大型船只和船员。事实上大型船只和船员可能是海洋学如此多学科的原因。大多数科学船只开展海洋学多个领域的项目（生物、化学、地质、生物地球化学、微生物和物理海洋学）。

　　虽然海洋学是多学科的，但本章篇幅所限很难面面俱到。作为大型气象专著的一章，我们瞄准海洋上的特定物理现象，这些现象与大气中海气相互作用最明显的尺度上的大气过程联系在一起，如时间尺度> O (1) 天和水平尺度> O (10 )km。

　　如果有更强大的数据库，环流物理的分析和模拟可能发展更快，但是早期数据库增加缓慢，因为观测者需要昂贵而复杂的器械才能实现目标观测。观测少而海洋大，在挑战模拟的同时更强调了应有更多和更好的观测。与此同时，模拟是评估观测的一个手段，提供合理的阵列设计并推进物理、地球化学和生物相互作用观测。

　　改进的观测来自两个主要战略：(1) 扩展仪器设备观测更大尺度范围的更多属性；(2)观测网里投放更多仪器覆盖更大区域，持续更长时间。仪器主要来自调查者发明、外场检验和通过调整的再发明周期。从1970年代开始，大面积，尤其是多学科的调查经过协调开始出现，经常是由网络化的单独传感器组成。最开始，网络化的传感器仅广播数据，但之后增加了铱系统1，传感器能够接收新指令。这使得观测-模拟-分析循环有意义地闭合。

　　最早的科学海洋观测是单船只探险，目标是绘制海洋地质、生物、化学和环流图。一个典型例子是 1872-76 年间，利用英国战舰改装的挑战者号探险队，在北半球中纬度和南极之间以一个复杂路径环绕全球。水深用加上 500 kg 铅坠并有可见深度记号的绳子测量。海底进行了拖网捞取；生物样本被用瓶子、浅网、拖网和牵引收集。海水温度用“最小 T”温度计得到，因为并不观测水下温度，数据因此无法测量全球变暖(Roemmich et al.2012)。用瓶子装的化学采样就在船上分析。可见踪迹的海面浮标和系泊标观测上层海水速度。这一工作的宏大程度堪比探月，后来被公众继续开展，是因为他们的兴趣被当时还很新鲜的达尔文发现和那个时代普遍存在的探险精神所唤起。

　　今天的船载观测类型(2节)与1872年的情况类似，但是更为成熟。水文学依然是环流研究的关键，海水成分的变化也还是关键所在，只是目前而言，认识过程与描述示踪物同样重要。海水采样包括稳定和短暂的示踪物，以及多种化学物，以描述生物地球化学过程。20 世纪初，尺度分析和观测的一致性使大家广为接受，大尺度、低频率海洋环流是地转平衡的，这使得大尺度海洋环流可以观测。最早的 Ekman 洋流仪机械测量速度和方向并进行平均，在 1910 年之前投入使用。第一个船载声学多普勒流速剖面仪（ADCP）在 1980 年代初期投入使用(Regier1982)。旺盛的创造力使得船只观测实现现代化和成果倍出，不断增加的国际科研船队开展长距离水切面观测，为认识大尺度海洋环流打下基础(Wüst 1964)。

　　本章分为9节。一些节阐述特殊类别传感器及其观测方法及其描述的现象：2节为船只观测；系留、Argo浮标和水下滑翔机在3节和4节给出；系泊速度和海气通量观测分别在5节和6节讨论。其他节阐述处理特殊区域特别的海气问题的阵群观测。例如，7节讨论ENSO和TOGA阵列，而8节探讨沿海观测系统，在9节阐述了北冰洋科学。很多情况下，有组织的大型探测与海洋观测系统相类似，只是前者有计划地终止。我们还讨论了两次重要的早期探险和海洋观测系统。

　　卫星温度图像中复杂的中尺度形态，直接观测发现的强烈水下流，以及在模式中的中尺度涡旋，都是1971-73年洋中动力学试验（MODE ；MODE Group 1978)得到的里程碑成果。已有和新的实地观测技术（高的远程声 SOFAR 浮标、矢量平均洋流计）通过相互比较、示范观测和客观阵列设计得到了很好的检验，并在 1971-73 年用于设计大型多仪器网，观测中尺度运动和洋流。观测结果在随后 2 年里进行了分析。对系泊、漂浮站和水文数据用数值模式进行分析，带来了基于数据的全球海洋模拟新认识。

　　到1970年代，认识El Nino的概念框架建立起来，El Nino的影响也被了解(Bjerknes, 1969)。热带太平洋表面温度对不同贸易风反应的特殊机制(如 Wyrtki, 1975b)以及热带SST分布如何通过大气深对流影响风的认识开始出现。这些进展导致了热带海洋全球大气（Tropical OceanGlobal Atmosphere，TOGA）项目的建立，目的是用理论、模拟和大型观测网（见7节）跟踪季节和年际变率，研究 ENSO 的可预报性。TOGA 是第一个社会目标促成的大型海洋观测系统，其范围、多样性和投入(Hayes et al. 1991，附图1)都是空前的。TOGA 的多样化观测网很好地描述了类似 ENSO 的热带变率，并支持ENSO动力模式的调试，带来第一次成功的 1986-1987 年 El Ni?o 预报(Cane et al. 1986)。

　　在1980-90年间，认识全球海洋环流、其热量传导及与大气相互作用的兴趣增加。一项准全球水文调查得到布局，包括很多用于反分析的控制水体，目的是为数据同化数值模式打下基础。观测和得到全球海洋某个时刻有用分辨率的全部数据是不切实际的。相反，世界海洋环流试验（World Ocean Circulation Experiment，WOCE）将海洋划分成1990-1998年期间的不同控制体，逐一进行观测，包括主要依据水文学推导的不同水体间的传输(Siedler et. al.2001)。WOCE全球水文观测的补充主要来自跨越主要边界层洋流和环流瓶颈点的浮标和系泊阵列以及首个中层剖面浮标数据，实地观测还与逐步改进的海洋和大气卫星观测相互结合。阵列的设计是为了支持反向分析以解析观测不充分的量，比如深海速度和海气热量和水通量等。这些最早的全面的全球海洋观测依然价值无限，因为大尺度模拟和分析能够转化为全球变化。WOCE 是一个技术上的成功，比较反分析与数据同化模式以及同化过程的深度探索都可以展示这一点。它还满足性能积分指标的编程标准。这样新的扩展同化的工作被推进，包括反复的全球覆盖和适应全球海洋观测系统需求的其他改进。

　　2. 船舶水文测量演化

　　海洋探险、监测和研究最开始的数百年，船舶(图 1)是观测海洋和大多数沿海，从而推断海洋性质和洋流分布，进而演绎海洋过程和动力的唯一方式。虽然全球尺度的自动和卫星观测开始于1970年代，船舶依然持续提供整个世界海洋的高质量核心观测，并为开发、自动化和卫星观测提供校准及背景场。这些观测方法之间有一个实际的协同效应：船只开展精细和准确的观测，实施不断发展的项目，和利用重型器材；卫星提供一些变量的全球覆盖；而自动设施提供低成本长期的实地采样。协调保证了观测系统的强大。

　　100年前，第一次世界大战（WWI）刚刚结束，海洋学研究完全通过船只开展，最新的海洋研究船只动力来自煤和帆(图1a)。一战前的19世纪后期和20世纪初，是海洋考察丰富时期，开展了第一次全球和高纬科考，丰富了对海洋热力学(盐分、温度、密度)和动力学认识，这些研究主要由挪威学派开展，加上主要在英国进行的复杂流体动力学和大气动力学研究。一战后，1920年代和1930年代早期，海洋数据收集爆炸性增长，主要活动覆盖了所有海洋。这些观测的综合，如 Wüst(1935)和 Deacon (1937)的成果，积累为关于海洋环流和性质的华美篇章(Sverdrup et al. 1942，附图2)，成为世纪中期海洋动力学和许多知名教科书的根基 [如 Defant 1961]。

　　WOCE 水道项目(WHP)战略(图2)，是基于1980年代发展的量化运输的需求 (如 Roemmich and Wunsch1985; Talley et al.1991)：从海岸到海岸、从上到底的水文截面，以及为了从量化角度覆盖跨越截面所有的环流要素和提供容量收支，需要密集站点(一般为1/2°纬度，在边界层洋流和地形附近更密)。

　　到2018年，Argo还是没有替代深海高准确性船载温度和盐分观测，那里存在很小，但是重要的人为海洋热容量(图3)。

　　3. Argo 观测系统演化

　　1970年代，认识海气相互作用的兴趣增加，意图是拓展天气预报的时间尺度，瞄准海洋的大气驱动以及大气的海洋驱动的可能作用(Namias 1972)。那时可用的数据库主要包括海面温度和海面气压，两者都是通过商业、海军和研究船只开展的常规气象观测收集得到。没有发现长时间尺度大气的海洋驱动的明显证据(Davis 1976，附图3)。但是，考虑到大尺度地转海洋环流，包括热传输和存储，或许是一个重要的驱动(Bryan et al. 1975)，这需要在更广阔的海洋区域对次表层海洋温度和盐分进行观测。

　　为了这个目的，研究船只的数量并不足以提供所需区域的覆盖，但是，由商业船只布设的投弃式温度深度计（eXpendable BathyThermographs，XBT）带来很大希望。A. Spilhaus 开发的机械 BT (MBT)在第二次世界大战之前、战争中和战后一直被投放并用于军事目的(Shor1978)。尽管MBT比较笨重，需要大力绞车，而且准确性差，但是具备快速和廉价优点，而且无需研究船只。1938年到1948年，用 MBT 收集到近200,000条温度剖面(图4) 。在1960年代XBT探测继续(Snodgrass 1966)。

　　到1990年代后期，全球的物理海洋学者加入到WOCE全球调查，并开始熟悉了新的剖面浮标技术。最早的Argo浮标站1999年由澳大利亚布设，到2007年浮标站数量越过3000个门槛。今天，Argo阵列包括超过3800浮标站，每10天进行到2000m的剖面探测，这与20年前提出的Argo概念非常接近(图5)。