本专题拟帮助广大热衷支持Argo事业及其长期关心、使用Argo资料的科技管理和科研工作者及时了解和掌握OneArgo计划的实施进展情况，特别是与自动剖面浮标技术发展及其观测数据质量有关的问题，进行跟踪述评，以促进OneArgo计划的顺利实施和建设的全球、全海深、多学科综合海洋观测网及其所获取的高质量物理海洋、生物地球化学环境要素数据，能够在我国海洋、气候和社会等科学领域的基础和应用研究中得到及时而又广泛的推广应用，希望能得到大家的青睐。
No. 05
OneArgo观测网中一个长达13年的活跃浮标
最近，由OceanOPS网站（www.ocean-ops）发布的一份最新统计资料表明，在2023年12月底的全球OneArgo实时海洋观测网中，活跃着一个来自于美国MRV系统公司生产的自动剖面浮标，其在海上正常工作的时间已经超过了13年。
观测网内活跃浮标供应商、数量及其工作寿命（海上正常工作时间）需要说明的是，上图中各个寿命段（如0-1年多、1-2年多等）所对应的浮标数量，并不代表这些浮标已经停止工作，如在0-1年多时段内的近600个浮标，大部分应该是新布放的，只有极少数可能由于各种原因停止了工作；而0-2年多时段内的浮标数量（约650个）最多，表明各个型号的浮标大多数能够在海上正常工作2年多时间。
之后，随着时间增加，浮标数量会逐年减少。其中，在3-4年多和5-6年多时段都会呈现较明显的下降，特别是在6-7年多时段后，浮标数量下降越来越快，说明浮标在海上正常工作8年以上的已经极少了，10年以上的更是麟角凤毛。
由上图可见，那些超过8年的浮标，其生产厂家（MRV、Teledyne、NKE、SBE和SCRIPPS等）几乎均由美国和法国包揽；其中，由美国MRV（Marine Robotic Vehicles）系统公司生产的浮标寿命最长。截至2023年12月底，该浮标已经在海上正常工作了5,095天。
这是一个什么样的自动剖面浮标？下面让我们来一睹风采。
1、浮标型号及布放信息
这是一个由美国MRV系统公司生产的S2-A/S2A型浮标，并由美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)利用海洋调查船布放。
S2A型剖面浮标（左）及信息公开后的漂移轨迹（右）据Argo官方网站介绍，该浮标属于伍兹霍尔海洋研究所Argo项目（Argo WHOI）的一部分，由其申请的世界气象组织（WMO）专用编号为“4903225”，对应的浮标出厂编号为“7502”；并于2010年1月18日布放在约15.362°N,54.163°W处的北大西洋海域。
S2A型剖面浮标布放信息（左：数据公开后；右：数据公开前）值得一提的是，该浮标布放后,其浮标信息和数据一直处于关闭状态；直到2020年1月18日，也即布放10年后，才正式对外公布，个中原因未知。
2、浮标主要特征及技术性能
S2A是斯克里普斯海洋研究所（SIO）研制的SOLO-II型剖面浮标的唯一商用版本，主要用于核心Argo计划任务。
S2A的最大额定深度为2000米，重约19.2公斤；浮标高度(含天线)为133厘米、圆柱直径(耐压外壳)为16.5厘米。浮标所配备的一次性锂电池（Lithium），预计可以测量325个温、盐度剖面，也可用其他电池选项；并采用铱卫星（IRIDIUM）调制解调器遥测、指挥和控制。它装备了一个SBE-41CP+CTD传感器包，其中包括：
（1）压力传感器：制造商为DRUCK公司；出厂型号和序列号分别为DRUCK_2900PSIA和10728059；
（2）CTD传感器：制造商为SBE公司；出厂软、硬件版本/型号分别为SBE41CP_V3.0c和SBE41CP；出厂序列号为10808。
另外，伍兹霍尔海洋研究所Argo项目团队为该浮标设置的剖面循环时间为240小时（10天），漂移压力/深度为1000分巴和剖面观测深度为2000分巴。
WHOI团队使用由MRV系统公司按照Argo要求制造的浮标，在布放之前进行一系列校准和硬件检查。WHOI的浮标小组还会在布放前对每个浮标进行测试，再实施布放；并收集现场观测数据，以及进行数据质量控制检查等。
（1）浮标准备
Argo浮标通过调节浮力来控制它们在水中的深度。这种浮力对浮标的质量和体积非常敏感:仅仅3克的差异就会导致100米的深度误差。因此，WHOI Argo团队必须调整每一个浮标的重量，使其在将要布放海域的2000分巴（2000米压力)下恰好具有中性浮力。这个过程被称为压舱。
一旦硬件检查和调整完毕，浮标就会被分配一项任务，或者一组下沉、上升和测量的指令。待GPS和铱星通信得到确认后，浮标被打包并运送到布放的船只上。
（2）实时数据管理
1）数据遥测：Argo浮标每次浮出水面时都通过铱卫星网络传输剖面数据。铱星网络是一个低地球轨道卫星星座，为远程数据通信提供全球覆盖。数据被打包成一系列高度压缩的数据包，这些数据包按照Argo数据管理团队的标准格式化。
2）数据解码：数据每天24小时发送到剖面浮标小组的服务器上。为了及时处理这些数据，WHOI浮标小组设计了能够实时自动检索和处理Argo浮标数据的软件。在数据被拆封后，原始数据的副本被转发到NOAA大西洋海洋和气象实验室(AOML)进行初始的自动检查，并且原始数据继续进行一系列内部质量控制检查。实时处理系统在检测到浮标的关键问题时，会向WHOI浮标小组数据管理团队发送电子邮件报警。
3）质量控制和数据校准：从Argo浮标传输的数据在通过线上提供之前，都会经过自动质量控制过程。这个初始过程将一小部分Argo剖面文件标记为可疑。为了探测上层海洋的细微变化，准确计算热量和淡水的储存和输运，准确无误的数据是必要的。为了确保Argo数据不受传感器误差的影响，每个浮标剖面都要经过检查，并与附近的浮标和船上的数据进行比较，这一过程被称为“延时模式质量控制”(DMQC)。WHOI Argo团队的科学家负责由WHOI布放的所有浮标的DMQC工作。
剖面浮标位置（右上角）和盐度数据质量控制（左、右下角）在整个数据质量控制过程中，需要大量具备专业知识的技术人员，才能熟练地将不良数据与意外、但真实的现象区分开来。他们会检查温度和盐度数据的峰值或跳跃，可能是由生物污染或传感器故障所致。此外，他们还将温度和盐度与附近同一浮标的剖面和同一地区的历史数据进行比较，以检查其偏差。
4903225号浮标观测的一条代表性剖面温、盐度垂直分布（左上）以及T-S曲线图（右上）和温（左下）、盐（右下）度断面分布（18/01/2020-26/09/2023）其他DMQC步骤包括将海面高度测量值与卫星高度计数据进行比较，校正热滞后(由于浮标传感器在稍微不同的位置上测量温度和盐度所致)，以及使用Owens、Wong等人研制的浮标盐度校准工具，校正盐度漂移(随着时间的推移，盐度传感器会逐渐变得无法校准)。
4、浮标制造商及其主打产品
据MRV官方网站介绍，该公司成立于2010年，是斯克里普斯海洋研究所的子公司，拥有制造SOLO II Argo浮标的许可证。从那时起，MRV将原来的SOLO II设计改进为MRV S2-A，扩展了其产品线，包括“A”型剖面浮标、空中投放的自主微型观测仪(ALAMO）、S2-BGC型和DeepSOLO型剖面浮标等，其中后者的剖面观测深度能够达到6000米。
MRV-ALTO型（左）、MRV-microALTO型（中）和MRV-ALAMO型（右）剖面浮标（1）MRV-S2A：基于斯克里普斯海洋研究所SOLO-II设计的第二代浮标，其液压系统已由原来的活塞式改为往复式泵，允许更小的柱体双壳结构；所有S2A浮标都使用铱卫星通信。但可以根据用户的需求选择不同的电池配置和泵设计。自2012年以来，该型浮标共布放了425个，几乎占了WHOI浮标观测网内的大部分。
（2）MRV-ALTO：类似于MRV-S2A，但具有不同类型的液压系统和控制器。首个该型号浮标布放于2017年，目前共布放了9个。
（3）MRV-ALAMO：该型浮标是MRV-ALTO型的另一种较小版本，目前还在研发中。
S2-BGC型（左）和DeepSOLO型（右）剖面浮标如今，MRV生产的剖面浮标和零部件、套件，占了美国Argo计划所承诺的浮标布放总量（约2000个）的近50%。作为美国伍兹霍尔海洋研究所和斯克里普斯海洋研究所的浮标供应商，MRV还为美国海军海洋学办公室、美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的太平洋海洋环境实验室、美国国家航空航天局的喷气推进实验室、华盛顿大学、佛罗里达州立大学和许多其他海洋学研究机构提供剖面浮标。
5、结语与感悟
美国伍兹霍尔海洋研究所执行的“Argo WHOI”项目，在2010年1月18日布放于北大西洋海域的、世界气象组织（WMO）统一编号为4903255号的S2A型剖面浮标，采用了斯克里普斯海洋研究所（SIO）提供的浮标技术，并由MRV系统公司生产。
从公开发布的信息来看，该浮标似乎并无什么特别之处，与运行在全球海洋OneArgo观测网内的大部分剖面浮标的特点和性能几乎一样。如：相同的圆柱体结构、液压系统（活塞式/往复式泵）、卫星通信系统（IRIDIUM/铱星）、电池配置（Lithium/锂电池）和SBE-41CP+CTD传感器包(DRUCK_2900PSIA、SBE41CP)，以及剖面循环时间240小时（10天）、漂移压力/深度1000分巴和剖面观测深度2000分巴等。
不过，真要找些不同点还是有的。如该浮标的原型机，来自于早期投放和创建全球Argo实时海洋观测网的斯克里普斯海洋研究所浮标团队所研制的SOLO型剖面浮标；而使用和布放该浮标的单位---伍兹霍尔海洋研究所，则是美国海洋领域一个最大的非政府性海洋研究机构，也是美国最早拥有海洋科学考察船进行海上科学考察的研究机构之一，还是一所国际著名的综合性海洋研究机构。它已有九十多年历史,并以其先进的技术、广泛的海洋考察和丰硕的理论成果而闻名于世。
它们研制和使用剖面浮标，具有对海洋现象、特性，以及海洋调查的深厚底蕴和丰富实践经验，从设计、制造到使用和数据质控，都有一套严丝合缝、精益求精的执行程序与管理体系，即外界所传的“机械与死板”，才造就了许多新技术、新仪器、新方法及其高质量测量数据的不断问世与广泛应用。
根据MRV系统公司给出的该型浮标技术指标（即“浮标所配备的一次性锂电池，预计可以测量325个温、盐度剖面”）估算，正常情况下应该可以连续运行9年时间。这也足以证明了，该技术指标是有事实依据的。同时，也佐证了该型浮标本身的技术、通信功能和传感器性能等，都是稳定、可靠的，而且可以长期、连续、无故障运行13年以上。
诡异之处在于：该浮标的相关信息及观测数据，为何在布放10年后才正式对外发布？在这10年时间里，浮标的循环周期也是10天测量一条剖面？最大测量深度都是2000米？......等等，诸多疑问似乎均还无从释然。
但国外剖面浮标，特别是美国产自动剖面浮标及专用CTD传感器的优越技术性能及其稳定、可靠性，以及美国用户对浮标悉心维护、使用和对观测数据严谨质控的科学精神与“死板”做法，都是值得国内浮标研制和应用单位效仿和学习的。
