ARGO浮标助力海洋调查走向深蓝

对于“ARGO”一词，相信大家并不陌生。但你是否真正足够了解它呢？今天，就让我们一起来走近“ARGO”，揭开它神秘的面纱。

ARGO计划

ARGO计划的概述

Argo计划“Array for real-time geostrophic oceanography”是以深海为对象的观测计划。该计划设想用3～5年的时间（2000～2004年），在全球大洋中每隔300千米布放一个卫星跟踪浮标，总计为3 000个，组成一个庞大的ARGO全球海洋观测网（如图）。

ARGO全球海面观测网

一种称为自律式的拉格朗日环流剖面观测浮标（简称“ARGO浮标”）将担当此重任。它的设计寿命为3～5年，最大测量深度为2000m，会每隔10～14天自动发送一组剖面实时观测数据，每年可提供多达10万个剖面（0～2 000m水深内）的海水温度和盐度资料。由于其与杰森卫星高度计(ARGOS系统）之间的密切联系，故将其以“ARGO计划”相称。

美国推出ARGO计划后，迅速得到了包括澳大利亚、加拿大、法国、德国、日本、韩国等10余个国家的响应和支持，并已成为全球气候观测系统（GCOS）、全球大洋观测系统（GOOS）等大型国际观测和研究计划的重要组成部分。

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ARGO计划的测量内容

ARGO计划的实施，可以方便地获取海洋内部的温度、盐度等资料，故而有助于了解全球海洋各层的物理状态，也能监视海洋各个时刻的运动状态，从而可大大加深对海洋内部温、盐度垂直结构和环流，以及能量和水分平衡过程的了解，并可揭示出海-气相互作用的机理，改进对模式初始场确定的盲目性，进一步完善海-气耦合模式，提高对长期天气预报和短期气候预测的能力。由此可见，ARGO计划的实施有着重大的科学意义。

ARGO计划解决的问题

ARGO计划将为数据同化建立一个前所未有的数据库，从而可以帮助人们揭示海洋的物理状态，以及对预报模式进行初始化；实时的全球海洋业务预报亦将变为现实。这个数据库还将经受新一代全球海-气耦合模式的连续性测试。通过测试可以了解耦合模式中海洋分量的变化，有助于提高相应的预测大气变化的能力。因此，没有ARGO计划就不可能对已有的模式进行改进。ARGO全球海洋观测网的建成，也正如天气观测中用了大量的无线电探空仪资料，可以准确地预报3～5d内的天气情况一样，ARGO资料将为人们更准确地进行短期气候预报作出贡献。

ARGO浮标工作原理

根据浮力计算公式可以得知，通过改变物体的体积而重量保持不变，可以使物体在密度自上而下增大的海水中实现自由的沉浮。浮标的设计就采用了这一原理，即浮标在水中沉浮依靠改变其内部体积来实现。根据这一原理设计的浮标主要由可变体积的水密耐压壳体、机芯、液压驱动装置、传感器、控制/数据采集/存储电路板、数据传输终端（PTT）和电源等部分组成，其外形与内部结构如图1所示。

浮标的沉浮功能主要依靠液压驱动系统来实现。液压系统则由单冲程泵、皮囊、压力传感器和高压管路等部件组成，皮囊装在浮标体的外部，有管路与液压系统相连。当泵体内的油注入皮囊后会使皮囊体积增大，致使浮标的浮力逐渐增大而上升。反之，柱塞泵将皮囊里的油抽回，皮囊体积缩小，浮标浮力随之减小，直至重力大于浮力，浮标体逐渐下沉。若在浮标的控制微机中输入按预定动作要求编写的程序，则微机会根据压力传感器测量的深度参数控制下潜深度、水下停留时间、上浮、剖面参数测量、水面停留和数据传输，以及再次下潜等工作环节，从而实现浮标的自动沉浮、测量和数据传输等功能。

当浮标被海洋科学工作者投放在海洋中的某个区域后，根据上述工作原理，它会自动潜入2000米深处的等密度层上，随深层海流保持中性漂浮，到达预定时间（约10天）后，它又会自动上浮，并在上升过程中利用自身携带的各种传感器进行连续剖面测量。当浮标到达海面后，通过定位与数据传输卫星系统自动将测量数据传送到卫星地面接收站，经信号转换处理后发送给浮标拥有者。浮标在海面的停留时间约需6-12小时，当全部测量数据传输完毕后，浮标会再次自动下沉到预定深度，重新开始下一个循环过程。(图2)

ARGO浮标的发展历史、现状及未来展望

ARGO浮标的部署是从1999年开始的。最初，人们的设想是全球布设3000个浮标，这一愿景于2007年11月如期实现。ARGO浮标不仅提供的数据量大，精确度也有相当的保证。最早部署的ARGO能在温度、压强和盐度上分别达到0.005℃、2.5分巴和0.01的精度。经验表明，80%左右的ARGO原始数据直接满足了这一标准，而剩下的数据通过后来改进的数值模式修正，也能基本满足这样的精度要求。另外就实时性而言，ARGO的优势也是显而易见的。目前，九成以上的ARGO数据会在采集后的24小时内集成并发布在开源平台上。

自ARGO计划问世以来，ARGO浮标观测已成为卫星遥感的一大重要补充。比如微波遥感到的海表高度异常和ARGO浮标的海流数据相结合，可用于中尺度环流的动态分析；如今很多气候模式都采用了ARGO的温度场数据作为大气季节性运动和海气相互作用（比如南方涛动）的一项分析指标。

生物地球化学剖面浮标

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当 Argo 于上世纪 90 年代末启动时，没有人清楚这个项目是否能成功完成全球海洋3000 个浮标阵列的部署和维护，因为所需的技术尚处于起步阶段，相应的传输、防水等技术都不够成熟，此前在海洋学领域也从未达成过这种程度的国际合作。在 21 世纪的第二个十年，浮标技术已经经过时间考验，超过 30 个国家参与到Argo计划中。

2012年以来，人们一直在为ARGO向深海进发而努力。这也是ARGO计划迄今为止最具挑战性的一项。它不仅对ARGO项目本身意义重大，而且相应的技术突破在海洋开发与利用方面的意义深远。

Argo 的最初设计是覆盖南北纬 60 度之间的大洋，避开季节性海冰覆盖的地区，这是因为被海冰封住的浮标不能传输数据，即使浮标在海冰存在时浮上了水面，被浮冰挤碎的概率也很大。随着技术的改进，浮标在冬季冰区存活的概率越来越大。

Argo 最初计划考察海洋温度、盐度、热含量，以及这些物理量变化的气候应用。但在过去十年，新的传感器诞生，使得浮标可以配置新的“技能”，让浮标也可以测量生物地球化学变量，如溶解氧、硝酸盐、叶绿素和 pH 值等。

同时，Argo 指导团队鼓励在边缘海部署浮标以获取更多信息去了解当地海洋和气候间相互作用。

Argo 这个名字强调了全球海洋浮标与 Jason 卫星测高任务的互补关系。在希腊神话中，有着Jason 驾驶着名叫“Argo”的船去寻找金羊毛的传说。作为海上流动的哨兵，Argo 旨在了解海洋在自然因素和人为活动影响下是如何发生变化的。值得一提的是，Argo 虽然取得了重大成就，但并不能独立于其他观测系统。并且Argo数据共享亟需国家层面的统筹协调。

从Argo计划的提出到全球Argo实时海洋观测网全面建成，Argo正在经历一场深刻的转型。