海洋观测，现代气象观测的伏笔

墨趣 · 发表于海洋技术发展 2023-1-2 22:56:17

原标题：海洋观测，现代气象观测的伏笔

一场始于海洋探险的旅程

最早的海洋科学观测是单船只探险，目标是绘制海洋地质、生物、化学和环流图。1872—1876 年间，“挑战者号”探险队利用改装的英国战舰，在北半球中纬度地区和南极之间以一个复杂的路线环绕全球。他们用加上 500 千克铅坠并有可见深度记号的绳子测量水深，对海底进行拖网捞取，用瓶子、浅网、拖网收集生物样本，用“最小T”温度计得到海水温度值。这一工作的宏大程度堪比探月，他们的兴趣被那个时代普遍存在的探险精神所唤起。

海洋图/GETTY IMAGES

船舶观测

——被激发的海洋探险精神

海洋探险、监测和研究最开始的数百年间，船舶是观测海洋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。

100年前，第一次世界大战刚刚结束不久，海洋学研究完全通过船只开展，当时海洋研究船只的动力来自煤和帆。一战前的19世纪后期和20世纪初，是海洋考察十分活跃的时期，开展了第一次全球和高纬度科考，丰富了对海洋热力学（盐分、温度、密度）和动力学的认识。

20世纪20年代和30年代早期，人们获取的海洋数据呈爆炸性增长，主要观测活动覆盖了所有海区。这些观测综合结果汇总为关于海洋环流、性质的华美篇章，成为20世纪中期海洋动力学和许多知名教科书的基础。

Argo观测系统

——海洋观测手段的一场革命

20世纪70年代，科学家对认识海气相互作用的兴趣增加，希望扩展天气预报的时间尺度，瞄准海洋的大气驱动及其可能作用。那时，可用的数据库主要包括海面温度、海面气压，二者都通过商业、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。但是，考虑到大尺度地转海洋环流或许是重要的驱动因素，需要在更广阔的海洋区域对次表层海洋温度、盐分进行观测。

研究船只的数量并不足以覆盖所需区域，但是由商业船只布设的投弃式温度深度计（XBT）带来很大希望。

20世纪90年代后期，全球的物理海洋学者加入到“ 世界大洋环流试验”（WOCE）全球调查，并开始熟悉新的剖面浮标技术。最早的Argo（实时地转海洋学观测阵）浮标站于1999年由澳大利亚布设，到2007年浮标站数量越过3000个。今天，Argo阵列超过3800个浮标站，每10天潜入2000米的剖面探测，这与20多年前提出的Argo概念非常接近。

科学家在位于海洋阵列旁的小型船只R/VKalipi号(俄勒冈州州立大学)上开展快速导电率、温度和深度廓线观测供图/贾朋群

水下滑翔机——浮标的“继承者”

水下滑翔机技术是剖面浮标的继任，不仅能够通过变换浮力描述垂直结构，还能水平移动。

20世纪90年代，剖面浮标浮力调节、独立的CTD、全球定位系统（GPS）和双向卫星通信支撑着两个相互竞争的滑翔机开发项目。一个项目由斯克里普斯海洋研究所（SIO）、伍兹霍尔海洋研究所（WHOI）和Webb公司研究合作；另一项来自华盛顿大学，最终创造了“深海滑行者”（Seaglider）。设计方法的不同导致第一个项目拆分成SIO和WHOI负责的深海Spray滑翔机和 Webb研究负责的浅水（200米）Slocum滑翔机。

这些滑翔机都无法达到5年使用周期，虽然有效使用期仅数月，却可以靠近海洋边界层，甚至可在类似墨西哥湾流这样的强洋流地点使用。

系泊仪器海洋观测

20世纪前半叶，海洋观测主要由船只上投放或悬浮的仪器开展。 20世纪中期开始，人们开发了长生命期的海洋系泊设备。 20世纪50年代后期，比尔·理查德森在伍兹霍尔和百慕大之间连线上领导建立了系泊站，包括从大陆架的站点A到马尾藻海（Sargasso）的站点L。

1963年，尼克·福夫诺夫（NickFofonoff）和费里斯·韦伯斯特（FerrisWebster）替代理查德森领导建设WHOI浮标项目，再次开始开发水下系泊技术。这类系泊的所有漂浮要素均在海面以下。

海表气象和海-气通量观测

过去百年，海表气象要素和海-气通量估计是通过商业船只和海面浮标的观测得到。格点海洋表面气象要素和海-气通量产品则以观测、数值模式输出、卫星观测等综合观测方式获取。

1 842年，马修·方丹·莫里（MatthewFontaine Murray）从大量船只的航海日志中，发现海洋气象信息，到1847年初步编辑完成了覆盖北大西洋的《风和洋流图》。为了完善这些图，需要更多、更加规范的包含气象观测数据的航海日志，于是他将这些风和洋流图的拷贝分发给同意合作的水手，海图无偿奉送的条件是，水手返航时将包括了观测结果的日志文件交给莫里。到1851年，与莫里合作的船只达到1000多艘，基本上覆盖了全球海洋。莫里数据交换“我为人人、人人为我”的原则和实践，让IMO成为全球数据共享的旗帜。在随后的一个世纪里，海洋上的船只利用气压表和干湿温度计继续观测海表气象要素，用水桶或引擎冷却水采样对海洋温度进行观测。

随着船只增加，考虑跨洋飞机航行的前景，20世纪20年代，在北大西洋和北太平洋开展了固定点船只天气观测计划，其价值在第二次世界大战和20世纪50年代得到提升。

天气浮标站自20世纪50年代初以来布设，大多在近海岸。浮标站主要致力于收集海表气象和海浪数据。无人值守观测面临挑战，天气浮标站的典型观测值包括风速风向、气压、气温和海温以及湿度，但不对短波或长波辐射或降水进行观测，因而无法提供计算海气热量、淡水和动力通量所需的平均气象数据。

(a) 20世纪 20年代研究船只：改装后流星号； (b)20世纪80年代到目前的研究船只： R/V Roger Revelle 号； (c) 用尼斯金瓶进行现代rosette 水体采样，框架底部水平安装的 CTD 用于持续的温度、盐分、压力和投放式声学多普勒海流剖面仪（Lowered Acoustic Doppler Current Profiler，LADCP）速度观测（中心垂直安装的长条黄色仪器）供图/贾朋群

沿海海洋观测

沿海海洋海平面观测提供了全球一些地点长达百年的海平面高度变化记录。沿海海平面数据常规应用于港口、船只和娱乐活动，同时应用于不同的科学研究，涵盖从认识每日潮汐到提取长期海平面对气候变化的反应。

沿海海洋洋流观测的主要途径是利用声学多普勒流速剖面仪，海洋表面洋流大范围测量可以通过陆上的高频雷达。

现代沿海海洋观测系统基于多尺度、多平台方法，通常将观测数据与高分辨数值海洋环流模式，有时还与生物地球化学模式结合起来。建立沿海海洋观测的“最佳实践”在20世纪90年代末得到了“国家海洋伙伴项目”（NOPP）的支持。在NOPP的支持下，很多研究团队开展沿海海洋观测和模拟工作，利用系泊设备、海底着陆器、自动海表和水下航行器以及海岸和河口站等平台支持的传感器提出了观测系统的基本要素。

1918年，E·莱斯特·乔纳斯（E.Lester Jones）在美国沿海和大地测量报告中呼吁“测量洋流的方向和速度，风的方向和速度……从而分析洋流和某些气象条件之间确切的关系”。自从乔纳斯呼吁采取行动以来，我们在过去100年里用各种仪器和观测平台取得了观测沿海海洋的巨大进步。这些数据持续扩展了我们的认知，提升了预报沿海海洋物理过程的能力，以及了解海洋生态系统是如何被塑造和受到影响的。

极地海洋观测

极地海洋观测有着悠久和多彩的历史，始于南森著名的乘“弗拉姆号（Fram）”试图抵达北极的持续3年的探险。除了记录浮冰漂移，考察队还在航行途中开展了多种大气和海洋观测，产出大量论文和科学著作。其中，南森对寒冷的温跃层之下相对温暖的北大西洋水层进行观测，并指出海冰倾向于往风向右侧漂移。

南森在报告中向皮耶克尼斯描述了这一冰漂移观测现象，后者指派年轻的助手埃克曼（V.Walfrid Ekman）找寻可能的物理过程。埃克曼给出的论文（Ekman1905）为风驱动海洋环流理论打下基础。科学观测还是斯科特和沙克尔顿英国南极考察队及20世纪初其他国家探险者的核心设计目标。

极端环境条件尤其是海冰铺满北冰洋的冬季，是到达该区域最主要的障碍。高纬度观测的三种主要方式分别是船只（从破冰船上直接观测或借助船只运送人员到冰川上的基地）、飞机（主要是短期观测）和自动观测（仪器布设在海冰上/下，或水下系留）。采用第一种方式的著名的观测活动是1937年开始的“北极-1号（NP-1） ”苏联/俄罗斯北极漂流冰基地项目。值得注意的是，NP-1配备了飞机而不是船，但是在漂流了274天后，基地的4名观测员最终在格陵兰海被破冰船疏散。随后的数十年里，苏联/俄罗斯研究者建立了一系列NP漂流站，最新的站数量是41，被称为“NP-2015”，标明了该站建立的年份。

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