全球海洋气象观测网建设存在的问题与对策 - 海洋观测气象站

王方 · 发表于海洋技术发展 2024-4-14 11:35:58

■ 作者：许小峰

一、背景

党的十八大报告首次正式提出了海洋强国战略，十九大报告中又提出“要坚持陆海统筹，加快建设海洋强国”。体现了中国建设海洋强国的重要性和政治决心，这一重大战略既符合新时代中国特色社会主义现代化建设的要求，又顺应了当今世界经济、科技、生态、资源、军事等多方面的发展趋势，具有迫切的现实需求和深远的历史意义。

无论对于人类社会还是自然环境，海洋都发挥着极为重要影响，地球表面约70%面积被海洋覆盖，全球天气和气候的重要驱动因子来自海洋，气候变化既对海洋产生显著影响，也对海洋的调节作用有着强烈依赖。有40%的人类生活在海洋沿岸100公里以内，90%的世界贸易由海运承载。近年来，与海洋相关的各类问题越来越引起世界各国的关注，为了促进和协调对全球海洋的科研、观测、预测、合理开发和安全保障，联合国教科文组织2017年12月6日宣布了“海洋科学促进可持续发展十年 (2021-2030) ”计划，旨在扭转海洋健康衰退趋势，并联合全球海洋各利益相关方形成共同框架，确保海洋科学能够为各国创造更好的条件，实现海洋可持续发展。

要理解天气和气候，必须加强对海洋的认识。在2019年世界气象组织（WMO）第18次气象大会上审议批准了执行理事会提交的“向更综合的‘地球系统’方法进行战略转变”的计划。所谓“地球系统”是涵盖了大气、水、陆地、冰冻和生物圈层的整体，这极大拓展了WMO工作涵盖领域，并将推进地球科学研究与业务的广泛合作，其中，海洋是地球系统需要重点关注的领域，具有很强的活跃度和影响力。2021年，WMO将当年世界气象日的主题词确定为“海洋、我们的气候和天气”。加强了对海洋问题的关注。WMO秘书长塔拉斯在气象日的致辞中强调：“海上观测数据匮乏，阻碍了我们在更长时间尺度上准确预测天气，特别是开展次季节到季节预测。海洋数据存在重大缺口，WMO将致力于推动多项工作参与到实现安全海洋、预测海洋、透明海洋的目标中来。”

中国气象局庄国泰局长在2021年气象日发表文章说：“海洋也是全球气候和天气主要驱动力的策源地，处于可持续发展、气候变化和减少灾害风险等全球发展目标的核心地位。海洋孕育了厄尔尼诺事件、拉尼娜事件、台风、热带气旋活动等不同种类的天气气候现象，催生了地球上破坏力极强、影响广泛的极端天气气候事件。正是海洋内部的洋流运动以及海陆之间的环流存在，塑造了地球上丰富多彩的自然景观和复杂多样的天气气候现象。海洋还是全球气候的‘调节器’，它通过自身能量的存储和释放，与大气进行水汽和热能交换，使地球系统能量保持动态平衡。其中，海洋吸收了大气中大量的二氧化碳，是气候系统最大的碳汇。”从多个角度阐述了海洋问题的重要性。并进一步强调：“我们将着眼‘全球监测、全球预报、全球服务’，大力发展海洋气象事业。进一步加强海洋观测预报预警平台建设，弥补海上观测不足，形成海基、陆基、天基、空基多种观测资料的有效融合。”

从需求、认识、重视等角度看，各方面对海洋气象观测的重要性已有了深刻理解，形成了加快推进海洋气象观测业务发展的高度共识。

二、现状与差距

国家发改委、海洋局和中国气象局2016年联合印发的《海洋气象发展规划》（2016-2025 年）中提到：“以沿岸海域为主的海洋气象观测系统基本建立”，但也明确指出近海和远海气象资料获取能力有限，气象卫星缺乏对海洋气象的针对性观测，不能适应远海和远洋保障服务需要，海洋表面的气象观测站点严重不足，锚系浮标观测站点稀疏，影响我国天气气候的远海重要敏感区海洋气象观测几乎空白，现有信息获取主要依赖国外等诸多问题。在海洋气象综合观测系统实际的业务规划建设布局中，提到要“根据预报和服务需求、海域的地理经济和天气气候特点等规划业务布局，重点开展岸基和海基气象观测站点、空基观测系统、天基观测应用系统以及相应的配套设施建设。”“海基气象观测站点主要依托海岛、海上平台、船舶和浮标建设自动气象观测系统。”在浮标建设中，具体为“布设锚系浮标观测阵列，沿岸海区站间距50公里、近海站间距150公里。”根据这些内容，海基观测的重点，依然没有跨越近海区域，走向全球，与全球观测的发展需求尚有较大差距。

尽管从全球观测的角度，气象与海洋卫星可以发挥重要作用，但依然无法替代海基观测。一方面是由于海面以下的诸多要素很难通过卫星完全实现，另一方面，即便是洋面以上的气象要素，也依然需要布网观测，与天基和空基配合实现立体空间的全要素获取。根据2018年WMO基本系统委员会（CBS）专家组牵头组织多领域高层次专家对气象数据需求开展的滚动评估结果，从全球预报的对观测资料需求角度，目前最需要解决的薄弱环节是地球表层气压和高空风场，其中地表气压包括陆地和海洋。地表气压信息的不足来自两个因素，一是在海洋和人烟稀少的区域，地表观测的覆盖面仍然显著不足；二是获取较精准的地面气压值还主要靠仪器实测，尚难像温度和湿度那样可以通过卫星遥感信息反演的方法获得。图1为WMO专家对不同观测方法影响数值预报的对比分析，可以看到海洋浮标观测信息的重要作用。

图1. 全球范围不同观测对数值预报影响的跟踪比较分析，左图为总体影响，右图为单点观测影响，都能反映出海洋浮标气象信息有着重要影响。

从国际上看，在近年来天基卫星探测快速发展的同时，也加快布局海洋实测体系，影响和规模最大的是由联合国教科文组织（UNESCO）政府间海洋学委员会（IOC）于1991年3月创建的全球海洋观测系统（GOOS）（图2），WMO、联合国环境规划署（UNEP）和当时的国际科学理事会（ICSU）作为共同发起方参与了这一计划。GOOS目涵盖了多个独立的海洋观测网，包括浮标数据协平台（DBCP）、自愿船舶观测网（SOT）、全球海平面观测系统（GLOSS）、海洋廓线浮动观测计划（ARGO）、全球远洋船舶航道测量计划（GO-SHIP）、固定海洋网站（OceanSITES）、大洋滑翔机测量网（Ocean Gliders）、全球高频雷达网（The Global High Frequency Radar Network）、海洋动物传感器网（AniBOS）等。

图2．全球海洋观测系统GOOS

此外，不少国家都建立了自己的海洋观测系统，有些参与GOOS共享，有些则为本国独用，如美国从2004年出台了《21世纪的海洋蓝图》文件，提出要实施综合海洋观测系统，2007年又出台了《美国海洋行动计划》，提出要对美国海洋观测点进行整合，并启动综合海洋观测系统（IOOS）的发展，目前已发展了包括世界主要大洋海域的11个区域观测子系统；美国海洋大气管理局（NOAA）的大西洋海洋和气象实验室（AOML）从2005年开始还组织了世界各国自愿参加的全球海洋漂流观测平台（GDP）（图3）项目，目前已有约1500个漂流浮标在各大洋实时开展漂流观测。

图3.全球海洋漂流观测平台GDP

从目前中国的情况看，尽管也积极参与了国际海洋观测网的发展，如在海洋廓线浮动观测计划（ARGO）3000多个探测器中有中国提供的100多个，美国的全球漂流海洋观测平台（GDP）项目中中国参与了6个，GOOS系统浮标数据协平台（DBCP）2000多个站中也有少量的站点贡献（图4），但相对而言，中国一方面在国际海洋观测计划中贡献度不算高，与中国的大国地位不相匹配，另一方面也没有形成自己相对独立的全球海洋气象多要素综合观测系统，无论从涵盖地球系统观测的科学、业务需求角度，还是满足全球海洋天气、气候监测预警的国家安全角度，都有显著差距，是需要加强弥补的短板。

图4. GOOS系统DBCP浮标站网

从实际应用角度，我国目前可以通过WMO全球信息系统中获取到各国的海洋观测资料，大约每天约5500多个站点，包括锚定浮标和漂流浮标，及ARGO廓线浮标，其中也包括我国的近海锚定浮标70个，ARGO浮标170个，见图5。从长远发展角度，显然不符合我国“海洋强国”、“全球观测”的发展战略，与我国应承担的大国责任也有很大差距。

图5. 我国2022年三月收到的海洋浮标站分布，约5500个，包括中国240个，其中中国气象局锚定浮标39个，海洋局锚定浮标31个，海洋局ARGO海洋廓线浮标170个。

在2021年10月召开的WMO特别届会上，通过了“建立全球基本观测网（GBON）有关技术规则修正案”决议中，特别提到要“与政府间海洋委员会（IOC）和全球海洋观测系统（GOOS）的开展机构合作，探讨在实施和发展GBON的过程中，推进海洋观测方面国际合作的可能性。”并特别指出要“与WMO-IOC联合协作理事会合作，探索加强全球海表地球系统观测数据交换的可行举措，将GBON标准扩展到这一领域。”在文件第3.2.2.10条款中又特别提出：“会员应在其专属经济区内或其管辖区内相应的海域维持一套海面气象观测台站/平台的持续运行，这些台站/平台至少要观测气压和海表温度，使GBON变量的水平分辨率小于500公里，频率为每小时一次。”从这些举措中可以看到WMO在未来的探测领域发展规划中对海洋观测的重视。实际上，缺少海洋观测的GBON显然是不完整的，从WMO对有无海洋观测的对比图（图6）上可以清晰看到这一差别，也是WMO进一步完善、发展GBON需要特别关注的问题。

图6. 太平洋区域有无GOOS资料对比图

三、条件与机遇

建立先进的全球海洋气象观测网对于地球系统科学而言是一项基础性工作，获得完整、准确、丰富的海洋气象观测资料，将为我国防御自然灾害、气候系统研究、应对气候变化、海洋天气监测预警、气候分析预测、天气气候模式研发提供必要的支撑，并为我国海洋经济发展、海洋科学考察、海洋国防建设提供有力的气象保障，从而助力我国从海洋气象相对薄弱的国家迈向国际领先的海洋气象强国。

从发展现状看，我国海洋气象观测全球布局的起步较晚，与国际先进水平有相当差距，但随着我国经济发展与科技实力的提升，可以在较高起点上建设有特色的新型全球海洋气象观测网，快速缩短目前的差距，根据目前各方面的基本条件，已具备了这种可能。

在全球布设洋面气象探测设备可考虑两种技术方案，一种是与美国组织GDP计划类似，采取布设自动漂流器探测网。这类探测设备近年来我国已经有了技术储备。如科技部2015年支持、气象局承担的海洋漂流自动探测器重大仪器研制专项，2017年研制出样机，在天津、福建、广东、海南开展了试验和应用，已通过验收，并参加了中国气象局海燕试验计划，中科院海洋科学实验。（图7）复旦大学也牵头研发了海气界面探测浮标，该项目得到科技部和基金委的重点项目支持，已在太平洋、南海、印度洋投放了20余套，运行稳定，获取了大量海洋资料。

图7. 国产漂流浮标

另一选择是性能更高的“智能可控漂流自动气象站”方案（图8）。该项技术由中科院重点项目（2014年）和国家基金委重大仪器研制专项（2016年）的支持，2017年研制出样机，2017年开始在天津、河北、福建、广东、海南、青海（青海湖）、云南（洱海）开展试验和应用，参加了中国气象局海燕试验，国家卫星气象中心气象卫星定标测试，中科院遥感所卫星遥感定标试验。

图8. 国产智能可控漂流自动气象站

智能可控漂流自动气象站包括太阳能智能浮标和油电动力智能浮标，具有超长航时自动航行和自动探测能力，通过北斗或其他卫星数据链路自动将探测数据传送到全球海洋定点气象观测网数据中心。这类浮标可以按照预先任务设置，自动从释放点航行到设定观测点，并且长期保持在设定位置进行探测；在收到返回命令后，可自动返回释放点，一般一至两年返回一次，进行维护维修、观测传感器标校或替换。该浮标上标准探测要素包括温度、湿度、气压、风向、风速、海温、盐度或温盐深），也可配备其他探测设备，如自动探空系统，通过释放探空仪，获取洋面上探空廓线。

也可以采取两种技术结合的方案，根据经济支持条件、技术成熟度和实际需求确定两类设备的布局比例和范围。

以上这些技术储备初步具备了支撑我国远洋气象探测业务布网能力，若能通过发展政策和市场引导，并通过积极推进业务实践和检验，将会进一步完善、成熟，实现我国全球观测中海洋气象领域的突破，提升我国在海洋气象领域的影响力，并在WMO将GBON向海洋领域拓展的进程中增加中国的话语权和影响力。

四、发展发展全球海洋气象观测网的对策

1.加快建立我国全球海洋气象观测网

通过完善我国全球海洋气象观测体系，达到可以实时获取全球主要海洋区域的气象要素和海面及以下温度、盐度等信息的目标，为实施国家海洋强国战略、提升我国地球系统监测预报能力提供全球海洋气象综合信息，为实现成为海洋气象强国迈出坚实的步伐。远洋考虑可按每300公里一个站的密度，覆盖太平洋和印度洋。

图9. 在太平洋和印度洋布设自动漂流气象观测站

2.积极参与国际合作

在初步具备获取全球海洋气象信息的基础上，要积极参加国际海洋观测合作，在为国际社会做出积极贡献的同时，也能获取到更多的探测资料，实现满足对海洋资料的实际需求和提升我国国际影响力的双重效果，并在国际交流中提升我国在海洋气象业务与科技方面的能力和水平。

3.加强对海洋气象信息的分析与应用

观测的目的最终还是应用，从WMO讨论GBON文件过程中，表现最积极的是欧洲中期数值天气预报中心（ECMWF），原因是许多国家并不具备对这些全球海洋、陆面的高时空分辨资料处理能力，而ECMWF则掌握了超强的数值同化技术，在国际上一枝独秀，一旦有了资料，可以很快转化为预报水平的提升。在这方面，也是我国的短板，需要在全球海洋气象观测网建设的同时，加强对海洋资料分析应用的研发，也只有这样才能达到预期建设效果。

4.进一步加大对海洋自动观测设备的研发

尽管我国近年来通过对海洋自动漂流气象观测设备的研发投入，取得了显著成绩，但与国际先进水平相比，在仪器设备的稳定性、可维护性等方面尚有差距，特别是在长时间漂流观测的过程中，能否持续保持良好性能，有待进一步检验。因此加大支持研发、实验力度，确保全球海洋观测业务装备的可靠性。

（作者系中国气象局原副局长、中国气象协会会长、中国气象事业发展咨询委员会常务副主任）

END

来源 | 领略气象编辑 | 张小锋苏杰西

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