平台按语：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. 09
全球海洋OneArgo计划实施进展热点追踪
1、OneArgo实施现状
OneArgo计划的前身即为“Argo计划”，2000年开始实施并在全球公共海域布放自动剖面浮标，或者称“Argo浮标”，因其专门用于国际Argo计划而得名。
到2012年11月，在世界上约40个沿海国家和团体的共同努力下，累计投放了约9,500个浮标，收集的温、盐度等海洋环境要素数据达100万条（这里的“条”，意指由Argo浮标每隔约10天周期获得的一条0-2000米深度范围的剖面资料）；过了短短6年，当投放入海的浮标接近15,000个时，即在2018年11月，在全球海洋上收集到的海洋环境剖面资料达到了200万条；而在今年（2024年）的7月，国际Argo计划办公室再次传来喜讯，全球Argo资料中心已经收集到了第300万条剖面。这是Argo计划实施以来取得的又一个具有里程碑意义的进展。
据悉，到目前为止，由全体Argo成员国累计布放的浮标数量已经超过19,000个。
即便成效显著，但国际Argo计划办公室还是在给各Argo计划成员国提醒并反复强调，今天（指8月31日），尽管全球OneArgo海洋观测网中已经有了近4,000个活跃浮标，但其分布并不均衡，依然呈现了一些海域浮标数量过多、而另一些区域仍有较多空白的不匀局面，亟须投放附加浮标来填补空白。
为了维持核心Argo海洋观测网的正常运行，每年至少需要补充布放500～600个浮标。
全球海洋Argo活跃浮标分布（2024/08/31）
最初的全球Argo海洋观测网是不包括季节性海冰带和边缘海区域的，只是为了公海投放而设计的。而随着浮标采用了双向通信和冰感算法，这些技术限制也在很大程度上得到了缓解。
Argo的理念始终是：建成一个空间上完整的全球海洋观测网，即包括了季节性海冰带和主要边缘海。所以，才将Argo浮标的目标数量从3,000个增加到了3,800个（若包括深海和生物地球化学要素的观测，浮标数量则会达到4,700个---平台注）。
除了上述核心Argo的全球化之外，还有几个Argo增强功能处于开发和实施的不同阶段。这些功能包括将覆盖范围扩大到海底、增加配备生物地球化学传感器的浮标，以及增强边界流区和赤道区域的空间覆盖等。
在布放浮标的同时，Argo还努力开发了两种独立的数据流:实时模式和延迟模式。建立了实时数据传输和质量控制系统，通过两个全球Argo数据中心(GDC)在12个小时内将90%的剖面数据交付给用户，其中的80%剖面数据可以在6个小时内送达。同时，还建立了延迟模式质量控制系统(DMQC)，其中有75%符合条件的剖面数据采用了DMQC处理。
2、技术创新
Argo一直在努力提高其数据质量和覆盖范围，这意味着需要解决一些技术挑战，才可使浮标在全球海洋的所有区域都能正常运行。
需要说明的是，几乎所有的浮标被投入海洋后，不会被回收。因此，浮标必须坚固耐用，而且还要在非常恶劣的海洋环境中保持正常的工作状态，以便能够获得准确的环境要素数据。
（1）提高浮标寿命
如果浮标使用时间足够长，不仅每年可以提供更多剖面数据，而且需要补充布放的浮标数量也会更少，有助于抑制Argo计划的实施成本每年呈指数级增长，并可减少因大量布放浮标而带来的海域污染。
延长浮标使用寿命的最基本方法之一是，尽可能确保浮标内部有足够的电池容量，从而可以为它们的正常工作持续供电。
当Argo计划在21世纪初刚开始实施时，所有的浮标都使用碱性电池，其设计寿命仅在3～5年之间。实际运行过程中，通过浮标发送的技术数据可以发现，大约三年后，碱性电池的能量就被耗尽了。
为了提高电池性能，测试了一些替代方案，现在大多数Argo浮标都由锂电池或混合电池供电。这些电池可以更好地应对寒冷的环境，也可以处理大电流需求，比如启动浮标上升或下降所需的电流。此外，更多的电池组被添加到一些需要使用更多能量的浮标型号上，如BGC浮标，就携带了4～6个附加的传感器。
下图显示了自Argo计划启动以来，浮标预期寿命逐年增加的演变过程。可以看到，刚开始使用碱性电池的浮标，海上寿命都在一年内；2003年后，浮标在海上的正常工作时间有了一个跳跃式的上升，达到了4年以上；之后，虽然浮标寿命呈现出不断延长的趋势，到了2019年，已经达到6年以上，但起起伏伏、并不稳定。显而易见，提高浮标寿命依然面临着各种挑战。
浮标预期寿命变化曲线
（2）高速通信/传输数据
在Argo计划开始时，浮标配备了Argos卫星发射机，由于其带宽较低，需要浮标在水面上停留数小时才能传完所有数据(在热带海域会长达18个小时)。其带来的副作用或者后果是，在海表流速较大的海域，浮标可能会被冲上海岸，或者被冲到水深小于2,000米的海域，测量剖面的深度会变得更浅。这就限制了浮标的投放位置，特别是在边缘海海域难以操作，因为这些海域通常都是浅水区。
然而，现在通信手段已经得到了明显改善，大多数浮标都使用了铱星（Iridium）发射机。这种发射机带宽高，只需要浮标在海面上停留15～30分钟时间，就可以上传完全部测量数据，在很大程度上减少了浮标被冲上海岸或者搁浅(因为海底深度小于2,000米而被卡在底部)的可能性。
高速通信的另一个好处是，可以发送更多的剖面数据，从而实现更高的分辨率。
此外，浮标操作员还可以向浮标发送指令、以更改其任务参数，这有助于避免危险或有能力采集即将到来的天气事件（如台风）中的海洋环境数据。
但高速通信系统也有一个弱点，无法提供高质量的定位信息，即浮标的准确位置。因此，利用铱星通信的浮标，通常会携带GPS设备，且其获得的位置比以往通过Argos卫星确定的浮标位置会更准确；而浮标更精确的海表位置，又可以获得更准确的流速估计值，可谓一举多得。
（3）探冰与防冰系统
海冰在一年中的很长时间里覆盖着南大洋和北冰洋的大部分海域，导致对冰面下水体的观测变得非常困难。
Argo浮标是测量季节性冰区海水性质的最佳手段，因为它们可以在无冰期部署，并在整个冬季保持自主运行。但若浮标在上升过程中撞到冰层的底部，就会出现位于浮标顶部的传感器和天线可能被损坏的危险；而且，当浮标在海面上与卫星通信、传输数据时，也可能发生与海冰碰撞的危险。如果浮标被夹在浮冰中间，其壳体也会因侧向压力而受损。
为了降低上述风险，Klatt等人于2007年提出了一种基于海冰存在时上层水柱接近冰点温度的冰感算法，适用于南大洋威德尔海。
当配备了冰感算法的浮标在接近水面时，首先会评估其测量到的温度数据：如果温度低于预定的阈值，表明海面上可能会有海冰，上升过程就会中止，从而防止浮标从下面撞到冰面；然后，浮标会进入下一个循环（10天），并试图在10天后再次浮出水面。
而且，这个过程会不断重复，直到浮标预感到可以安全浮出水面为止。届时，它会传送所有在冰下测量的剖面数据，因为这些数据均被存储在浮标内部。
探冰与防冰系统
这种海冰感知方法长期以来一直用于南大洋，最近也被用于北冰洋，总体上降低了遇到海冰的浮标死亡率。
在南大洋，冰下的水团通常稳定而均匀，显示出接近冰点的温度，这种算法的使用很简单。但在北冰洋，冰下的水文变化更大，可能会存在比较温暖的水团。因此，在使用冰感算法时，需要对其参数进行局部调整，使之适用于浮标布放海域的海冰-水温关系。
（4）到海底去
在潜水时，你的身体会感觉到，下潜得越深、海水对你施加的压力就越大。同样，如果深度超过2,000米，标准的Argo浮标就会被水压挤扁或者压碎。因此，需要一种新的浮标设计方案，才能实现潜到海底(6,000米)的目标。
为了在高压环境中表现更好，一些设计改进包括球形和玻璃标体是必须的，与铝制圆柱形浮标相比，这种形状和材料可以承受更高的压力。浮标上承担温度、电导率/盐度和压力测量的CTD传感器，也需要重新设计，以保持其完整性和测量的准确性，因为这些测量设备也会受到压力的影响。
（5）测量生物地球化学参数
Argo计划成功的原因之一是，核心Argo浮标上CTD传感器的稳定性和准确性。这一成功使Argo浮标成为一个理想的平台，可以添加其他传感器来测量世界海洋中的更多海洋环境参数。
为此，已经开发出了几种专门用于Argo浮标测量各种生物地球化学(BGC)参数的传感器。第一个成功集成到浮标上的是氧传感器，即使到目前为止，它仍然是最成熟的BGC传感器。
另外，BGC浮标上还装备了pH、硝酸盐、叶绿素-a、后向散射和辐照度等传感器。
3、结束语
综上所述，Argo浮标的可靠性几乎每年都在提高，浮标的使用寿命也在延长。Argo已经在大学、政府实验室和海洋、气象/气候分析及其业务预报中心，建立了一个庞大的用户社区。
为此，人们对全球海洋的Argo观测需求将会无限期地持续到未来，随着更好的观测仪器研制成功、各种模型的改进，以及对海洋变化的更多了解，Argo观测网的技术和设计也必将会不断发展，以满足用户的广泛需求。
平台注：本文内容编译自Argo官方网站（https://argo.ucsd.edu/about/status/）。
