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关注气候变化亟须重视全球海洋观测

  

关注气候变化亟须重视全球海洋观测(图1)

  我国近年来气候变化异常,降雨严重不均,极端天气事件频繁,这已经不是一种孤立的现象,而与全球气候变化息息相关。一份由国际上36位著名气候学家提交的调查报告指出,未来全球九大气候事件将危及人类安全,其中提到的北冰洋冰层、格陵兰冰盖和西南极冰盖溶化,以及大西洋湾流崩溃和厄尔尼诺现象等气候事件无不与海洋有关,且其他四大气候事件也间接与海洋变化密切相关。但从已发布的中国气候观测系统实施方案来看,似乎忽略了海洋在全球气候变化以及气象预报和气候预测中所起的决定性作用。在有的计划或方案中虽也提到海洋,但仅仅局限于我国近海,对全球海洋,即使是邻近我国的外海大洋也还未能引起足够的重视。为此,我们认为,在全球气候变化导致极端天气频发、强度不断增加的背景下,要提高我国天气预报和气候预测的水平,缩短与世界先进水平的差距,必须同时重视和加强对海洋特别是深海大洋的观测和研究。我国作为一个海洋大国,无论是在维护国家安全和海洋权益,可持续开发利用海洋资源和保护海洋环境方面,还是在发展和壮大海洋经济、海洋科技和海洋综合力量方面都应该重视和发展海洋安全环境保障技术,并积极主动地开展深海大洋调查。

  海洋是地球气候系统的最重要组成部分。全球海洋吸收的太阳辐射(Qs)占进入大气层总Qs的70%左右,且由海洋吸收Qs的绝大部分(85%)又储存于海洋表层(混合层)中,这些能量以潜热、长波辐射和感热交换的形式输送给大气,驱动大气的运动。因此海洋,尤其是热带海洋,是驱动大气系统运动的重要能量来源;此外,海洋还是地球大气系统总二氧化碳(CO2)的最大汇源。这些性质决定了海洋对大气运动和气候变化具有不可忽视的影响,并且海洋环流在大气系统能量输送和平衡中又起着十分重要的作用,大气中水汽量的86%由海洋提供,且30%的经向能量输送由海洋承担,尤其在低纬度区域,海洋是大气水汽的主要源地。

  对气候和大气环流的变化,海洋混合层的作用也显得十分重要。混合层的辐合和辐散过程通过厄克曼抽吸效应影响深层海洋环流,反之又通过改变混合层状态影响大气运动。所以,无论是气候变化研究还是长期天气预报或短期气候预测,对海洋观测资料(尤其是全球海洋温、盐、流的剖面资料)都有极大的依赖性。在过去的20年中,热带海洋-全球大气实验(TOGA)和世界海洋环流实验(WOCE)的成功实施,揭示了海洋在海-气耦合系统中的关键作用,极大地促进了长期天气预报和短期气候预测的研究。而当前正在实施的“全球气候变异与观测试验”(CLIVAR)国际气候研究计划,短期气候预测又是一个研究重点。世界上一些国家已经研制了多个可用于短期气候预测的海-气耦合数值模式。但是,由于受海洋观测技术和资金的限制,海洋观测资料的严重不足使这些模式难以充分发挥作用,气候预报的精度也是始终难以令人满意。

  随着经济的发展,科技的进步,人类不仅要加大对自然灾害的研究力度,力争能预测一天、一周,一个月,甚至一年的天气情况,还要具备预测几年、几十年内将要发生灾害的能力,使人类能从灾害源头上提前预防。而要对天气进行准确的预测需要大范围、乃至全球区域的、长时间的观测资料积累,更需提高对引起灾害的海洋或天气异常现象的认知程度。近年来,海洋和气候业务化预测预报技术得到了快速的发展,但占地球面积71%的辽阔海洋上大范围、准同步和深层次调查资料的匮乏,成为制约其发展的瓶颈。而20世纪90年代问世的Argo(地球海洋学实时观测阵)剖面浮标,以及在2000年启动的国际Argo计划,给世界上从事海洋和大气研究的科学家们带来了一次难得的机遇,使人类深入了解和掌握大尺度实时海洋的变化,提高天气和海洋预报的精度,有效防御全球日益严重的天气和海洋灾害的愿望终将可能成为现实,不断频发的全球自然灾害也无疑是在呼唤人类亟须加强全球实时海洋观测。

  国际Argo计划借助了国际上新开发的一系列高新海洋技术,如Argo剖面浮标、卫星通讯系统和数据处理技术等,在全球海洋中建立一个实时、高分辨率和全自动的监测系统,以便快速、准确、大范围地收集全球海洋上层的海水温度和盐度剖面资料,有助于人们加深对海洋温、盐度垂直结构、环流和能量,以及水份平衡过程的了解,并揭示海-气相互作用的机理,进一步改善模式的初始场和完善海气耦合模式,从而提高长期天气预报和短期气候预测的能力,其中包括与ENSO有关事件(如洪水、干旱等)的预报能力和对太平洋十年涛动等的再认识。

  根据国际Argo信息中心的统计,全球由3000个Argo浮标组成的实时海洋观测网已经于2007年10月底全面建成并将维持十年以上,在全球海洋上正常工作的浮标总数已达到3006个。我国于2001年经国务院批准加入国际Argo计划时,曾承诺将在西太平洋和东印度洋海域布放并维持由100-150个浮标组成的中国Argo大洋观测网,以此作为全球海洋观测网的重要组成部分,并共享该观测网的长期观测资料。但直到2007年底,我国布放的浮标数量却还十分有限,只有35个且那时在海上正常工作的浮标仅有11个,而美国则有1741个,亚洲地区的日本和韩国分别为369个、100个,印度也有84个。

  Argo是一个崭新的全球大洋观测计划。我国正在开展的几个重大基础研究项目,如“亚印太交汇区海气相互作用及其对我国短期气候的影响”、“北太平洋副热带环流变异及其对我国近海动力环境的影响”、“基于全球实时海洋观测计划(Argo)的上层海洋结构、变异及预测研究”等多个“973”计划项目均要求收集太平洋、印度洋赤道海域,乃至整个太平洋和全球海洋中的第一手资料。就北太平洋而言,这一区域不仅拥有世界大洋里最强的西边界流黑潮,以及全球海洋与气候系统里最大的年际变化现象厄尔尼诺,还拥有横跨太平洋和印度洋的巨大暖池,以及全球最大的降水带太平洋热带辐合带,因而一直是国际海洋科学研究的热点海域,尚有许多前沿重大科学问题悬而未决,急需组织力量开展探索研究。然而,大洋环境观测资料,特别是长期、大尺度和实时海洋观测资料的严重缺乏,影响了我国海洋和大气科学家在这一前沿、热点研究领域取得创新性成果的原动力。

  因此在未来几年内,我国应加大在北太平洋和东印度洋海域布放浮标的力度。这不仅因为Argo观测网是目前国际上唯一的一个全球实时海洋观测系统,其观测和积累的资料对海洋和大气科学的发展具有重大的科学意义;而且对我国这样一个饱受海洋和气候灾害影响的海洋大国,特别是过去长期以来对邻近我国的外海大洋和全球海洋观测重视不够,观测资料积累严重不足的国家来说,参与全球Argo实时海洋观测网建设更具有十分重要的现实意义。

  尽管Argo计划的实施时间还不长,全球3000个浮标组成的实时海洋观测网还刚刚建成,但其作用和价值已经在许多方面体现出来。

  Argo资料正被世界气候变化及预测(CLIVAR)和全球海洋资料同化实验(GODAE)等国际计划用于海洋环流模式中,开始对全球海洋进行细致的分析和预报。各国的海洋业务中心和气候中心正用Argo资料进行气候和气象预报,以及用于海事安全、海上交通、渔业管理、近海工业和国防事务等各个领域;澳大利亚、法国、日本、英国和美国等国还用Argo资料对全球和区域性海洋的次表层特征进行常规分析,得出的结果可以对海温与盐度异常,以及海洋环境变化提供早期预报;英国气象局根据Argo观测网获得的大西洋次表层温度资料,每年夏天发布当年冬季的海况预报和欧洲大陆的气候预报,从而大大提高了预报的可靠性。特别是,2005年10月发布的当年冬季欧洲大陆平均气温、英国南部地区的平均气温和英国降雨量都会低于或少于多年平均值,以及北大西洋涛动为逆向涛动等预报结果,也均已得到了证实。

  Argo资料的应用提高了人们对全球温室效应引起的海平面上升的估算和预报精度,在改进季节性气候预报和加深对飓(台)风活动的认识中也正起着关键性作用。而Argo观测网最显著的成效还在于,可以大大提高对全球海洋热储存总量的估算精确度,使得人类确定全球气候变暖与海平面上升以及预南宫28测它们未来趋势终将成为现实。气候变化是当今世界面临的最大环境问题,全球Argo实时海洋观测网将在认识和解决该问题中起到不可替代的作用。

  需要指出的是,由于Argo浮标具有在海上长期漂移观测的特点,人们无法对其所携带的各种传感器进行定期标定。因此,Argo浮标与其他海洋观测设备(如CTD、ADCP)一样,其观测资料会随着电子传感器的老化或海上其他电子信号的干扰,以及海面油污和附着生物的影响而产生测量误差。国际Argo资料管理小组的研究技术人员为了能向用户提供高质量的Argo数据,正在不断致力于寻找校正和处理观测资料的最佳方法;还有的研究技术人员则在不断改进Argo浮标技术,尽可能延长浮标的观测寿命并使之能携带更多的测量传感器(如测量pH、溶解氧、硅酸盐等),方便海洋和气象学家通过Argo浮标获得更多的海洋环境信息。

  由此可见,积极主动地参与国际Argo计划,不仅可以长期获取全球Argo实时海洋观测网提供的海量资料,满足我国海洋和大气科学界对研究和解决国际海洋科学热点,以及前沿重大科学问题的需求;而且还可以促进我国海洋高新技术的发展,并借机建立起一支从事大洋环境调查、数据处理和质量控制的技术队伍,从而为推进全球Argo实时海洋观测资料在海洋和天气业务化领域中的广泛应用提供技术支撑和资料保障。

  全球Argo实时海洋观测网的建成是世界上30多个国家和欧盟科技合作的结果。目前,该观测网使用的浮标为每隔10天观测一个海面到2000米水深的温、盐度剖面,其寿命大约为4年,因此要维持由3000个浮标组成的全球实时海洋观测网,每年大约需要补充布放800个浮标。美国已经承诺提供约1/2的浮标,其他参与国也都在为维持该观测网的长期运行而积极争取政府的支持。我国参与全球Argo实时海洋观测网建设,不仅仅是在尽一个国际Argo计划成员国的义务,也是在全球自然灾害频发的今天肩负起一个海洋大国的责任,而更为重要的是,同样有着十分迫切的国家需求。为此,建议如下:

  1.我国Argo计划的发展需要国家专项的长期支持。国家海洋局在2003年已组织国内海洋和气象专家编写完成“中国Argo计划纲要”,建议能尽快报送国务院有关部门批准实施,以确保中国Argo计划能得到长期经费的支持。

  2.在国家专项尚未确定之前,建议国家科技部、国家海洋局和国家自然科学基金委员会等继续对中国Argo浮标布放和Argo资料的接收与处理工作给予必要的重视和资金支持,以推动中国Argo大洋观测网建设,并能与国际Argo计划的其他成员国一起,为维持全球海洋中3000个浮标正常工作的目标而做出积极的贡献。

  3.加强我国Argo浮标的投放工作。相关部门或组织应有计划,持续不断、分期分批地在邻近我国的大洋区域布放Argo浮标,改变目前由研究项目出资购置浮标、且时断时续布放的被动局面,以便长期、广泛地收集这些海域的海洋环境资料,提高我国在国际Argo计划中的显示度。

  4.完善我国Argo实时资料中心的职能,建立起接收和处理准实时和海量Argo资料的能力,广泛收集和充分利用各国际Argo计划成员国在其他大洋区域观测的Argo资料,为我国深海大洋研究和全球气候变异研究积累长时间系列的全球海洋次表层观测资料。

  5.拓宽Argo资料的应用研究领域。世界上已经有许多国家(也包括我国)的科学家尝试把Argo资料应用到海-气耦合模式、海洋资料同化以及气候业务化预报系统中,我国的科研机构和业务管理部门应加强交流与合作,共同探索和推进Argo资料应用研究的步伐,充分发挥我国科学家在利用Argo资料和相关资源解决全球或区域重大海洋与大气科学问题,以及提高我国天气预报和气候预测水平中的作用。

  (作者单位:国家海洋局第二海洋研究所卫星海洋环境动力学国家重点实验室)