科普 | Argo计划-绘制海洋的心跳
#01 Argo计划简介
图1 全球Argo实时海洋观测网中活跃浮标分布
（2024.12.24最新版）
于1998年推出的全球海洋观测试验项目
每隔10天完成一次下潜和上浮过程
测量水温、盐度等关键参数
覆盖从海表至2000米深
自2000年启动，已部署超过4000个浮标
被誉为海洋观测手段的一场革命
这，就是伟大的Argo全球海洋观测网！
#02 Argo浮标历史
图2 Argo浮标布放图片
Argo计划是联合国政府间海洋学委员会(IOC)基于利用足够的剖面浮标而倡导的、以深海为对象的观测计划，是GOOS计划中的一个重要组成部分。Argo是一个以剖面浮标为手段的海洋观测业务系统，它所取得的数据供全世界各国使用。Argo计划构想用3年至4年时间（2000年-2003年）在全球大洋中每隔300公里布放一个卫星跟踪浮标，总计为3000个，组成一个庞大的Argo全球海洋观测网。一种称为自律式的拉格朗日环流剖面观测浮标将担当此重任，它就是Argo浮标。Argo浮标的设计寿命为4年至5年，最大测量深度为2000米，会每隔10天至14天自动发送一组剖面实时观测数据，每年可提供多达10万个剖面的海水温度和盐度资料。
值得注意的是，IOC各会员国也认识到Argo计划中的剖面浮标因“随波逐流”可能进入他国的EEZ（exclusive economic zone专属经济区），因而一致同意通过了一项决议(IOC决议XX-6)，以支持Argo计划在全球的实施。此决议要求各国对其在Argo计划下施放的剖面浮标要公告其施放地点及其实时漂流位置，其所获得数据要共享；任何国家若要在其他国家的EEZ海域投放Argo剖面浮标，需按照海洋法公约征得该国的同意。
# 03 Argo浮标的现状
到2024年，全球海洋中活跃的Argo浮标数量已超过3800个。绝大部分浮标，约93%处于太平洋、大西洋、印度洋、南大洋和北冰洋等深海大洋中，只有约4%的浮标活跃在7个边缘海，包括地中海、黑海、墨西哥湾、日本海、加勒比海、波罗的海和弗洛勒斯海，还有约3%的浮标不在OneArgo的设计海域内或者活动海域不明。
OneArgo项目计划在2030年前建成由4700个浮标组成的覆盖全球、全水深和多学科的综合性观测网，包括2500个核心Argo、1200个深海Argo和1000个生物地球化学Argo浮标。
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图3 Argo浮标的结构示意图
传感器技术
温盐深传感器：早期温盐深测量精度有限，如今已实现小型化、电子化、自动化和高精度化，像美国海鸟公司的sbe911plus ctd，测量精度高、漂移小，测量深度可达10000dbar。此外，多参数测量能力也有所增强，可搭载溶解氧传感器、pH值传感器等进行多参数测量。
其他传感器：除温盐深传感器外，还增加了如溶解氧传感器、叶绿素传感器等，可更全面地监测海洋生态环境和生物地球化学过程，为海洋生态研究等提供更丰富的数据。
数据传输技术
通信方式：早期通信方式传输速率低、信号稳定性差，现在多采用铱星通信等卫星通信方式，数据传输速率和稳定性大幅提高，能确保浮标在全球海域都可及时、准确地传输数据。
数据压缩与编码：先进的数据压缩与编码技术应用，可在不损失数据精度的前提下，减小数据量，提高传输效率，降低通信成本。
定位与跟踪技术
卫星定位系统：借助GPS、GLONASS等卫星定位系统，可精确确定浮标的位置，为海洋观测数据的定位和分析提供了更准确的地理信息.
轨迹预测与跟踪：利用先进的数据分析和预测算法，可根据浮标的历史位置和海洋环境数据，预测其未来轨迹，实现对浮标的有效跟踪和监测管理。
#04 Argo浮标的工作原理
图4 Argo浮标工作原理
浮标的漂浮和下潜
Argo浮标包括一个浮标主体和一个浮标。浮标的漂浮和下潜是通过控制浮标球的空气压力来实现的。当浮标需要漂浮时，浮标球内部的空气压力与周围水体的压力相平衡，使得浮标浮在水面上。当浮标需要下潜时，浮标球内部的空气压力被增加，使得浮标重于水体，并向下沉入海洋中。
图5 Argo浮标下放图
数据采集
Argo通过一系列传感器来采集海洋和大气数据。这些传感器通过电缆连接到浮标主体上的数据采集系统。数据采集系统负责将传感器采集到的数据进行处理和存储。
图6 Argo浮标工作示意图
数据传输
数据传输是Argo系统的关键部分。浮标主体上配备了一个无线通信模块，用于将采集到的数据传输回地面站点。数据传输可以通过卫星通信、海底电缆或近岸无线网络等方式进行。
图7 大数据平台示意图
#05 Argo浮标的未来
增加覆盖区域：目前，Argo网络主要覆盖全球的温带和热带海洋，但对于极地地区，尤其是南极和北极地区的数据相对匮乏。未来，Argo计划将逐步扩展到这些区域，以获得更加全面的海洋观测数据。
深海观测：目前Argo浮标的观测深度大约为2000米，未来会有更多的“深渊Argo浮标”部署，这些浮标能够深入到更深的海域，进行更深层次的温度、盐度和其他物理性质的监测。
实时数据传输：随着通信技术的进步，未来的浮标可能会具备更强的实时数据传输能力，缩短从数据采集到数据共享的时间。这对于气候预警、天气预报等应用至关重要。更多的跨国合作和数据共享平台将会被建立，使得全球海洋数据更容易获得和整合，从而提升对气候变化、海洋生态和海洋资源的理解。
#06 Argo浮标数据对科学研究的重要意义
图8 Argo数据下载官网
（https://argo.ucsd.edu/data/）
数据信息：
空间分辨率：3° x 3° (每3°范围内约有一个浮标)
时间分辨率：约每10天测一次
变量：温度、盐度、压力、溶解氧、氯荧光素、硝酸. 盐、pH值
数据应用实例：
利用Argo的海表以下0-2000m数据，与卫星高度计的中尺度涡观测结果结合，通过合成分析，得到中尺度涡平均意义下的的三维结构，例如下图：
图9 涡旋三维结构图
（Chaigneau et al. ,2011)
参考文献：
[1] Chaigneau, A., M. Le Texier, G. Eldin, C. Grados, and O. Pizarro (2011), Vertical structure of mesoscale eddies in theeastern South Pacific Ocean: A composite analysis from altimetry and Argo profiling floats, J. Geophys. Res., 116, C11025,doi:10.1029/2011JC007134.
[2] Souza,J. M. A. C., C. de Boyer Montégut, C. Cabanes, and P. Klein(2011), Estimation of the Agulhas ring impacts on meridional heatfluxes and transport using ARGO floats and satellite data, Geophys.Res. Lett., 38, L21602, doi:10.1029/2011GL049359.
[3] Yang, H., L. Wu, H. Liu, and Y. Yu (2013), Eddy energy sources and sinks in the South China Sea, J. Geophys. Res.Oceans, 118, 4716–4726, doi:10.1002/jgrc.20343.
[4] Zhang Zhiwei, Zhong Yisen, Tian Jiwei, Yang Qingxuan, Zhao Wei. 2014. Estimation of eddy heat transport in the global ocean from Argo data. Acta Oceanologica Sinica, 33(1): 42–47, doi: 10.1007/s13131-014-0421-x.
本文转载自——海洋调查仪器操作。
