给海洋涡旋做“B超”——我国科学家五年攻关之路

来源:中国海洋报   发布时间:2016-07-21 16:13:56 

项目团队在布放Argo

 

    21世纪是海洋的世纪,挺进深远海是我国从海洋大国走向海洋强国的必由之路。构建深远海“透明海洋”观测系统,是建设海洋强国的重要战略保障。

  在国家重大科学研究计划项目“太平洋印度洋对全球变暖的响应及其对气候变化的调控作用”的支持下,中国海洋大学教授谢尚平、海洋与大气学院教授李培良领衔的科研团队历时5年,创新地采用相对低成本的Argo浮标对海洋涡旋进行长期追踪观测,既具有广泛的应用价值,也为未来针对涡旋的海上观测提供了新思路。

■许丽晓刘聪

神秘的海洋涡旋

  遍布于世界大洋的海洋涡旋,又被称为海洋中的风暴。每个涡旋直径有100公里~300公里,平均面积相当于青岛市那么大。涡旋旋转的方向有的是顺时针,有的是逆时针。顺时针涡旋和逆时针涡旋相间排列,一个跟着一个,一面自身旋转,一面自西向东移动。它们几乎集中了外洋的全部动能,对海洋的动力特征、生物化学过程乃至污染物的扩散等具有重要影响。

  随着卫星高度计的问世,人们对海洋涡旋的表面特征已有了一定的认识。但由于缺乏垂向观测,海洋涡旋隐藏在海表之下的“庐山真面目”难以探知。如何实时监测涡旋三维立体结构、揭秘其演化过程,是海洋学界的一个重大挑战。

打破常规

  自2011年项目立项,谢尚平就开始通过参家国际会议、组织项目研讨等方式,积极论证项目的涡旋观测方案。

  “如果要实时地监测海洋涡旋,就必须有可以跟踪观测涡旋的仪器设备。项目组首先想到了Argo浮标。”谢尚平介绍说,Argo浮标就像气象观测中使用的探空气球一样,可以方便地获取海洋内部的垂直结构数据。

  据统计,目前国际Argo计划的投放密度,一个涡旋周围最多只有一两个“探头”。然而,这些“探头”的设定并不是为了追踪涡旋,而是为了保证大范围的空间覆盖率,且每隔10天才进行一次采样。

  “在一个涡旋长达数月的生命轨道上,能被Argo采样的次数可能仅有几十次。显然,这对于想要清晰刻画一个地级市面积大小的海洋涡旋来说,是远远不够的。”对此,李培良提议,通过在一个海洋涡旋里投放多套Argo浮标来实现加密观测。

  通过前期调研,项目团队最终确定了将17Argo浮标同时在一个海洋涡旋中布放的方案。为了让Argo浮标更好地保持在目标涡旋中,方案吸取了国外科学家有关观测研究的经验,将浮标的停留深度设定为500米。为了捕捉更清晰的涡旋图像,他们把每个浮标的采样间隔设定为一天。采用这种多“探头”加速扫描的方式,一个月就能获得500多个涡旋样本,这对于高清反演涡旋的三维结构提供了有力的保障。

捕捉“模态水”

  20143月,项目团队搭载中国海洋大学“东方红2”号海洋综合调查船到了西北太平洋黑潮延伸体南侧,寻找含有模态水的涡旋来投放Argo浮标。

  “此次海上观测的具体任务是捕捉涡旋影响下的模态水潜沉过程。”作为首席科学家,

  李培良负责此次海洋观测的设计与实施。“模态水潜沉将外界大气强迫信号、二氧化碳、氧气等传输到次表层海洋,对气候变化具有重要影响。”李培良说。

  然而,令人郁闷的是先期探测的几个涡旋中并没有发现模态水。“当到达最后一个备选涡旋时,一开始也没有探测到期待已久的模态水特征。”全程参与此次海洋调查的中国海洋大学海洋与大气学院博士生刘聪回忆,“当时,全船人员的情绪已陷入低谷。”

  对此,李培良召集科研骨干研讨,并通过卫星电话与项目首席科学家谢尚平商讨接下来的航行方案。最终决定在目标涡旋的东面做最后尝试,否则只能放弃既定方案。

  队员们在遗憾和不甘中煎熬了一夜,日出之前,考察船抵达了目标涡旋的东部。“当时正好我值班。CTD(温盐深仪)安全下放后,心里就开始盘算如何更好地设计接下来的航线。”刘聪说,“突然,当CTD下降到150米左右时,剖面出现了一个小的拐点,温度曲线经历了混合层底部快速变化后再一次变得平缓。我压制住心中的狂喜,计算相关参数,精确地算出该区域的模态水厚达150米。”

  刘聪快步冲出CTD室,一路边跑边喊:“有了!有了!”。

  最终,谢尚平团队投放的17Argo浮标成功地对目标涡旋进行了长达半年的追踪,共获得5000多个珍贵的剖面数据。这是国际上首次通过特殊设定Argo浮标对涡旋进行跟踪观测。目前,该项目团队正在利用这些数据开展研究工作。

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