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Argo剖面浮标技术发展迅速:介绍几种新颖的剖面浮标

发布时间:2019-08-29 22:15 来源:未知 编辑:admin

  目前,构建全球Argo实时海洋观测网的剖面浮标(图1)已经由当初的4种类型(如PALACE、APEX、PROVOR和SOLO等),发展到现在的约15种(如APEX、PROVOR、PROVOR-II、PROVOR-MT、SOLO、SOLO-W、SOLO-II、SOLO-D、ARVOR、ARVOR-C、ARVOR-D、NAVIS-A、NEMO、S2A和NOVA等),其中早期使用的PALACE型剖面浮标已经被淘汰出局,而APEX型剖面浮标则占了60%份额,PROVOR和SOLO型浮标分别约占18%和12%;资料传输的方式也由原来单一的Argos单向通讯,扩展到可选的Iridium或Argos-3双向通讯(图2),其中采用Iridium通讯的浮标已经占30%左右;剖面浮标携带的传感器也由早先的温度、电导率(盐度)和压力等物理海洋环境基本三要素,正在向生物地球化学领域拓展,一些加装了溶解氧、生物光学、硝酸盐和pH等生物化学要素传感器的剖面浮标(214个)也在逐年增多(图3),虽然目前所占的比例仍不高,但呈现快速发展的势头。

  当初确定的Argo核心观测区域为大西洋、太平洋、印度洋和南大洋的无冰海区,即水深大于2000db的大洋区,因当时的浮标技术还无法在冰覆盖海区进行观测。

  然而,冰覆盖海区的气候信息,则要比其他洋区重要得多。随着浮标技术的发展,今天装备有探冰传感器的浮标(图4)可以待浮标漂移到无冰海区后,再浮出水面发送观测资料;也可以把资料暂时储存起来,等夏天冰盖融化后再把资料发回地面。这种浮标与铱卫星通讯结合已经进行了试验,其失效率与无冰海区相当,说明把Argo核心观测区域扩大到高纬度海区是完全可行的。

  此外,把Argo剖面观测从目前的2000db伸展到更大的深度上,在Argo观测网的部分海区也是很需要的,如北大西洋,该洋区2000db处的温盐关系变化很快,对Argo资料的延时模式校正非常困难,需要更深的观测资料。这种资料还有可能改进全球海平面变化的研究和与气候变化相关的信息。

  目前,几种很有前途的新颖浮标均已进入试验或正式批量生产阶段,且呈向小型化、双向通讯、全海区适用等方向发展的趋势。

  该型浮标由美国海鸟公司(SBE)研制生产(图5),安装了SBE-41CP CTD传感器,有效剖面观测深度为2000db,其充足的内置电源至少可以测量300个剖面。NAVIS型剖面浮标除了仅携带CTD传感器(标准型,图5a)外,还可加装叶绿素–a光学传感器(图5b左)、硝酸盐紫外分析仪(图5b中)和多光谱传感器(图5b右)。该公司曾分析了2013年3月之前已经停止工作的10个浮标,其中1个布放后即停止工作,7个浮标在发现其油压系统存在空洞症状后停止工作(仅对那些布放在高纬度海区的浮标),1个浮标发现存在气阀粘滞问题后停止工作,而剩下的1个浮标同时存在上述两种症状。SBE正在对硬件进行必要的改进来解决这些问题,改进的内容包括对油泵设计方案、油的粘稠度、内部空间真空度的进一步完善,还包括进行空气止回阀的修复。另外,SBE正在测试一种不渗透气体的油囊,还将改进数据传输模块,以提高数据传输效率。该型浮标总长度为159厘米,圆柱外壳直径仅为14厘米,其重量约为18.5公斤。美国国家海洋与大气局(NOAA)太平洋海洋环境实验室(PMEL)已经从2012年1月以来累计布放了87个NAVIS型剖面浮标。

  图5 (a)标准NAVIS型剖面浮标 (b)加装各种传感器的NAVIS型剖面浮标

  该型号浮标由加拿大MetOcean公司生产。NOVA型浮标在不同深度上具有不同的采样间隔:500-2000db范围内为5db,100-500db间为2.5db,而2-100db之间为1db。温、盐度测量均使用泵抽式采样方式,在2db时停止采样。在过去的浮标型号中,最浅的观测层在5db处,而最浅的非泵抽式采样在0db处附近。为了方便浮标在海上布放时的操作,Metocean公司还在浮标的顶部和底部安装了手柄(图6)。2012年,德国和加拿大分别布放了2个和27个NOVA型浮标。在加拿大布放的这些浮标中,有2个浮标在布放后没有传回数据,3个浮标分别观测了3、4和7条剖面后停止工作,其余的22个浮标到2013年3月仍在正常工作。另外,2个德国布放的浮标和1个加拿大布放的浮标还出现了GPS定位问题,只能依赖铱卫星获取少量低精度的定位信息。

  美国斯克里普斯(Scripps)海洋研究所仪器开发组研制的SOLO-II型浮标(图7)比上一代SOLO型浮标更小、更轻、更高效(表1),可在世界任何海区观测0~2000db范围的剖面。浮标寿命为200个周期,还有增加更多周期或增加传感器的技术提升空间。SOLO-II采用往复式水泵,使之有可能执行大于2000db水深的任务。

  SOLO-II型剖面浮标由美国Scripps海洋研究所和MRV公司联合生产。该型浮标采用连续采样方式观测,其中2000 -20db采样间隔为2db,而20-1db间为1db。该采样方式花费的电池能量为9.5 kJ/循环,其中63%的能量用于浮力,32%用于CTD测量,剩下的用于通讯、GPS定位以及控制器。由于该型号浮标耗能小,并且可以加装3组电池,具有完成300个剖面观测的能力。第一批15个浮标由于外部皮囊裂缝导致高失败率后进行了技术改进,第二批180个浮标在布放后成活率高于95%。此外,对浮标通信模块和卫星天线等软硬件的进一步改进,解决了浮标可能存在的过早停止工作问题。

  日本海洋地球科技厅(JAMSTEC)与TSK公司一起于2009年开始研制深水NINJA型剖面浮标(图8),目标是观测3000db以下的深海区,最大剖面观测深度可达4000db。该浮标由油箱、泵和50cm3气缸、三向阀、活塞和500cm3气缸、马达和制动器组成。泵的往复运动和三向阀门最大可产生500cm3的浮力。该型浮标总长度为210厘米(包括天线),圆柱体(铝合金耐压壳体)直径为25厘米,其重量约为50公斤(空气中),可适用于从热带到高纬度的季节性冰覆盖区域。

  2012年12月,利用“Mirai”号调查船在南大洋布放了4个深海NINJA型剖面浮标(其中3个位于Adelie沿岸、1个在新西兰以南海域)来观测南极底层水的变化,这些浮标均工作正常。深海NINJA型剖面浮标已经在2013年4月开始提供商用,常规采用SBE-41CP CTD传感器,并可增加溶解氧传感器。截止目前,已经累计布放了14个该类型浮标,成功获取了南极海冰下的深层观测剖面。

  法国海洋开发研究院(IFREMER)正在研制的深海ARVOR型剖面浮标(图9),是2000db版ARVOR浮标的拓展,其目标是实现3500db深度超过150个循环的观测(连续泵抽)以及溶解氧观测。该型浮标保持了ARVOR浮标自压载和重量轻的特点。一个原型浮标(每2天1个循环)已经于2012年8月布放在中大西洋,为了评估在深层传感器的运行情况以及资料质量,该浮标布放在水团性质稳定的海域,它已在3500db深度工作了60个循环。该型浮标总长度为216厘米(包括天线公斤(空气中),并携带了海鸟SBE-41CP CTD传感器及安德拉4330溶解氧传感器。2013年该公司已经开始生产可以观测4000db水深的深海ARVOR型剖面浮标。

  美国斯克里普斯海洋研究所的浮标实验室已经组装了2台深海SOLO型剖面浮标(图10),其中1个已于2013年1月利用NOAA的“Bell Shimada”号调查船布放在CalCOFI站。深海SOLO型剖面浮标采用SOLO-II型浮标泵抽系统的深海改进版,安装在一个13英寸的玻璃球和安全帽内,并在底部安装了SBE CTD传感器。深海SOLO型浮标设计观测水深为6000db,但最初布放在加利福尼亚外海域的水深仅为4000db。至2013年4月,该浮标已经在4000db水深区域完成了20个循环,并传回完好的CTD剖面(通过铱卫星SBD模式)以及诊断信息。

  该型浮标(图11)由美国Teledyne/Webb公司开发研制。2011年完成了浮标的基本机械和电子设计,开展了初步的玻璃材料测试,并确定使用玻璃球体作为浮标外壳。2012年完成了10000db压力下500个循环的球体测试,同时完成了玻璃孔设计和钻孔压力测试。2013年组装了原型浮标并且完成了4000db水深的下潜。第二批原型浮标正在进行测试。2013年2月26-27日,完成了大于6000db水深的一条剖面。目前正在进行6000db以上水深的多剖面和可压缩性测试。2013年年底完成高度计、浊度仪以及锂电池的测试。预计深海APEX型剖面浮标在2014年即可提供商用。

  美国伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)和MRV公司联合设计并试验生产了一种空投式剖面浮标(图12),可以解决航空投弃式海水测温仪(AXBT)观测存在的深度误差,以及只能观测到水下400db(或1000db)水深等缺陷。该型浮标的重量只有普通Argo剖面浮标的一半(约10kg),可以获得100-150个左右0-2000db水深范围内的剖面资料,采样间隔可以达到1-2db,采用铱卫星通讯系统进行数据传输。目前这种浮标只能观测海水温度和压力信息,而装载更多传感器的浮标还在研制当中。该型号剖面浮标的研制成功,将大大提高人们对台风、飓风等海洋灾害的监测能力,可以根据需要快速投放至所需海域,并可得到多条多参数剖面资料,是一种理想的AXBT替代仪器。

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