Argo海洋观测网与海洋环境问题探讨 - 海洋观测网络

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文章转载自微信公众号直面海洋人生，源自国际Argo计划官方网站（www.argo.ucsd.edu），由Stephen C. Riser和Susan Wijffels执笔，国际Argo指导组全体成员共同完成；并由自然资源部杭州全球海洋Argo系统野外科学观测研究站科技人员翻译整理。平台转载时略作删减，并附插图，版权归原作者及刊载媒体所有。 / @( g( e3 p3 D7 Y3 A0 Y

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Argo海洋观测网提供了海量业务和研究数据流，可以支持重要的即时预报和预测服务、科学和政策评估等。该观测网有助于拯救生命，避免财产损失，告知公众和政府如何应对环境变异和变化，以及海洋资源的可持续管理和海洋健康的保护。

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国际Argo计划使用简单的自动剖面浮标（简称“Argo浮标”），每个浮标在海洋中可以运行3-6年，且每隔10天测量一条海洋环境要素(如温度、盐度、溶解氧、营养盐和生物光学参数等)剖面。这些剖面浮标遍布全球海洋，包括在船只稀少的偏远海域。目前，Argo海洋观测网主要由30多个沿海国家贡献的约3900个浮标组成。为了维持全球覆盖，该观测网每年需要补充投放600到900个剖面浮标。

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Argo浮标观测数据通过卫星传回陆上。这些数据在24小时内被共享，并通过互联网向公众免费提供，以及发送到全球业务预报中心，用于制作日常天气和环境预报。目前还没有其他实用技术可以替代剖面浮标，这也是全球海洋观测系统的主要观测仪器设备。

本文探讨了业务运行的Argo观测网中浮标对海洋环境影响的最新评估，以及布放和回收这些浮标所需的配套船舶资源及其可能的替代方案等。

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一、浮标生命周期内对海洋环境的影响

1、布放阶段

Argo浮标大多由“机会船/志愿船”（包括商船、调查船和帆船等）布放，且布放过程十分简单，通常布放一个浮标只需几分钟时间。浮标可以直接布放，也可以放置在用可生物降解纸板制成的包装箱或玉米淀粉盒内，再用可生物降解胶带包裹后布放。

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Argo组织每年会租赁一艘小型调查船约40天，用于在广阔的南太平洋和印度洋海盆区域布放浮标(每年约100个)，那里的船舶资源通常极其稀缺。不然，浮标大都会被空运到满足志愿布放的船上。因此，与获取相同信息的其他方法(如从专用调查船上进行密集的现场取样)相比，Argo计划的碳排放相对较低。这会在后面作更详细的分析。

2、运行阶段

现代卫星定位和通信系统(如铱星)的应用，使得Argo浮标在海面上传输数据的时间可以缩短20分钟左右(而较早使用的ARGOS卫星服务系统大约需要1天)。这意味着浮标在海表附近停留的时间很短，而海洋生物的绝大部分都存在于海洋表面。因此，浮标与大多数海洋生物的影响是有限的。在过去，浮标的搁浅率较高，受海洋生物的影响也相对较大。

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根据Argo计划的规定，只要有可能，当浮标漂浮到海岸边时应该回收并安全处置。漂浮在大陆架浅层的浮标很快就会受到极端的生物侵蚀，从而失去浮力，沉入海底，很可能被永久困在海底。由于浮标在海面上的滞留时间（向卫星发送剖面观测数据）较短，且大部分时间停留在1,000米以下的深水区域，所以浮标搁浅的概率会较低。

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当浮标工作时，每条剖面中会有少量(约几毫克)的三丁基锡氧化物(TBTO)释放到水体中。这种物质以片剂的形式贮存在浮标携带的CTD传感器中，是一种很难溶于海水的生物杀灭剂，通常用于海运业中，以消除船舶外壳上的生物生长。

Argo计划中，它被用来防止电导率传感器受到生物的污垢，而海水盐度就是由电导率换算得到的。在浮标布放后的初始阶段，TBTO可能会对环境造成一定影响。然而，为每个浮标设计的10天循环周期和约1,000米的漂移停留深度，使得一些TBTO在浮标处于次表层漂移过程中就被冲进了深海。换句话说，TBTO对近岸海洋环境的影响是极小的。因为海洋会迅速稀释这种物质，而且观测网中每个浮标间又会相隔数百公里，这就确保了TBTO在任何地点的浓度都极低。

3、临终阶段

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由于Argo浮标主要运行工作在没有船只经过的偏远海域，所以在其停止作业前回收浮标通常是不现实的。因此，大多数Argo浮标会在布放3-6年后，由于电池耗尽，就会终止运行。浮标一旦“死亡”，可能会静静地漂浮在深海(往往会在1,000米的漂移停留深度和2,000米的最大剖面深度之间的某个水层)中，直到铝质的浮标体最终因腐蚀而破裂，引发泄漏。

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此时，浮标将被海水入浸而沉入海底(大部分会在深海区域)，其腐蚀和分解过程将会持续数年。浮标的大部分质量(约70%)由铝组成(表1)，而铝会慢慢腐蚀成基本上无害的氧化物，并被深海环流和近海底湍流携带扩散。

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浮标塑料部件(在现代设计中已经降低到浮标质量的8%左右)的降解速度可能非常缓慢。研究表明，在浮标沉入海底后，任何残留在浮标中的TBTO最终都有可能进入海洋沉积物中，并在数周内分解成惰性的无害成分。剩下的就是浮标携带的测量仪器和电池了，其中包括少量潜在的有毒金属，包括铜、锌、锂和铅。

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这些金属的腐蚀速度和“死亡”浮标周围的浓度水平尚不清楚，可能会随海底的当地情况而变化。然而，考虑到深海中缓慢的腐蚀速率、深海洋流速度和近海底湍流强度，以及浮标间的较大距离(约300公里)，在短期内从浮标中产生的溶解金属盐，使得当地浓度显著增加似乎也是不可能的。

这里试图通过比较浮标与自然和其他来源的通量，来评估海底Argo浮标分解物对全球海洋的净输入量（表1）。表中第四列给出的塑料和TBTO的通量值代表人为的通量，原因是目前还很难获得这些量的自然通量。第四列的其他量仅用于自然通量，因为它们通常比相应的人为通量大几个数量级。这里已经将Argo通量(第三列)按900个浮标的数量进行了缩放，这是每年可能死亡并需要更换的浮标数量的上限。

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表1、浮标与自然和其他来源通量比较

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该表清楚地表明，与这些成分流入海洋的背景通量相比，Argo每年的输入量小得可以忽略不计。如Argo每年向海洋注入的铝量，若与生产汽水饮料罐的铝量(每年2,000亿罐，每罐15克)相比，大约需要176,000年的时间。也就是说，一年流入海洋的铅自然流量，相当于Argo计划运行8,300万年。

TBTO是被广泛使用在船壳涂料中的抗微生物剂。对一艘用于全球调查的典型船只(约60米长)来说，可能需要多达2,000升的油漆，才能覆盖船体水线以下部分。假若比重为1.5的话，每艘船大约需要3,000公斤的油漆，或者约15公斤的TBTO。如果每隔5年为1,000艘这样的船只(全球商船队约95,000艘)涂一次油漆的话，那么因商业运输而流入海洋的TBTO通量大约为3,000公斤/年，远远超过每年900个Argo浮标下沉到海底的TBTO输入量。

二、其他抛弃式仪器设备对海洋环境的影响

1、抛弃式深海温度计(XBTs)

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Argo之前，在海盆尺度上收集次表层温度剖面最常见的方法是广泛使用的一次性深海温度计(XBTs)。这些仪器设备是非常宝贵的，几十年来对人们了解海洋环流作出了不可估量的贡献。这些仪器含一个40厘米长、似鱼雷状的物体，由锌和塑料制成，其顶端安装了一个热敏电阻，通过2,000米长的细铜线连接到发射船上，这是用来传输观测数据的。XBT一旦从正在航行的船上发射出去，因为探测器是个自由落体，它会通过安装在船上的采集系统接收和记录温度数据。当一个剖面采集完成后，铜线断开，探头和导线都会下沉至海底。

典型的XBT，主要由探头鼻（内含575克锌）、阀芯（环绕了112克铜线）和尾部（含52克塑料）组成。目前，Argo观测网每年可以收集大约12万条温度剖面。如果这么多剖面使用XBTs收集的话，那么将会导致69,000公斤/年的锌(而Argo仅为45公斤/年)、13,440公斤/年的铜（Argo仅为90公斤/年)和6,240公斤的塑料（Argo为1,800公斤)流入海洋。

即使不考虑在许多主要海域缺乏布放船只(加上大多数XBTs并不能测量盐度)这一重要问题，以及采用XBT收集的温度/深度精度无法满足Argo气候预测要求这一事实，使用XBT代替剖面浮标，肯定会比Argo有更大的环境影响问题。

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2、利用专用调查船收集剖面数据

调查船是目前唯一能在Argo覆盖的广阔海域进行观测和采样的平台。配备适当的温度、电导率/盐度和压力/深度测量设备的船舶，可以收集与Argo浮标相同或更准确的剖面，而且从船舶上取样不会留下任何可能污染海洋的仪器设备。

利用船只进行的全球海洋观测计划，如WOCE和GO-SHIP等，都已经证明了每年能够采用调查船收集几千个测站的高质量和不同类型的数据。例如，在2016年，GO-SHIP计划就发起了20多个航次，收集了1,200多个高质量、全水深的船舶剖面数据。

相比之下，目前Argo每年利用由3,000多个浮标构成的观测网，可以收集全球海洋上从海面到2,000米深度上的约12万个剖面。假设每个浮标或者测站间的距离为300公里，且每隔3个小时进行一次深达2,000米的船载CTD仪观测，而典型的船速通常为10节(约18公里/小时)，一艘专用调查船需要利用15,000多天的时间，才能收集到相当于一年的Argo数据量。收集这些船载剖面数据所需的调查船费用可能会高达每天5万美元，每年的总费用则可能超过7.5亿美元。

显而易见，如此高昂的调查费用是无法承受的。所以，这样一个基于船只的调查计划是不切实际的。这也是Argo计划实施之前，为何海洋没有得到充分观测的一个主要原因。

在这种情况下，除了船舶本身的时间成本外，还存在额外的环境成本，即与必要的调度船舶相关的碳排放。一艘典型的调查船每天可能会燃烧多达25,000公斤的船用燃料油，导致约75,000公斤/天的二氧化碳排入大气，或者每年超过2,700万公斤（注:作为比较,在美国一辆典型的客运汽车每年有约2,600公斤的二氧化碳排放到大气中）。而每年收集120,000个基于船舶的剖面数据，就需要15,000艘专用调查船，导致约10多亿公斤的二氧化碳进入大气，将会使得大气中的二氧化碳快速飙升。

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但若用船载测量来推算Argo的财政负担和相关的环境成本，显然是不可取的。因为，虽然每年会有数以百计的Argo浮标通过不同的船只布放，但大多数浮标都是使用“机会船/志愿船”(如远洋邮轮)投放的，几乎没有额外的二氧化碳排放。

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Argo除了利用“机会船”外，还使用了吨位相对较小的新西兰科考船“卡哈罗亚”号，通常每年会在南太平洋或印度洋布放100个左右Argo浮标。“卡哈罗亚”号科考船每年一个布放航次，约需消耗5万公斤燃油，导致约15万公斤的二氧化碳排放到大气中，这可比一次跨大西洋商业飞行的碳排放要少得多。

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三、回收Argo浮标

在海底，死亡浮标的墓地景象，从美学上来讲是难以令人接受的；而且从环境保护的角度，这些浮标腐蚀和腐烂所产生的流出物对海洋环境造成的影响也是不可取的。考虑到这些因素，人们常常会提出这样的一个问题，是否有可能在浮标仍在运行时(接近其预期寿命的末期)回收浮标？

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假设有可用的船舶资源，这种回收在原则上是可行的，特别是带有双向铱卫星通信的浮标。在这种情况下，技术人员可以向浮标发送一个指令，让它停留在海面上，并继续定期发送位置信息，直到船只来打捞为止。

虽然这样的操作看似简单，但浮标处于海面的确切位置（会随着洋流和风漂移）却是无法意料的。所以，一艘回收船可能要花几天时间，在浮标预计出现的区域巡查；然后，再化更多的时间寻找漂浮在海面上的浮标。

在许多情况下，这将是一项昂贵的操作，其回收成本可能远远超过浮标本身的价值。而且这样的打捞工作，还取决于浮标所在海域可用船只的数量。因为在大多数情况下，调查船的任务计划通常是在航次前几个月就确定的，而打捞浮标的位置却是未知的。所以，缺少合适的船只用来回收浮标，应是实施这一做法的主要限制。

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然而，正如前面所讨论的，与船舶相关的财务和环境成本具有更大的局限性。如果有足够合适的船只每年回收900个浮标，并假设回收一个浮标另需安排2天的额外船时,那么每年回收这些浮标至少需要1,800天船时。按照每船、每天5万美元的成本计算，这样的回收每年将花费9,000万美元。显然，这也是一笔不小的经费支出。而仅这一个年度的回收费用，就足以维持当前Argo观测网运行数年。

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此外，按照前面提到的碳排放量估计，每年回收这些浮标将额外增加1.35亿公斤二氧化碳进入大气，相当于每年52,000辆乘用车的排放量。当然，每年以工程/试验目的回收一些浮标或许是可取的，但为了每年回收几百个Argo浮标而设立一项重大计划，由此再支出一笔不小的财政和环境费用，似乎既不实际也不能接受。

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然作为Argo计划的一部分，大范围回收浮标似乎并不可取，但出于工程/实验目的，或者回收操作简单、且不需要增加船舶资源的情况下，回收一些将要死亡的浮标还是可取的。例如，一些具有先进技术特征的新型浮标或原型样机，通常会布放在沿岸海域或岛屿附近，这对浮标回收来说，就会简单得多，或许只需要几个小时的时间。

以，针对这样的浮标回收努力是必要的，也值得提倡。同样，针对浮标靠近岸边或在边缘海内的情形，前面假定的每次回收可能需要2天时间，也就显得高估了，而且从财政和环境角度来看，也会经济得多。故针对这样的回收操作，应当得到支持和鼓励。

结束语

作为第一个全球尺度的次表层海洋观测系统，Argo计划彻底改变了人们对海洋环流及其与气候关系的认识。超过3,000个浮标的观测网对海洋环境的影响主要是污染物释放到海洋环境中，且大部分发生在浮标耗尽电池、开始腐蚀并沉入海底之后的一段时间内。

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然而，如表1所示，在这一过程中注入深海水域的化学物质，与这些物质的自然和人为通量相比，又往往是微不足道的。此外，从统计角度考虑，相对较大的浮标间隔(约300公里)和微弱的深层海流，以及海底附近不大的湍流混合，这些外来物质潜在的有害浓度只会积累在浮标沉没位置处的一个极小范围内。

人们常说，Argo对海洋环境的影响可以通过浮标寿命末期的打捞回收来减轻。虽然为了工程/实验研究目的，可能需要回收几个浮标，或者浮标附近正好有调查船作业，但每年回收数以百计浮标的经济成本很高。而且，由此产生的船只碳排放，可能会远比处于海底的死亡浮标造成的影响更大。

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在全球范围内观测次表层海洋的替代方法，在历史上非常成功的案例主要有两个，一个是基于船舶的XBT计划；另一个是基于船舶的巡航调查和定点观测，通常会使用船载CTD仪和采水器等观测仪器设备。

其中，前一种方法可以在航行的船舶（如集装箱船）上进行观测，尽管也是实时，但要满足300公里间距的全球覆盖几乎是不可能实现的。此外，一个相当于Argo的全球XBT计划将导致大量的铜线成为废物而留在海洋中，还有大量的锌和塑料。即使为了实现部分全球覆盖，也需要大量的专用布放船时间，这可能会导致大量的二氧化碳排放。即使没有这些问题，XBT数据(无论是否测量了盐度)也不太可能具有足够的准确性和精确性用来做最先进的气候研究。后一种方法是使用最先进的仪器进行基于船舶的全球测量(如GO-SHIP计划)，这样可以比Argo更精确、更准确地观测海洋，测量的环境要素也要多得多。但是，在相当于Argo的空间/时间分辨率下，完成这项任务所需的船舶资源成本，以及相关的碳排放，将会令人望而却步。仅仅是船舶时间的年度财务负担，就要比多年Argo计划的成本高出许多倍。综上所述，目前还没有一种方法比Argo更经济、有效，以及对环境的破坏更小。由于Argo浮标主要由“机会船/志愿船”布放，布放浮标的边际财务成本和环境成本都相对较小。Argo对海洋环境的主要影响来自于沉入海底的死亡浮标中释放的外来物质，但这些污染物进入海洋的数量与自然和人为的产生量相比非常少。当然，在不远的将来，或许会有一个更便宜、更清洁的全球海洋观测系统，它不是来自Argo技术的改进，就是来自一些目前未知的新方法。为此，Argo将继续与浮标制造商通力合作，进一步减少其对海洋环境的影响。 2 O: _$ b! I' h7 s s. a H

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编辑：李凌骁  审核：朱奔宇  罗春香指导：万剑华教授 # k6 ^% b( N, @ B+ h " V+ Y }; ^) q- s $ ~6 }# ^) p! _: S# ^8 U" @7 ?