扩大机器人浮标舰队，助力全球海洋动态研究

Chris Palmer

doi:10.1016/j.eng.2023.01.001

工程（英文） ›› 2023, Vol. 22 ›› Issue (3) : 10 -13. DOI: 10.1016/j.eng.2023.01.001

扩大机器人浮标舰队，助力全球海洋动态研究

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Expanding Fleet of Autonomous Floating Robots Targets Deeper Understanding of Global Ocean Dynamics

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海洋学家将于2023年部署数百个配备成套定制传感器的自由漂流机器人浮标，它们将对海洋的多种生物地球化学（BGC）特征，包括pH值、氧气、硝酸盐和叶绿素水平等进行测量。该项目名为BGC-Argo，主要借鉴国际Argo计划的成功经验；在过去的20年中，国际Argo计划通过部署数以千计的圆柱形自主机器人浮标，成功地对地球海洋的温度和盐度进行了追踪（图1）。在更先进深水技术以及BGC-Argo机器人浮标的加持下，该计划研究人员与合作者将目光投向更复杂、更重要的问题，即寻求与海洋生产力、碳循环、酸化以及生态系统变化有关问题的解决方案[1]。

图1 法国研究船 Pourquoi Pas 号在巴利阿里海部署Argo浮标。来源：Argo计划（公共领域）。

地球上一半以上的氧气由海洋产生[2]，海洋也将人类对气候的影响降至最低。根据科学家们的估测，人类活动所释放的二氧化碳约有四分之一被海洋吸收[3]。此外，随着全球变暖，有一大部分额外的热量被海洋截留，而这也进一步加速了海洋的扩张以及海平面的上升。尽管海洋容积达到近14亿 km³，面积约占地球表面积的71%，但技术以及后勤挑战限制了人们对海洋动态以及关键数据的探索，而这些数据可以更好地帮助人们了解地球气候和天气模式，缓解全球变暖的趋势[4]。

“我们需要了解海洋的动态。”来自美国加利福尼亚州蒙特雷湾水族馆研究所（MBARI）的高级科学家Ken Johnson负责对一些BGC-Argo传感器的开发进行监督，他说，“海洋占据了地球表面的四分之三，但令人尴尬的是我们对它却知之甚少。”

为了解决这个问题和收集海洋上层的地球物理状态的信息，几家美国研究机构于1999年发起了Argo计划，这些机构包括斯克里普斯海洋学研究所（SIO，位于美国加利福尼亚州圣地亚哥）、伍兹霍尔海洋研究所（WHOI，位于美国马萨诸塞州伍兹霍尔）以及华盛顿大学（位于美国华盛顿州西雅图）。截至目前，该计划包括34个国家成员，在全球部署了约4000个浮标，用于对整个水柱上层2000 m的水域进行测量。

Argo浮标被许多科学家视为自50年前卫星出现以来气候观测系统的最大飞跃[5]，它是20年来Argo计划众多工程科技持续进展的结晶[6]。这些科技进展包括使浮标外壳明显缩小和变轻的材料；寿命延长六倍的电池；可将向卫星转发数据所需的时间从12 h缩短到20 min的高速双向通信设备，且该设备允许操作人员对任务参数进行修改；利用温度数据防止浮标在北冰洋撞到水面上的冰的算法；以及对Argo数据管理的升级，包括更高质量的元数据。

2022年5月，为表彰其通过工程技术创新实现“大规模自主海洋学观测”，Argo计划获得了美国电气与电子工程师协会企业创新奖[7]。部分科研人员也因从事与该计划发展和实施有关的工作而获得表彰认可，包括SIO气候科学教授Dean Roemmich [8]和WHOI高级科学家Susan Wijffels [9]，二人分别获得2007年美国气象学会斯维尔德鲁普金质奖章（2007 Sverdrup Gold Medal）和2023年亨利·斯托梅尔研究奖（2003 Henry Tommel Research Medal）；还包括美国国家海洋和大气管理局（NOAA）国家综合与持续海洋观测办公室副主任Steve Piotrowicz（他于2018年去世同年获得奖章），以及NOAA海洋学家Molly Baringer、Claudia Schmid和Gregory Johnson（NOAA管理员奖）[10]。Piotrowicz还获得了美国国家科学院颁发的2018年亚历山大·阿加西斯勋章（2018 Alexander Agassiz Medal），以表彰他在海洋学领域的贡献以及在Argo计划制定过程中的领导作用[11]。

标准的Argo浮标会在1000 m的目标深度处停留并随洋流进行漂移。每隔十天，高2 m的浮标会下降至2000 m深度，并在上升到表面的同时进行温度与盐度的垂直剖面（图2）数据收集。WHOI高级科学家Steven Jayne表示：“电池是我们的限制因素，所以我们每十天循环一次，以延长仪器的使用周期。但即使在有无限能量供应的前提下，传感器性能也会随着时间的推移而退化——十天为最佳运作周期。”

图2 标准的Argo“停留-剖面”任务图示。前九天这些浮标会在1000 m的深度处漂流。第十天，它们会下降到2000 m深度，并在上升到表面的同时收集温度和盐度的垂直剖面数据。浮出水面后，浮标的位置由全球定位系统确定，浮标通过卫星将其数据传送到全球各地的中心。随后浮标返回到其目标深度，如此循环往复。来源：WHOI（公共领域）。

浮出水面后，全球定位系统会对浮标的位置进行确定，浮标通过第二代铱星系统的轨道网络将数据传送到全球各地的中心[1]。然后，浮标返回到其目标深度，这样的循环往复会在其大约五年的寿命中重复进行。任务操作人员偶尔会向浮标发出信号，更改其任务——将周期切换到5天、选择更高分辨率的数据收集计划——以便在热带气旋等极端天气事件中捕获更多信息[12]。

相较于以往船舶或浮标收集数据的方法，Argo浮标机器人网络实现了巨大飞跃。使用传统数据收集方法通过研究船进行2000 m 深度的温度和盐度剖面测量可能需要数个小时，更换测量地点则可能需要几天时间，因此无法在全球进行覆盖。“没有人愿意常年坐在海洋中央一遍又一遍地进行测量工作。”Ken Johnson说道，“但是机器人浮标处于漂浮状态，它们不在乎这些。他们可在圣诞节期间取样，可在飓风期间取样，可在新冠疫情期间人们撤离船只时取样。”

虽然在地球轨道上运行的成像卫星可以观察到海洋表面的每一处，但大多数卫星只能观察到几米深处的情况，而能穿透海洋表面几十米的卫星数量更是凤毛麟角[1]。因此卫星数据会经常与Argo数据一起分析。MBARI化学传感器组研究专家Mariana Bif表示：“浮标显然无法达到卫星的空间覆盖范围。我们会同时使用这两种手段——卫星用于水平覆盖，浮标用于垂直覆盖。”

每年全球的Argo浮标舰队会向全世界的研究人员和天气预报员免费提供10万个温度和盐度剖面数据。Ken Johnson表示，这些测量结果迄今为止已经助力了5000多篇学术文章以及250篇博士论文的发表，它们是全球海洋观测系统的主要组成部分，全球海洋观测系统是一个由联合国教育、科学及文化组织政府间海洋学委员会管理的全球监测系统。

Argo计划的知名成果包括：与历史数据相比，高盐地区的盐度明显增加，而低盐地区的盐度则呈现减少趋势[13]；在过去几十年里，2000 m深度以上的海洋上层水域捕获了大约90%的海洋热含量，这些热量均为人为变化引起的[14]。Jayne表示，Argo计划的重要贡献之一是对海洋的扩张程度进行了解，同时了解海洋扩张对海平面热量吸收和释放能力的影响。作为核心计划的延伸，深海Argo项目的目标是对该过程进行进一步了解。在未来几年中，这一新项目将在距离海面6000 m深度处部署数百个浮标机器人。“二氧化碳水平增加而产生的一些额外热量被截留在Argo核心测量位置以下，”Ken Johnson道，“为了对这些额外热量进行测量就需要到深处去。”

深海Argo浮标采用玻璃球体设计（图3），可以承受来自海洋深处的巨大压力。考虑到在6000 m以下深度的压力会增加，对盐度传感器也进行了重新设计。

图3 深海Argo浮标可测量海洋6000 m深处的温度和盐度，该浮标采用球形玻璃外壳的新设计，可以承受来自海洋更深处的巨大压力。来源：MRV Systems（公共领域）。

Argo计划的另一项主要扩展计划为BGC浮标的部署。自2014年以来，该计划通过南大洋碳和气候观测与建模（SOCOM）计划以及全球海洋生物地球化学计划已经部署了超过450个配备单个或多个BGC传感器的浮标，上述两个计划由美国国家科学基金会（NSF）资助。最新部署的浮标配备的传感器数量多达8个，用于温度、盐度、pH值、氧气、硝酸盐、阳光（下行辐照度）、叶绿素（海洋植物生命的指标）和悬浮颗粒（包括大型藻类和细菌）的测量[15]。科学家们希望利用这些最先进的BGC浮标对海洋失去氧气的过程及原因进行了解，同时更好地了解通过光合作用产生有机碳以及将这些碳传送至深海的过程。

虽然BGC浮标的骨架与圆柱形Argo核心浮标相同，但BGC传感器本身复杂而新颖，因为现成的传感器并不适用。“大多数化学仪器都需要溶液，而浮标中不能添加溶液，这也限制了可用的传感器类型。”Bif说道。

“比方说硝酸盐传感器，大家会认为它是一个仅用于测量硝酸盐的仪器。”Ken Johnson道，“但它实际上是一个将多个传感器的数据进行整合的设备，因为硝酸盐对光的吸收取决于压力、温度和盐度。氧气亦是如此；传感器运作也取决于压力、温度和盐度。想要获得测量结果，你需要综合考虑所有因素。”

新传感器的植入也是一项挑战。Argo核心浮标上的温度和盐度传感器占据了该设备顶部的五分之一，其余部分用于放置控制器、电池、卫星发射器以及泵与囊袋等部件，泵与囊袋用于控制浮标达到指定深度。对于BGC浮标，工程师们则需要想办法在圆柱形外壳内的少量空余空间内植入额外的传感器，有时甚至需要将传感器装在圆柱形外壳外（图4）。此外，由于传感器读数之间的联系错综复杂，且不同浮标在设计上存在差异，所以传感器彼此之间的确切距离都被记录在每个浮标的元数据中。

图4 研究人员设计的BGC浮标（左），采用与Argo核心浮标（右）相同的骨架，配备相同的温度与盐度传感器，并配备了一系列传感器对pH值、氧气、硝酸盐、阳光、叶绿素和悬浮颗粒进行测量。来源：SOCOM（公共领域）。

传感器的校准也是一项重大挑战。“从某种程度上讲，Argo计划最困难的部分是我们部署了这些仪器之后就再也无法看到它们了。”Jayne说道，“很多化学传感器需要偶尔进行校准。如果传感器拿不回来，我们就永远无法对其进行检查校准。因此，我们选用的传感器的功能需要保持长期稳定。”

尽管如此，传感器失准也是一个严重的问题。“传感器设计并不完美，会产生漂移误差。”Ken Johnson说，“我们正在对微弱信号进行寻找，没有人会想基于传感器数据偏差来写一篇关于海洋丢失氧气的论文。”

在氧气测量方面，当浮标上升至水面时，会把传感器伸到空中，测量大气中的氧气水平来进行重新校准。此外，研究人员会利用从船舶和卫星上收集的数据来对浮标数据进行校准。他们还会利用机器学习技术来对各浮标内传感器的读数进行对比，并将读数与历史数据和其他数据源进行比较，鉴别可能失去校准的浮标，并对数据进行偏移校正[16‒17]。

截至2022年11月，全球有469个浮标在运行，而这些浮标至少配备一个BGC传感器。虽然这些浮标中只有22个配备全套传感器，但在未来五年内NSF将资助建造和部署500个配备全套BGC传感器的浮标，占据计划中1000个国际浮标阵列的一半。包括中国在内的其他十几个欧亚国家已承诺承担BGC-Argo探测舰队的剩余部署工作。各个国家通力合作并将计划稳步推进本身也是一个挑战。“建立并维护国际伙伴关系需要持续的努力。”Ken Johnson道，“在读研究生时没人教你如何进行国际谈判，但这其实是这项工作中一个很重要的组成部分。”

Jayne表示，Argo计划的管理者认为，在理想情况下，由3000个核心浮标、1000个深层浮标以及1200个BGC浮标组成的全球浮标舰队将能够覆盖足够的空间进行全球海洋动态追踪。Jayne说：“关于如何建立一个One Argo观测网来进行海洋的全面覆盖，目前已经有很多想法。但现在没有资金来对这些想法进行落实。”

每个自动浮标的寿命约为四至六年，所以该计划必须每年部署新的浮标以保持数量稳定。一个核心浮标的成本约为30 000美元，深海Argo浮标约为83 000美元，而BGC浮标因配备了全套更为复杂的传感器，其成本高达100 000美元，Johnson说。

在过去几年中，现有BGC浮标阵列产生的数据已经贡献了300多篇研究论文，这些论文涉及多个主题[18]，包括浮游植物每年捕获的大气碳量[19]以及全球缺氧区的确定[20]。BGC浮标在异常天气事件中捕获的数据也可以帮助研究人员对极端天气事件的影响进行评估，如2018年台风Trami对浮游生物生长的影响[21]以及海洋热浪对太平洋地区海洋混合的影响[22]。

虽然BGC传感器的增加象征着Argo计划任务的重大升级，但是项目科学家和工程师仍希望可以研发出更多的传感器，从而对碱度（可以更好地了解海洋的无机碳库）、湍流（可以更多地了解海洋混合方式）、浮游生物以及其他微生物的DNA（可以更好地了解物种分布的时空动态特点）进行测量。“我们一直在寻找改进浮标的方法。” Jayne说，“如果我们能使现有浮标的使用寿命延长，执行更多探测任务，那么Argo计划可能将不再需要更多的资金用来维持甚至增强现有浮标的功能。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

[1]	Zorpette G. 4,000 robots roam the oceans, climate in their crosshairs [Internet]. New York City: IEEE Spectrum; 2022 Jun 17 [cited 2022 Dec 1]. Available from: https://spectrum.ieee.org/ocean-engineering-robots-climate.

[2]	How much oxygen comes from the ocean [Internet]. Silver Spring: National Oceanic and Atmospheric Administration; 2021 Feb 21 [cited 2022 Dec 1]. Available from: https://education.nationalgeographic.org/resource/why-ocean-matters.

[3]	Friedlingstein P, O’Sullivan M, Jones MW, Andrew RM, Hauck J, Olsen A, et al. Global carbon budget 2020. Earth Syst Sci Data 2020;12(4):3269‒340.

[4]	Levin LA, Bett BJ, Gates AR, Heimbach P, Howe BM, Janssen F, et al. Global observing needs in the deep ocean. Front Mar Sci 2019;6:241.

[5]	Destin DCS. The Argo revolution [Internet]. Silver Spring: NOAA; 2014 Dec 5 [cited 2022 Dec 19]. Available from: https://www.climate.gov/news-features/features/argo-revolution.

[6]	Technological innovations [Internet]. San Diego: Argo Program Office; [cited 2022 Dec 19]. Available from: https://argo.‍ucsd.‍edu/how-do-floats-work/technological-innovations.

[7]	International Argo Program wins IEEE Award [Internet]. Silver Spring: NOAA; 2022 May 6 [cited 2022 Dec 19]. Available from: https://www.aoml.noaa.gov/news/international-argo-program-wins-ieee-award.

[8]	AMS awards the Sverdrup Gold Medal Award to Dean Roemmich [Internet]. San Diego: Argo Program Office; 2007 Nov 8 [cited 2022 Dec 19]. Available from: https://argo.‍ucsd.‍edu/ams-awards-the-sverdrup-gold-medal-award-to-dean-roemmich/.

[9]	Susan Wijffels receives the 2023 Henry Stommel Research Medal [Internet]. San Diego: Argo Program Office; [cited 2022 Dec 19]. Available from: https://argo.‍ucsd.‍edu/susan-wijffels-receives-the-2023-henry-stommel-research-medal/.

[10]

2018 NOAA Administrator’s Award given to Steve Piotrowicz, BaringerMolly, Claudia Schmid and Gregory Johnson [Internet]. San Diego: Argo Program Office; [cited 2022 Dec 19]. Available from: https://argo.‍ucsd.‍edu/2018-noaa-administrators-award-given-to-steve-piotrowicz-molly-baringer-claudia-schmid-and-gregory-johnson/.

[11]	National Academy of Science awards Scripps oceanographer for scientific leadership [Internet]. Stuart: Ocean News; 2018 Jan 17 [cited 2022 Dec 19]. Available from: https://www.oceannews.com/news/science-technology/national-academy-of-sciences-awards-scripps-oceanographer.

[12]

Poulain PM, Turton J, Le Reste S, Andre X. Exploiting two-way satellite telemetry to optimize Argo float sampling. Plouzané: Euro-Argo ERIC; 2017 Dec 7 [cited 2022 Dec 9]. Available from: https://www.euro-argo.eu/Activities/Data-Use-and-Applications/Scientific-Results/Marginal-Seas/Exploiting-two-way-satellite-telemetry-to-optimize-Argo-float-sampling-2015.

[13]	Durack PJ, Wijffels SE, Matear RJ. Ocean salinities reveal strong global water cycle intensification during 1950 to 2000. Science 2012;336(6080):455‒8.

[14]	Levitus S, Antonov JI, Boyer TP, Baranova OK, Garcia HE, Locarnini RA, et al. World ocean heat content and thermosteric sea level change (0‒2000 m), 1955‒2010. Geophys Res Lett 2012;39(10):L10603.

[15]	Devitt E. Robot revolution: a new real-time accounting system for ocean carbon [Internet]. Menlo Park: Mongabay; 2022 Apr 18 [cited 2022 Dec 1]. Available from: https://news.‍mongabay.‍com/2022/04/robot-revolution-a-new-real-time-accounting-system-for-ocean-carbon/.

[16]

Raju TS, Udaya Bhaskar TVS, Pavan Kumar J, Deepthi KS. Detecting and correcting the degradations of sensors on Argo floats using artificial neural networks. In: Satapathy S, Bhateja V, Raju K, Janakiramaiah B, editors. Computer communication, networking and internet security: proceedings of IC3T 2016. Singapore: Springer; 2017. p. 299‒308.

[17]	Wong APS, Wijffels SE, Riser SC, Pouliquen S, Hosoda S, Roemmich D, et al. Argo data 1999‒2019: two million temperature-salinity profiles and subsurface velocity observations from a global array of profiling floats. Front Mar Sci 2020;7:700.

[18]	Biogeochemical Argo peer review articles [Internet]. San Diego: Biogeochemical Argo; [cited 2022 Dec 1]. Available from: https://biogeochemical-argo.org/peer-review-articles.php.

[19]	Johnson KS, Bif MB. Constraint on net primary productivity of the global ocean by Argo oxygen measurements. Nat Geosci 2021;14(10):769‒74.

[20]	Grégoire M, Garcon V, Garcia H, Breitburg D, Isensee K, Oschlies A, et al. A global ocean oxygen database and atlas for assessing and predicting deoxygenation and ocean health in the open and coastal ocean. Front Mar Sci 2021;8:724913.

[21]	Chai F, Wang Y, Xing X, Yan Y, Xue H, Wells M, et al. A limited effect of sub-tropical typhoons on phytoplankton dynamics. Biogeosciences 2021;18(3):849‒59.

[22]	Scannell HA, Johnson GC, Thompson L, Lyman JM, Riser SC. Subsurface evolution and persistence of marine heatwaves in the northeast pacific. Geophys Res Lett 2020;47(23):e2020GL090548.