科技动态▏美国斥巨资拓展BGC-Argo观测网，监测全球海洋健康状况
2020年10月29日和30日，美国《科学》杂志、加州大学圣地亚哥分校和华盛顿大学等网站，以及11月16日的联合国教科文组织政府间海洋学委员会官网等，都在转载报道一则重磅消息，美国国家科学基金会（NFS）向五家美国科研机构拨款5300万美元（折合人民币约3.5亿元），用于生产500个BGC-Argo浮标，并将于未来五年内布放在全球海洋中，使得现有的Argo观测网达到其全球海洋生物地球化学采样目标（1000个）的50%。华盛顿大学海洋学教授Stephen Riser对此评论称，这是美国国家科学基金会在海洋科学领域的又一笔大投入，将使得我们能够创建和部署一个海洋观测系统。该系统将持续运行数十年，并将提高我们对海洋碳循环的认知，就像核心Argo计划帮助我们理解海洋环流的物理特性一样。全球海洋观测系统(GOOS)观测协调小组主席David Legler称赞道，这对海洋界来说是一个非常令人兴奋的发展。伴随着Argo计划的成功所诞生的全球海洋生物地球化学（BGC）观测，将会对海洋生物变化带来深刻的新认识。
科考队员在南大洋海域布放BGC-Argo浮标（图片来源于SOCCOM计划）
一、美国为未来海洋观测投资5300万美元
2020年10月29日，美国国家科学基金会(NSF)批准了一笔5300万美元的拨款，资助一个由美国顶级海洋研究机构组成的联合体，以建立一个监测海洋健康的全球化学和生物传感器网络。该项目的全名为“全球海洋生物地球化学”(简称“GO-BGC”)。
这项为期五年（2021-2025年）的工作涉及的研究机构有：蒙特雷湾水族馆研究所(MBARI)、加州大学圣地亚哥分校斯克里普斯海洋学研究所（SIO）、华盛顿大学(UW)、伍兹霍尔海洋研究所(WHOI)和普林斯顿大学(PU)。其中MBARI将负责协调该项目，改进传感器，牵头处理来自浮标的数据，并为该项目进行推广等；SIO、UW和WHOI将与商业伙伴合作制造和布放BGC-Argo浮标等；SIO还会在项目实施期间协调浮标的全球布放任务；PU的研究人员将会参与GO-BGC观测子网的设计和项目管理，并确保数据与全球海洋和气候计算机模型相关联。该计划也将对海洋技术行业产生重大影响，包括一些海洋传感器和剖面浮标的商业供应商。
一个广泛的公共推广计划，包括讲习班、基于网络的课程和实践活动，将会帮助科学家、教师、学生和其他人员使用这些观测数据。在对SOCCOM Adopt-A-Float计划的扩展中，浮标将会从小学到大学的一些班级和课堂上演示。学生活动还将通过与国家海洋先进技术教育计划的伙伴关系展开。此外，基于GO-BGC技术的课程将通过斯克里普斯海洋研究所的创客空间“沙盒”(The Sandbox)提供。
这项投资标志着国际Argo计划已经进入一个崭新的历史阶段。核心Argo任务始于2000年，主要用于测量和描绘海洋温、盐度分布。20年后，Argo已经拥有了近4000个浮标，在我们的气候和天气预报中扮演着越来越重要的角色。
全球海洋活跃Argo浮标数量及其分布
二、全球海洋生物地球化学阵列
(GO-BGC观测子网)
这个新的剖面浮标观测网被称为全球海洋生物地球化学阵列(简称“GO-BGC观测子网”)，也将是国际BGC-Argo观测网的重要组成部分。该观测网收集的从海面至2000米深度之间的海洋化学和生物环境要素数据，将会提供首张全球海洋化学和生物环境要素分布图。来自GO-BGC观测子网的数据流将在收集后的一天内免费提供给世界各地的众多研究人员、教育工作者和政策制定者使用。这些数据将成为人类关注海洋健康全球视野的基础，使科学家能够研究海洋生态系统的基本问题，观察生态系统的健康和生产力，有能力监测海洋每个季节中碳、氧、氮和生物量的生物地球化学循环，改进气候和海洋渔业数值模型，预测海洋变暖和海洋酸化对海洋生物的影响。斯克里普斯海洋研究所的物理海洋学家、GO-BGC项目联合首席研究员Lynne Talley说，全球海洋生物地球化观测子网将是革命性的，并将使得我们观测海洋的方式发生根本改变。
尽管科学家可以利用绕地球轨道运行的平台（如卫星）和科考船监测海洋，但卫星只能监测海洋的表面水域，而且全球规模较小的远洋科考船队也只能在海上停留相对较短的时间。因此，在任何给定的时间里，海洋健康观测只覆盖了海洋的一小部分，在未来几十年或更长的时间里，巨大的海洋区域仍有待观测。
单个自动剖面浮标的花费相当于一艘研究船在海上航行两天的费用。但是浮标可以在所有季节，包括冬季风暴期间，全天候自动收集海洋环境要素观测数据。正常情况下，一个浮标的连续运行时间可以超过五年；而利用调查船观测则会受到诸多因素的限制。
三、GO-BGC项目顺利获批的重要基础
这个新的监测计划(GO-BGC观测子网)是美国国家科学基金会对生物地球化学-Argo(BGC-Argo)项目的重要贡献。它有望将生物和化学观测扩展到全球海洋，这与正在使用自动剖面浮标监测海洋的另外两个项目的成功实施是密不可分的。
第一个项目是全球Argo实时海洋观测网。该观测网目前已经由约4000个自动剖面浮标组成，这些剖面浮标漂浮在全球深海盆中，收集并提供水体的温度和电导率/盐度信息。自从1999年在斯克里普斯海洋研究所启动以来，该项目已经发展到包括来自全球26个国家参与的国际合作计划，其观测数据已被广泛应用于海洋和气候等科学领域的基础研究中。据不完全统计，各国科学家利用Argo数据在国际学术刊物上公开发表的科学论文已经超过4100篇。作为第一个全球次表层海洋观测系统，Argo观测网在测量海洋的物理特性方面取得了令人难以置信的成就，但当时的Argo浮标还不能提供有关海洋化学和海洋生物要素变化的重要信息。
第二个项目是2014年启动的南大洋碳和气候观测与建模(SOCCOM)。该项目布放了一大批基于Argo设计的“生物地球化学”剖面浮标，且携带了可以监测海洋化学和生物特性的传感器。斯克里普斯海洋研究所的科学家、SOCCOM项目的联合首席研究员Talley，担任观测小组组长并负责浮标布放。这些浮标是由华盛顿大学和姆巴里大学制造的，斯克里普斯海洋研究所的科学家们在布放期间提供船只支持。到目前为止，由SOCCOM布放的浮标已经在遥远的、多雨的、经常被冰覆盖的南大洋上工作了近6年，这里可以说是地球上最恶劣的海洋环境区域了。这些剖面浮标已经提供了许多关于南大洋如何与地球大气和冬季海冰相互作用的新的重要信息。
华盛顿大学的BGC-Argo浮标装配实验室
四、GO-BGC浮标观测的环境要素
与解决的科学问题
与SOCCOM浮标类似，新的GO-BGC浮标除了核心Argo传感器，如温度、压力/深度和电导率/盐度传感器外，还将携带包括测量氧气浓度、pH值(海洋酸度)、硝酸盐(微藻类的基本养分)、光照(藻类生长所需)、叶绿素(藻类数量的指标)和水中粒子(包括微藻类)的传感器。在过去几年里，研究人员一直在测试、改进和校准这些敏感的传感器，作为SOCCOM计划和其他国际合作项目的一部分。
BGC-Argo任务使用的三种主要型号浮标
这些浮标上的仪器将允许研究人员监测海洋的健康状况，包括浮游植物(利用阳光作为能量来源的浮游藻类和微生物)的生长和呼吸作用，以及控制这些过程的营养和光照。除了维持海洋中包括商业渔业等大部分生物外，浮游植物还为海洋和大气提供氧气并清除二氧化碳。这些微小的浮游生物通过控制二氧化碳对我们的气候产生了巨大的影响。新的浮标还将提供海洋长期变化的第一手数据，包括海洋酸化和低氧区扩大等。
同样，涉及海洋对人为碳吸收、生物泵和NCP可变性、海洋中层呼吸作用和颗粒输出等方面的碳循环问题，以及海洋脱氧/脱氮、海洋酸化可变性、碳酸盐饱和状态变化影响、海洋资源管理、减少海洋碳收支估计误差和海洋水色确认/校验等，这些不仅仅是研究人员、也可能是管理人员所关心的科学问题，也都可以通过新增的6个BGC传感器（溶解氧、硝酸盐、pH、叶绿素、悬浮颗粒和下行辐照度）收集的数据和信息，直接或者间接用于研究和管理中。如观测的溶解氧和硝酸盐数据，在研究海洋对人为碳吸收、海洋酸化可变性、碳酸盐饱和状态变化影响和减少海洋碳收支估计误差问题时，就需要引入一个校正函数，才能找到它们之间的相关性。当然，在针对诸如海洋资源管理、生物泵和NCP可变性等研究中，这些观测数据也就可以直接应用了。
到目前为止，世界上绝大多数海洋中的生物地球化学数据还都没有收集到。MBARI的海洋化学家、该项目的首席研究员Ken Johnson说，GO-BGC将改变我们观察和理解化学和生物循环的能力，这些化学和生物循环是海洋食物链的基础。这些观测将确定目前海洋生态系统中光合作用产生、呼吸作用和营养供应的基线速率，并将提醒我们未来可能发生的变化。
五、Argo观测网：迎接“联合国海洋科学促进可持续发展十年”挑战
美国国家科学基金会在5年内投资5300万美元，这是一个巨大的进步，希望能激励其他国家并能利用这一发展势头，进一步开发他们的BGC Argo产品。为了支持国际Argo协调基础设施，以及帮助沟通这一扩展的成果，摩纳哥将于2021年成立BGC Argo联络点，并已得到摩纳哥勘探协会的资助，该联络点将成为世界气象组织（WMO）― 联合国教科文组织政府间海洋学委员会（IOC）联合海洋研究中心海洋气象学现场观测项目支持团队（OceanOPS，早期称“JCOMMOPS”，译者注）的一部分。
由联合国教育、科学及文化组织（UNESCO）协调的全球海洋观测系统(GOOS)的扩展，使之涵盖了更多与气候和海洋健康相关的观测，这对未来围绕蓝色经济和海洋资源可持续管理的信息服务至关重要。所以，在观测系统平台上的其他项目，只要是为支持海洋数据扩展到化学和生物领域的，都有望成为联合国海洋科学促进可持续发展十年（2021-2030年）实施计划的一部分。
值得欣慰的是，经过10年的国际合作和技术改进，Argo观测网已经能够实现即将到来的“联合国海洋科学促进可持续发展十年”所需的科学跨越。其中14个国家（美国、法国、印度、意大利、挪威、英国、中国、加拿大、德国、日本、芬兰、波兰、澳大利亚、保加利亚）已经通过几个区域试点项目的实施有力地支持了BGC Argo任务的展开。在这些国家中，美国的贡献（175个）已经占了全球BGC-Argo试验观测网中活跃浮标总量（377个）的46%。
全球海洋BGC-Argo浮标数量及其分布（统计至2020年10月底）
六、结束语
《科学》杂志以“美国资助建立一个探索海洋生物地球化学的新观测网”为题，对GO-BGC项目及其GO-BGC观测子网做了详尽介绍，并扼要地总结道：美国国家科学基金会本周（2020年10月29日，译者注）宣布，将在未来5年斥资5300万美元购买500个配备生物地球化学传感器的自动剖面浮标，并布放在全球海洋中。这是国际Argo观测网的首次重大扩充。该观测网由4000个剖面浮标组成，过去近15年（20年，译者注）里一直在跟踪上升的海洋温度和正在变化的盐度。海洋中的浮游植物为地球提供了一半以上的氧气，同时通过吸收人类燃烧化石燃料释放的约25%二氧化碳，减缓了气候变化。但是，这种状态是否会随着气候变暖而改变，人们却知之甚少。这些浮标已经在南大洋进行了近10年的测试，并可下潜到2000米深度上，将有助于填补人们对海洋现状及其未来演变的认知空白。
希望美国国家科学基金会的这一举动能激励其他国家积极参与其中，贡献更多类似的浮标，作为新的全球生物地球化学Argo任务的一部分，使之能早日建成一个由1000个浮标组成的长期、持续的BGC-Argo观测网，共同为实现“联合国海洋科学促进可持续发展十年”提出的“构建我们所需要的科学，打造我们所希望的海洋”愿景而做出新的贡献。
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END
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