海洋科学是一门以观测为基础的学科,获取“精
来源:http://www.shuijingbing.cn  日期:2019-04-13

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  原题:如何才能获取“精准”海洋环境观测资料?

  作者:中国Argo实时资料中心

  如何才能获取“精准”海洋环境观测资料?

  海洋科学是一门以观测为基础的学科。这在学术界早已公认,且其学术思想和研究水平的提升都离不开观测及其数据的长期积累;而广宽海洋上大范围、准同步和深层次调查资料的匮乏,以强的松能助孕吗及观测数据质量的参差不齐,也一直是制约海洋科学发展,特别是海洋和天气/气候业务化预测预报水平提高的瓶颈。当今,人类为了应对和适应全球气候变化,对变幻莫测的海洋进行监测,提高认知并使之服务于社会的可持续发展,似乎比过去任何时候显得更加迫切。进入本世纪以来,特别是近十年里,国家财政对海洋调查研究的投入比过去数十年都要多得多的事实也充分表明了,我国海洋调查研究已经得到了国家的高度重视,而且收获的海洋调查资料和发表的科技论文也要比过去60年多得多,这些都应该是不争的事实。但调查资料的质量,特别是物理海洋环境资料的质量,是否随着观测仪器设备的更新换代而比过去有了显著提高?其答案或许会“令人失望”。

  不再是缺钱的问题。尽管国家投入了巨额的调查研究经费,看似获得了大量的海洋环境数据,但它们的真实性、可靠性却无法得到验证,或许是一批宝贵的科学资料,抑或又是一堆毫无价值的数字垃圾,也就起不到认知和预测海洋的作用,实现不了对海洋“看得清、查得明、报得准”的美好愿望。现在的海洋科学领域,几乎已经不缺“钱”和“物”,而是少了“人”的责任和担当,甚至是做人的良心。如今海洋调查研究获得了国家前所未有的重视,各类海洋“人才”辈出,国际上观测物理海洋环境的先进仪器设备及其调查基础设施也已一应俱全,涉及海洋调查和海洋观测资料的技术规范和管理条例,以及国务院及其行业主管部门单独或联合发布的配套政策措施更是面面俱到,但我国海洋观测资料的质量却未能同步得到提高,甚至反而有所下降,难道不值得各级涉海管理部门,特别是顶层设计者们深思!

  

  图1 SCI论文——评价科技人才的唯一标准

  依法治人、知人善用是根本。俗话说得好:事在人为。可有人做事勤勤恳恳,有人却胡作非为,更多的则在敷衍了事。这种社会怪像,也能在海洋领域大行其道,可见在海洋科学领域,强调依法治人、知人善用已经迫在眉睫。相信只要能充分发挥好“人”的积极因素,利用好先进的技术手段,就算已有的法规条例还不够齐全,配套的政策措施还不够完善,但实现海洋调查的基本目标,应该还是件容易做到的事。现时难就难在国家的利好政策措施看似一波又一波,但却少见真正落地的。人们看到的依然是,利用虚假的实验数据发表几篇SCI论文,就能成为“杰出人才”的典范;也看到利用真假难辨的观测数据发表几篇SCI论文,就是“高端人才”的榜样。而那些在海洋科研领域里长期从事科技基础性工作的技术支撑人员,他们有的常年在海上为获取现场海洋环境资料而默默奉献着青春,有的孜孜不倦地为提高海洋观测资料的质量在实验室夜以继日地辛劳。但这些处于科研一线的技术人员却只能是“低端人才”,甚至还享受不了人才的待遇。这也就道出了“精准”海洋环境观测资料为何越来越少的真正原因。更让人困惑的是,那些即使具有教授或研究员技术职称的科研人员,转身从事科技基础性工作,只要发表不了SCI论文,也就享受不了人才待遇;而那些连海洋学基本常识都缺乏的所谓“人才”,他们既是海洋调查规程的编制者,又是领域研究方向的设计者,还是重大项目的负责人,却没有按照规程开展海洋调查,甚至造成价值数十万、上百万调查仪器设备损坏或者丢失,也可以瞒天过海;调查资料存在严重质量问题可以移花接木,蒙混过关;牵头的项目照样能够顺利结题验收,甚至还能上报个省部级或者国家级奖项。照此折腾下去,仅存的?????????н???少数勤恳技术支撑人员,也将会被“赶尽杀绝”,精准海洋环境资料终将成为科研人员的“奢侈品”。可见,在海洋科学领域,重塑海洋法律法规的严肃性,抓紧落实相关政策措施,改进完善分配激励机制,切实提高技术支撑人员的待遇,已经到了刻不容缓的紧要关头。

  

  图2 配备玫瑰型采水器、颠倒温度表的船载CTD仪和实验室盐度计

  管理制度、配套设施不够健全是短板。如今我国海洋调查已从近海、河口走向深海大洋,调查仪器设备也已发生了质的变化,但海洋调查资料的质量,特别是针对深海大洋的基本物理海洋环境,即温、盐度和压力等3要素的观测精度,却始终不尽人意,还与我国长期以来海洋调查资料封锁,以及缺乏建立有效的观测数据质量控制制度有着密切的关系;再加上目前国内海洋调查活动涉及多部门多行业,包括自然资源部、科技部、中科院和教育部,以及交通和渔业部门等,由于缺少沟通协调机制,也缺乏全国性的海洋调查规划指导,使得一些海洋调查专项之间衔接不够,部分专项设计的调查内容与其他专项出现简单重复,调查资源浪费严重,巨大的海洋调查投入并没有收到预期的经济和社会效益。同时,还暴露出各自使用的调查仪器设备缺乏统一认证,观测资料的精度参差不一,甚至无法验证等问题。究其原因,发现一些专业调查船未能配备携带玫瑰型采水器的船载CTD仪,甚至没有安装固定的船载CTD仪,更没有配备实验室高精度盐度计等必需的比较测量设备,导致承担调查任务的单位还需自带CTD仪,也就无法按照《海洋调查规范》的规定,在利用CTD仪观测盐度时,每天至少选择一个比较均匀的水层,与利用实验室盐度计对海水样品的测量结果比对一次。也就是说,在我国以往历次海洋调查中,特别是针对深海大洋的环境调查,凡利用各类各型船载CTD仪观测的盐度剖面资料,由于缺乏“真值”验证,其观测资料的准确度始终是个未知数。

  此外,国内至今也还尚未建立海洋调查仪器设备准入制度。经国家技术监督局批准颁行的《海洋调查规范》,侧重质量管理和规范调查作业的要求,而对调查所使用的仪器设备却未做统一规定。与“规范”配套的工具书《海洋调查仪器使用手册》,所选择的仪器设备,已经远不能满足当前我国海洋调查的使用需求,也反映不了我国海洋调查仪器的现状和水平,更未建立新型海洋仪器设备“试验、示范、推广”的准入制度;而且对温、盐度观测准确度的标准偏低,最高的一级标准也仅为正负0.02。况且,针对资料延时质量控制的理解与国际海洋界也是大相径庭,采用的仅是国际上通用的实时质量控制标准;且举办的海洋资料质量控制培训班,也主要以台站观测为主。

  增强共识、明确目标是关键。国内对现场观测资料质量控制工作的漠视,可谓由来已久,最早可以追溯到CTD仪问世之时。原因是人们对先进海洋观测仪器设备的技术性能了解不够,都把实验室测量精度看作为现场观测精度或准确度;维护保养和操作使用又不到位,导致普遍存在观测数据真假难辨的现象。最重要的还是缺乏海上的比较观测工作,导致每个航次的观测精度无从知晓,各个航次之间更是无法相互比较,缺乏统一的衡量标准。当前常用的船载CTD仪和剖面浮标的主要技术指标,虽然完全可以满足在全球海洋中观测的要求,且其测量精度和测量分辨率也都非常高,但忽略了各种传感器还有一个测量初始精度的技术性能指标,随着时间的推移,这些传感器本身也会出现测量漂移或者偏移现象。对SBE 41/41CP而言,其温度、电导率/盐度和压力/深度的典型稳定度分别约为每年0.0002℃、0.001和0.8dbar。国际Argo计划对常规型剖面浮标提出的观测精度要求为:压力±2.0dbar、温度±0.005℃、盐度±0.01;而对深海型剖面浮标提出的观测精度则更高:压力±3.0dbar、温度±0.001℃和盐度±0.002。目前,国际上利用深海SOLO型浮标携带的SBE-61 CTD和船载CTD仪观测结果的比较发现,只有温度能够满足观测精度要求,其压力和盐度还尚未达到规定的目标精度。

  

  图3 精确度高/准确度低、精确度低/准确度高、精确度/准确度高

  实事求是地说,利用再高端、先进的海洋仪器设备,都无法取得海洋环境要素的真值,人们追求的“精准”海洋环境资料,无非是期望能更接近于“真值”罢了!因为,当前国际上用于测量海洋环境要素的各种电子传感器,由于受到制造原材料和生产工艺的影响,其技术性能还不可能做到长期稳定、可靠,且使用的环境又十分恶劣,再加上复杂多变的海洋状况,观测结果难免会出现这样那样的测量误差,更需要通过实验室检测标定、现场比较观测及其后续的数据质量控制,才能确保观测资料满足规定的测量误差或者准确度要求。这里所指的“精准”,也就是“精确度和准确度”的统称。其中,精确度表示多次测定结果互相接近的程度,通常用偏差来表示;而准确度则指分析和测量结果与“真值”之间的接近程度,通常用误差大小来表示。精确度高说明测量的重现性好,但它的结果未必准确;反之,准确度高说明测量的结果更接近真值,但其重现性却未必好。以打靶为例,若试射十发子弹集中落在6环与7环间的某一小区域内,但离靶心还有较远的距离,表明精确度高,而准确度低;反之,若十发子弹分散地落在9环附近,则表明准确度高,而精确度低。所以,对于一个理想的测量结果,既要求有好的精确度,又要有好的准确度。在实际测量过程中,通常会采用标准物质、标准方法或公认的仪器设备进行对照试验;在无标准物质或标准方法时,则可采用对观测仪器设备回收试验,从而来确定其测量结果的准确性。

  

  正视问题、对症下药是良方。影响CTD资料质量的因素有多种多样,但也不外乎如下几种:一是技术问题,主要由主板设计缺陷、能量衰竭和传感器自身缺陷等所致;二是通讯误码,大都由电缆、天线受损,以及电子干扰等产生;三是传感器漂移,通常由元器件老化、生物附着、海水腐蚀和油污染等原因所致;四是人为因素,如维护和操作不当、航次前后未正常送检、解码或计算有误、运输或布放时受到剧烈碰撞等;五是那些还没有发现的其他影响观测资料质量的偶发性因素等。据国际Argo指导组和国际Argo资料管理小组的长期跟踪,他们利用了34个Argo成员国近20年来在全球海洋中布放的约15000个自动剖面浮标,所反馈的同等数量CTD传感器的观测结果,经分析研究后发现:压力传感器的测量误差可以基本满足要求,但近期也发现部分超过规定标准的要求;而盐度观测结果由于受到的影响因素较多,如目前的电子传感器还不能直接测量海水盐度,只能通过测量的海水电导率经换算后间接获得,故会受到电导率及其温度和压力传感器测量误差的综合影响,其测量精度很不稳定。最近,国际Argo计划办公室官方网站就曾发布过一封致广大Argo用户的通告,告知在实时Argo数据流中发现盐度误差在持续增加。可见,尽管国际Argo组织对剖面浮标和电子传感器进入全球Argo海洋观测网,建立了严格的准入制度,但依然会存在这样那样的测量数海洋科学是一门以观测为基础的学科,获取“精据质量问题。

  已有的调查研究业已表明,无论在相同型号还是不同型号的CTD传感器之间,都会存在一定程度的系统误差。这种误差,对研究近海、河口的物理海洋学问题也许微不足道,但对研究深海大洋中的物理海洋学现象或者特征,则显得十分重要。而利用现场船载CTD仪或者高质量历史观测资料,对存在传感器测量误差的各种平台资料,进行质量评估及延时质量控制,是确保提供的温、盐度资料具有较高质量保证的最有效方法。但利用船载CTD仪进行深海大洋观测时,务必在航次前、后,按规定送权威部门进行必要的实验室标定;且船载CTD仪还应携带玫瑰型采水器和颠倒温度表,在航次期间进行抽样比较观测,特别是在船载CTD仪遇到故障、需临时调换备用CTD仪继续观测时,这种比较观测显得尤其重要;长期执行深海大洋调查的专业调查船,还应配备高精度实验室盐度计,方便调查人员比对、以掌握船载CTD仪观测数据的质量状况;提供比测的船载CTD仪温、盐度资料,除了正常的CTD探头下放时的观测剖面外,还需提供探头上升时的观测剖面,以便能对船载CTD仪与特定层次上利用颠倒温度计和实验室盐度计获得的温、盐度数据进行同步比较分析等。CTD仪现场比较测量虽是发现和校正观测误差的最佳途径,但如何确保船载CTD仪观测资料的高质量同样十分重要。首先,备用CTD仪在航次前期就应做比较观测,以了解每台CTD仪的性能,一旦航次中因遇CTD仪故障需要更换另一台CTD仪时,需预先了解两台CTD仪之间的系统测量误差;其次,应利用特定层次上由颠倒温度表测量的水温,以及利用携带的玫瑰型采水器采集的水样并由实验室盐度计测量的盐度,与CTD测量结果比较。倘若有两艘以上调查船在同一海区作业时,还可预先选择几个代表性测站作重复观测。因为在深海大洋的深处,海水的物理性质变化甚微,可利用这一特性,在某一海区预先选择2-3个具有代表性的长期比测站,要求不同航次、不同船只和不同类型的CTD仪都能在此进行对比观测,且CTD仪的施放深度尽可能做到越深越好,这无疑是一种既方便又经济的资料质量控制措施。

  

  图5 全球海洋上设置的调查船重复观测断面

  先进调查技术的应用离不开高素质的科研技术人员。即使有了高端、先进的仪器设备,离开了掌握它们技术性能、并能准确操作使用它们的技术支撑人员,同样出不了“合格”的产品。首先,人的主观能动性还需要法规条例的约束、政策措施的激励;前者需严在执行,而后者则重在落实;其次,为了尽可能确保各类海洋调查活动所获取的海洋环境资料不仅是可靠、可信的,而且更是“精准”的,需要广大涉海科研技术人员,特别是承担海洋调查研究项目的负责人或首席科学家,弘扬科学精神,加强自律意识,并能在如下几个方面做好相应的本职工作:

  严格按照《海洋调查规范》的要求,使用、操作海洋观测仪器设备,重视日常维护保养、海上现场比较观测和航次前后送检、标定等;

  严格把好海洋观测仪器设备采购关,无论是国产还是进口仪器设备,均需经过认证或者得到国内外公认,方可在常规海洋调查中使用;

  严格执行《海洋观测资料格式》和《海洋环境资料实时和延时质量控制技术规范》,对来自深海大洋的CTD传感器观测资料,按照《海洋调查规范》规定的温、盐度和压力测量准确度标准,确保海洋环境资料的高质量;

  主动响应并践行物理海洋环境数据交换共享,支持建立高质量物理海洋环境背景数据集;

  积极参与国际海洋合作调查计划,学习和掌握多平台联合组网观测及其数据质量控制的技术和方法等。

  高质量海洋环境资料的获取更离不开各级管理部门及其管理人员的保驾护航。在当今社会环境和科技体制下,仅靠科技人员的自律还是远远不够的,更需要涉海管理部门及其管理人员以身作则、率先垂范,铺路搭桥,积极主动地养精助孕就有什么药为海洋调查研究营造一个风清气正的科研工作环境,亟需重视并抓好如下几个方面的工作:

  建立海洋观测仪器设备准入制度,对引进的国外仪器设备能纳入《海洋仪器设备研制质量管理规范》和《规范化海上试验管理办法》的范畴,严把招标采购关口;规定国内专业海洋调查船必须配备船载CTD仪和高精度实验室盐度计,并由调查船实验部门专人负责操作;

  修改《海洋调查规范》,提高温、盐度和压力测量准确度的级别标准;明确规定布放自动剖面浮标、水下滑翔机和浮、潜标时,务必采用船载CTD仪进行一次全水深剖面观测,并利用高精度实验室盐度计对海水样品进行现场盐度测定,其比较观测资料须在航次结束后的一周内提交指定的接收单位;

  修改、完善《海洋观测资料格式》;编制针对各类观测平台携带CTD传感器观测的温、盐度和压力等海洋环境资料的实时和延时质量控制技术规范;

  制定出台《海洋数据共享管理条例》,对海洋环境数据,特别是深海大洋环境观测数据,要求严格按照国务院《科学数据管理办法》所规定的“科学数据应当按照开放为常态、不开放为例外的原则”,面向社会和相关部门开放共享;

  统一规定在全球主要深海大洋区域各选择1-2个代表性“标准测站”,要求国内海洋调查船在这些海区利用船载CTD仪进行断面或大面观测时,必须在“标准测站”上进行至少一次全水深CTD剖面测量,并利用高精度实验室盐度计对海水样品进行现场盐度测定,其比较观测资料须在“标准测站”上观测后的一周内提交给指定的接收单位;

  明确指定现场比较观测资料的接收单位,并规定需在接收比测资料的一周内,经过气候态检验和历史比对等质量控制程序后,迅速将检验或验证结论反馈资料提供单位,提出比较分人工辅|助受孕析的意见和建议等,供资料汇交单位参考;并由国内指定的海上比较观测资料接收单位负责制作全球海洋,特别是各海区“标准测站”上的CTD参考数据集,无条件提供国内海洋调查单位或项目使用,以确保海上观测资料的质量;

  积极参与国际GO-SHIP计划,争取在太平洋和印度洋选择并承担1-2条断面进行冬、夏两季的CTD重复观测,以便共享全球海洋船基水文观测项目提供的高质量物理海洋和生物地球化学要素资料,以及GTSPP、GLODAP、CCHDO、SOCONET、SOCAT等参考数据集,并为国内制作全球海洋,特别是各海区“标准测站”上的CTD参考数据集,提供高质量海洋环境资料源;

  积极创造机会,支持科学家参与国际海洋合作调查计划;

  成立海洋调查联盟,统筹协调全国海洋调查活动等。

  全面提升我国海洋调查资料质量时不我待。只要我国海洋主管部门及其管理人员与科研技术人员同心协力,并能高度重视深海大洋调查中暴露的调查计划各自为政、调查资源条块分割、观测资料互不共享所带来的资源浪费严重等问题,特别是作为海洋科学研究的基本物理海洋环境要素资料的质量低下及其数据质量控制工作的长期漠视,甚至有法不依、有法难依、有规不循的管理乱象,并能采取行之有效的解决方案,全面提升我国海洋调查资料的质量依然指日可待,有望进一步提高我国海洋科学研究的整体水平。

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