全球海洋观测系统（设计与发展、区域联盟、最新观测技术）分析与论述

陌羡尘 · 发表于其他海洋设备 2022-11-21 23:19:32

原标题：全球海洋观测系统（设计与发展、区域联盟、最新观测技术）分析与论述

近些年来，随着海洋与气候问题逐渐成为各国关注的战略主题之一，海洋的观测与国际合作也逐渐搬上日程，成为越来越紧迫的话题。本文报告就是对全球海洋观测系统进行了全面和系统的梳理，分别从“全球海洋观测系统”的设计与发展、区域联盟、最新观测技术三个主要方面进行详细的分析与论述。

文章仅供参考，观点不代表本机构立场。

一种基于加强区域，团体和新技术协作化的全球海洋观测系统（GOOS）

作者：学术plus评论员空海跨域君

自从2009年全球海洋观测大会OceanObs’09，全球海洋观测系统已经将传统焦点由海洋在全球气候中扮演的角色进一步优化。 全球海洋观测系统现如今也包含海洋业务应用和海洋生物生态环境，从海洋本身到有部分世界人口居住的沿海环境。开创了大部分跨地区、团体和技术的机遇，促进并提高了各个相关企业乃至所有得到利益的国家在全球海洋观测领域的参与度。

为满足新需求，全球海洋观测系统将会开发出一些新的系统网络。包括高频雷达，海洋滑翔机以及生物追踪设备，全球海洋酸化观测网络，国家海洋观测项目等。未来十年的重点包括：原位系统和遥感海洋观测平台、以及气象学和海洋学的全面综合方法。

1.全球海洋观测系统

全球海洋观测系统的发展：从2009年国际海洋观测大会OceanObs’09到2019年OceanObs’19阶段改变的来龙去脉

全球海洋观测系统的构建是基于弄清海洋在全球气候中所扮演的角色的需求。为响应第二届世界气候会议的号召， 政府间海洋学委员会（IOC）在1991年3月份创建了全球海洋观测系统。关于海洋观测系统对气候的研究的第一次国际会议于1999年10月在法国圣拉斐尔召开。

从1991年全球海洋观测系统的创立到2009年9月在威尼斯举行的第二届国际海洋观测大会(OceanObs’09)，我们在全球范围内观测海洋的能力取得了巨大的进步。例如，Argo全球剖面浮标阵列和测量海洋表面温度、海洋颜色、海洋表面地形和海洋表面矢量流的虚拟卫星星座群。尽管取得了这些成就，20世纪末，全球海洋观测系统的原位网络的启用仅实现了预期设计目标的60%左右，如图1所示。

图1 全球海洋观测系统原位网络实际安装启用vs预期设计

人们开始认识到全球海洋观测系统需要设法解决海洋在全球气候中所起作用之外的需求，2009年全球海洋观测大会OceanObs’09的一项重要建议是全球一体化和跨学科海洋观测的合作。

海洋观测架构将一种系统方法应用于可持续的全球海洋观测。它采用了基本海洋变量作为聚焦点，并定义了基于需求、观测、数据和信息为关键部分的系统。重要的是，它结合了沿海和公海的观测结果。对三个系统组成部分各自的可行性、能力和影响的评估是基于准备程度，即概念、试用和成熟。

它是基于全球海洋观测系统除文中叙述的最重要的天气和气候方面之外的衍生需求。在过去十年中，地区和全球海洋评估、渔业管理、生态系统服务和实时服务已经成为全球海洋观测系统的驱动力，如图2所示。

图2 海洋观测架构，未来十年的社会驱动力

全球海洋观测系统目前正寻求协调全球海洋周围的观测，以探讨三个关键主题:气候、应用服务和海洋生态系统健康。这为形成跨区域、跨团体和跨技术的新合作机遇开辟了领域，促进了全球海洋观测事业的更大参与。

全球海洋观测系统的管理需要改变以响应这些扩展的需求；为此设计出了一个三级分层布置的管理模式。设立了一个多国指导委员会用以提供监督(第一级)。成立科学专家组来指导系统需求。已经存在的结构被发展成创建基于学科的小组，为物理学、生物地理化学和生物学/生态系统(第二层)提供科学监督。

这些小组包括：海洋和海洋气象联合技术委员会(JCOMM)、观测协调小组(OCG)和全球海洋观测系统区域联盟(GRA)理事会。海洋和海洋气象联合技术委员会、观测协调小组和全球海洋观测系统区域联盟理事会的主席们也是全球海洋观测系统督导委员会的职权成员。有限周期的观测系统开发项目(称为全球海洋观测系统试点项目)也作为一种提高观测系统准备就绪的方法被引入。基于修改后的管理模式，全球海洋观测系统项目办公室负责促进三层之间的协作工作。

在这篇文章中，我们讨论了为满足全球海洋观测系统在气候、运营服务和海洋生态系统健康方面的扩展需求方面加强合作的进展。合作方式包括国家系统、区域联盟和全球网络、现场观测和遥感、海洋学和气象学多方面。

2.区域合作

全球化思考，地方化行动——全球海洋观测系统区域联盟之间合作的挑战与机遇

一、全球海洋观测系统区域联盟是谁？

全球海洋观测系统区域联盟的作用是确定，启用和开发持续的全球海洋观测系统海洋监测和服务，以满足地区和国家的优先事项，使全球海洋观测系统的全球目标与满足当地需求的服务和产品的需求保持一致。从历史上看，引入全球海洋观测系统区域联盟是一种将国家需求整合到区域系统中并在区域级和国家级提供全球海洋观测系统战略，结构和项目的收益的方法。第一个全球海洋观测系统区域联盟成立于1994年，最近的一次联盟成立是在2014年。目前已有13个全球海洋观测系统区域联盟，如图3所示。所有全球海洋观测系统区域联盟都专注于提供海洋观测信息。

图3 全球海洋观测系统区域联盟治理机构概要

每一个全球海洋观测系统区域联盟的负责人聚集在一起，组成全球海洋观测系统区域联盟理事会，该理事会选举一位主席，任期两年，可以连任二届。理事会还可以选举一名副主席来协助主席。全球海洋观测系统区域论坛每两年举行一次，在全球海洋观测系统项目办公室的支持下由主席组织举办。在论坛会议之间，会通过定期的电话会议来制定行动议程。全球海洋观测系统区域联盟理事会主席是全球海洋观测系统指导委员会的当然成员。

二、全球海洋观测系统区域联盟是如何管理的

全球海洋观测系统区域联盟的治理和资金存在很大的异质性。其中：

六个全球海洋观测系统区域联盟是在政府间海洋学委员会的小组委员会或相关的政府间组织之下成立的；

四个联盟是根据学术合作备忘录成立的；

一个是国际非营利协会；

两个是由国家政府资助的计划。

大多数全球海洋观测系统区域联盟只能通过临时项目获得资金。只有美国综合海洋观测系统（IOOS）和海洋综合观测系统（IMOS）才有项目预算，而欧洲全球海洋观测系统则有会员费基础。全球海洋观测系统区域联盟们的最新工作已认识到这种异质性，并采取了多方面的方法来增强跨区域、团体和技术的协作。

三、自2009年全球海洋观测大会OceanObs’09以来的全球海洋观测系统区域联盟积极性

自2009年全球海洋观测大会OceanObs’09以来，拥有更多资源的全球海洋观测系统区域联盟机构承担了全球海洋观测系统区域联盟委员会内更主要的领导责任。其中：

美国综合海洋观测系统当选为2012年和2013年的主席，2014年和2015年连任，同时综合海洋观测系统当选副主席。综合海洋观测系统当选为2016年和2017年的主席，欧洲全球海洋观测系统担任副主席。欧洲全球海洋观测系统当选为2018年和2019年主席，综合海洋—全球海洋观测系统担任副主席。

他们的目标是要创建一个论坛，在该论坛中，负责实施区域海洋观测系统的人们将有机会互相交流思想，计划最好的工程实施并加强紧密合作。

1、关于全球海洋观测系统区域联盟的评估

全球海洋观测系统区域联盟在2012年期间完成了自我评估。包括有关治理和管理的基本信息，正在设法解决的社会利益区域，正在运行的观测技术的类型以及数据管理等多方面。2013年，Fischer和Willis在第四届全球海洋观测系统区域论坛上对评估结果进行了总结和讨论，为确定优先事项以增强合作和建设能力提供了基础。

评估消除了全球海洋观测系统区域联盟仅支持全球海洋观测系统沿海部分的观点，强调了一些联盟已经发展为应对与沿海和远洋观测有关的多方面社会挑战。他们发现，联盟们积极参与新的网络，这与全球海洋观测系统新扩展的视野和使命相一致。五个全球海洋观测系统区域联盟正在运行高频雷达网络，七个正在运行海洋滑翔机，五个正在运行动物标记项目，六个正在运行海洋酸化（OA）网络。评估还强调了全球海洋观测系统区域联盟的运营建模能力。自2012年以来，评估中提供的信息已用于推进全球海洋观测系统区域联盟活动。

在全球海洋观测系统指导委员会的支持下（通过美国国家航空航天局NASA），对全球海洋观测系统区域联盟评估的所有详细输入进行了外部审查和分析（全球海洋观测系统，2015年）。审查报告已在2015年第七届全球海洋观测系统区域论坛上进行了汇报，其中包括针对全球海洋观测系统区域联盟理事会和全球海洋观测系统项目办公室的一些动作和建议。

2、绘制海洋观测资产

由评估结果催化，基于由各区域联盟提供的元数据和数据，组织建立了全球海洋观测资产详细清单。一个主要动机是鼓励按照全球海洋观测系统区域政策在整个全球海洋观测系统区域联盟中使用国际元数据和数据交换标准。资产地图囊括了大多数平台类型和大多数海洋区域。它会定期更新，并由欧洲海洋观测数据网络（EMODNet）进行维护。从2015年全球海洋观测系统区域论坛会议到2017年会议这两年时间内，资产地图上统计的平台数量增加了三倍。

3、海洋建模详细目录的发展

为了提升海洋观测的价值链方法，全球海洋观测系统区域联盟还编制了运作中的海洋建模活动详细清单。2018年欧洲全球海洋观测系统区域联盟利用基于因特网的地图绘制工具提供了每个模型的空间范围和参数输出（状态变量）的信息。各区域联盟可以在开发各自负责区域的新模型时更新此资源，从而为考虑使用此类模型的用户提供有用的指导。

4、全球海洋观测系统试点工程

全球海洋观测系统指导委员会已经确定了重点的、有限的终生发展项目（全球海洋观测系统试点项目），这是推动全球海洋观测系统发展的有效方法—既可用于重新设计成熟的观测系统，又可用于将观测系统扩展到新的领域。热带太平洋观测系统2020项目就是一个早期的例子。最初，全球海洋观测系统试点项目由指导委员会选择或通过专家小组制定。在2015年第七届全球海洋观测系统区域论坛上，有人提倡各区域联盟也应参与制定和提议全球海洋观测系统试点项目。

全球海洋观测系统区域联盟委员会认为这是一个特别重要的发展。由于各个联盟的显着异质性，确定能使所有联盟受益的优先事项是不可能的。对于具有不同能力水平的联盟小团体来说，围绕共同关心的问题走到一起合作似乎更为合理。全球海洋观测系统试点项目为此提供了一种机制。

在2015年末/2016年初，第一个全球海洋观测系统区域联盟试点项目应运而生。MON全球海洋观测系统和非洲全球海洋观测系统（在美国综合海洋观测系统和欧洲全球海洋观测系统的支持下）创立了地中海海平面变化和海啸（MESCAT）项目。其目标为：

一是建立覆盖地中海所有海岸的潮汐测量仪网络，二是在地中海进行海平面预测和影响相关研究，三是在北非国家发展操作和维护网络的能力。

四、总结和建议

尽管在过去的十年中取得了进步，但全球海洋观测系统区域联盟的治理和资金方面的显着差异性仍旧带来挑战。几个全球海洋观测系统区域联盟是在治理协议的基础上创立的，这些协议不容易允许添加新的合作伙伴。利益相关者的反馈表明，全球海洋观测系统需要在与其扩展的愿景和使命相关的海洋观测工作方面变得更加包容，并在促进扩展和成长方面更具创造力。对于生物基本海洋变量以及社会效益最高的大陆架和沿海海洋系统等方面，情况尤其如此。

应对这种挑战的机会确实存在。利用2018年6月在哥伦比亚举行的全球海洋观测系统指导委员会会议的优势，人们组织了一次全球海洋观测系统南美区域研讨会，以讨论该地区海洋监测的区域项目和国家战略。该研讨会被认为是一个历史性事件，聚集了来自南美各地的关键参与者和团体，他们对实现全球海洋观测系统的愿景和使命有着共同的兴趣，因此其计划与全球海洋观测系统的十年战略高度吻合。它强调了一个事实，即当前无法参与全球海洋观测系统区域联盟机构的某些区域内也具备很重要的能力。我们必须了解阻碍，并努力消除阻碍。

支持国家多国海洋观测工作和国家内部真实能力建设的资金短缺也是一个严峻的挑战。全球海洋观测系统区域联盟理事会表明，发展为解决区域优先事项和提升国家能力的项目是容许的，这些项目值得全球海洋观测系统指导委员会的认可。但是，如果没有为此类项目提供资金的机制，那么某些联盟对全球海洋观测系统愿景和使命的贡献将继续受到严重限制。

3.最新观测技术

全球海洋观测系统寻求就三个关键主题协调全球海洋观测：气候，应用服务和海洋生态系统健康。为了满足这些扩展的需求，显然需要新的观测结果和数据。对于生物海洋基本变量的测量以及将全球海洋观测系统从远海扩展到大陆架和沿海系统而言，尤其如此。

一、将新的观测技术和网络带入全球海洋观测系统

在这里，术语“网络”是指观测海洋的能力，既包括人员协作框架，也包括国家观测系统的观测技术和数据管理实践。它们不一定像Argo浮标或卫星虚拟星座那样具有全局设计。

在“全球”网络中，国家/地区计划使用共同的技术来回答常见的问题，并聚集在一起以共享，学习，形成能力并按照常用的数据标准开展工作，从而在需要时实现互操作性。

如“在全球范围内思考，在本地采取行动—在跨全球海洋观测系统区域联盟进行合作中的挑战和机遇”一节中所述，多个全球海洋观测系统区域联盟正在运行高频雷达网络，海洋滑翔机，动物标签计划和海洋酸化网络。全球海洋观测系统区域联盟委员会主张将这些网络正式纳入全球海洋观测系统。随着其他新技术的发展，它们将继续采用。

1、高频雷达

全球高频雷达网络旨在使整个地区的数据格式标准化，制定质量控制标准和高频雷达测量的新兴应用，并加速将表面流动测量吸收到海洋和生态系统模型中。参与海洋和海洋气象联合技术委员会观测协调小组对于促进这些目标非常重要。全球海洋观测系统区域联盟理事会已经提倡将高频雷达作为观测要素纳入全球海洋观测系统，并帮助推动制定网络规格表以供全球海洋观测系统指导委员会批准。但是，这还尚未实现。

2、海洋滑翔机

水下滑翔机和其他自主水面载具是独特而通用的观测平台。他们可以在关键数据稀疏地区进行持续自主的表面及以下海洋数据收集，这对其他观测平台来说是具有挑战性的。随着机构和国家级水下滑翔机操作的发展和成熟，人们已经意识到区域和国际合作的好处和机会。

从区域上讲，滑翔机运营商聚集在一起，形成了每个人的滑翔机观测站（EGO）和水下滑翔机用户组（UG2）等用户群，以共享最好的实际操作，提高操作可靠性和数据管理，并共同努力改善滑翔机监控，海洋观测及滑翔机平台的开发。从国际上讲，海洋滑翔机组是从上述组发展而来以实现此目的。海洋滑翔机组已成立任务小组，将国际滑翔机的工作重点放在边界水流，暴风雨，水域改造，极地地区和数据管理等优先领域。全球海洋观测系统区域联盟理事会已支持这些方面研究，同时海洋滑翔机组正在与海洋和海洋气象联合技术委员会观测协调小组沟通合作，使其作为一个新兴网络。不出意外地，鉴于它们具有收集各种规模的物理和生物地理化学测量值的能力，海洋滑翔机最终将成为全球海洋观测系统内的观测元素。

3、动物追踪

全球海洋观测系统生物学和生态系统专家组于2013年成立。截止到2018年，该专家组已为全球海洋观测系统定义了九种新的生物海洋基本变量。其中包括“鱼类丰度和分布”以及“海龟，鸟类，哺乳动物丰度和分布”。动物跟踪技术（声学和卫星技术）在全球范围内广泛使用，可以持续观测物种的分布和丰度。

海洋追踪网络（OTN）在全球五个大洋中提供了一种全球性的声学接收器基础设施。在加拿大政府的投资与国际伙伴关系和合作的配合下，海洋追踪网络已在全球部署了2,000多个声学跟踪站（接收器），并跟踪了130多种具有商业化，生态化和文化价值的水生物种。

卫星跟踪正在通过海洋哺乳动物探索海洋两极（MEOP）财团进行协调，该财团代表海洋哺乳动物探索海洋两极。海洋哺乳动物探索海洋两极项目汇集了几个国家计划，从而建立一个全面质量控制的海洋数据数据库，该数据库是在极地地区从人工海洋哺乳动物中获取的。自2004年以来，通过在海洋哺乳动物（如南部象海豹）上贴标签，在世界海洋中已收集了超过500,000个温度和盐度垂直剖面。这些数据是Argo收集的数据的补充，并且已经证明在其他观测数据稀疏缺失的海豹采样区域将温度剖面吸收到全球海洋预报模型中对区域温度和盐度的预测具有积极影响。

包括美国综合海洋观测系统，欧洲全球海洋观测系统和海洋综合观测系统在内的多个全球海洋观测系统区域联盟都在进行动物跟踪项目，并致力于支持国际动物跟踪数据标准化。现在，该团体正与海洋和海洋气象联合技术委员会观测协调小组合作， 成为一个名为“动物仪器”新兴网络。

4、全球海洋酸性观测网络（GOA-ON）

全球海洋酸性观测网络是一种国际合作方法，用于记录远海，沿海和河口环境中海洋酸性的状况和进展，了解海洋酸性对海洋生态系统的驱动力和影响，并提供必要的时空分解生物地理化学数据以优化海洋酸性的建模。

具有海洋酸性计划的全球海洋观测系统区域联盟通过全球海洋酸性观测网络和全球海洋酸性观测网络数据浏览器关注海洋酸性活动。数据浏览器提供对海洋酸化数据和数据合成产品的访问和可视化，这些酸化数据和数据合成产品是从全球范围内各种来源收集的，包括系泊设备，科研巡游船和固定时间序列站。

全球海洋酸化观测网络参加了2017年第八届全球海洋观测系统区域论坛。它正在开发“类似于全球海洋观测系统区域联盟”的区域网络，包括海洋酸性—非洲，北美枢纽，太平洋岛屿枢纽，北极枢纽，西太平洋和澳大利亚。此外，全球海洋酸性观测网络遵守全球海洋观测系统数据原则，并且其全球数据门户网站在美国综合海洋观测系统数据门户网站的基础上建立的。这为全球海洋观测系统区域联盟帮助全球海洋酸性观测网络建立其区域网络，以及全球海洋酸性观测网络帮助全球海洋观测系统区域联盟将非传统合作伙伴引入全球海洋观测系统企业提供了机遇。

5、其他网络

在沿海海洋监测中还开发了其他一些具有成本效益的仪器，例如“摆渡箱”系统和浅水Argo剖面浮标（含氧气和叶绿素a测量值）。为了进行环境评估，在沿海水域进行了大量的离线进行的化学和生物观测，大多数并未与海洋学界共享。现有的沿海观测网络需要进一步优化，并整合不同的监测团体。

关于基本海洋变量的全球协议的另一个好处是，为现有网络提供一个明确的焦点，使它们能够聚集在一起并整合其方法和途径以实现一个共同的目标。举一个例子，就是Lombard和Boss等人在《社区白皮书》中倡导“浮游生态系统全球一致化定量观测”。目前，浮游生态系统观测可通过离散水样、网状拖曳、连续浮游生物记录仪（CPR）和卫星海洋颜色等多种方式。从历史上看，这些方法之间的集成有限。如今，人们把关注点都聚焦到了基本海洋变量，这种情况提供了组合这些方法，获取更大价值的机会，尤其是在与生物地理化学和生态系统建模方法配合采用时。

二、协作观测，数据汇总及交换

令人振奋的是，海洋和海洋气象联合技术委员会观测协调小组已将高频雷达、海洋滑翔机和动物载具确定为新兴网络。这些网络渴望实现全球使命，海洋和海洋气象联合技术委员会观测协调小组可以在制定实现此目标所需的策略，流程和系统时提供建设性意见和严谨管理。

但是，海洋和海洋气象联合技术委员会观测协调小组活动的范围将受到限制，该活动目前涵盖了测量物理和生物地理化学等基本海洋变量的网络。例如，全球海洋观测系统中生物与生态系统专家组已指定了新的生物基本海洋变量，包括硬珊瑚、海草、大型藻类和红树林。这就很难看到如何通过海洋和海洋气象联合技术委员会观测协调小组更有效地完成对测量这些变量所需的全球网络的观测协调成果。

与此相关的是，渴望成为全球海洋观测系统一部分的新观测技术和网络必须发展具有鲁棒性和可持续性的数据汇总和交换机制。重要的是，高频雷达、海洋滑翔机和动物载仪器这些“新兴网络”都在致力于其团体内的数据标准化，应该得到大力鼓励和支持。

海洋和海洋气象联合技术委员会开放式接入全球电信系统（GTS）试点项目是一项令人兴奋的发展，它具有极大增强海洋数据汇总和交换的潜力。一方面，世界气象组织（WMO）全球电信系统的严谨性和鲁棒性为海洋学团体设定了标准。另一方面，目前海洋学团体的许多人发现很难将数据从全球电信系统输入和输出，这就限制了其广泛的用途。开放式接入全球电信系统试点项目旨在从全球电信系统检索新插入的数据，从世界气象组织代表气象数据格式的二进制通用格式（BUFR）对数据进行解码，将数据和元数据添加到数据库中，并可通过网络可访问的工具访问，具有可视化特点。

全球海洋观测系统的扩展涵盖了生物基本海洋变量、大陆架和沿海海洋系统，这在数据访问，汇总和交换方面提出了一些独特的挑战。海洋生物地理信息系统（OBIS）与全球海洋观测系统生物学与生态系统专家组共同合作应对这些挑战。海洋生物地理信息系统旨在为科学、保护和可持续发展提供有关海洋生物多样性的全球开放数据和信息交换所。

三、总结和建议

在未来十年中，应考虑并实现更多的物理-生物地理化学观测系统，如高频雷达、海洋滑翔机、动物标记和跟踪，“摆渡箱”和Argo浅水剖面浮标，并将其作为全球海洋观测系统中的观测要素。全球海洋观测系统应该促进各种系统之间的更好协调，例如全球海洋酸性观测网络和海洋生物多样性观测网络。观测协调和数据汇总/交换对于实现跨地区、团体和技术的新合作所提供的机会至关重要。

信息来源：学术plus

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