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中国造无人冰站首次在北极“上岗” 将解决啥难题?

    发布时间:2018-08-29 08:25:00

  中国第九次北极科考冰上作业结束

  “中国造”无人冰站首次在北极“上岗”

 

  科考队员正在布放无人冰站 摄影/本报记者 李岩

  随着最后一个短期冰站作业结束,8月25日,自然资源部组织的中国第九次北极科考(以下简称“九北”)冰上作业宣告顺利完成,这也意味着雪龙船将正式调转船头开始南行驶离冰区。科考队领队朱建钢称:“‘九北’到达的最北端位于北纬84°48′,此行冰上作业基本完成了预先计划的任务目标。”

  从8月11日第一个短期冰站算起,历时15天、跨越5个纬度,“九北”共开展9个短期冰站和一个长期冰站作业。科考队首席科学家魏泽勋告诉北京青年报记者,虽然在完成冰站作业后将开始返航,可是回程中还有很多其他调查工作,任务繁重。另外,冰上作业这15天里,常规断面调查同时也是交错进行的,“在温度低、紫外线强、风大这样的恶劣条件下,队员们在极地冰区完成了海冰物理、冰面气象、水文、光学、生物、化学等学科的多个作业项目。”

  “和以往的北极科考相比,‘九北’冰上作业涉及的学科和种类没有太大差别。”但科考队首席科学家助理雷瑞波总结称,这次冰上作业的一个显著特点是加强了无人值守观测系统的布放,包括3套自动气象站、2套无人冰站、3个海洋剖面浮标、24个海冰物质平衡浮标、15套海冰漂移浮标等。“此次布放的无人观测系统的数量创下历次北极科考之最,并且其中大部分(约占80%)均为我国自主研发或集成。”雷瑞波说,这些将为研究北极地区气、海、冰的相互作用过程及其对北极生态系统和海洋环境的影响提供有力支撑。

  值得一提的是,在大量自主研发的系统中,首次成功布放的无人冰站观测系统是当之无愧的明星产品。雷瑞波称,该系统由4个子系统组成,通过对大气、海冰、海水三个层面的连续观测,可获取完整的海冰生长消融过程中气-海-冰相互作用的数据,“这对研究三者相互作用的机理至关重要,获得的数据还可用来优化海冰模式的参数化方案等。”

  释疑

  自研无人冰站将解决什么难题?

  22日,无人冰站观测系统(无人冰站)布放完成。科考队首席科学家助理雷瑞波告诉北青报记者,这是“九北”行程中布放的第二套无人冰站,“目前两套系统均运行正常,这意味着我国自主研发的无人冰站在北极首次布放成功。”

  四套子系统组成“无人冰站”

  “无人冰站”是指无人值守、可长期在冰上运行的观测系统,其采集的数据通过卫星自动传回国内。

  北青报记者了解到,这套观测系统依托国家重点研发计划,由自然资源部下属的中国极地研究中心牵头,自然资源部第一海洋研究所、中国气象科学研究院、中国海洋大学等单位共同参与研发。

  这套系统分别由大气边界层观测子系统(气象塔)、海冰观测子系统(主浮标)、上层海洋固定层位观测子系统(副浮标)和拖曳式海洋剖面观测子系统四个子系统组成,计划使用一年以上。

  无人冰站安装完成后,冰面上除了高达5米的气象塔格外显眼,其余几个冰上浮标则十分“低调”。这些浮标连接着很多缆线和探测仪,布放成功后便被“埋藏”在冰面之下。

  雷瑞波解释称,气象塔观测的是大气和海冰之间的界面通量;主浮标所观测的是积雪和海冰的一些参数,以了解它们的生长、消融过程;上层海洋固定层位观测子系统主要是观测冰下固定30米水深的海水温度、盐度等;拖曳式海洋剖面观测仪通过缆线收放可在水中上下运动,每天获取两个剖面的海水温度、盐度等数据,其最大下潜深度为120米。

  为什么要单独设计固定层位的副浮标?雷瑞波说,副浮标不需要运动,其采样频率便可以设计得高一些,比如一个小时一次,“因为续航电量的限制,以同样的标准去要求运动式观测仪器显然不现实,其被设计为一天运动两次,采样频率要低很多。”

  可以获取一整个周期的数据

  通过上述系统,可以实现对大气、海冰、海水三个层面的连续观测,以获取一个完整的海冰生长消融过程中气-海-冰相互作用的数据。

  “实际上,针对气-海-冰三个层面的综合观测正是这套系统最核心的创新之处。”雷瑞波说,这是我国首次在北极成功布放该系统,从全球来看也是类似系统的首次布放。

  北青报记者了解到,我国历次北极科考都选在夏天进行,冬季观测数据很难获取,这相当于对海冰生消过程的观测缺失了一环。“以往布放的一些进口浮标也可以工作到冬天,因此冬天的数据我们并非一点都没有,但观测的参数比较单一,获取数据的丰富程度远远不够。通过自主研发的这套系统,大气、海冰、上层海洋三个层面中各个通量的参数基本都囊括其中。”雷瑞波解释,这套系统的设计初衷就是为了获取全面、连续的观测数据,以弥补以前缺失的一环。

  “如果没有浮冰断裂、北极熊破坏等不可抗拒因素,布放的两套系统预期可以运行一年以上,那么就可以成功获取一整个周期的数据。”雷瑞波说,虽然一两个布放站点的数据难以被直接用来做数值模式预测,但已经足够去展现一整年中大气、海洋、阳光对于海冰的影响机理。

  还不具备设立有人冰站条件

  相对于无人冰站,美俄等少数国家也在北极进行过有人值守冰站的尝试。

  “所谓‘有人冰站’,就像我们的短期冰站作业一样,可以满足几十位队员同时进行作业。有人冰站会持续好几个月甚至一年,其能进行的观测项目肯定要比无人冰站丰富得多。”雷瑞波称,一般来讲,有人冰站有两种实现形式,“一种是以科考船自身作为平台在北极地区长期值守,可以形象地表述为把船冻在冰里。队员每天作业结束后就回到船里休息、生活。此外,冬季里北冰洋海冰可以满足起降固定翼飞机的条件,那么另一种模式下队员会在冰上建造简易住房,由固定翼飞机定期来运送人员和补给物资。”

  不过,不论哪一种模式,有人值守的冰站成本都会比无人的高很多。雷瑞波告诉北青报记者,有人冰站虽好,但有条件进行有人冰站项目的国家还很少,“我们目前在北极还没有条件去做有人冰站主要有两个原因,一个是我们目前在北极科考上的投入确实还没有那么多。另外一个原因是,我们目前只拥有一艘具备破冰能力的科考船——雪龙船。除了北极科考,雪龙船还要承担南极科考,因此要想让雪龙船在北极地区长期停留用作科考平台并不现实。”

来源:北京青年报  编辑:朱贵涛

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