“中国制造”投入北极科考

来源:环球杂志 作者:申铖 时间:2018-10-05
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第九次北极科考和往年一个重大的不同就在于,大量国产设备被投入到一线科考活动中。无论是无人冰站、水下滑翔机,还是冰下温盐剖面仪和海雾观测仪器,这些国产设备的出现,有效提升了中国北极科考的能力。

《环球》杂志记者/申铖(发自“雪龙”号)

在中国的极地科考中,越来越多“中国制造”正闪亮登场。在中国第九次北极科考中,科考队成功布放的无人冰站系统、水下滑翔机、冰下温盐剖面仪等,均是其中的“佼佼者”。


无人冰站系统

2012年4月,英国气象局的报告显示,自1900年以来,全球气温升高了0.75℃,而北极地区的增暖幅度是全球平均幅度的2~3倍,是地球上气候演变最剧烈的地区。在北极地区变暖的过程中,海冰融化是气候变化的重要体现,同时也反过来影响北极地区气候本身。

中国科考队在对北极海冰进行科学研究时,之前所采用的观测设备基本全部依靠进口,且设备中能满足冬季观测需求的非常有限,同时缺乏集成度高、观测要素全的多功能成套观测系统。在国内科学家与工程技术人员共同努力下,国产无人冰站系统研制成功。

“这套无人冰站系统是自然资源部牵头几所国内高校共同自主研发的。设计团队充分考虑到北极地区特殊的恶劣环境和有限的布放保障支持,提出了由A、B两型样机共4个子系统组成兼顾观测能力与可靠性的无人冰站系统方案,这些在国际上还没有先例。”中国极地研究中心专家雷瑞波说。

据科考队队员袁卓立介绍,此套无人冰站系统的A型样机为海洋运动剖面子系统,侧重于观测上层海洋季节变化及其对海冰生消的影响,能实现冰下120米剖面上温/盐/深/叶绿素/溶解氧等要素的长期无人值守观测;B型样机包括大气边界层观测子系统、海冰观测子系统和上层海洋子系统,侧重于观测天气过程对海冰和上层海洋的影响,观测的要素包含气温/气压/湿度/风等海冰大气边界层要素、海冰厚度/温度剖面/光辐射通量等海冰物理要素、冰下30米固定层位的温/盐/深/叶绿素/溶解氧要素等。

此外,这套无人冰站系统还包含了多项自主研发的核心技术,如海冰内部光辐射长期观测技术、冰面风速观测防冻雨技术和冰下拖曳剖面长期观测技术等。这些技术除了应用在无人冰站系统上之外,对国内其他相关设备的研发也具有一定的技术推动作用。

“无人冰站项目启动于2016年,随后陆续完成了总体方案设计、关键技术研发、样机实验室集成调试和野外现场试验等环节。此次在北极布放的试验样机计划在北极持续工作1年以上。由于这是我们的首套样机,考虑到北极恶劣的环境,我们将总结相关技术和布放经验,对试验样机技术指标进一步优化。”袁卓立说。


水下滑翔机

9月10日,中国第九次北极科考队在白令海公海区成功回收了正在执行观测任务的“海翼”号水下滑翔机,这是中国首次利用自主研发的水下滑翔机进行北极科考。

白令海是太平洋和北冰洋物质能量交换的唯一海上通道,其环境变化可直接影响北冰洋入流水的性质,进而影响北极海洋环境。因此,白令海一直是中国北极科考的重点调查区域。

“该滑翔机是在本航次开始北上途中布放的,成功进行了45天的观测,航行500海里,获取229个温盐剖面,成功实现白令海海盆和陆坡区连续、高密度观测。这在我国极地科考中尚属首次,标志着我国具备了在极区海洋采用无人平台开展自主长期业务化监测的能力。”科考队首席科学家助理、自然资源部第一海洋研究所研究员陈红霞说。

他表示,中国第1至8次北极科考均在白令海海域开展了断面重复调查。本航次则首次利用水下滑翔机进行观测,可以节约大量宝贵的船时和人力物力,实现的观测范围更大、效率更高。

水下滑翔机是一种新型水下机器人,其在航行过程中通过调整净浮力和姿态角而获得推进力,具有能源消耗小、续航力强、实时性好的优点。尤其在环境恶劣的极区,滑翔机的应用可有效提高极地环境空间和时间测量密度。

据介绍,此次使用的“海翼”号水下滑翔机由中国科学院某自动化研究所自主研发,主要用于观测调查海域的水文环境,获取从表层到千米深度的温盐剖面数据。水下滑翔机的惯性导航系统可以使其沿设定轨迹进行全自动精准观测,其垂向运行轨迹类似“V”字,即下沉到海面以下1000米后再上升至海表,在海表通过卫星将相关观测数据传输回国内,之后继续下沉重复该过程,完成一个“V”字型剖面的过程需要4至5小时。

陈红霞表示,本航次滑翔机数据已通过卫星实时传回国内,相关部门对数据进行初步处理后,反馈良好。该数据可为开展白令海海盆和陆坡区动力环境空间分布特征及其变化规律研究提供宝贵的资料。

“同时,通过利用我国自主研发水下无人机进行北极海域断面调查,可实现断面调查的自动化和智能化,提升传统断面调查方式的效率和经济性。”陈红霞说。


北极上层海洋监测利器

“近年来,北极环境发生着快速变化,如北极气温持续升高、北极海冰面积减少、淡水输入和储量增加、中层海水增温等。北极海洋最显著的变化主要发生在上层,而上层海洋直接与海冰和大气接触,其变化与海冰减退及气候变异直接相关,是冰-海-气相互作用的重要组成部分。”陈红霞说,在北极快速变化持续加速的背景下,监测上层海洋环境变化的需求变得迫切。

8月18日,由自然资源部自主研发的冰下温盐剖面仪,在本航次长期冰站作业期间实现成功布放。

此次科考队布放的冰下温盐剖面仪通过“爬杆”的方式,获取冰下200米水文剖面,并利用卫星通讯技术实现冰下上层海洋水文环境长期连续观测数据的实时传输。

鉴于北极恶劣的调查环境和冰情条件,冰下海洋环境观测,尤其是冬季的观测非常困难。陈红霞说:“冰下温盐剖面仪以冰面为平台,能够有效避免恶劣环境干扰,实现长期、连续、稳定观测。它的成功布放,标志着我国冰下上层海洋观测迈上新台阶。”

除了冰下温盐剖面仪之外,中国自主研发的海雾辐射观测仪器也在中国第九次北极科考中首次“亮相”。

该仪器全名叫“海雾能见度剖面仪”,由中国海洋大学科技人员研发,可以对海雾的物理和辐射特性进行观测。在此次北极科考中,共释放了40个海雾能见度剖面仪。

科考队队员、中国海洋大学副教授李涛说,海雾如同一层“薄纱”,影响着到达海面或者冰面的太阳入射辐射能,从源头上改变了上层海洋或海冰可以吸收的热量,进而对海冰的消融产生一定的影响。“通过释放该仪器,可以观测到海雾对太阳辐射吸收的情况,为研究北极上层海洋热力学过程及其与海冰的相互作用提供数据基础。”

李涛表示,该仪器在应用领域也有着一定的价值。由于海雾对船舶航行的干扰和影响比较大,若能进一步研究揭示海雾辐射和能见度之间的关系,那么就可以通过该仪器获得的数据推算出观测区域的能见度,从而为船舶航行路线规划提供支撑。

第九次北极科考和往年的一个重大不同就在于,大量国产设备被投入到一线科考活动中。“它们的出现,有效提升了我国北极科考的能力。”科考队领队朱建钢表示。

“这些国产化设备填补了国内技术领域的空白,改变了我国北极科考设备大量被外国产品垄断的历史,且与国外同类产品相比,它们在性能上也毫不逊色。”科考队首席科学家魏泽勋说。

来源:2018年10月3日出版的《环球》杂志 第20期

本文链接:http://www.globalview.cn/html/societies/info_27422.html

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责任编辑:北平

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