文章轉(zhuǎn)自《中國自然資源報(bào)》

 

北京時(shí)間4月2日13時(shí)，中國第36次南極科學(xué)考察隊(duì)在南大洋“魔鬼西風(fēng)帶”搶抓時(shí)間窗口，成功布放了1套可回收西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標(biāo)和2套“藍(lán)海星”漂流式海氣界面浮標(biāo)，標(biāo)志著我國在西風(fēng)帶海域環(huán)境觀測能力達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

據(jù)悉，西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標(biāo)和“藍(lán)海星”漂流式海氣界面浮標(biāo)均由自然資源部所屬的國家海洋技術(shù)中心自主創(chuàng)新研制，是突破極限海況并可以長期穩(wěn)定運(yùn)行的新型浮標(biāo)，旨在解決我國在南大洋西風(fēng)帶海域?qū)崟r(shí)觀測數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏的現(xiàn)狀，是南大洋“大圓環(huán)”計(jì)劃的重要組成部分。

 

時(shí)間窗口只有2小時(shí)

 

“這次布放浮標(biāo)，最大的不確定性就是天氣窗口期。”國家海洋技術(shù)中心工程師李虎林是此次南極考察隊(duì)員，也是西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標(biāo)布放的現(xiàn)場負(fù)責(zé)人，“西風(fēng)帶浮標(biāo)的組裝調(diào)試在2月中旬已經(jīng)完成。南極自3月份以來，天氣狀況每況愈下。待‘雪龍2’號(hào)船到達(dá)浮標(biāo)布放區(qū)域時(shí)，海況是36次考察隊(duì)幾次穿越西風(fēng)帶中最差的一次，平均風(fēng)浪4米左右。”

南半球西風(fēng)帶環(huán)繞在南緯40度至60度，是緊鄰南極大陸的低壓區(qū)，常年盛行五六級(jí)西風(fēng)，帶來四五米高的浪涌，是進(jìn)入南極必經(jīng)的一道“鬼門關(guān)”。西風(fēng)帶氣旋活動(dòng)十分頻繁，平均兩三天就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)，強(qiáng)氣旋來臨時(shí)，可造成西風(fēng)帶內(nèi)狂風(fēng)暴雨和高達(dá)十幾米的巨浪。

根據(jù)“雪龍2”號(hào)船氣象預(yù)報(bào)員預(yù)報(bào)，當(dāng)?shù)貢r(shí)間4月2日14時(shí)（北京時(shí)間11時(shí)），風(fēng)浪較小。只是，這個(gè)窗口期十分短暫——只有2個(gè)小時(shí)。

“極地科考有其特殊性，錯(cuò)過了就要等一年。如果這一次浮標(biāo)放不下去，我們只能帶著遺憾，接受這個(gè)現(xiàn)實(shí)。”李虎林說，“可是，大家從春節(jié)前出發(fā)到現(xiàn)在漂泊了70多天，誰也不想帶著遺憾回去。”

于是，在咆哮西風(fēng)帶最后的2個(gè)小時(shí)“黃金窗口”內(nèi)，考察隊(duì)員和“雪龍2”號(hào)全體船員通力協(xié)作，各司其職，順繩子，排錨鏈，綁傳感器，測試釋放器……最終，考察隊(duì)員在2個(gè)小時(shí)內(nèi)，成功布放了1套西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標(biāo)和2套“藍(lán)海星”漂流式海氣界面浮標(biāo)。這也標(biāo)志著本次西風(fēng)帶海洋浮標(biāo)觀測任務(wù)順利完成。

據(jù)介紹，2019年1月，國家海洋技術(shù)中心在西風(fēng)帶布放了首套新型浮標(biāo)。2020年1月27日在西風(fēng)帶布放感應(yīng)耦合式表面漂流浮標(biāo)和海氣界面漂流浮標(biāo)。每一次布放，都可謂是“極限挑戰(zhàn)”。

此次浮標(biāo)布放成功，將與此前布放的浮標(biāo)實(shí)現(xiàn)初步組網(wǎng)，形成南大洋“大圓環(huán)”觀測能力。未來，西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標(biāo)和“藍(lán)海星”漂流式海氣界面浮標(biāo)將作為主要裝備，以固定與移動(dòng)、點(diǎn)面結(jié)合的方式進(jìn)一步推動(dòng)南大洋“大圓環(huán)”觀測計(jì)劃，為極地科考業(yè)務(wù)、海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、海氣相互作用和氣候變化研究及應(yīng)對(duì)提供高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)支撐。

 

新浮標(biāo)，“中國造”

 

西風(fēng)帶海域的惡劣海況不僅會(huì)損毀浮標(biāo)結(jié)構(gòu)、供電設(shè)備和觀測設(shè)備，還會(huì)因浮標(biāo)系統(tǒng)長期處于交變載荷的狀態(tài)，直接影響數(shù)據(jù)采集控制系統(tǒng)和浮標(biāo)結(jié)構(gòu)的使用壽命。

國家海洋技術(shù)中心科研人員在保證浮標(biāo)具備良好觀測功能的前提下，對(duì)浮標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在技術(shù)中心動(dòng)力環(huán)境實(shí)驗(yàn)室、環(huán)境檢測與可靠性實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量試驗(yàn)，驗(yàn)證其系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，保證西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標(biāo)具有良好的工作性能。

西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標(biāo)為解決我國在南極西風(fēng)帶海域?qū)崟r(shí)觀測數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺乏的現(xiàn)狀，在2019年首次布放成功的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，重點(diǎn)突破了浮標(biāo)的環(huán)境適應(yīng)性和可回收技術(shù)，大幅提升了浮標(biāo)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了海表面的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、濕度、長短波輻射以及水溫、鹽度、海流等海洋氣象水文參數(shù)的連續(xù)觀測能力，填補(bǔ)了我國錨系浮標(biāo)在南大洋熱通量觀測的空白，進(jìn)一步推進(jìn)了南大洋“大圓環(huán)”計(jì)劃，為建立新的大洋環(huán)流模型、評(píng)估極地水團(tuán)對(duì)全球環(huán)境影響提供基礎(chǔ)資料。

“藍(lán)海星”漂流式海氣界面浮標(biāo)是國家海洋技術(shù)中心基于“低成本、網(wǎng)格化、全球化”的海氣界面觀測新理念，創(chuàng)新研制的小型化、輕質(zhì)化、免維護(hù)的漂流觀測系統(tǒng)，突破了小型類單柱體漂流平臺(tái)結(jié)構(gòu)可靠性、姿態(tài)穩(wěn)定性技術(shù)和多模塊高度集成與多能互補(bǔ)供電技術(shù)，革新了海氣界面關(guān)鍵要素的低成本測量方式。該浮標(biāo)主要對(duì)海表面3米高度的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、相對(duì)濕度等氣象參數(shù)和海表面溫度、鹽度、波浪以及拉格朗日流進(jìn)行漂流觀測。

截至目前，“藍(lán)海星”漂流式海氣界面浮標(biāo)在多個(gè)調(diào)查航次和觀測計(jì)劃中成功應(yīng)用數(shù)十套，先后開展了與國際標(biāo)準(zhǔn)錨系浮標(biāo)的現(xiàn)場比測、國際首次中尺度渦組網(wǎng)、超級(jí)臺(tái)風(fēng)環(huán)境應(yīng)用和南極西風(fēng)帶斷面組網(wǎng)應(yīng)用，觀測數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠、達(dá)到國際先進(jìn)水平，儀器裝備運(yùn)行穩(wěn)定，基本具備了全球海域業(yè)務(wù)化觀測能力。

此前在西風(fēng)帶布放的感應(yīng)耦合式表面漂流浮標(biāo)，也是由國家海洋技術(shù)中心研制，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，其掛載的感應(yīng)耦合式溫鹽深測量儀是國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃安全保障專項(xiàng)支持的成果之一，每間隔1小時(shí)向岸站發(fā)送實(shí)時(shí)測量的溫度、鹽度、深度數(shù)據(jù)。在此次出征西風(fēng)帶之前，科研人員做了充分準(zhǔn)備，不僅進(jìn)行了50攝氏度至零下50攝氏度的寬溫度范圍實(shí)驗(yàn)，而且充分考慮到海上惡劣環(huán)境，嚴(yán)格按照國標(biāo)進(jìn)行了沖擊、振動(dòng)、傾斜、搖擺及電磁兼容實(shí)驗(yàn)，均達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

 

布放西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標(biāo)

 

布放“藍(lán)海星”漂流式海氣界面浮標(biāo)

 

助力南大洋“大圓環(huán)”計(jì)劃 

 

“國際上在南極有一個(gè)南大洋觀測系統(tǒng)計(jì)劃，但目前這個(gè)計(jì)劃比較碎片化，缺乏有效的頂層設(shè)計(jì)。這也是我們提出南大洋‘大圓環(huán)’計(jì)劃的原因之一。”2019年1月1日，中國科學(xué)院院士、自然資源部第二海洋研究所研究員陳大可作為中國第35次南極考察隊(duì)船基首席科學(xué)家，現(xiàn)場指揮考察隊(duì)員完成了西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標(biāo)布放作業(yè)。

據(jù)介紹，投放西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標(biāo)能夠獲取該海域水文、氣象等基本環(huán)境信息，采集海洋環(huán)境變化實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。這樣的基礎(chǔ)性研究需要長期積累數(shù)據(jù)才能得出規(guī)律性結(jié)論。而該計(jì)劃正是將環(huán)繞西風(fēng)帶布放同樣類型浮標(biāo)，形成南大洋“大圓環(huán)”。

環(huán)繞南極大陸的南大洋是連通太平洋、大西洋和印度洋的遼闊海域，也是世界上最大的低溫水體，同時(shí)因缺乏陸地阻隔形成了西風(fēng)帶。南大洋通過海、氣、冰之間的熱交換影響著全球氣候變化，是全球碳循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)中的重要環(huán)節(jié)。

國際上，在南大洋西風(fēng)帶布放浮標(biāo)獲取長期觀測數(shù)據(jù)罕有先例，由于該海域海況惡劣，對(duì)浮標(biāo)結(jié)構(gòu)堅(jiān)固程度、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性都提出了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。此前，只有美國伍茲霍爾海洋研究所在西風(fēng)帶海域成功布放過錨系浮標(biāo)。

以2019年1月我國布放在西風(fēng)帶的浮標(biāo)為例，國家海洋技術(shù)中自主研制的新型浮標(biāo)，數(shù)據(jù)有效接收率達(dá)到95%以上。浮標(biāo)在位運(yùn)行期間觀測到最大風(fēng)速26.78米/秒，風(fēng)速達(dá)到了10級(jí)，觀測的最大波高達(dá)13.7米，最高海況達(dá)到8級(jí)（浪高9～14米、風(fēng)力10～17級(jí)）。截至目前，該浮標(biāo)仍在位正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定，標(biāo)志著我國極端海洋環(huán)境浮標(biāo)技術(shù)達(dá)到了國際領(lǐng)先水平。

“西風(fēng)帶環(huán)境觀測浮標(biāo)的布放對(duì)推動(dòng)我國氣象、海洋、環(huán)境變化研究，提升我國海洋話語權(quán)均具有重要意義。”國家海洋技術(shù)中心主任韓家新介紹。經(jīng)過多年技術(shù)攻關(guān)，該中心已研發(fā)了多種類型的海洋環(huán)境浮標(biāo)，尺度上主要涵蓋6米、3米、2.4米、2米等多種型號(hào)，功能上有通用型的水文氣象觀測浮標(biāo)，也有專用型的海洋生態(tài)水質(zhì)監(jiān)測浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)、海嘯浮標(biāo)、冰界面觀測浮標(biāo)和應(yīng)急核輻射監(jiān)測浮標(biāo)等，有力促進(jìn)我國浮標(biāo)向譜系化發(fā)展。