观测北极海冰 探究科学奥秘——“无人冰站”项目研发纪实

作者:记者 路 涛  来源:中国海洋报   发布时间:2019-02-22 13:39:18   [打印本页] [关闭窗口]

  冰站考察是历次我国北极科考的重头戏。在2018年中国第九次北极考察期间,科考队成功在冰区布放了两套海-冰-气无人冰站观测系统,首次实现对北极海洋、海冰和大气的全要素观测。

  在第九次北极科学考察队首席科学家助理、现场布放负责人雷瑞波看来,如此全要素的观测系统,是全球第一次在北极的布放。按照计划,该设备可工作至今年夏季,获取宝贵的北极冬季观测数据,将为研究北极海冰变化过程和机理、准确预测北极气候和海冰变化趋势等提供科学数据支撑。

  解决观测设备制约难题

  在冰上布放浮标是各国科学家开展北极气候变化研究的常用方法。在北极科学考察中,科考队将各类冰上浮标的布放作为一项重要考察内容,获取的观测数据有效支撑了我国在北极气候变化等领域的研究。

  雷瑞波已经7赴北极了。这些年,经他手布放的冰上浮标已不下百个。但随着科研工作不断深入,寻求突破愈发艰难。

  做海冰研究,最大的制约是设备。海冰观测装备主要服务于科学研究,商业前景狭窄,在国际上也属于较为冷门的领域。以往我国布放的冰基浮标主要依赖进口,致使研究工作时常陷入被动。此外,即便是已经买到手的设备,比如各类冰上浮标,有的观测要素单一,有的观测频次不能满足需求,严重限制了科研进程。

  更让雷瑞波心急的是,近年来,北极气候变暖、多年冰迅速减少、海冰的物理性质正在发生着巨大变化,北极气候预测预报急需能够全面反映当前变化的海冰观测数据支撑。但我国北极科考都是在夏季进行,很难获得北极冬季海洋、海冰和大气数据。虽然过去布放的进口浮标也获取到了部分冬季观测数据,但是观测参数仅限海冰本身,对上层海洋和底层大气的观测远远不够。

  为提高我国极地海冰物理学研究水平、获取更全面的海冰观测数据,我国在暂不具备开展有人值守全年冰站观测的条件下,研制可用于长期、连续的无人值守观测系统具有重要意义。

  研发不易 布放亦难

  2016年,一个好消息传到自然资源部中国极地研究中心。“北极海-冰-气无人冰站观测系统研发”项目正式立项。该项目被纳入“十三五”国家重点研发计划重点专项——“极地环境观测/探测技术与装备研发”项目的研发课题。

  极地中心极地海洋研究室主任何剑锋任课题总负责人、极地海洋研究室研究员雷瑞波任副总工程师,浙江大学、太原理工大学等共同参与研发。2017年2月28日,项目在上海正式启动,计划用4年半的时间完成试验样机到工程样机的研发与应用。

科考队员在北极布防“无人冰站”

  “无人冰站”观测系统的研发初衷就是要解决以往观测要素单一、数据获取不丰富的问题。经过前期准备和研讨,2017年11月,专家组经过评审,确定了项目详细设计方案。“无人冰站”将由A型和B型两种样机组成,包含4个子系统。

  A型样机为拖曳式海洋剖面观测仪。B型样机是一个组合装,由主浮标、副浮标和气象塔组成。4个子系统分别是拖曳式海洋剖面观测子系统、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)、大气边界层观测子系统(气象塔)。

  据雷瑞波介绍,主浮标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观测冰下30米水深固定层位的海水温度、盐度等;气象塔负责观测大气和海冰之间的界面通量;拖曳式海洋剖面观测仪较为特殊,它是通过缆线收放,在水中上下运动,可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。“无人冰站”设计方案在国际上尚属首例。

  项目启动后,项目组立即开展了协同攻关,完成了全部子观测模块、子系统、结构件的计算、研制、加工和调试。2018年1月,在浙江大学舟山校区实验车间,项目组完成了全套B型试验样机的整机集成,并通过了系统调试测试。随后,湖试也顺利通过。

  去年8月,“无人冰站”在北极迎来了真正的考验。

  研发不易,布放亦难。8月的北极冰上,寒风刺骨,天气说变就变,狂风、暴雪、浓雾,时常交替上演。由于部分布放工序需要手操,许多队员的手因为长时间野外作业被冻得没有知觉。钻冰洞时,冰水灌进鞋里、浇湿裤子已是常事。因为安装需要,科考队员还要半跪或趴在冰面上布线接线,并时刻提防着脚下的冰裂隙和融池。

  难题接踵而至。气象塔安装时,由于塔架热胀冷缩,事先打下的螺丝孔位置偏移,科考队员只能重新打孔。来自中国气象科学研究院的现场布放人员张雷说:“在国内安装一套气象塔,两个人用2小时就能完成,但在北极就需要五六人协同作业,时间还增加了几倍。”

  去年8月18日~22日,雷瑞波带领10余名科考队员在北极成功布放了两套“无人冰站”试验样机。北极归来,针对现场布放反映出的问题,项目组不断优化样机设计,并着手研制工程样机。今年1月25日,山西偏安黄河试验场传来好消息,工程样机关键部件顺利完成湖试。按照计划,“无人冰站”工程样机将于今年下半年亮相北极,并参与到国际漂流冰站计划中。

  “无人冰站”中国造

  据了解,“无人冰站”系统包含了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、温度链等多项自主研发的核心技术,均属国际首创。

  第九次北极科考期间布放的“无人冰站”的标体就是由极地中心联合浙江大学海洋学院自主研发,为“无人冰站”系统相关仪器和传感器提供支撑,有效保障设备在恶劣环境下能正常运行。

  作为“无人冰站”的重要组成部分,冰内多层位太阳辐射通量观测系统由浙江大学海洋学院王杭州博士研发。该系统基于光纤光谱技术,为极地冰层内部不同层位太阳辐射通量的长期、原位观测这一世界难题提供了切实可行的解决方案。项目组利用该系统成功完成了北极海冰冰上、冰内以及冰下多个层位太阳辐射强度的长期、连续观测,获取的数据对于海冰以及上层海洋物质和能量平衡、极地海洋生态系统等研究具有重要意义。

  虽然并不是完全自主研发,但“无人冰站”近80%的自主研发集成率也是一项重大突破。雷瑞波表示,有了中国制造的“无人冰站”,可根据科学需求推出更前沿的研究成果,有助于提高我国北极环境监测能力和国际影响力。