業(yè)務(wù)工作文章轉(zhuǎn)自《中國自然資源報》
北京時間4月2日13時，中國第36次南極科學(xué)考察隊在南大洋“魔鬼西風(fēng)帶”搶抓時間窗口，成功布放了1套可回收西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標和2套“藍海星”漂流式海氣界面浮標，標志著我國在西風(fēng)帶海域環(huán)境觀測能力達到國際領(lǐng)先水平。
據(jù)悉，西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標和“藍海星”漂流式海氣界面浮標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)定運行的新型浮標，旨在解決我國在南大洋西風(fēng)帶海域?qū)崟r觀測數(shù)據(jù)嚴重缺乏的現(xiàn)狀，是南大洋“大圓環(huán)”計劃的重要組成部分。
時間窗口只有2小時
“這次布放浮標，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員，也是西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標布放的現(xiàn)場負責(zé)人，“西風(fēng)帶浮標的組裝調(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’號船到達浮標布放區(qū)域時，海況是36次考察隊幾次穿越西風(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)，常年盛行五六級西風(fēng)，帶來四五米高的浪涌，是進入南極必經(jīng)的一道“鬼門關(guān)”。西風(fēng)帶氣旋活動十分頻繁，平均兩三天就會產(chǎn)生一個，強氣旋來臨時，可造成西風(fēng)帶內(nèi)狂風(fēng)暴雨和高達十幾米的巨浪。
根據(jù)“雪龍2”號船氣象預(yù)報員預(yù)報，當(dāng)?shù)貢r間4月2日14時（北京時間11時），風(fēng)浪較小。只是，這個窗口期十分短暫——只有2個小時。
“極地科考有其特殊性，錯過了就要等一年。如果這一次浮標放不下去，我們只能帶著遺憾，接受這個現(xiàn)實。”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個小時“黃金窗口”內(nèi)，考察隊員和“雪龍2”號全體船員通力協(xié)作，各司其職，順繩子，排錨鏈，綁傳感器，測試釋放器……最終，考察隊員在2個小時內(nèi)，成功布放了1套西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標和2套“藍海星”漂流式海氣界面浮標。這也標志著本次西風(fēng)帶海洋浮標觀測任務(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。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和海氣界面漂流浮標。每一次布放，都可謂是“極限挑戰(zhàn)”。
此次浮標布放成功，將與此前布放的浮標實現(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)境觀測浮標和“藍海星”漂流式海氣界面浮標將作為主要裝備，以固定與移動、點面結(jié)合的方式進一步推動南大洋“大圓環(huán)”觀測計劃，為極地科考業(yè)務(wù)、海洋環(huán)境預(yù)報、海氣相互作用和氣候變化研究及應(yīng)對提供高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)支撐。
新浮標，“中國造”
西風(fēng)帶海域的惡劣海況不僅會損毀浮標結(jié)構(gòu)、供電設(shè)備和觀測設(shè)備，還會因浮標系統(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具備良好觀測功能的前提下，對浮標系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計，并在技術(shù)中心動力環(huán)境實驗室、環(huán)境檢測與可靠性實驗室進行了大量試驗，驗證其系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，保證西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標具有良好的工作性能。
西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標為解決我國在南極西風(fēng)帶海域?qū)崟r觀測數(shù)據(jù)嚴重缺乏的現(xiàn)狀，在2019年首次布放成功的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，重點突破了浮標的環(huán)境適應(yīng)性和可回收技術(shù)，大幅提升了浮標系統(tǒng)的穩(wěn)定性，實現(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，填補了我國錨系浮標在南大洋熱通量觀測的空白，進一步推進了南大洋“大圓環(huán)”計劃，為建立新的大洋環(huán)流模型、評估極地水團對全球環(huán)境影響提供基礎(chǔ)資料。
“藍海星”漂流式海氣界面浮標是國家海洋技術(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、免維護的漂流觀測系統(tǒng)，突破了小型類單柱體漂流平臺結(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。該浮標主要對海表面3米高度的風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、相對濕度等氣象參數(shù)和海表面溫度、鹽度、波浪以及拉格朗日流進行漂流觀測。
截至目前，“藍海星”漂流式海氣界面浮標在多個調(diào)查航次和觀測計劃中成功應(yīng)用數(shù)十套，先后開展了與國際標準錨系浮標的現(xiàn)場比測、國際首次中尺度渦組網(wǎng)、超級臺風(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)準確可靠、達到國際先進水平，儀器裝備運行穩(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，也是由國家海洋技術(shù)中心研制，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，其掛載的感應(yīng)耦合式溫鹽深測量儀是國家重點研發(fā)計劃安全保障專項支持的成果之一，每間隔1小時向岸站發(fā)送實時測量的溫度、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備，不僅進行了50攝氏度至零下50攝氏度的寬溫度范圍實驗，而且充分考慮到海上惡劣環(huán)境，嚴格按照國標進行了沖擊、振動、傾斜、搖擺及電磁兼容實驗，均達到標準要求。
布放西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標
布放“藍海星”漂流式海氣界面浮標
助力南大洋“大圓環(huán)”計劃
“國際上在南極有一個南大洋觀測系統(tǒng)計劃，但目前這個計劃比較碎片化，缺乏有效的頂層設(shè)計。這也是我們提出南大洋‘大圓環(huán)’計劃的原因之一。”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次南極考察隊船基首席科學(xué)家，現(xiàn)場指揮考察隊員完成了西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標布放作業(yè)。
據(jù)介紹，投放西風(fēng)帶海洋環(huán)境觀測浮標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)境變化實時數(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。而該計劃正是將環(huán)繞西風(fēng)帶布放同樣類型浮標，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)帶布放浮標獲取長期觀測數(shù)據(jù)罕有先例，由于該海域海況惡劣，對浮標結(jié)構(gòu)堅固程度、數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性都提出了嚴峻挑戰(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。
以2019年1月我國布放在西風(fēng)帶的浮標為例，國家海洋技術(shù)中自主研制的新型浮標，數(shù)據(jù)有效接收率達到95%以上。浮標在位運行期間觀測到最大風(fēng)速26.78米/秒，風(fēng)速達到了10級，觀測的最大波高達13.7米，最高海況達到8級（浪高9～14米、風(fēng)力10～17級）。截至目前，該浮標仍在位正常運行，數(shù)據(jù)接收穩(wěn)定，標志著我國極端海洋環(huán)境浮標技術(shù)達到了國際領(lǐng)先水平。
“西風(fēng)帶環(huán)境觀測浮標的布放對推動我國氣象、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，尺度上主要涵蓋6米、3米、2.4米、2米等多種型號，功能上有通用型的水文氣象觀測浮標，也有專用型的海洋生態(tài)水質(zhì)監(jiān)測浮標、波浪浮標、海嘯浮標、冰界面觀測浮標和應(yīng)急核輻射監(jiān)測浮標等，有力促進我國浮標向譜系化發(fā)展。
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