“魔鬼西风带”里的极限挑战 2020-04-10
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北京时间4月2日13时，中国第36次南极科学考察队在南大洋“魔鬼西风带”抢抓时间窗口，成功布放了1套可回收西风带海洋环境观测浮标和2套“蓝海星”漂流式海气界面浮标，标志着我国在西风带海域环境观测能力达到国际领先水平。
据悉，西风带海洋环境观测浮标和“蓝海星”漂流式海气界面浮标均由自然资源部所属的国家海洋技术中心自主创新研制，是突破极限海况并可以长期稳定运行的新型浮标，旨在解决我国在南大洋西风带海域实时观测数据严重缺乏的现状，是南大洋“大圆环”计划的重要组成部分。
▶时间窗口只有2小时
“这次布放浮标，最大的不确定性就是天气窗口期。”国家海洋技术中心工程师李虎林是此次南极考察队员，也是西风带海洋环境观测浮标布放的现场负责人，“西风带浮标的组装调试在2月中旬已经完成。南极自3月份以来，天气状况每况愈下。待‘雪龙2’号船到达浮标布放区域时，海况是36次考察队几次穿越西风带中最差的一次，平均风浪4米左右。”
南半球西风带环绕在南纬40度至60度，是紧邻南极大陆的低压区，常年盛行五六级西风，带来四五米高的浪涌，是进入南极必经的一道“鬼门关”。西风带气旋活动十分频繁，平均两三天就会产生一个，强气旋来临时，可造成西风带内狂风暴雨和高达十几米的巨浪。
根据“雪龙2”号船气象预报员预报，当地时间4月2日14时（北京时间11时），风浪较小。只是，这个窗口期十分短暂——只有2个小时。
“极地科考有其特殊性，错过了就要等一年。如果这一次浮标放不下去，我们只能带着遗憾，接受这个现实。”李虎林说，“可是，大家从春节前出发到现在漂泊了70多天，谁也不想带着遗憾回去。”
于是，在咆哮西风带最后的2个小时“黄金窗口”内，考察队员和“雪龙2”号全体船员通力协作，各司其职，顺绳子，排锚链，绑传感器，测试释放器……最终，考察队员在2个小时内，成功布放了1套西风带海洋环境观测浮标和2套“蓝海星”漂流式海气界面浮标。这也标志着本次西风带海洋浮标观测任务顺利完成。
据介绍，2019年1月，国家海洋技术中心在西风带布放了首套新型浮标。2020年1月27日在西风带布放感应耦合式表面漂流浮标和海气界面漂流浮标。每一次布放，都可谓是“极限挑战”。
此次浮标布放成功，将与此前布放的浮标实现初步组网，形成南大洋“大圆环”观测能力。未来，西风带海洋环境观测浮标和“蓝海星”漂流式海气界面浮标将作为主要装备，以固定与移动、点面结合的方式进一步推动南大洋“大圆环”观测计划，为极地科考业务、海洋环境预报、海气相互作用和气候变化研究及应对提供高质量的观测数据支撑。
▶新浮标，“中国造”
西风带海域的恶劣海况不仅会损毁浮标结构、供电设备和观测设备，还会因浮标系统长期处于交变载荷的状态，直接影响数据采集控制系统和浮标结构的使用寿命。
国家海洋技术中心科研人员在保证浮标具备良好观测功能的前提下，对浮标系统进行了优化设计，并在技术中心动力环境实验室、环境检测与可靠性实验室进行了大量试验，验证其系统可靠性与稳定性，保证西风带海洋环境观测浮标具有良好的工作性能。
西风带海洋环境观测浮标为解决我国在南极西风带海域实时观测数据严重缺乏的现状，在2019年首次布放成功的经验基础上，重点突破了浮标的环境适应性和可回收技术，大幅提升了浮标系统的稳定性，实现了海表面的风速、风向、气温、湿度、长短波辐射以及水温、盐度、海流等海洋气象水文参数的连续观测能力，填补了我国锚系浮标在南大洋热通量观测的空白，进一步推进了南大洋“大圆环”计划，为建立新的大洋环流模型、评估极地水团对全球环境影响提供基础资料。
“蓝海星”漂流式海气界面浮标是国家海洋技术中心基于“低成本、网格化、全球化”的海气界面观测新理念，创新研制的小型化、轻质化、免维护的漂流观测系统，突破了小型类单柱体漂流平台结构可靠性、姿态稳定性技术和多模块高度集成与多能互补供电技术，革新了海气界面关键要素的低成本测量方式。该浮标主要对海表面3米高度的风速、风向、气温、气压、相对湿度等气象参数和海表面温度、盐度、波浪以及拉格朗日流进行漂流观测。
截至目前，“蓝海星”漂流式海气界面浮标在多个调查航次和观测计划中成功应用数十套，先后开展了与国际标准锚系浮标的现场比测、国际首次中尺度涡组网、超级台风环境应用和南极西风带断面组网应用，观测数据准确可靠、达到国际先进水平，仪器装备运行稳定，基本具备了全球海域业务化观测能力。
此前在西风带布放的感应耦合式表面漂流浮标，也是由国家海洋技术中心研制，具有完全自主知识产权，其挂载的感应耦合式温盐深测量仪是国家重点研发计划安全保障专项支持的成果之一，每间隔1小时向岸站发送实时测量的温度、盐度、深度数据。在此次出征西风带之前，科研人员做了充分准备，不仅进行了50摄氏度至零下50摄氏度的宽温度范围实验，而且充分考虑到海上恶劣环境，严格按照国标进行了冲击、振动、倾斜、摇摆及电磁兼容实验，均达到标准要求。
▶助力南大洋“大圆环”计划
“国际上在南极有一个南大洋观测系统计划，但目前这个计划比较碎片化，缺乏有效的顶层设计。这也是我们提出南大洋‘大圆环’计划的原因之一。”2019年1月1日，中国科学院院士、自然资源部第二海洋研究所研究员陈大可作为中国第35次南极考察队船基首席科学家，现场指挥考察队员完成了西风带海洋环境观测浮标布放作业。
据介绍，投放西风带海洋环境观测浮标能够获取该海域水文、气象等基本环境信息，采集海洋环境变化实时数据。这样的基础性研究需要长期积累数据才能得出规律性结论。而该计划正是将环绕西风带布放同样类型浮标，形成南大洋“大圆环”。
环绕南极大陆的南大洋是连通太平洋、大西洋和印度洋的辽阔海域，也是世界上最大的低温水体，同时因缺乏陆地阻隔形成了西风带。南大洋通过海、气、冰之间的热交换影响着全球气候变化，是全球碳循环和生态系统中的重要环节。
国际上，在南大洋西风带布放浮标获取长期观测数据罕有先例，由于该海域海况恶劣，对浮标结构坚固程度、数据传输稳定性都提出了严峻挑战。此前，只有美国伍兹霍尔海洋研究所在西风带海域成功布放过锚系浮标。
以2019年1月我国布放在西风带的浮标为例，国家海洋技术中自主研制的新型浮标，数据有效接收率达到95%以上。浮标在位运行期间观测到最大风速26.78米/秒，风速达到了10级，观测的最大波高达13.7米，最高海况达到8级（浪高9～14米、风力10～17级）。截至目前，该浮标仍在位正常运行，数据接收稳定，标志着我国极端海洋环境浮标技术达到了国际领先水平。
“西风带环境观测浮标的布放对推动我国气象、海洋、环境变化研究，提升我国海洋话语权均具有重要意义。”国家海洋技术中心主任韩家新介绍。经过多年技术攻关，该中心已研发了多种类型的海洋环境浮标，尺度上主要涵盖6米、3米、2.4米、2米等多种型号，功能上有通用型的水文气象观测浮标，也有专用型的海洋生态水质监测浮标、波浪浮标、海啸浮标、冰界面观测浮标和应急核辐射监测浮标等，有力促进我国浮标向谱系化发展。
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