為「雪龍探極」開「冰路」

「雪龍」號、「雪龍2」號船在南極普裡茲灣破冰 。 程 皝 攝

考察隊員在普裡茲灣固定冰區開展海冰觀測活動。 國家海洋環境預報中心供圖

　　到南極開展科學考察、建站、越冬……人員和物資運輸是重要環節，需要科考船安全穿越冰海完成任務。其中，南極普裡茲灣區域冰堅且厚，最為艱難。

　　國家海洋環境預報中心組織攻關團隊歷時3年，成功研發出南極首個區域固定冰預報系統——普裡茲灣固定冰預報系統。該系統面向中國南極考察隊提供業務化服務，填補了該研究領域的技術和數據空白。

　　「系統可以提供包括積雪和海冰的厚度、溫度、融化情況在內的諸多參數。」研發人趙傑臣是國家海洋環境預報中心極地室工程師，他說，「這就像是給隨船預報員添加了『新工具』，從而幫助破冰船在茫茫海冰中找到合適的破冰線路。」

　　潛心研究鑄「利器」

　　我國南極中山站所在的普裡茲灣區域，沿岸常年被1~2米厚的固定冰覆蓋，對極地考察船抵近站區和實施冰上卸貨造成嚴重阻礙和安全風險。受南極特殊地理位置和惡劣環境的限制，衛星遙感是當前對固定冰進行大範圍觀測的唯一有效手段。

　　但是，衛星遙感主要針對海冰的面積進行觀測，目前國際上尚無成熟的衛星產品提供大範圍南極海冰厚度信息。「對於我國極地科考破冰船來說，海冰厚度是一個重要的航行參考數據。」趙傑臣說。

　　2011年，趙傑臣作為中國第28次南極考察隊隊員，前往南極中山站執行越冬考察任務，主要負責氣象和海冰的觀測預報。

　　「每隔7天觀測1次冰雪的厚度，當時，站上用的還是手控的鑽冰裝備，冬季最冷的時候鑽一次冰需要4個小時左右，非常辛苦。」趙傑臣回憶，每當「雪龍」號極地考察船抵達普裡滋灣陸緣冰時，都要派人冒險測冰，尋找合適的破冰和卸貨路線。

　　15個月的漫長越冬生活中，趙傑臣萌生了一個想法。「能不能做一個南極固定冰的預報系統？」工作之餘，趙傑臣開始著手研究固定冰的變化規律和機理。

　　2013年，完成越冬考察任務的趙傑臣返回國內，研發固定冰預報系統的念頭不但沒有消退，反而更加強烈了。他開始不斷查找國內外的相關資料，尋找可借鑑的經驗和技術。

　　遺憾的是，趙傑臣多方查閱也沒有發現國際上有固定冰預報的案例。「雖然當時國際上有成熟的大尺度海冰預報模式，但是經過研究後證明，這種海冰預報模式並不適用固定冰預報。」趙傑臣解釋，「大尺度海冰預報模式主要是和動力學相關，比如漂流軌跡等要素，對熱力學的刻畫比較粗糙，而固定冰的厚度變化主要是受熱力學影響。」

　　此時他的研究似乎進入了一個僵局。但很快，事情又有了轉機。

　　2014年，趙傑臣被單位派往芬蘭學習交流。其間，他和芬蘭氣象研究所的知名海冰熱力學專家程斌博士一起工作，對方對趙傑臣的想法非常感興趣，並提供了很多研發思路。趙傑臣意識到自己過去對普裡茲灣海冰的研究少，對海冰生消的關鍵機理了解不足，而摸清機理是研發系統前置條件。

　　回國後的趙傑臣決定，先通過和國外專家合作，汲取他們在海冰機理研究方面的歷史積累和先進經驗，深入研究固定冰變化機理，然後再著手研發系統。

　　在隨後3年的時間裡，趙傑臣先後在普裡茲灣海冰生長特性、空間分布規律、多年冰生消機理、積雪對海冰的影響等方面發表了一系列有影響力的科研成果，基本釐清了該區域固定冰的生長和消融機理，為後續模式的選擇和系統的建設奠定了堅實的理論基礎。

　　結合我國科學家過去三十多年對普裡茲灣海冰的研究成果，趙傑臣最終確定了衛星遙感和數值模擬相結合的研發思路。主要利用可見光和合成孔徑雷達等高解析度衛星遙感產品來監測固定冰的生長、破碎等空間範圍的變化，同時選用一維高解析度熱力學冰雪數值模式，來模擬海冰的生消過程，包括積雪和海冰內部的熱傳導過程、雪/冰溫度剖面的演化，以及雪/冰質量平衡過程等。

　　經過數次的方案改進和實驗模擬，趙傑臣團隊於2017年初步研發出了「南極普裡茲灣固定冰預報系統」。

　　「該系統利用衛星遙感和數值模擬相結合的手段，可以準實時獲取固定冰範圍的動態變化。中山大學教授惠鳳鳴團隊近年來研發了自動判斷提取南極海岸線和固定冰外緣線的衛星遙感技術，正好用於我們的系統裡，是一個科研成果轉化為業務應用的典型例子。」趙傑臣介紹，「系統通過模擬積雪和固定冰的能量和質量平衡過程，從而提供未來10天的雪厚、冰厚、積雪融化、冰表面融化、冰內部融化、冰底部融化、雪冰比例等參數的預報信息。」

　　不斷完善升級

　　固定冰預報系統研發出來之後，便進入了試運行階段。然而，最初的應用結果有些不盡人意。

　　「我們把系統的預報信息和現場人工觀測的結果比對後，發現個別位置的預報誤差比較大，達到了20%。」趙傑臣說，「主要原因在於南極現場『風吹雪』現象比較常見，但目前系統裡還不能準確描述這一過程，我們輸入的降雪量受風吹的影響產生了變化，導致最終的計算數值存在偏差。」

　　發現問題後，趙傑臣總結分析了過去10年中山站現場觀測的風速和積雪厚度數據，提出了一種處理「風吹雪」過程的初步方案，再次對系統進行了完善。

　　隨著研究的不斷深入，系統經過了多次更新升級。「前後經歷了3個版本，最新版本主要輸入了包括空氣溫度、溼度、風速、雲量、太陽輻射、降水、海洋熱通量等要素，基本涵蓋了影響固定冰厚度變化的主要熱力學過程，因此系統預測出的信息準確度大幅提升。」趙傑臣說，「最新版本的預報信息與中山站的現場觀測數據比較得知，模擬的海冰厚度在一年尺度時間序列上存在偏差約0.14米±0.07米，大約佔最大海冰厚度的10%，符合海冰服務保障的誤差要求。」

　　「普裡茲灣區域的埃默裡冰架實際上對固定冰存在較大的影響，一方面冰架產生的過冷水會影響海冰生長，另一方面冰架的崩解會改變固定冰的分布。」趙傑臣說，中山大學教授程曉團隊利用我國的首顆極地遙感小衛星「冰路衛星」，及時監測跟蹤2019年的埃默裡冰架大崩解事件，為我們系統的邊界更新提供了數據支撐。」

　　助力「雙龍探極」

　　2019年，我國開啟「雙龍探極」，「雪龍」號和我國自主建造的第一艘極地考察破冰船「雪龍2」號首次組成編隊赴南極開展科學考察。「雪龍2」號的破冰「首秀」，更是吸引了國內外公眾的關注。

　　2019年11月20日，「雪龍」號、「雪龍2」號穿越亂冰區，抵達距離中山站約24公裡的陸緣冰外圍，面對這塊難啃的「硬骨頭」，考察隊臨時黨委連夜分析研判冰情，商討合適的破冰和卸貨路線。

　　國家海洋環境預報中心是南極考察隊的重要保障支撐力量之一。其間，中心海冰預報團隊與兩船船長保持密切聯繫，及時獲取現場冰情信息，不斷完善海冰預報預測信息。其中，趙傑臣團隊研發的固定冰預報系統發揮了重要作用。

　　最終，考察隊根據中心海冰預報團隊給出的海冰預報信息，結合現場考察隊員的探冰，為「雙龍」選擇了一條合適的破冰路線。

　　11月22日~23日，「雙龍」先後抵達神州灣附近，此時科考船的左舷距離陸地只有兩三百米。

　　「這是中國南極考察中山站卸貨史上從未有過的場景。」中國第36次南極考察隊領隊夏立民激動地說，「在『雪龍2』號的幫助下，『雪龍』號成功突破了所有的海冰裂隙，將此次中山站冰面運輸的安全風險降到了最低，也讓此次卸貨更加方便順暢。」

　　目前，該系統已在我國第34、35、36次南極科學考察期間進行了示範應用，實現了業務化試運行，為考察隊在普裡茲灣開展冰區作業提供了重要參考，得到了」「雪龍」號船長和考察站領導的肯定，為極區航行安全保障提供了新的手段。

　　南極「客戶」稀少，現在趙傑臣又將目光瞄準了北極。「北極航道內的海冰以固定冰為主，接下來我們會對該系統進行完善升級，既為我國北極考察隊冰區航行做好安全保障，也對我國北極商船提供技術支撐。」

　　延伸閱讀：南極固定冰「小課堂」

　　●什麼是固定冰？

　　按照世界氣象組織的定義，固定冰是指凍結於大陸或島嶼沿岸、冰架前端、淺灘或接地冰山周圍的、不隨風和洋流漂移的海冰。南極固定冰多為一年冰，在南極秋末冬初的時候開始生長，10月或11月範圍達到最大值。隨著南極春夏季節到來，除個別區域存在常年不化的多年固定冰外，大部分固定冰會融化或破碎。

　　中山大學教授程曉介紹，固定冰雖然在較長時間內維持在某個固定位置，不會隨洋流或者風場發生水平運動，但會在潮汐、湧浪作用下做上下垂直運動。

　　●固定冰分布受什麼影響？

　　大型冰山的擱淺和漂移會導致固定冰的分布和範圍發生顯著變化。

　　程曉介紹，一方面，大型冰山接地後會阻礙海冰運動，導致海冰堆積而逐漸形成固定冰，冰山漂離後，固定冰區就會消失；另一方面，當冰山距離海岸一定範圍內，在共同錨定作用下，兩者之間可以形成連續的固定冰冰區，隨著冰山漂移導致距離超過一定限度後，這種共同作用消失，固定冰範圍也會急劇減小。

　　●為什麼開展南極固定冰研究？

　　程曉說，準確的固定冰數據可以提高南極近岸區域海—冰—氣熱交換的評估精度，為冰架穩定性以及生態系統的研究提供重要的數據支持。

　　「固定冰與很多近岸冰間湖的形成密切相關。」程曉介紹，冰間湖指的是達到結冰溫度的天氣下仍長期或較長時間保持無冰或僅被薄冰覆蓋的冰間開闊水域，是海洋動物換氣和覓食的「綠洲」。固定冰發生變化時，會導致其下遊側冰間湖的範圍出現變化，進而對海洋動物的活動產生影響。

　　本報記者 趙 寧