北京時間4月2日13時，中國第36次南極科學考察隊在南大洋「魔鬼西風帶」搶抓時間窗口，成功布放了1套可回收西風帶海洋環境觀測浮標和2套「藍海星」漂流式海氣界面浮標，標誌著我國在西風帶海域環境觀測能力達到國際領先水平。
據悉，西風帶海洋環境觀測浮標和「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中心自主創新研製，是突破極限海況並可以長期穩定運行的新型浮標，旨在解決我國在南大洋西風帶海域實時觀測數據嚴重缺乏的現狀，是南大洋「大圓環」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。」國家海洋技術中心工程師李虎林是此次南極考察隊員，也是西風帶海洋環境觀測浮標布放的現場負責人，「西風帶浮標的組裝調試在2月中旬已經完成。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域時，海況是36次考察隊幾次穿越西風帶中最差的一次，平均風浪4米左右。」
南半球西風帶環繞在南緯40度至60度，是緊鄰南極大陸的低壓區，常年盛行五六級西風，帶來四五米高的浪湧，是進入南極必經的一道「鬼門關」。西風帶氣旋活動十分頻繁，平均兩三天就會產生一個，強氣旋來臨時，可造成西風帶內狂風暴雨和高達十幾米的巨浪。
根據「雪龍2」號船氣象預報員預報，當地時間4月2日14時（北京時間11時），風浪較小。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，接受這個現實。」李虎林說，「可是，大家從春節前出發到現在漂泊了70多天，誰也不想帶著遺憾回去。」
於是，在咆哮西風帶最後的2個小時「黃金窗口」內，考察隊員和「雪龍2」號全體船員通力協作，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，成功布放了1套西風帶海洋環境觀測浮標和2套「藍海星」漂流式海氣界面浮標。這也標誌著本次西風帶海洋浮標觀測任務順利完成。
據介紹，2019年1月，國家海洋技術中心在西風帶布放了首套新型浮標。2020年1月27日在西風帶布放感應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」。
此次浮標布放成功，將與此前布放的浮標實現初步組網，形成南大洋「大圓環」觀測能力。未來，西風帶海洋環境觀測浮標和「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、點面結合的方式進一步推動南大洋「大圓環」觀測計劃，為極地科考業務、海洋環境預報、海氣相互作用和氣候變化研究及應對提供高質量的觀測數據支撐。
新浮標，「中國造」
西風帶海域的惡劣海況不僅會損毀浮標結構、供電設備和觀測設備，還會因浮標系統長期處於交變載荷的狀態，直接影響數據採集控制系統和浮標結構的使用壽命。
國家海洋技術中心科研人員在保證浮標具備良好觀測功能的前提下，對浮標系統進行了優化設計，並在技術中心動力環境實驗室、環境檢測與可靠性實驗室進行了大量試驗，驗證其系統可靠性與穩定性，保證西風帶海洋環境觀測浮標具有良好的工作性能。
西風帶海洋環境觀測浮標為解決我國在南極西風帶海域實時觀測數據嚴重缺乏的現狀，在2019年首次布放成功的經驗基礎上，重點突破了浮標的環境適應性和可回收技術，大幅提升了浮標系統的穩定性，實現了海表面的風速、風向、氣溫、溼度、長短波輻射以及水溫、鹽度、海流等海洋氣象水文參數的連續觀測能力，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」計劃，為建立新的大洋環流模型、評估極地水團對全球環境影響提供基礎資料。
「藍海星」漂流式海氣界面浮標是國家海洋技術中心基於「低成本、網格化、全球化」的海氣界面觀測新理念，創新研製的小型化、輕質化、免維護的漂流觀測系統，突破了小型類單柱體漂流平臺結構可靠性、姿態穩定性技術和多模塊高度集成與多能互補供電技術，革新了海氣界面關鍵要素的低成本測量方式。該浮標主要對海表面3米高度的風速、風向、氣溫、氣壓、相對溼度等氣象參數和海表面溫度、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查航次和觀測計劃中成功應用數十套，先後開展了與國際標準錨系浮標的現場比測、國際首次中尺度渦組網、超級颱風環境應用和南極西風帶斷面組網應用，觀測數據準確可靠、達到國際先進水平，儀器裝備運行穩定，基本具備了全球海域業務化觀測能力。
此前在西風帶布放的感應耦合式表面漂流浮標，也是由國家海洋技術中心研製，具有完全自主智慧財產權，其掛載的感應耦合式溫鹽深測量儀是國家重點研發計劃安全保障專項支持的成果之一，每間隔1小時向岸站發送實時測量的溫度、鹽度、深度數據。在此次出徵西風帶之前，科研人員做了充分準備，不僅進行了50攝氏度至零下50攝氏度的寬溫度範圍實驗，而且充分考慮到海上惡劣環境，嚴格按照國標進行了衝擊、振動、傾斜、搖擺及電磁兼容實驗，均達到標準要求。
助力南大洋「大圓環」計劃
「國際上在南極有一個南大洋觀測系統計劃，但目前這個計劃比較碎片化，缺乏有效的頂層設計。這也是我們提出南大洋『大圓環』計劃的原因之一。」2019年1月1日，中國科學院院士、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家，現場指揮考察隊員完成了西風帶海洋環境觀測浮標布放作業。
據介紹，投放西風帶海洋環境觀測浮標能夠獲取該海域水文、氣象等基本環境信息，採集海洋環境變化實時數據。這樣的基礎性研究需要長期積累數據才能得出規律性結論。而該計劃正是將環繞西風帶布放同樣類型浮標，形成南大洋「大圓環」。
環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，是全球碳循環和生態系統中的重要環節。
國際上，在南大洋西風帶布放浮標獲取長期觀測數據罕有先例，由於該海域海況惡劣，對浮標結構堅固程度、數據傳輸穩定性都提出了嚴峻挑戰。此前，只有美國伍茲霍爾海洋研究所在西風帶海域成功布放過錨系浮標。
以2019年1月我國布放在西風帶的浮標為例，國家海洋技術中自主研製的新型浮標，數據有效接收率達到95%以上。浮標在位運行期間觀測到最大風速26.78米/秒，風速達到了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、風力10～17級）。截至目前，該浮標仍在位正常運行，數據接收穩定，標誌著我國極端海洋環境浮標技術達到了國際領先水平。
「西風帶環境觀測浮標的布放對推動我國氣象、海洋、環境變化研究，提升我國海洋話語權均具有重要意義。」國家海洋技術中心主任韓家新介紹。經過多年技術攻關，該中心已研發了多種類型的海洋環境浮標，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水質監測浮標、波浪浮標、海嘯浮標、冰界面觀測浮標和應急核輻射監測浮標等，有力促進我國浮標向譜系化發展。
來源： 中國自然資源報
記者： 安海燕 朱 彧
編輯： 錢招東