南極“探”氣北極“讀”冰

2020青島極地科考書(shū)寫(xiě)新紀(jì)錄新傳奇

在我國(guó)，鮮有城市可以像青島這樣，既擁有雄厚的海洋科研實(shí)力，同時(shí)又長(zhǎng)期聚焦極地科考，先后派遣大量的涉海科研人員奔赴兩極。前不久，參加南極科考的黃海水產(chǎn)研究所的科研人員剛剛回到青島。近日，青島涉海高校、科研院所的10多位科研人員又從上海出發(fā)，乘坐“雪龍2”號(hào)參加中國(guó)第37次南極科考。

回顧今年的極地科考經(jīng)歷，新冠肺炎疫情給科考人員增加了許多困難因素。在這特殊的一年里，南北極的“青島身影”又書(shū)寫(xiě)了不同尋常的歷史紀(jì)錄。

堅(jiān)守南極中山站，填補(bǔ)我國(guó)大氣探測(cè)空白

幾經(jīng)周折，黃海所的科研人員張吉昌和樊鋼洲在今年10月底回到了青島。與出發(fā)前的計(jì)劃大為不同，他們待在南極的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了預(yù)定的4個(gè)月，在海上漂泊了接近一年。

去年12月，張吉昌和樊鋼洲受農(nóng)業(yè)農(nóng)村部委派，跟隨南極磷蝦漁船出港，前往南極海域執(zhí)行南極磷蝦漁業(yè)科學(xué)觀察和調(diào)查任務(wù)。張吉昌原本想在今年4月回國(guó)，屆時(shí)可以完成項(xiàng)目總結(jié)驗(yàn)收等相關(guān)案頭工作，正在照料1歲大孩子的母親也可以回老家照顧身體不好的父親。樊鋼洲出發(fā)前，剛剛得知妻子懷有身孕。他原計(jì)劃隨福遠(yuǎn)漁9818輪執(zhí)行科學(xué)觀察任務(wù)一段時(shí)間，待輪換觀察員登船后，回國(guó)照料待產(chǎn)的妻子。

但是，這些設(shè)定好的歸國(guó)計(jì)劃都因?yàn)橐粓?chǎng)突如其來(lái)的新冠肺炎疫情在全球蔓延而無(wú)法實(shí)現(xiàn)。輪換人員出不去，船上人員回不來(lái)，他們堅(jiān)守在極地漁業(yè)科考崗位上，承擔(dān)起了整個(gè)漁季南極科研項(xiàng)目的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料和樣品的采集與處理工作。

2018年11月，海儀所張鋒跟隨“雪龍”號(hào)參加南極科考。

無(wú)獨(dú)有偶。赴南極參加中國(guó)第35次越冬任務(wù)和第36次度夏任務(wù)的山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所助理工程師張鋒也遭遇了回國(guó)延期。按照計(jì)劃，他在去年底今年初就可以回國(guó)，不過(guò)，由于受到新冠肺炎疫情相關(guān)的旅行限制，他只好在南極多待了幾個(gè)月，直到今年4月才回到青島。

南極中山站激光雷達(dá)觀測(cè)棟。

在南極中山站，張鋒總共堅(jiān)守了525天。作為項(xiàng)目成員，他參與搭建了國(guó)際上首臺(tái)在南極部署的可全天時(shí)對(duì)80-110公里大氣風(fēng)場(chǎng)和溫度進(jìn)行觀測(cè)的鈉熒光激光雷達(dá)。隨后，他又參與完成了相干多普勒測(cè)風(fēng)激光雷達(dá)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)動(dòng)拉曼激光雷達(dá)系統(tǒng)和瑞利/米散射激光雷達(dá)系統(tǒng)的安裝與調(diào)試。截至回國(guó)前，張鋒和項(xiàng)目其他成員采集完成了超過(guò)1000小時(shí)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，并首次同時(shí)探測(cè)到南極中間層頂區(qū)大氣溫度和三維風(fēng)場(chǎng)，填補(bǔ)了我國(guó)在極隙區(qū)中高層大氣探測(cè)的空白。

南極中山站上的激光雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)圖。

其實(shí)，除了黃海所和海儀所的科研人員，參加南北極科考的中國(guó)海洋大學(xué)、自然資源部北海局和自然資源部第一海洋研究所等青島涉海高校、科研院所的科研人員，也都或多或少受到了新冠肺炎疫情的影響。困難之下，他們堅(jiān)守崗位，堅(jiān)持奉獻(xiàn)。他們當(dāng)中的一些人，至今仍?shī)^戰(zhàn)在極地的科考現(xiàn)場(chǎng)。

北極科考，親身感受北冰洋的“消亡”

10月12日，參加“國(guó)際北極氣候研究多學(xué)科漂流觀測(cè)計(jì)劃”(“MOSAiC”計(jì)劃，以下簡(jiǎn)稱(chēng)“馬賽克”計(jì)劃)的“極星”號(hào)破冰船返回德國(guó)不萊梅哈芬，創(chuàng)造了史上最長(zhǎng)、規(guī)模最大的北極科考?xì)v史，同時(shí)也帶回來(lái)一個(gè)壞消息：北冰洋正在“消亡”。

“馬賽克”計(jì)劃由德國(guó)阿爾弗雷德魏格納極地研究所(AWI)發(fā)起，目的是通過(guò)德國(guó)“極星”號(hào)破冰船在北極漂流一年的連續(xù)數(shù)據(jù)觀測(cè)，來(lái)加強(qiáng)對(duì)北極氣候變化的認(rèn)識(shí)和預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)能力。來(lái)自20多個(gè)國(guó)家的600多名科學(xué)家和工程師參與了該計(jì)劃，其中不乏中國(guó)的科研人員。以青島為例，自然資源部第一海洋研究所高級(jí)工程師馬小兵在去年參加了第1航段，孔彬則在今年參加了第3航段。

在第3航段，孔彬所在的物理海洋組要做的一項(xiàng)重要工作就是前往十幾公里之外，對(duì)第1航段放置的水下浮標(biāo)進(jìn)行回收。回收浮標(biāo)的那天是5月4日。“乘著直升機(jī)到達(dá)浮標(biāo)回收點(diǎn)，只需要10多分鐘。但想要將海冰下200米的浮標(biāo)打撈上來(lái)，需要先用電鋸鋸開(kāi)海冰。海冰很厚，比人還高。因此，極地科考對(duì)于人的體力和毅力都是大考。”

第3航段的后期，已經(jīng)是5月中旬。北極氣溫的不斷升高，造成了海冰破裂，影響著科考計(jì)劃的實(shí)施。由于破裂的冰隙過(guò)多過(guò)大，為了安全起見(jiàn)，只好通過(guò)放置吊籠的方式讓科研人員上下船。在第4和第5航段，科考團(tuán)進(jìn)一步目睹了北冰洋正在“消亡”的現(xiàn)實(shí)，海冰融化的速度遠(yuǎn)超預(yù)期。“極星”號(hào)返回德國(guó)后，該科考行動(dòng)的負(fù)責(zé)人馬庫(kù)斯雷克斯在新聞發(fā)布會(huì)上警告，如果北極變暖的趨勢(shì)無(wú)法改變，那么幾十年內(nèi)將出現(xiàn)“夏季無(wú)冰的北冰洋”。

參加中國(guó)第11次北極科考的中國(guó)海洋大學(xué)博士后王曉宇，直觀感受到了北極海冰融化的情形。今年夏天，他跟隨“雪龍2”號(hào)首航北極，在北冰洋所見(jiàn)融池之多，讓他印象格外深刻。

此前，他在北緯85度以北很少看到融池。但今年“雪龍2”號(hào)到達(dá)了北緯86度，在離北極點(diǎn)只有500公里左右的地方，科考人員發(fā)現(xiàn)，融池依然很多。目之所及，周邊三四成的融池覆蓋率與歷年有很大不同。北極大范圍融池的存在，表明北極夏季高溫正在蠶食北冰洋高緯度多年冰區(qū)。

中國(guó)海洋大學(xué)科研人員在86°N的融池附近開(kāi)展冰站作業(yè)。

深入極地科考，推動(dòng)海洋設(shè)備的自主研發(fā)

作為海洋強(qiáng)市，青島多年來(lái)一直都有科研人員參加南北極科考。發(fā)揮物理海洋、水產(chǎn)等海洋學(xué)科的優(yōu)勢(shì)，不斷探索極地來(lái)產(chǎn)出科研成果。與此同時(shí)，隨著對(duì)極地科考的不斷深入，提高探索認(rèn)識(shí)的手段、推動(dòng)海洋設(shè)備的自主研發(fā)，也是青島為海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)貢獻(xiàn)城市力量的重要方式。

以王曉宇參加的第11次北極科考為例，他們布放了中國(guó)海洋大學(xué)自主研發(fā)的冰基海洋剖面浮標(biāo)和海霧光學(xué)剖面儀。這兩件設(shè)備早在2018年的第二次中俄北極聯(lián)合科考中就開(kāi)始應(yīng)用。其中，海霧光學(xué)剖面儀在全球“獨(dú)一無(wú)二”，具有極大的應(yīng)用價(jià)值和潛力。

海霧光學(xué)剖面儀由中國(guó)海洋大學(xué)趙進(jìn)平團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)研發(fā)。研發(fā)初衷，主要是希望使用該設(shè)備進(jìn)行科學(xué)研究，關(guān)注北極能量在大氣邊界層內(nèi)的吸收和分配過(guò)程。王曉宇介紹說(shuō)，該設(shè)備通過(guò)乳膠氦氣球釋放，依靠氣球的浮力可以飛到近5000米高空，從而獲得自海面至到達(dá)高度之間的海霧/低云垂向光學(xué)結(jié)構(gòu)。

中國(guó)海洋大學(xué)科研人員在南極布放使用海霧光學(xué)剖面儀。

對(duì)極地海霧的觀測(cè)和研究，已成為當(dāng)下的前沿?zé)狳c(diǎn)課題。今年從南極科考回來(lái)的中國(guó)海洋大學(xué)助理工程師孫永明介紹，去年“雪龍”號(hào)在南極科考過(guò)程中意外與冰山碰撞，險(xiǎn)些釀成安全事故，主要原因在于現(xiàn)場(chǎng)突發(fā)的濃霧嚴(yán)重影響了駕駛?cè)藛T視線，無(wú)法及時(shí)規(guī)避航路上的冰山。因此，對(duì)極區(qū)海霧的認(rèn)識(shí)越多，就越可能從經(jīng)驗(yàn)性的認(rèn)識(shí)，上升到定量的、機(jī)制層面的認(rèn)識(shí)，更好地為極區(qū)生產(chǎn)活動(dòng)、航道利用以及科學(xué)研究提供服務(wù)。

推動(dòng)海洋儀器的自主研發(fā)及國(guó)產(chǎn)化，媲美甚至超越國(guó)外同等水平的海洋監(jiān)測(cè)設(shè)備，海儀所也在貢獻(xiàn)著自己的力量。近日，由海儀所參與研發(fā)的我國(guó)首套極區(qū)中低層大氣激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)技術(shù)暨業(yè)務(wù)試運(yùn)行驗(yàn)收。該系統(tǒng)與2019年部署完成的鈉熒光多普勒激光雷達(dá)系統(tǒng)相結(jié)合，首次在南極地區(qū)利用激光雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)極區(qū)大氣準(zhǔn)全高程地基同步觀測(cè)。

海儀所激光雷達(dá)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人王章軍介紹，實(shí)現(xiàn)極區(qū)大氣準(zhǔn)全高程地基同步觀測(cè)，需要多臺(tái)激光雷達(dá)配合才能完成。2019年部署完成的鈉熒光多普勒激光雷達(dá)由中國(guó)極地研究中心、武漢大學(xué)、中科院大氣物理研究所和海儀所聯(lián)合研發(fā)，可對(duì)80-110公里的大氣參數(shù)進(jìn)行探測(cè)。2020年，在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持下，開(kāi)始對(duì)觀測(cè)高度向下延伸，拓展了0-80公里范圍的大氣觀測(cè)。這個(gè)觀測(cè)范圍里的3臺(tái)激光雷達(dá)，分別由中科院大氣物理研究所、武漢大學(xué)、海儀所研發(fā)，組成了我國(guó)首套極區(qū)中低層大氣激光雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)。

目前，南極中山站共有4套大氣探測(cè)激光雷達(dá)在位運(yùn)行，無(wú)論是數(shù)量還是精度，都已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。據(jù)了解，海儀所接下來(lái)還將推動(dòng)激光雷達(dá)在北極的部署和應(yīng)用，力爭(zhēng)在極區(qū)大氣觀測(cè)方面繼續(xù)貢獻(xiàn)青島力量。

(青島日?qǐng)?bào)/觀海新聞?dòng)浾?李勛祥)