“科學(xué)號”科考船破解世界難題 返回青島母港

昨天，中國新一代海洋綜合科考船“科學(xué)號”在完成2016年熱帶西太平洋綜合考察航次后返回青島西海岸母港。本航次，“科學(xué)號”不僅成功維護升級了我國西太平洋潛標(biāo)觀測網(wǎng)，獲取了2-3年的深海數(shù)據(jù)，還首次實現(xiàn)了深海觀測數(shù)據(jù)實時回傳，實時回傳將為國內(nèi)外利用潛標(biāo)陣列監(jiān)測和預(yù)報海洋環(huán)境提供行之有效的解決方案。

實現(xiàn)深海觀測數(shù)據(jù)實時傳輸

昨天上午，記者來到中科院海洋研究所薛家島碼頭，“科學(xué)號”正準(zhǔn)備靠岸。科考人員和科學(xué)號船員們都來到了甲板上，他們也等待著與家人團聚。當(dāng)“科學(xué)號”靠岸后,記者登上了甲板，映入眼簾的就是甲板上放置的一個大鐵籠，鐵籠里還有一個黃色的大球。據(jù)科研人員介紹，大球黃色外殼里面是兩個扣在一起的玻璃半球，學(xué)術(shù)用語是玻璃浮球，玻璃浮球是用來給水下設(shè)備提供浮力，這種玻璃浮球材質(zhì)特殊，十分堅硬，即便在深海極端環(huán)境下，也能保持很好的可靠性。

據(jù)項目負責(zé)人、中國科學(xué)院海洋研究所黨委書記、副所長王凡研究員介紹，本航次的最大亮點在于首次成功實現(xiàn)了深海觀測數(shù)據(jù)實時回傳，科學(xué)家可在辦公室實時掌握大洋的動力狀況，改變了以往潛標(biāo)數(shù)據(jù)只能每年回收一次的情況，成功破解了這一世界級海洋觀測難題。為了破解這一難題，本項目2016年組織了中國科學(xué)院海洋研究所和聲學(xué)研究所等單位聯(lián)合開展了深海潛標(biāo)數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)募夹g(shù)攻關(guān)，專家們研發(fā)了無線水聲通信和有線數(shù)據(jù)傳輸兩種方案，將深海觀測數(shù)據(jù)進行實時采集，并通過衛(wèi)星傳輸回岸基辦公室。 “特別驕傲的是，在本航次中無線水聲通信和有線數(shù)據(jù)傳輸兩種方案都成功了。 ”本航次首席科學(xué)家汪嘉寧告訴記者，“特別驕傲的是，在本航次中無線水聲通信和有線數(shù)據(jù)傳輸兩種方案都成功了。此次試驗成功，對于我國觀測西太平洋海面的環(huán)境與氣候有著重要意義，也將加速我國海洋業(yè)務(wù)化預(yù)報系統(tǒng)的完善和科研成果的產(chǎn)出，必將提高我國海洋環(huán)境和氣候的保障預(yù)測能力。

科學(xué)觀測網(wǎng)實現(xiàn)穩(wěn)定運行

2016年西太平洋綜合考察航次是中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項“熱帶西太平洋海洋系統(tǒng)物質(zhì)能量交換及其影響”的組成部分，調(diào)查內(nèi)容實現(xiàn)了多學(xué)科、多尺度和多水層的全覆蓋，更加突出對1000米以下深海大洋的觀測，更加突出對海洋小尺度湍流混合的全水層精細化觀測，全面服務(wù)走向深海的國家戰(zhàn)略。通過對觀測網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的維護和優(yōu)化，大洋上層洋流觀測的垂直分辨率已達到8米，大洋深層洋流和溫度觀測的垂直分辨率達到500米，全部觀測要素的時間分辨率達到1小時。西太平洋潛標(biāo)觀測網(wǎng)經(jīng)過我國科學(xué)家3年多的自主建設(shè)，成功獲取了熱帶西太平洋代表性海域連續(xù)2-3年的溫度、鹽度和洋流等數(shù)據(jù)，將為我國科學(xué)家探索研究熱帶西太平洋環(huán)流的三維結(jié)構(gòu)、暖池變異及其對中國氣候變化的影響提供寶貴數(shù)據(jù)資料。隨著觀測網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的逐年連續(xù)積累，對科學(xué)家研究解讀深海大洋所起的支撐作用將呈指數(shù)型增長。

潛標(biāo)記錄最強厄爾尼諾事件

王凡介紹，本航次歷時54天，航程7800余海里，成功回收2015年布放在這個海域的11套深海潛標(biāo)和300余件觀測設(shè)備，并重新布放14套深海潛標(biāo)和440余件觀測設(shè)備，再次刷新了單一航次布放、回收深海潛標(biāo)觀測設(shè)備數(shù)量最多的世界紀錄，實現(xiàn)了潛標(biāo)布放和回收作業(yè)常態(tài)化。 “在前幾年，我們一個航次大概只能完成一到兩套潛標(biāo)系統(tǒng)的作業(yè)，根據(jù)這幾年的經(jīng)驗積累，我們用自己設(shè)計的流程大大提高了科研效率。 ”據(jù)汪嘉寧介紹，之前的潛標(biāo)設(shè)計都是由國外完成的，經(jīng)過這幾年國內(nèi)海洋科研的發(fā)展，我們自主研發(fā)設(shè)計了潛標(biāo)設(shè)備搭載系統(tǒng)，平均一個潛標(biāo)我們可以配置57件科研設(shè)備，這大大提高了效率，我們的搭載系統(tǒng)都是國產(chǎn)的。現(xiàn)在我們一個航次平均可以實現(xiàn)25套次的作業(yè)，效率提高了十余倍。 ”汪嘉寧說，此次航行，科考隊員還進行了30余個觀測點的溫度、鹽度、溶解氧、營養(yǎng)鹽、洋流和湍流等綜合觀測。據(jù)了解，本航次潛標(biāo)回收數(shù)據(jù)恰逢本世紀最強厄爾尼諾事件生成、發(fā)展、消亡和向拉尼娜事件轉(zhuǎn)換的全過程，將會為科學(xué)家解讀氣候變化和其與暖池、大洋環(huán)流的關(guān)系等提供最新最直接的數(shù)據(jù)支撐。

本版撰稿攝影 記者 徐棟 通訊員 王敏

【對話】

實時傳輸難在哪里

出場人物：“科學(xué)號”本航次首席科學(xué)家汪嘉寧

記者：為何以前的數(shù)據(jù)只能一年回收一次?

汪嘉寧：海洋實時觀測數(shù)據(jù)長期依靠衛(wèi)星遙感和浮標(biāo)，科學(xué)家從中獲取數(shù)據(jù)，無法像衛(wèi)星遙感和浮標(biāo)那樣獲得實時數(shù)據(jù)，因為潛標(biāo)最上面一個浮體距離海平面還有四五百米，這些數(shù)據(jù)無法穿透海水傳輸?shù)叫l(wèi)星上。記者：實現(xiàn)實時傳輸?shù)募夹g(shù)難點在哪?

汪嘉寧：此次技術(shù)攻關(guān)的難點在于浮體與潛標(biāo)之間要建立穩(wěn)定的聯(lián)系，而在茫茫大海上施工也有很大的不確定性和難度。為了能破解難題，研發(fā)人員設(shè)置了一套特殊的浮體，而這個浮體另有乾坤，因為里面放置了一個數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)脑O(shè)備，這個航次中，科考隊員在水面上放置了這個包含數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)母◇w，它與潛標(biāo)通過無線和有線兩種方式連接。潛標(biāo)將數(shù)據(jù)傳輸給浮體，浮體發(fā)射到衛(wèi)星上，衛(wèi)星再反饋回陸地實驗室。浮體設(shè)計的是上圓下尖，外形像個圖釘，這種外形設(shè)計可以讓浮體克服海上的風(fēng)浪巨力，牢牢“釘”在海面上，也方便固定標(biāo)示海底潛標(biāo)的位置。記者：請介紹一下無線水聲通信和有線數(shù)據(jù)傳輸兩種方案。

汪嘉寧：在無限通信方案中，科研人員是利用聲吶技術(shù)，讓信號以聲吶為載體通過水傳到水面上，而有限數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崿F(xiàn)則得益于我們自主研發(fā)的海用線纜。我們的浮體和潛標(biāo)之間還有線纜連接，這個線纜必須要有很好的破斷力，不管在怎么惡劣的大海天氣中，都可以保證它不出現(xiàn)問題，韌性十足，另外，我們的線纜里還有一根通訊線纜，我們的通訊線纜也是破斷力很好。能夠?qū)崿F(xiàn)實時傳輸，這些技術(shù)都是不可或缺的。此次布防的深海潛標(biāo)中，有兩組潛標(biāo)每3個小時就會往回發(fā)送8封郵件，其中一封狀態(tài)郵件，7封數(shù)據(jù)郵件。記者：如何保證潛標(biāo)的電量工作一整年?

汪嘉寧：為了保證這些潛標(biāo)能工作一整年，科研人員在設(shè)計時使用了大容量的電池，而這些設(shè)備在工作時，也設(shè)計了十分嚴謹?shù)墓ぷ髁鞒獭２杉瘮?shù)據(jù)是十分消耗電量的，為了提高設(shè)備的功能效率，降低了采集數(shù)據(jù)的功耗，給設(shè)備加了自我識別工作系統(tǒng)，潛標(biāo)可以自我識別當(dāng)下的環(huán)境，避免無效和重復(fù)的采集，這大大降低了電量浪費率。我們的設(shè)備還可以智能地壓縮數(shù)據(jù)，實驗室里收到的數(shù)據(jù)都是壓縮過的，這也縮短了傳輸時間減少了能耗。