挺进深海大洋

——中国科学院西太平洋科学观测网建设历程

2017年03月06日08:38  来源:科技日报
 
原标题:挺进深海大洋

  2010年航次首套潜标布放过程(主浮球布放)

  2015年西太航次王凡(二排右二)及考察队员合影(每次过赤道,船上会有小小的仪式)

  2016年航次潜标实时化传输系统水面浮体布放

  2016年12月10日,随着一封电子邮件的到来,热带西太平洋科学观测网的科学家团队们兴奋高呼“数据成功传回了!”。

  这封邮件是深海潜标数据实时传输系统从深海中传来的第一个实时数据,观测网从最初的科学构想变成了现实,攻克了数据实时传输的难题。

  然而,这一路走来,并非一帆风顺,可任何困难都没有动摇过中国科学院海洋研究所王凡研究员及其团队的决心。

  攻坚克难,潜标布放首获成功

  2010年11月15日,“科学一号”自青岛起航,王凡担任航次首席科学家,带领中科院海洋所的科学家团队,在热带西太平洋成功布放了第一套深海潜标。

  “所谓深海潜标是一个自海底至海面的锚系观测系统,海底处由重力锚固定位置,海底至海面由缆绳贯穿,整条缆绳的不同深度上固定有观测设备及提供浮力的浮球,保证缆绳基本垂直状态,各个设备就可长时间观测不同深度的海洋水文要素。”王凡解释潜标的设计原理。

  作为科学观测网项目的负责人,王凡从最初的第一套潜标开始,就与他的同事们一起,对这其中的技术难点进行逐一攻克。

  “实际设计和操作过程是非常复杂的,深海大洋中,海面风浪千变万化显而易见,而看不见的还有海底地形沟壑纵横、海洋内部激流暗涌,所以设计、布放潜标并保证其能长时间安全运行,可是耗费了我们团队的不少心力啊。”王凡回忆起来忍不住有些感慨。

  “第一套潜标我们初步确定在深达万米的菲律宾海沟西侧陡坡上进行布放,布放的理想区域只有2公里见方,在此处布放潜标就如同在狂风呼啸的万米悬崖上扔下一串石头,而石头必须不偏不斜地落在峭壁上的方桌上,其难度可想而知。”该航次队长张林林介绍。

  当时船舶条件落后,团队也缺少经验,他们反复观摩了国际上其他国家的潜标布放视频,航次前方案的专家论证会召开了10次之多,不放过任何细节。根据潜标布放的不同技术环节,设计了作业流程图,并明确标明每个队员在不同环节的位置和工作,并据此进行了多次“实战演习”。在团队的共同努力下,才终于成功完成了第一套潜标的布放,迈出了关键的第一步。

  科学家团队攻克了潜标的技术难题,终于乘风破浪而出,严阵以待地准备着潜标布放前最后的工作,而海上恶劣的自然条件与简陋的工作生活条件,也给他们造成了不小的困难。

  在“科学一号”科学考察船出海大概4—5天后,经过风大浪急的吕宋海峡,风浪高达4—5米,大部分队员晕船反应严重,呕吐和难以进食导致的虚弱和眩晕,折磨着队员们紧张的神经。

  但潜标布放这关键的最后实施怎能就此松懈,队员们互相支持与鼓励着克服困难,在风浪的挑战下坚持完成了既定的任务与工作。

  当时的“科学一号”没有海水淡化系统,船上的淡水十分宝贵,首先要保证的是基本饮水需要,个人洗漱极尽节省。热带西太平洋上气温平均37摄氏度左右、甲板温度高达50摄氏度以上,队员们每天在甲板上工作,烈日炎炎下转眼就汗流浃背了,回去休息时也无法痛快地洗个澡、换套衣服。

  “当时宿舍里的味道可真是‘一言难尽’呀!”考察队员王富军笑着说起来,“潜标布放成功以后,让队员们痛快地洗了一次澡那也算是‘奢侈’的奖励了。”队员们在工作任务完成上几近苛求,生活条件却是能将就则将就,当时的困难,都是现在他们嘴里的趣事了。

  精益求精,科学观测网初步构建

  2015年,在中国科学院先导性科技专项的支持下,王凡团队搭载了我国首艘新一代科学考察船“科学号”,回收15套深海潜标,维护后新布放13套深海潜标。

  与5年前一个航次完成2套潜标相比,目前团队的对于潜标回收及布放的工作效率可谓突飞猛进。王凡再次担任航次首席,带领考察队员顺利完成了任务,完成了初步构建中深层潜标观测网的目标。

  这一航次潜标回收、维护及布放套次突破20套,数量多是一大挑战。在航次之前,王凡与中科院院士胡敦欣组织科学家团队就潜标的选址、仪器的设计集成、人员的安排调配以及航线任务的规划都进行了反复的会商研讨。

  航次方案改了又改,为的是利用有限的设备、船上空间、人员和航次经费,进行最优的排列组合,完成需要实现的科学目标的观测。

  相比于第一次布放的潜标,现在组成观测网的潜标设计更为复杂,每套潜标上的仪器设备数目由原来的几套升级为十几套。为了达到预期的科学目标,从潜标设计开始,包括不同深度观测要素设计、仪器的布置安排、各个深度浮球的数据等全部细节都需要经过准确的计算。“差之毫厘,失之千里。”

  王凡说:“科学严谨是我们必须秉承的态度,航次前的每一次研讨改进,都是我们最终能成功的基础。”

  “在这个航次中,布放1套潜标(包括前期准备及后续定位)平均用时7.76小时,回收1套平均用时5.28小时,两组人员轮换工作,平均每组需要12人。”航次的队长汪嘉宁对航次中每一个环节的数据了如指掌。

  为了对于潜标回收布放有更科学的认识和分析,他们在开展航次工作的同时,对潜标工作中的各个环节都进行了科学设计、合理分工,并统计多套潜标操作过程中的各项数据。

  “科学家说话都要有根据的,数据就是我们最有力的工具,这些实际工作的各项数据都是我们宝贵的经验,我们一定要好好利用起来。”王凡组织团队基于大数据,对各项指标进行量化分析,进而建立起一套科学有效的工作流程。

  凝心聚力,数据实时传输实现

  2016年10月—2017年1月,王凡团队搭载“科学号”考察船,再次进行了西太平洋科学观测网的维护升级,历时54天、航程7800余海里,成功完成11套深海潜标的回收和14套深海潜标的布放任务,并实现了深海潜标数据实时化传输的这一重要技术突破。

  “2015—2016两年来潜标的成功回收率达到96.2%,这标志着潜标观测网已经实现了稳定运行,实现了潜标布放和回收的标准化、批量化和常态化,这在国际海洋观测网建设中也是首屈一指的。”王凡自豪地介绍,“这标志着我们的科学观测网已经实现了稳定运行。”

  如今,观测网已成功获取西太平洋代表性海域连续2—3年的温度、盐度和洋流等数据,一方面将为探索研究热带西太平洋环流的三维结构、暖池变异及其对气候变化的影响提供宝贵数据资料,提升我国海洋探测和深海科学研究能力,另一方面将加速我国海洋环境和气候预报能力的提高,为保障国家的海洋环境安全提供科学支撑。

  在数字化和信息化高速发展的今天,人们逐渐习惯并享受实时性和准确性带来的便利,但在深海大洋研究上,要想获得海洋内部最新最准确的数据却并非易事,甚至被视为世界性的难题。

  深海潜标最上面一个浮体距离海平面还有四五百米,这些数据很难穿透海水传输到卫星上。如何实现潜标观测、数据水下采集和传输、卫星通信等多系统集成,并设置好其工作程序,降低功耗实现长时间稳定工作是深海数据实时传输的难点。

  王凡说:“海上现场作业具有很大的不确定性和工程难度,潜标的布放是一个压力和张力快速变化的过程,如何在这一过程中保证实时传输系统设备的正常工作是另一个难点。”

  在本航次中,中科院海洋所和声学所联合开展技术攻关,研发了无线水声通信和有线数据传输两种方案。最终,实时数据传输的两套方案均获试验成功,科学家和业务用户可以通过电脑或手机终端实时掌握深海大洋的动力状况。

  “数据每小时回传一次,打开手机就可以看到远在西太平洋的深海潜标刚刚传回来的深海观测数据,包括大洋上每8米一层的洋流的流速、流向等。”在该航次中担任首席的汪嘉宁兴奋地说,“我们也在深海大洋实现了‘现场直播’了。”

  历时七年,王凡带领的科学家团队一步一步地向他们的目标扎实迈进,热带西太平洋科学观测网成功构建并升级,在世界海洋科考史上都具有重要意义,对我国深海探测能力提升意义重大。

  而他们并没有就此止步,在2017年的计划中,他们将全面升级数据实时化传输潜标,旨在建成我国的西太平洋实时化传输潜标观测网。

  “对深海大洋的探索我们只能算是刚刚起步,要走的路还长着呢,我们的团队中不乏年轻的骨干力量,将会继续投入到下一步工作中去。我们想要将这自主建设的科学观测网长期运行下去,帮助中国的科学家在世界海洋观测研究及气候预测领域实现领跑。这是我们的‘野心’,更是我们的责任。”王凡对未来笃定而清晰,对理想坚定而执着。(李彦青)

(责编:贺迎春、熊旭)

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