“極目一號”浮空器

　　近日，由中科院空天信息研究院研制的系留浮空器——“極目一號”浮空器在西藏納木錯地區(qū)成功挑戰(zhàn)海拔7003米的高度。這也是世界范圍內(nèi)已知的同類型同量級浮空器駐空高度的世界紀(jì)錄。

　　執(zhí)行此次科考任務(wù)的是第二次青藏科考水汽傳輸科考分隊?？蒲腥藛T在納木錯多圈層綜合觀測站開展區(qū)域水循環(huán)觀測研究，利用“極目一號”浮空器綜合觀測地表至海拔7000米高空的大氣水汽穩(wěn)定同位素、大氣黑碳和大氣甲烷含量等大氣組分，首次獲得了青藏高原海拔7000米高空的大氣組分變化科學(xué)數(shù)據(jù)。

　　揭示“亞洲水塔”水的來源

　　“浮空器上到海拔7000米以上測大氣中的水汽穩(wěn)定同位素，在世界上是第一次，在青藏高原上更有它的特殊意義?！敝锌圃涸菏?、第二次青藏科考首席科學(xué)家姚檀棟介紹，青藏地區(qū)是西風(fēng)和季風(fēng)相互作用的地區(qū)，而納木錯地區(qū)又是西風(fēng)季風(fēng)相互作用的轉(zhuǎn)換地區(qū)，“對于整個亞洲水塔的水汽來源，西風(fēng)和季風(fēng)分別起多大作用，這是個新問題?！?/p>

　　納木錯是青藏高原第二大湖泊，位于藏北羌塘高原東南部，湖面海拔4718米。納木錯流域地處青藏高原腹心地帶，是第二次青藏科考包括長江、怒江、色林錯、納木錯在內(nèi)的“兩江兩湖”區(qū)域重要的觀測地?！敖搭^的水，從大氣的水，到冰川、凍土、湖泊、地下水的轉(zhuǎn)換過程，我們要搞清楚?！币μ礂澱f，這次通過浮空器現(xiàn)場觀測，發(fā)現(xiàn)了從東南方向來的水汽輸送，這超出了過去對印度季風(fēng)輸送高度的傳統(tǒng)認(rèn)識。

　　青藏高原作為世界第三極，是僅次于南極、北極的冰雪儲地。亞洲十多條大江大河發(fā)源于此，供養(yǎng)了世界上五分之一的人口。當(dāng)前，第三極大部分冰川正在退縮，湖泊正在擴張，氣候變化加速改變著這座“亞洲水塔”?！拔覀儽仨毟闱宄搮^(qū)域雪、冰、水的變化，監(jiān)測水循環(huán)，以應(yīng)對各種災(zāi)害、風(fēng)險?！币μ礂澱f。

　　監(jiān)測第三極水循環(huán)，除了跟蹤氣溫、濕度、氣壓、降水、風(fēng)速等傳統(tǒng)氣象要素外，還需要通過測量大氣水汽中氫和氧穩(wěn)定同位素比率來獲得更多關(guān)于水循環(huán)的信息。“極目一號”浮空器帶回的相關(guān)數(shù)據(jù)，告訴我們空氣中的水分是如何遠(yuǎn)距離輸送，又在大氣邊界層經(jīng)歷了什么樣的變化過程，為揭示“亞洲水塔”水的來源提供了關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)和新理論基礎(chǔ)，也為全球變暖背景下青藏高原水—生態(tài)—人類活動鏈?zhǔn)阶兓瘧?yīng)對策略的提出提供重要科學(xué)理論依據(jù)。

　　可進(jìn)行垂直剖面和駐空觀測

　　執(zhí)行此次任務(wù)的“極目一號”浮空器是高原體驗版，體積2300立方米，是我國同量級流線型浮空器在青藏高原的首次成功應(yīng)用，可攜帶科學(xué)探測儀器進(jìn)行垂直剖面和駐空觀測。

　　高原體驗版的“極目一號”和普通浮空器有什么區(qū)別？中科院空天信息研究院系留浮空器執(zhí)行隊長張?zhí)┤A告訴科技日報記者，“極目一號”更適應(yīng)高原復(fù)雜的風(fēng)況，環(huán)境適應(yīng)性和抗太陽輻照能力更強，平臺的電磁兼容性能作了特殊設(shè)計?！安僮飨到y(tǒng)也盡可能半自動化，減少人的體力操作。也研制了無線監(jiān)視系統(tǒng)，可以實時監(jiān)視平臺運轉(zhuǎn)情況和地面氣象情況?！睆?zhí)┤A說。

　　為更好服務(wù)第二次青藏科考，中科院空天信息研究院將自主研發(fā)“極目一號”“極目二號”和“極目三號”浮空器。這3款浮空器體積從小到大，駐空高度由低到高，系統(tǒng)復(fù)雜和技術(shù)難度也逐漸遞增。

　　張?zhí)┤A介紹，“極目二號”是科考定制版，將為第二次青藏科考量身打造，設(shè)計駐空高度為海拔7000米，將在藏東南魯朗站，藏中部珠峰站、納木錯站，藏西部慕士塔格站等多站點通用。“這些不同區(qū)域的海拔、濕度、高空風(fēng)場、太陽輻照情況相差很大，需要從多方面綜合考量，拿出最優(yōu)化的方案?！睆?zhí)┤A說，“極目二號”將于2020年底研制完成。

　　“極目三號”的目標(biāo)是技術(shù)突破，設(shè)計駐空高度將超過珠峰高度，到達(dá)9000米。張?zhí)┤A說，9000米高空的空氣非常稀薄，風(fēng)又大又亂，氣溫最低可達(dá)零下三四十?dāng)z氏度，對于整個系統(tǒng)來說難度很大。“浮空器體積要在6000立方米以上，電子元器件要適應(yīng)低溫低氣壓環(huán)境，還要防止在干燥空氣中可能產(chǎn)生的靜電積累。而且，還要抵抗每秒20米的大風(fēng)，根據(jù)空氣動力學(xué)特性對艇體要有相應(yīng)的針對性設(shè)計?！睆?zhí)┤A說，“極目三號”的平臺技術(shù)難度、駐空高度、攜帶載荷所取得的可能成果，都有望是空前和突破性的。目前正在進(jìn)行關(guān)鍵技術(shù)測試和試驗，有望于2021年底研制完成。

　　同步觀測大氣物理與化學(xué)等參數(shù)

　　浮空器升空過程中，多種儀器將同步觀測大氣物理與大氣化學(xué)等多種參數(shù)。第二次青藏科考水汽傳輸觀測分隊介紹，自2017年11月至2019年4月，科考隊已在藏東南魯朗地區(qū)、珠峰地區(qū)利用同類大型浮空器開展了5次水汽穩(wěn)定同位素、大氣黑碳和甲烷濃度等科學(xué)參數(shù)的垂直剖面觀測。

　　對于廣袤、高海拔、復(fù)雜多變的第三極地區(qū)來說，過去沒有條件，靠科研人員的腳步丈量冰川，只能獲取平面二維數(shù)據(jù)；現(xiàn)在，長得萌萌的浮空器就像在7000米高空上觀測第三極的眼睛，從第三個維度追蹤水循環(huán)，監(jiān)測地面和空中液態(tài)水、冰和水汽的變化。

　　正是通過監(jiān)測水中的穩(wěn)定同位素，將水蒸氣流引向第三極的兩種氣候模式被發(fā)現(xiàn)——印度季風(fēng)和盛行西風(fēng)。印度次大陸在春夏季變暖的時候，大氣對流會將水分從孟加拉灣、阿拉伯海和印度洋吹向北方。這會在喜馬拉雅山脈等地方形成降水。強西風(fēng)還會將地中海的水分帶到第三極地域的北部和西部。

　　水汽穩(wěn)定同位素信息記錄下了冰川表面和大氣每天變熱、變冷的時候，水分是如何從中釋放到空氣里的。但目前還有很多問題待解。中科院青藏高原研究所研究員高晶說，例如水在固、液、氣三相間轉(zhuǎn)化對該區(qū)域水循環(huán)有什么影響；不同過程在區(qū)域水循環(huán)中所發(fā)揮的作用，還缺乏定量的理解；氣溶膠和冰磧物對冰川的積累和融化有什么影響等。

　　水循環(huán)必須從三個維度進(jìn)行追蹤和監(jiān)測，同時還要監(jiān)測其變化。浮空器的加盟為回答上述問題提供了可能。

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