南极普里兹湾固定冰预报系统研发纪实

　　到南极开展科学考察、建站、越冬……人员和物资运输是重要环节，需要科考船安全穿越冰海完成任务。其中，南极普里兹湾区域冰坚且厚，最为艰难。

　　国家海洋环境预报中心组织攻关团队历时3年，成功研发出南极首个区域固定冰预报系统——普里兹湾固定冰预报系统。该系统面向中国南极考察队提供业务化服务，填补了该研究领域的技术和数据空白。

　　“系统可以提供包括积雪和海冰的厚度、温度、融化情况在内的诸多参数。”研发人赵杰臣是国家海洋环境预报中心极地室工程师，他说，“这就像是给随船预报员添加了‘新工具’，从而帮助破冰船在茫茫海冰中找到合适的破冰线路。”

　　潜心研究铸“利器”

　　我国南极中山站所在的普里兹湾区域，沿岸常年被1~2米厚的固定冰覆盖，对极地考察船抵近站区和实施冰上卸货造成严重阻碍和安全风险。受南极特殊地理位置和恶劣环境的限制，卫星遥感是当前对固定冰进行大范围观测的唯一有效手段。

　　但是，卫星遥感主要针对海冰的面积进行观测，目前国际上尚无成熟的卫星产品提供大范围南极海冰厚度信息。“对于我国极地科考破冰船来说，海冰厚度是一个重要的航行参考数据。”赵杰臣说。

　　2011年，赵杰臣作为中国第28次南极考察队队员，前往南极中山站执行越冬考察任务，主要负责气象和海冰的观测预报。

　　“每隔7天观测1次冰雪的厚度，当时，站上用的还是手控的钻冰装备，冬季最冷的时候钻一次冰需要4个小时左右，非常辛苦。”赵杰臣回忆，每当“雪龙”号极地考察船抵达普里滋湾陆缘冰时，都要派人冒险测冰，寻找合适的破冰和卸货路线。

　　15个月的漫长越冬生活中，赵杰臣萌生了一个想法。“能不能做一个南极固定冰的预报系统？”工作之余，赵杰臣开始着手研究固定冰的变化规律和机理。

　　2013年，完成越冬考察任务的赵杰臣返回国内，研发固定冰预报系统的念头不但没有消退，反而更加强烈了。他开始不断查找国内外的相关资料，寻找可借鉴的经验和技术。

　　遗憾的是，赵杰臣多方查阅也没有发现国际上有固定冰预报的案例。“虽然当时国际上有成熟的大尺度海冰预报模式，但是经过研究后证明，这种海冰预报模式并不适用固定冰预报。”赵杰臣解释，“大尺度海冰预报模式主要是和动力学相关，比如漂流轨迹等要素，对热力学的刻画比较粗糙，而固定冰的厚度变化主要是受热力学影响。”

　　此时他的研究似乎进入了一个僵局。但很快，事情又有了转机。

　　2014年，赵杰臣被单位派往芬兰学习交流。其间，他和芬兰气象研究所的知名海冰热力学专家程斌博士一起工作，对方对赵杰臣的想法非常感兴趣，并提供了很多研发思路。赵杰臣意识到自己过去对普里兹湾海冰的研究少，对海冰生消的关键机理了解不足，而摸清机理是研发系统前置条件。

　　回国后的赵杰臣决定，先通过和国外专家合作，汲取他们在海冰机理研究方面的历史积累和先进经验，深入研究固定冰变化机理，然后再着手研发系统。

　　在随后3年的时间里，赵杰臣先后在普里兹湾海冰生长特性、空间分布规律、多年冰生消机理、积雪对海冰的影响等方面发表了一系列有影响力的科研成果，基本厘清了该区域固定冰的生长和消融机理，为后续模式的选择和系统的建设奠定了坚实的理论基础。

　　结合我国科学家过去三十多年对普里兹湾海冰的研究成果，赵杰臣最终确定了卫星遥感和数值模拟相结合的研发思路。主要利用可见光和合成孔径雷达等高分辨率卫星遥感产品来监测固定冰的生长、破碎等空间范围的变化，同时选用一维高分辨率热力学冰雪数值模式，来模拟海冰的生消过程，包括积雪和海冰内部的热传导过程、雪/冰温度剖面的演化，以及雪/冰质量平衡过程等。

　　经过数次的方案改进和实验模拟，赵杰臣团队于2017年初步研发出了“南极普里兹湾固定冰预报系统”。

　　“该系统利用卫星遥感和数值模拟相结合的手段，可以准实时获取固定冰范围的动态变化。中山大学教授惠凤鸣团队近年来研发了自动判断提取南极海岸线和固定冰外缘线的卫星遥感技术，正好用于我们的系统里，是一个科研成果转化为业务应用的典型例子。”赵杰臣介绍，“系统通过模拟积雪和固定冰的能量和质量平衡过程，从而提供未来10天的雪厚、冰厚、积雪融化、冰表面融化、冰内部融化、冰底部融化、雪冰比例等参数的预报信息。”

　　不断完善升级

　　固定冰预报系统研发出来之后，便进入了试运行阶段。然而，最初的应用结果有些不尽人意。

　　“我们把系统的预报信息和现场人工观测的结果比对后，发现个别位置的预报误差比较大，达到了20%。”赵杰臣说，“主要原因在于南极现场‘风吹雪’现象比较常见，但目前系统里还不能准确描述这一过程，我们输入的降雪量受风吹的影响产生了变化，导致最终的计算数值存在偏差。”

　　发现问题后，赵杰臣总结分析了过去10年中山站现场观测的风速和积雪厚度数据，提出了一种处理“风吹雪”过程的初步方案，再次对系统进行了完善。

　　随着研究的不断深入，系统经过了多次更新升级。“前后经历了3个版本，最新版本主要输入了包括空气温度、湿度、风速、云量、太阳辐射、降水、海洋热通量等要素，基本涵盖了影响固定冰厚度变化的主要热力学过程，因此系统预测出的信息准确度大幅提升。”赵杰臣说，“最新版本的预报信息与中山站的现场观测数据比较得知，模拟的海冰厚度在一年尺度时间序列上存在偏差约0.14米±0.07米，大约占最大海冰厚度的10%，符合海冰服务保障的误差要求。”

　　“普里兹湾区域的埃默里冰架实际上对固定冰存在较大的影响，一方面冰架产生的过冷水会影响海冰生长，另一方面冰架的崩解会改变固定冰的分布。”赵杰臣说，中山大学教授程晓团队利用我国的首颗极地遥感小卫星“冰路卫星”，及时监测跟踪2019年的埃默里冰架大崩解事件，为我们系统的边界更新提供了数据支撑。”

　　助力“双龙探极”

　　2019年，我国开启“双龙探极”，“雪龙”号和我国自主建造的第一艘极地考察破冰船“雪龙2”号首次组成编队赴南极开展科学考察。“雪龙2”号的破冰“首秀”，更是吸引了国内外公众的关注。

　　2019年11月20日，“雪龙”号、“雪龙2”号穿越乱冰区，抵达距离中山站约24公里的陆缘冰外围，面对这块难啃的“硬骨头”，考察队临时党委连夜分析研判冰情，商讨合适的破冰和卸货路线。

　　国家海洋环境预报中心是南极考察队的重要保障支撑力量之一。其间，中心海冰预报团队与两船船长保持密切联系，及时获取现场冰情信息，不断完善海冰预报预测信息。其中，赵杰臣团队研发的固定冰预报系统发挥了重要作用。

　　最终，考察队根据中心海冰预报团队给出的海冰预报信息，结合现场考察队员的探冰，为“双龙”选择了一条合适的破冰路线。

　　11月22日~23日，“双龙”先后抵达神州湾附近，此时科考船的左舷距离陆地只有两三百米。

　　“这是中国南极考察中山站卸货史上从未有过的场景。”中国第36次南极考察队领队夏立民激动地说，“在‘雪龙2’号的帮助下，‘雪龙’号成功突破了所有的海冰裂隙，将此次中山站冰面运输的安全风险降到了最低，也让此次卸货更加方便顺畅。”

　　目前，该系统已在我国第34、35、36次南极科学考察期间进行了示范应用，实现了业务化试运行，为考察队在普里兹湾开展冰区作业提供了重要参考，得到了”“雪龙”号船长和考察站领导的肯定，为极区航行安全保障提供了新的手段。

　　南极“客户”稀少，现在赵杰臣又将目光瞄准了北极。“北极航道内的海冰以固定冰为主，接下来我们会对该系统进行完善升级，既为我国北极考察队冰区航行做好安全保障，也对我国北极商船提供技术支撑。”

　　延伸阅读

　　南极固定冰“小课堂”

　　● 什么是固定冰？

　　按照世界气象组织的定义，固定冰是指冻结于大陆或岛屿沿岸、冰架前端、浅滩或接地冰山周围的、不随风和洋流漂移的海冰。南极固定冰多为一年冰，在南极秋末冬初的时候开始生长，10月或11月范围达到最大值。随着南极春夏季节到来，除个别区域存在常年不化的多年固定冰外，大部分固定冰会融化或破碎。

　　中山大学教授程晓介绍，固定冰虽然在较长时间内维持在某个固定位置，不会随洋流或者风场发生水平运动，但会在潮汐、涌浪作用下做上下垂直运动。

　　● 固定冰分布受什么影响？

　　大型冰山的搁浅和漂移会导致固定冰的分布和范围发生显著变化。

　　程晓介绍，一方面，大型冰山接地后会阻碍海冰运动，导致海冰堆积而逐渐形成固定冰，冰山漂离后，固定冰区就会消失；另一方面，当冰山距离海岸一定范围内，在共同锚定作用下，两者之间可以形成连续的固定冰冰区，随着冰山漂移导致距离超过一定限度后，这种共同作用消失，固定冰范围也会急剧减小。

　　● 为什么开展南极固定冰研究？

　　程晓说，准确的固定冰数据可以提高南极近岸区域海—冰—气热交换的评估精度，为冰架稳定性以及生态系统的研究提供重要的数据支持。

　　“固定冰与很多近岸冰间湖的形成密切相关。”程晓介绍，冰间湖指的是达到结冰温度的天气下仍长期或较长时间保持无冰或仅被薄冰覆盖的冰间开阔水域，是海洋动物换气和觅食的“绿洲”。固定冰发生变化时，会导致其下游侧冰间湖的范围出现变化，进而对海洋动物的活动产生影响。