我国是极地考察的后来者。1984年10月,我国首次组队开展南极考察,我国极地科考开始进入发展快车道。40年来,我国已组织了40次南极考察、14次北极科学考察(北冰洋考察)和20次黄河站年度考察,全国400多家单位近万人参与极地科考工作,在极地大气、冰川、海洋、海冰、生物、地质、地球物理、空间物理、天文等领域取得了一系列科学考察成果,在人类探索极地的历史上书写了光辉篇章。
一、科学考察站建设
经过40年几代极地人的努力,我国已初步构建了“两船七站”的极地科考平台,为我国极地科考在深度和广度上的拓展提供了强有力的支撑。
1985年2月20日,中国南极长城站在乔治王岛举行落成典礼。长城站的顺利建成,揭开了我国建设南极考察站的序幕。1989年2月,我国在东南极洲拉斯曼丘陵上,南极圈内建起首个中国考察站——南极中山站。2009年1月27日,位于南极冰盖最高的冰穹A地区、我国首个南极内陆考察站——中国南极昆仑站正式开站。2014年2月8日,中国第四个南极考察站——中国南极泰山站正式建成开站。2018年10月18日位于冰岛北部凯尔赫的中-冰北极科学考察站正式运行,这是我国在北极地区除黄河站之外又一个综合研究基地。2024年2月7日,位于罗斯海恩克斯堡岛的中国南极秦岭站开站,该站是中国第五个南极考察站、第三个南极越冬站,它的建成填补了中国在南极太平洋扇区考察站的空白。秦岭站主体建筑面积5120 m3,是我国现有考察站里面积最大的单体建筑,可容纳度夏考察人员80人,越冬考察人员30人,并实现新能源利用率超过60%。
我国多个考察站同时也是国家野外科学观测研究站。2000年9月,长城站被科技部列为国家野外科学观测研究站(试点站),2006年11月被正式纳入国家野外科学观测研究站序列。2005年12月,南极中山站被纳入国家野外科学观测研究站序列。2021年10月,北极黄河站被科技部批准为国家野外科学观测研究站建设序列。
二、考察船平台建设
1984年,我国派出“向阳红10”号和“J121”号执行首次南极考察;1986年,中国南极考察开始使用“极地”号科学考察船。该船原系芬兰劳马船厂建造的一艘具有1A级抗冰能力的货船,中国购进后改装成南极科学考察船,并在完成了6个南极航次考察任务后,于1994年退役,其继任者为“雪龙”号。
雪龙”号极地科考船是我国第三代极地科学考察船,也是我国第一艘具有破冰能力的极地科学考察船。该船于1993年从乌克兰引进,经改造后于1994年投入使用。“雪龙”号后续经历3次改造,扩展了实验和作业空间,更新了观测装备,并加装了抗冰型深水多波束测深系统。“雪龙”号的入列极大地提升了我国的极地海洋调查能力,为我国极地海洋科学研究水平上台阶提供了关键平台。
“雪龙2”号极地考察船是中国第一艘自主建造的极地科学考察破冰船,于2019年7月交付使用。它是全球第一艘采用船艏、船艉双向破冰技术的极地科考破冰船,船艏和船艉均可进行破冰。虽然吨位比“雪龙”号小,但它能以2～3节航速连续破1.5 m厚的海冰。“雪龙2”号装备了国际先进的科考调查装备,与“雪龙”号实施“双龙探极”,为我国认知极地海洋、取得国际前沿研究成果提供了核心平台。
我国其他科考船也曾参与极地考察,成为我国极地海洋科考的有益补充。1990年10月—1991年5月,科考船“海洋四号”编入中国第七次南极考察队,在南极海域开展海洋地质与地球物理综合调查。2016年12月16日,编入中国第33次南极考察队的科考船“海洋六号”从智利瓦尔帕莱索港起航,前往南极开展为期4个多月的南极科考活动。科考船“向阳红01”号编入中国第34次南极科学考察队,开展南极半岛邻近海域综合调查。2019年8月10日“向阳红01”号从青岛起航,执行中国第10次北极科学考察任务。
三、极地观监测网建设
长期观监测是我国“认识极地、保护极地、利用极地”最为重要的手段。经过40年的努力,我国已在南北极构建了一个以自动化、智能化为特色的“天-空-地-海”立体观监测系统,为我国的极地科考提供了关键手段。
1.天基观监测网建设
高分系列卫星对极区的海冰监测主要依托于高分三号卫星(GF-3)合成孔径雷达(SAR)。GF-3于2016年发射,是中国首颗分辨率达1 m的C波段多极化SAR卫星,在2021—2022年间发射了2颗C波段SAR卫星,形成3星组网。通过与其他资源卫星数据结合,GF-3多次为极区航行提供浮冰的专题动态监测产品,保障了破冰船安全、迅速地在浮冰区穿行及停靠。在科学研究方面,GF-3主要应用于海冰范围监测和北极夏季海冰的分类目前已发展出海冰自动检测算法,实现了北极冰与水的无人干预分离。
风云三号(FY-3)系列卫星搭载了微波辐射成像仪(MW-RI),开启了国产微波传感器在海冰遥感领域的新纪元。迄今为止,FY-3系列卫星的微波传感器已为海冰研究提供了超过10年的观测资料,是国内海冰监测领域连续观测数据时间最长的卫星。
海洋水色卫星海洋一号C星(HY-1C)和海洋一号D星(HY-1D)分别于2018年和2020年发射升空。该系列卫星搭载了多波段水色扫描仪和海岸带成像仪,其中海岸带成像仪拍摄的光学影像已在中小尺度极区监测中得以应用,如南极地区的遥感影像制图、南极布伦特冰架监测、北极航道冰情监测等。我国新一代海洋三号水色卫星于2023年11月16日发射成功,是世界首颗针对全球多种水体、采用多种探测手段的高精度海洋水色观测卫星,可实现对全球大洋的水色、水温、海冰等要素的大范围连续动态监测。总体而言,海洋系列卫星在极地的应用聚焦于海冰监测,对其他极地要素如冰盖/冰架的监测和应用仍在起步阶段。
资源三号(ZY-3)卫星是中国第一颗自主研发的民用高分辨率立体测绘卫星,于2012年1月9日发射升空,其高分辨率影像已被成功用于南极冰盖和南极冰流场速度估算。2019年9月12日,我国发射了首颗极地遥感观测小卫星——冰路卫星,4年来已累计对地成像超过12000幅,分别完成了3次全南极洲和3次格陵兰全岛的全覆盖成像。
2.空基观监测子网建设
中国在极地航空领域的起步较晚。2007年12月26日,中国第24次南极考察队携带的一架无人机成功开展了拉斯曼丘陵地区的海冰观测,开创了利用无人机进行海冰观测的先河。2015年,中国购置了首架极地考察固定翼飞机(BT-67)并将其命名为“雪鹰601”,经设备改装后用于我国南极航空观测,中国极地考察迈入了“航空时代”。“雪鹰601”于2017年1月8日成功降落在位于南极冰盖最高区域冰穹A(海拔超过4000 m)的昆仑站机场。
“雪鹰601”搭载了以南极冰盖和南极大陆深部探测为主的机载地球物理科考系统,主要包括冰盖深部穿透航空冰雷达、航空重力仪和航空磁力计3套主要设备,以及激光高度计、航空相机和全球导航卫星系统(GNSS)等辅助设备,是目前国际上最先进的南极航空科考平台之一。“雪鹰601”针对极地环境和科学考察需求进行了改装,配备了雪橇板起落架,具备自动除冰功能,同时搭载多种科学观测设备,可完成快速运输、应急救援以及大范围陆表地形、冰下结构等航空科学调查等多种任务。我国因此填补了国际东南极伊丽莎白公主地冰下地形空白,并在泰山站附近冰盖底部发现了冰下湖——“麒麟湖”。
2016年至今,中国采用多旋翼无人机和复合翼无人机搭载测绘相机,对长城站、中山站、拉斯曼丘陵、罗斯海新站及周边企鹅保护区进行“多航线、多角度”的倾斜航空摄影飞行,获取厘米级高分辨率航空影像数据,结合街景工厂设备与技术,最大程度还原了航摄区域的地形地貌特征建立了具有“高精度、可量测”的站区真三维实景地图。近年来,“大白鲨”“极鹰II”等国产固定翼无人机已广泛应用于企鹅群、植被、冰川和海冰等航空遥感观测和地面/冰面勘测。从第39次南极考察开始,我国已创新性地利用悬翼无人机搜索潜标浮球并回收潜标,极大提升了作业效率。
3.陆/冰基观监测子网建设
我国已建成大气、生态、空间和天文观测系统。第24次南极科学考察期间,我国在南极中山站成功建立了大气本底监测站。在普里兹湾—艾默里冰架—冰穹A沿线布设了由11个自动气象站构成的阵列,此外,我国于2017年1月16日在南极昆仑站安装了自主研发的超低温自动气象站,使我国成为继澳大利亚和美国之后,第三个有能力在南极超低温地区开展连续自动气象观测的国家。2020年11月,我国在构建了极区空间环境观测系统的基础上,在南极中山站布设的首套极区中低层大气激光雷达探测系统通过验收。
昆仑站地区存在极夜现象,还具有环境温度低、光污染少、空气干燥洁净等特点,是进行地表天文观测的绝佳地区。我国分别于2012年1月和2015年1月安装了南极巡天望远镜AST3-1和AST-2,于2023年安装了太赫兹望远镜,并于2024年中国第40次南极考察期间安装了近红外望远镜,构建了观测阵列,为研究系外行星、宇宙和天体起源、暗物质、暗能量、地外生命等科学问题提供了有力支撑。
由于极地海洋考察主要集中在夏季,因而依托海冰的观监测设备就成为获取长期连续观测数据的关键。在第6次北极科学考察中,中国考察队首次选取在加拿大海盆安放3套深水冰基拖曳浮标。之后,我国加强了自主装备的研发,目前已研发了包括海冰漂移浮标、冰基自动气象站、海冰物质平衡浮标和海-冰-气无人冰站系统等一系列冰基浮标,其中,海-冰-气无人冰站观测系统是国际上首套采集冰上4 m至冰下200 m米共14个参数的综合冰基浮标。该系统目前已纳入业务化运行,并曾被北冰洋最大的国际合作项目——北极气候研究多学科漂流观测计划(MOSAiC)作为核心冰基浮标。
4.海基/海床基观监测子网建设
我国已自主研发了一大批海基和海床基观测装备,为极地海洋认知做出了积极贡献。我国已常规化在南极普里兹湾、宇航员海、罗斯海、阿蒙森海,以及北极楚科奇海台区等重点海洋布放和回收海床基潜标,获取长期连续水文数据和生源颗粒物通量样品,为研究极地海洋季节和年际变化提供了珍贵数据和样品。
南大洋西风带是气候变化研究的重点区域,但因环境恶劣,缺乏长期观测数据。2018年,针对极端环境深海观测浮标薄弱环节,我国自主研发了西风带水文气象观测浮标,并于2019年和2020年在我国第35次、36次南极科考中成功布放于目标海域,在国际上首次实现西风带核心区域的跨年度综合观测。此前,全球只有美国的伍兹霍尔海洋研究所在西风带海域成功布放过锚系浮标。此外,我国还研发了“蓝海星”漂流式海气界面浮标、“前哨”漂流式波浪谱浮标等装备,用于南极西风带组网观测。
我国已研发了北极冰下自主/遥控海洋环境监测系统、“探索1000”和“探索4500”水下自主机器人,其中“探索1000”自主水下机器人被应用于中国第36次南极科考,为考察队执行罗斯海多环境要素综合调查提供了技术支撑;“探索4500”是可进行海底精细声学探测和近底光学观测的4500 m级智能水下机器人,在我国第12次北极科考中,首次被用于北极高纬度海冰区近海底科考任务;而最新研制的“星海1000”极地探测无人潜器,参与了我国第13次北冰洋科学考察,搭载自主研发的多波束冰形探测声呐,完成了北极海冰冰底形态观测试验。
近年来,无人艇已广泛用于南极近岸海域的海底地形测绘。2014年,“精海2号”在罗斯海恩克斯堡岛附近海域为“雪龙”号找到了新锚地。2018年中国第34次南极考察期间,云洲无人艇被用于秦岭站附近海底地形测绘。2024年,中国第40次南极考察期间,“精海2号”被用于南极近岸海域海底地形地貌数据的采集。
四、极地采样装备研发与应用
中国与日本国立极地研究所合作,成功研制出适合昆仑站环境的4000 m液封式深冰芯钻机。中国第32次南极科学考察期间,我国在南极冰穹A地区进行深冰芯钻探,目前钻进深度累计803.5 m,填补了我国深冰芯钻探的空白。我国研发了国际首套无污染冰下湖钻,并于第38次南极科学考察期间,在中山站附近冰盖进行了现场测试,成功完成3次钻进与返回测试,累计钻进深度517 m。极地深冰下基岩无钻杆取芯钻探装备是我国首套可以钻取冰盖完整冰芯和冰下基岩的钻探装备。2019年,在中山站附近冰盖成功钻穿冰盖并获取完整冰芯和冰下基岩样品;2024年,中国第40次南极考察期间,成功钻穿554 m厚的冰盖,并获取48 cm的冰下岩心样品,使我国成为世界上第三个成功获取冰下基岩样品的国家。
我国自主研发了浮游生物高速采集器。该设备可以在船舶正常航行过程中进行海洋浮游生物采样,可应用于南极考察走航过程中的浮游生物采集,尤其是为南极磷虾研究提供大空间尺度上的样品和科学数据支撑。我国改进了沉积物捕获器,研制成冰基沉积物捕获系统,并在2019/2020年期间成功应用于MOSAiC计划的冰下沉积物通量的周年采集。
文章来源：节选自《中国极地考察40年进展与展望》，原刊于《极地研究》2024年第3期，转载请注明原出处、作者信息及由中国海洋发展研究中心编排
作者：刘顺林，中国极地研究中心（中国极地研究所）研究员
