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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。這也是世界范圍內已知的同類型同量級浮空器駐空高度的世界紀錄。

執(zhí)行此次科考任務的是第二次青藏科考水汽傳輸科考分隊。科研人員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。”中科院院士、第二次青藏科考首席科學家姚檀棟介紹，青藏地區(qū)是西風和季風相互作用的地區(qū)，而納木錯地區(qū)又是西風季風相互作用的轉換地區(qū)，“對于整個亞洲水塔的水汽來源，西風和季風分別起多大作用，這是個新問題。”

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、納木錯在內的“兩江兩湖”區(qū)域重要的觀測地。“江湖源頭的水，從大氣的水，到冰川、凍土、湖泊、地下水的轉換過程，我們要搞清楚。”姚檀棟說，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輸送高度的傳統(tǒng)認識。

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”。“我們必須搞清楚該區(qū)域雪、冰、水的變化，監(jiān)測水循環(huán)，以應對各種災害、風險。”姚檀棟說。

監(jiān)測第三極水循環(huán)，除了跟蹤氣溫、濕度、氣壓、降水、風速等傳統(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于水循環(huán)的信息。“極目一號”浮空器帶回的相關數(shù)據(jù)，告訴我們空氣中的水分是如何遠距離輸送，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”水的來源提供了關鍵科學數(shù)據(jù)和新理論基礎，也為全球變暖背景下青藏高原水—生態(tài)—人類活動鏈式變化應對策略的提出提供重要科學理論依據(jù)。

可進行垂直剖面和駐空觀測

執(zhí)行此次任務的“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用，可攜帶科學探測儀器進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”更適應高原復雜的風況，環(huán)境適應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計。“操作系統(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)視平臺運轉情況和地面氣象情況。”張?zhí)┤A說。

為更好服務第二次青藏科考，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)復雜和技術難度也逐漸遞增。

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。”張?zhí)┤A說，“極目二號”將于2020年底研制完成。

“極目三號”的目標是技術突破，設計駐空高度將超過珠峰高度，到達9000米。張?zhí)┤A說，9000米高空的空氣非常稀薄，風又大又亂，氣溫最低可達零下三四十攝氏度，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，電子元器件要適應低溫低氣壓環(huán)境，還要防止在干燥空氣中可能產生的靜電積累。而且，還要抵抗每秒20米的大風，根據(jù)空氣動力學特性對艇體要有相應的針對性設計。”張?zhí)┤A說，“極目三號”的平臺技術難度、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。目前正在進行關鍵技術測試和試驗，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參數(shù)的垂直剖面觀測。

對于廣袤、高海拔、復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)——印度季風和盛行西風。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。