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科研前哨的传承、创新与守望 用所学服务国家需求

2021-09-30 09:49:23
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广阔的天地赋予了科研无限惊喜和动能。作为地球科学研究的前沿阵地,野外科学观测研究站(以下简称台站)遵循着观测、试验、研究和示范服务的科学定位。一代代科研人员从这里出发,登上冻土荒原、冰川之巅,探索高原无人区,走进戈壁沙漠,记录着地球的心跳脉动。“传承、创新与守望”,成为最终注解。

建站,用所学服务国家需求

从青藏铁路到冰川科研,从防风治沙到生态修复,在环境最恶劣的科研“无人区”、在祖国最需要的地方,总有野外科研人员的身影。

以建设难度超乎想象的青藏铁路为例。

在青藏高原可可西里多年冻土区腹地,以1961年成立的风火山冻土观测场和2001年成立的冻土工程国家重点实验室青藏高原研究基地为前身青藏高原北麓河冻土工程与环境综合观测研究站(以下简称北麓河站)依托原中国科学院寒区旱区环境与工程研究所于2008年正式成立。随着科研条件的改善,从甘肃向青藏高原不停移动的车辆和帐篷,终于变成了固定的办公室、实验室。

“台站共有200多个场/剖面,台站园区的科研用地130万方米,取样观测工作均在海拔4300米以上的地方,空气含氧量仅为陆地的61%。”中国科学院西北生态环境资源研究院(以下简称中科院西北研究院)研究员、北麓河站站长陈继说。依托观测和试验场地,该站形成了25个工程和环境方面的典型数据集,拥有青藏高原腹地多年冻土区时间序列最长、连续最好的气象和地温数据,有力支撑了青藏铁路等重大冻土工程的建设和运维。

北麓河站冻土工程与环境研究团队以此为基础,创造地提出了主动冷却、降低多年冻土温度的工程建设新思路和设计新原则,攻克青藏铁路建设中三大难题之一的“冻土路基”问题,有力支撑了青藏铁路、青藏公路和青藏直流输电线路的建设和运营,也为解决冻土相关的共问题提供了数据和技术支撑。2020年,北麓河站被列入科技部国家野外科学观测研究站择优建设名单。

“观测是第一位的。如果没有台站,就很难实现长期、连续地定点观测。”陈继说,目前的人工观测主要针对路基的冻胀、沉降、开裂等结构变形问题。“北麓河站每次观测需要花费一周时间,每个月需要观测2遍,仅格尔木市到安多观测段每年的观测路程就长达4万公里。”

“在全球气候、生态环境快速变化的背景下,冻土、气候、生态和工程的耦合作用更加复杂,对冻土工程稳定的影响更加难以准确预测,愈发需要通过开展长期定位观测、试验、研究、示范来给予解决。”陈继说。

示范,用成果支撑区域发展

云上雪峰指向蓝天,玉龙雪山脚下伫立着我国第一个以海洋冰川为观测、研究对象的国家级野外站,2006年原中科院寒旱所建立的玉龙雪山冰冻圈与可持续发展国家野外科学观测研究站(以下简称玉龙雪山站)。

中国海洋冰川区巨大的冰冻圈旅游服务效应和潜在冰冻圈变化风险,迫切需要对其进行定位监测,以揭示其冰冻圈动态变化过程机理及其综合影响,以服务区域可持续发展。而玉龙雪山作为欧亚大陆距赤道最、规模最大的冰冻圈分布区,1982年中科院西北研究院老一辈科学家相继在玉龙雪山以半定位方式开展冰川与环境的观测研究工作,直到2006年建站,才使其定位观测成为现实。

“2008年,我作为博士有幸参与到了玉龙雪山站的冰川观测研究之中,2013年,台站进入中国科学院高寒区地表过程与环境观测研究网络,2020年,进入科技部国家野外科学观测研究站择优建设名单。”中国科学院西北生态环境资源研究院研究员、玉龙雪山站站长王世金说,目前,台站已经形成包括冰冻圈气象、水文、物理化学特征、生态、环境、冰冻圈与可持续发展在内的多项观测网络体系,旨在为玉龙雪山冰雪旅游保护开发提供科技支撑,为区域冰冻圈防灾减灾提供理论基础。

物质衡测量花杆插了又倒,倒了又插,游客换了一批又一批,王世金却一直坚守在这里。他亲历见证了玉龙雪山站的成立、发展和壮大,带着团队成员将研究区域扩展至滇西北和四川。王世金介绍,“十四五”时期,玉龙雪山站将致力建成并完善玉龙雪山冰冻圈与可持续发展野外观测“一站四区”空间网络体系(一站:玉龙雪山站;四区:岗日嘎布、梅里雪山、贡嘎雪山、达古雪山),建成冰冻圈科学研究领域具有代表国家野外观测研究站,以提升野外站的科学观测和试验研究水,更好地服务玉龙雪山及其区域可持续发展。

观测,用塔群守护生态屏障

在敦煌设立的甘肃省戈壁荒漠生态与环境野外科学观测研究站、在武威设立的甘肃民勤荒漠草地生态系统国家野外科学观测研究站、甘肃省沙尘暴野外科学观测研究站,在玉门瓜州设立的甘肃省荒漠生态系统野外科学观测研究站等分布在河西走廊上,守护着我国西北地区防沙治沙的绿色屏障。

在巴丹吉林沙漠边缘,甘肃省民勤县东北约100公里处干涸的青土湖湖床上,坐落着兰州大学建立的甘肃省沙尘暴科学观测研究站。目前台站已形成占地169亩的网状观测塔群,可以在流向、展向及垂向开展沙尘暴多物理量的三维空间观测,是实现了对高雷诺数风速及在湍流风场作用下沙尘颗粒运动等参数进行实时同步观测的、国际上“独一无二”的沙尘暴三维空间观测台站。

“走进沙尘暴,观测它的发生发展规律;观测地表风沙运动规律,开展治沙防沙带示范工程建设和交通干线风沙防治应用。”兰州大学土木工程与力学学院院长、西部灾害与环境力学教育部重点实验室教育部重点实验室主任、台站站长黄宁介绍说,日常观测内容还涉及大气湍流-沙尘颗粒相互作用,这也是全世界最前沿的125个科学问题之一。

从2012年建成至今,观测台站开展了对三维风速、粉尘浓度、温湿度、能见度和风沙电场等物理量的长达5年共计超过15个月的野外实时同步观测,获得了净风及沙尘暴期间大气表面层湍流流动、沙尘浓度、电场强度时空演化等超过7500小时同步数据,观测到的湍流流动中的雷诺数Reτ接10的7次幂量级,是目前国际上大气表面层中获得的风速的最高值。初步建立的大气表面层高雷诺数流动及沙尘暴两相流动观测数据库,依托兰州大学2016年在全国高校率先成立的科学观测台站管理中心,实现了与相关研究团队进行共享,有力推动了高雷诺数壁湍流及风沙两相流的相关研究。

育人,以研究带动学科成长

在甘肃这片囊括了冰川冻土、高原寒漠、高山草原、河流湿地等特殊地质地貌的科研沃土上,自20世纪50年代起,中科院西北研究院、兰州大学等高校和科研院所以西部典型国土资源研究为主体,陆续建成27个台站。

台站不但为科学研究提供了大量、直接、综合和长期的第一手数据和资料,大大提高了科学研究的原始创新能力,更是成为培养造就优秀高科技人才的开放摇篮。几十年来,科研人员的足迹遍布祖国边疆的冰原雪域,从各个团队走出了中国科学院程国栋、赖远明、郑晓静等院士,用他们的坚守情怀和艰苦奋斗,让我国冻土、冰川、沙漠研究走在了世界前列。

以北麓河站的研究为基础,我国基本形成了系统的冻土科学研究体系,包括普通冻土学、冻土力学、冻土物理学和冻土工程学。玉龙雪山站已建成统筹冰冻圈与可持续发展于一体的冰冻圈科学研究基地,基础研究与社会应用服务相结合的科研示范基地,以及人才培养、科普与环境教育、教学实践实于一体的高度开放的学术交流与合作台。在甘肃,有很多专家学者一生与沙漠为伴,让科学治沙的甘肃名片走向世界。

“因为共同热爱的事业,从五湖四海走到一起。”开放包容的台吸引了不同专业的人,在这里来来往往交流研究,有的是通过项目、课题合作,有的是因为工作单位合作,有的是出于个人学术追求……

面对冰裂隙等车辆无法通过的路段,科研人员只能扛着设备一步步走到观测点;不畏高原反应、紫外线致盲等危险,他们的视野始终紧贴国家重大需求和国际学科前沿。这份热爱在每一个台站传递。

几次采访期间,我们目睹了中国科学院西北生态环境资源研究院和兰州大学主要野外观测研究站的基础设施、实验示范区等,亲自参与了他们的野外观测,体验了野外科研人员的艰苦生活和钻研精神。

“一个野外台站,就是一个微缩版的小社会,人不多,需要每个人能胜任几种工作,特点就是身兼多职。”说起台站里的生活,陈继打了个比方。野外科考,不仅要懂得观测、安装和维护监测设备,还要盖房子、修房子;不仅要管理好台站内部人员,还要对上级部门负责、妥善应对台站所在地区各个相关部门的管理要求;不仅要考虑运行经费来源,也要考虑高原观测、值守员工的安全。台站工作的开展总是受到多方限制,他们,逐渐锻炼成了多面手。

人才队伍不稳定、基本运行保障不足、工作环境艰苦是当前困扰各个台站发展的共同难题。为营造良好野外科研环境,促进高水科研成果产出,还需对台站运行维护和观测研究给予更多支持,吸引和培育高层次野外科研人才把论文写在祖国大地上,让祖国版图上的“科学宝石”更加熠熠生辉。张文丽  杜英

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关键词: 创新与守望 国家需求

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