陳正偉 裴寧

摘 要：中國計劃在羅斯海西岸的維多利亞地附近建立第5個南極考察站，第29次至第33次南極考察隊連續(xù)5年開展了現(xiàn)場選址勘察工作。作者隨中國第31次南極科考隊，在羅斯海西岸難言島上設(shè)置自動驗潮站采集水位數(shù)據(jù)，使用多波束測深系統(tǒng)對附近海域進行全覆蓋掃測，為新錨地的發(fā)現(xiàn)提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)， “雪龍”號科考船成功拋錨?？偨Y(jié)考察經(jīng)驗，為南極海洋測繪提供借鑒。

關(guān)鍵詞：海洋測繪；南極科考；多波束；全覆蓋掃測；錨地；高程基準

0 引 言

從1984年起，我國已經(jīng)進行了30多次南極科學(xué)考察活動，開展了海洋、氣象、冰雪、空間、遙感、生物生態(tài)、地質(zhì)、地球物理和測繪等學(xué)科的考察與研究，在一些重點領(lǐng)域取得了突破性進展。

我國的南極科學(xué)考察事業(yè)起步較晚，但起點較高，已先后建立了“長城”“中山”“昆侖”“泰山”等考察站，近階段計劃在羅斯海西岸的維多利亞地附近建立第5個考察站，第29次至第33次南極考察隊連續(xù)5年開展了現(xiàn)場選址勘察工作。

1 需 求

極地考察需要大量的物資、能源支持。極地考察船是具有破冰能力的綜合測量考察船，隨船搭載有極地考察和建站必需的工程機械、運輸工具和各種考察設(shè)備。南極大陸與其他大陸不僅相距遙遠，而且周圍還被數(shù)公里乃至數(shù)百公里的冰架和浮冰所環(huán)繞，周圍海洋中還漂浮著數(shù)以萬計的巨大冰山，給海上航行帶來了極大的困難和危險。

鑒于南極大陸附近海域的特殊性，開展海洋測繪存在諸多困難。目前，環(huán)南極水下地形資料極度缺乏，在極地海域，全球范圍內(nèi)只有小比例尺海圖，尤其是南極沿岸大比例海圖資料接近空白。海圖資料大部分年代久遠，其精度和時效性都難以滿足人類日益頻繁的南極科考之需。

由于缺乏精確的海圖資料，大型科考船在靠近南極大陸作業(yè)以及對科考站進行補給時無法找到合適的錨泊水域，只能漂航，不但存在安全隱患，同時也增加了對岸運輸補給的作業(yè)難度和成本。以往，科考船經(jīng)常利用攜帶的工作艇對考察站附近海域進行單波束測量，但無法完整地獲取精確的水下地形地貌情況，資料可靠性、系統(tǒng)性、測量效率都存在問題。南極科考亟須海洋測繪的支持。

2 考察過程

我國第31次南極科考于2014年10月30日啟程，執(zhí)行“一船三站”任務(wù)?？疾炱陂g，考察隊全面完成了包括新站區(qū)域地質(zhì)勘查、難言島周邊海域水下地形測繪等工作，于2015年4月10日返回上海極地科考碼頭，全程163天，航程3萬海里。作者代表東海航海保障中心全程參與了此次科考行動，執(zhí)行難言島附近海域水下地形測繪任務(wù)。

極地科考是一項系統(tǒng)工程，現(xiàn)場情況瞬息萬變?？疾礻爮淖鳂I(yè)安全、物資補給、測艇操控、工作安排、測區(qū)劃定等方面給予了大量支持，確保了海洋測繪工作的順利實施。

2.1 陸上工作

2014年12月26日，“雪龍”號考察船到達羅斯海難言島附近，登島后，考察隊員在原生態(tài)的南極陸地上工作一周多，利用極晝的有利條件，全天作業(yè)，按照國際性作業(yè)、環(huán)保標準，順利完成全部考察任務(wù)。

陸上主要工作是完成定位基準站和自動驗潮站的架設(shè)以及水準聯(lián)測等測前準備工作。定位基準站采用Trimble公司SPS852大地型接收機，用于提高定位精度，這也是多波束測量數(shù)據(jù)條帶拼接所必需的，因為南極地區(qū)沒有設(shè)置好的各種地面差分站，衛(wèi)星差分系統(tǒng)在高緯度地區(qū)也無法使用。自動驗潮站使用瑞士Keller DCX-22自容式潮位儀，數(shù)據(jù)更新率為每5分鐘記錄一個水位，數(shù)據(jù)分辨率1cm，從12月27日中午安裝至1月5日下午撤離為止，共收集了難言島連續(xù)9天的水位數(shù)據(jù)。該數(shù)據(jù)將用于新站高程基準的確定及測深的水位改正、潮汐分析。

2.2 水上測量

根據(jù)考察隊的統(tǒng)一安排，水下測量小組隊員于2015年1月1日上午乘坐“黃河”艇返回“雪龍”號。返程中，領(lǐng)隊關(guān)注到“黃河”艇船用測深儀上的水深數(shù)據(jù)，難言島附近海域可能存在合適錨地，指示考察隊員優(yōu)先對該海域進行全覆蓋掃測。

隨后，考察隊員使用測量小艇在難言島東側(cè)海域開展水下地形測量工作，艇底固定安裝Kongsberg公司EM2040淺水多波束，采用200kHz工作頻率等距模式。考察隊采用IXBlue公司HYDRINS光纖羅經(jīng)和慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進行定位和姿態(tài)補償，該系統(tǒng)能提供高精度實時坐標、航向、姿態(tài)和速度等；采用Hypack海洋測量軟件進行導(dǎo)航，多波束數(shù)據(jù)采集使用Kongsberg公司sis軟件，最終完成了12平方公里海域的全覆蓋掃測。

2.3 數(shù)據(jù)處理

自動驗潮儀采集的水位數(shù)據(jù)（儀器零點）如圖4所示，潮汐類型為不規(guī)則全日潮，經(jīng)數(shù)據(jù)分析最高和最低水位差0.87m。通過潮位數(shù)據(jù)計算平均海平面（當?shù)仳灣逼谄骄Ｆ矫妫?，通過人工驗潮比對，確定BM點的平均海平面高程，并通過水準聯(lián)測反算得到難言島水準原點高程。

由于未獲得足夠長序列的水位數(shù)據(jù)，無法通過計算確定當?shù)乩碚撟畹统泵妫F(xiàn)場采用最低水位以下0.5m作為假設(shè)理論最低潮面。經(jīng)查詢羅斯海水位歷史資料，附近有特拉諾瓦灣（-74.75， 164）和羅伯茨角（-77.032， 163.163）兩處水位站，水位時間序列分別達到119天和365天，經(jīng)準調(diào)和分析證明，假設(shè)理論最低潮面是安全的。

多波束數(shù)據(jù)使用Caris Hips軟件，經(jīng)涌浪數(shù)據(jù)和定位數(shù)據(jù)檢查、潮位改正、聲速改正、條帶拼接檢查、子區(qū)拼接檢查，數(shù)據(jù)質(zhì)量良好。經(jīng)與ODOM CV200型單波束測量的水深檢查線互相校對，互差符合海道測量規(guī)范要求，數(shù)據(jù)質(zhì)量穩(wěn)定可靠。錨地水深圖以準確數(shù)據(jù)證實了考察隊領(lǐng)隊關(guān)于存在合適錨地的猜想，2015年1月5日下午，“雪龍”號科考船在該海域順利拋錨。

2.4 取得成果

本次極地科考測量，是我國首次采用專業(yè)海洋測量船舶，使用多波束測深系統(tǒng)、側(cè)掃聲吶系統(tǒng)等精密海道測量裝備，按照IHO-SP44標準（國際海道測量組織海道測量規(guī)范特級標準）對南極重點水域進行全覆蓋精密掃測。我國首次在南極發(fā)現(xiàn)適合大型科考船錨泊的水域，為科考船的航行安全及今后新站建設(shè)物資的運輸補給提供了有力的保障。

錨地水域水深在20～50m之間，海底地形相對較平坦，大部分海域底質(zhì)為砂石，錨地水域為全日潮，風向主要為西北風，夏季無冰或少冰，可供大型科考船錨泊、避風。該錨地距離海岸線僅900m左右，能有效縮短人員與貨物的過駁轉(zhuǎn)運時間，提升貨物裝卸效率。

水位控制不僅適用于海道測量過程中的水位改正，而且是確立新建科考站高程基準的基礎(chǔ)，更是新站卸貨碼頭及站上所有工程建設(shè)的基礎(chǔ)。由于極地長期被冰蓋覆蓋，同時海岸線附近地形極其復(fù)雜，因此要在極地區(qū)域獲取高精度的水位數(shù)據(jù)尤其困難。本地測量的難言島附近海域無任何水文歷史資料，潮汐性質(zhì)、變化范圍等重要數(shù)據(jù)均為空白。在本次科考測量過程中，雖然受限于人員數(shù)量少、作業(yè)時間緊張等不利因素影響，但測量人員仍在沿岸基巖上架設(shè)了高精度壓力式自動水位計，使用無人值守的自動水位計采集了連續(xù)9天的水位數(shù)據(jù)，獲取了當?shù)爻毕再|(zhì)等關(guān)鍵要素。這些寶貴的水文數(shù)據(jù)為后期測量數(shù)據(jù)綜合分析及今后新站建設(shè)奠定了重要的基礎(chǔ)。

3 總 結(jié)

本次南極海洋測繪是東海航海保障中心、中國極地研究中心聯(lián)合實施的《極地綜合航海保障研究與應(yīng)用》項目的重要組成部分，針對新站建設(shè)選址附近海域水下地形有針對性地開展全覆蓋掃測。

若新站確定選址難言島，新錨地的發(fā)現(xiàn)將為新站的建設(shè)提供極大便利。即使新站選址附近其他位置，作為專業(yè)海洋測繪在南極開展工作的嘗試，本工程也能提供借鑒。

（1）極地事業(yè)是國家海洋事業(yè)的重要組成部分，加快我國極地考察能力建設(shè)對于落實海洋強國建設(shè)的戰(zhàn)略目標具有重大意義。伴隨全球氣候變化和國際政治經(jīng)濟格局的新變化，南極戰(zhàn)略價值迅速上升，各國紛紛設(shè)立南極保護區(qū)，加緊南極立法，主張劃分外大陸架，強化對南極大陸和海洋的控制。我國亟須加強南極海域特別是建成站附近海域水下地形的測繪工作，獲取翔實的水下地形數(shù)據(jù)。

（2）極地特殊的氣候條件及后勤補給情況容易影響工作效率，所以在前期準備階段需全面考慮，關(guān)鍵設(shè)備需做好雙備份；開展工作期間的安全是重中之重，人員、船艇、環(huán)境、測量設(shè)備的安全，一旦發(fā)生意外難以施救，所以工作期間需要考察隊的氣象支持；南極沿海夏季（12月和1月）氣溫一般在-20℃～10℃，測量設(shè)備及電池等不需要特別考慮氣溫因素，但如果是長期觀測設(shè)備就必須考慮越冬期間極端氣溫的影響，還應(yīng)考慮測量艇及設(shè)備的保存環(huán)境。

（3）南極大部分海域?qū)儆诟呔暥鹊貐^(qū)，采用常規(guī)定位方式很難獲得高精度的定位數(shù)據(jù)，而多波束測量的水深數(shù)據(jù)質(zhì)量高度依賴于高精度的定位數(shù)據(jù)，必須考慮RTK-DGPS模式；工作期間人員緊缺，現(xiàn)場氣候環(huán)境也不方便人工進行水位觀測，所以即使工作時間很短，自動驗潮儀也是最適當?shù)墓ぷ髂Ｊ?；可先用單波束方式進行大范圍、低密度的測量，一旦發(fā)現(xiàn)有利水域，盡快開展多波束等方式的全覆蓋測量。

參考文獻

[1] 《極地綜合航海保障研究與應(yīng)用》項目工作方案，東海航海保障中心，2014.

[2] 《極地綜合航海保障研究與應(yīng)用》項目總結(jié)報告，東海航海保障中心，2015.

[3] 《中國·極地考察三十年》，國家海洋局極地考察辦公室編，海洋出版社，2015.

[4] Earth & Space Research， Antarctic TG Database.

[5] 國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局，《海道測量規(guī)范》，GB 12327-1998.