上海交大等一項(xiàng)成果可為沙塵暴起因和預(yù)測提供更多信息
通過智能化方式“跟蹤”每一粒沙，減緩?fù)恋厣衬F(xiàn)象。在上海交通大學(xué)和寧夏大學(xué)聯(lián)合主辦的未來國際智能沙漠研討會(huì)上，上海交通大學(xué)展示了一項(xiàng)將在寧夏沙漠治理中使用的新成果——通過沙粒尺度新型傳感器技術(shù)、無線傳感網(wǎng)絡(luò)與傳輸技術(shù)、沙基機(jī)器人技術(shù)、沙漠新能源技術(shù)等一系列智能沙漠技術(shù)，形成一張可移動(dòng)的無線傳感網(wǎng)，與沙塵暴斗智斗勇。這項(xiàng)科研是由毛軍發(fā)教授科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)與環(huán)境工程研究所、美國賓夕法尼亞大學(xué)KdLab實(shí)驗(yàn)室、寧夏大學(xué)寧夏沙漠信息智能感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等進(jìn)行的。
據(jù)介紹，現(xiàn)在土地荒漠化和沙漠化成為國際社會(huì)面臨的一項(xiàng)重大問題。世界荒漠化總面積約占地球陸地總面積的1/4，且仍以每年萬分之二的速度擴(kuò)展。而中國是世界上受荒漠化危害最嚴(yán)重的國家之一，全國荒漠化土地總面積占國土總面積的27.33%，在過去的六十年里，沙漠化面積翻了一番。
機(jī)器人編隊(duì)在沙漠站崗
據(jù)團(tuán)隊(duì)成員、上海交大電子信息與電氣工程學(xué)院李新碗教授介紹，現(xiàn)在沙塵暴的觀測方法主要有兩種:一種是依靠地面氣象站和地面沙塵觀測站，目前全國已有2456個(gè)氣象站和82個(gè)沙塵觀測站，但主要采用定點(diǎn)和人工測量的方法；第二種方法是通過遙感衛(wèi)星對(duì)沙塵區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，但這種方法獲取的主要是宏觀數(shù)據(jù)和分辨率比較低的圖像。
“沙漠腹地是沙塵暴最主要的發(fā)源地，因此針對(duì)沙漠腹地沙塵監(jiān)測非常重要”，李新碗教授介紹，現(xiàn)有沙塵暴監(jiān)測技術(shù)已經(jīng)非常先進(jìn)，并已經(jīng)發(fā)揮重要作用，但瓶頸還是對(duì)沙塵暴“有效信息”的獲?。焊沟厣硥m信息少，難以全天候進(jìn)行沙塵監(jiān)測，而且沙塵暴起沙前信息和沙粒尺度信息少。
如何深入沙漠腹地，獲取更多信息？目前存在的難題是，人工監(jiān)測只能定點(diǎn)監(jiān)測，不能移動(dòng)；而沙漠中的沙丘具有極強(qiáng)的移動(dòng)性，每年約十幾米不等的沙丘搬運(yùn)速度，意味著人工進(jìn)入腹地監(jiān)測危險(xiǎn)性極高；依靠大型自動(dòng)化機(jī)械，又存在能源供給的問題。目前，毛軍發(fā)團(tuán)隊(duì)與美國賓夕法尼亞大學(xué)合作，研發(fā)出一種沙基機(jī)器人，它可以像“沙漠衛(wèi)士”一樣，形成一支能夠自動(dòng)定位的機(jī)器人編隊(duì)，在沙漠腹地進(jìn)行“巡邏”站崗，借助于傳感網(wǎng)等信息手段，進(jìn)行沙塵監(jiān)測與信息獲取，實(shí)現(xiàn)無人全天候測量，為沙塵暴起因和預(yù)測方法提供更多信息。
“跟蹤”每一粒沙塵
與傳統(tǒng)觀測手段相比，上海交大智能沙漠技術(shù)通過沙粒尺度的精細(xì)測量技術(shù)路線，即可以“跟蹤”每一粒塵沙。觀測人員只要在室內(nèi)便可知道沙粒的振動(dòng)頻率，風(fēng)沙流的強(qiáng)度、風(fēng)速、溫濕度等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。
因?yàn)樯沉５呐鲎彩且l(fā)沙塵暴的重要原因，因此課題組通過三維振動(dòng)監(jiān)測方案，實(shí)現(xiàn)微小尺度的沙粒運(yùn)動(dòng)特征監(jiān)測。就是這些技術(shù)和方案，讓一粒塵沙的運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)多遠(yuǎn)，包括它運(yùn)動(dòng)的頻率和強(qiáng)度都清晰地以圖像的形式呈現(xiàn)出來。
課題組還將動(dòng)力學(xué)和時(shí)間序列非線性分析的手段引入預(yù)測當(dāng)中，通過分析沙塵暴的旋度，來判斷沙塵暴路徑和強(qiáng)度，然后通過特定的方程或方程組，來獲得沙塵暴的時(shí)空結(jié)構(gòu)。
做到這一步還不夠，還要對(duì)風(fēng)沙動(dòng)力學(xué)進(jìn)行重構(gòu)，從而獲得較為可信的沙塵暴預(yù)測，它可以從時(shí)間序列的歷史記錄中直接預(yù)測沙塵暴未來時(shí)刻的狀態(tài)，從而有可能探索一種沙塵暴早期預(yù)報(bào)方法。李新碗教授告訴記者，科研團(tuán)隊(duì)將在沙漠腹地搭建一個(gè)可移動(dòng)的沙塵監(jiān)測傳感網(wǎng)絡(luò)，范圍為25公里，可收集到包括溫度、局部氣壓、風(fēng)力、風(fēng)向、風(fēng)蝕量、沙粒振動(dòng)參量、GPS等七類傳感數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)融合和時(shí)間序列分析方法，對(duì)沙塵暴進(jìn)行動(dòng)力學(xué)重構(gòu)，從而探索出沙塵暴起因機(jī)制和預(yù)測預(yù)報(bào)方法。（新華網(wǎng)）