上海交大等一項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上，上海交通大學(xué)展示了一項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)，形成一張可移動的無線傳感網(wǎng)，與沙塵暴斗智斗勇。這項科研是由毛軍發(fā)教授科研團隊聯(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實驗室、寧夏大學(xué)寧夏沙漠信息智能感知重點實驗室等進行的。
據(jù)介紹，現(xiàn)在土地荒漠化和沙漠化成為國際社會面臨的一項重大問題。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展。而中國是世界上受荒漠化危害最嚴重的國家之一，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。
機器人編隊在沙漠站崗
據(jù)團隊成員、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個氣象站和82個沙塵觀測站，但主要采用定點和人工測量的方法；第二種方法是通過遙感衛(wèi)星對沙塵區(qū)域進行監(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，并已經(jīng)發(fā)揮重要作用，但瓶頸還是對沙塵暴“有效信息”的獲?。焊沟厣硥m信息少，難以全天候進行沙塵監(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)測只能定點監(jiān)測，不能移動；而沙漠中的沙丘具有極強的移動性，每年約十幾米不等的沙丘搬運速度，意味著人工進入腹地監(jiān)測危險性極高；依靠大型自動化機械，又存在能源供給的問題。目前，毛軍發(fā)團隊與美國賓夕法尼亞大學(xué)合作，研發(fā)出一種沙基機器人，它可以像“沙漠衛(wèi)士”一樣，形成一支能夠自動定位的機器人編隊，在沙漠腹地進行“巡邏”站崗，借助于傳感網(wǎng)等信息手段，進行沙塵監(jiān)測與信息獲取，實現(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頻率，風沙流的強度、風速、溫濕度等實時數(shù)據(jù)。
因為沙粒的碰撞是引發(fā)沙塵暴的重要原因，因此課題組通過三維振動監(jiān)測方案，實現(xiàn)微小尺度的沙粒運動特征監(jiān)測。就是這些技術(shù)和方案，讓一粒塵沙的運動方向、運動多遠，包括它運動的頻率和強度都清晰地以圖像的形式呈現(xiàn)出來。
課題組還將動力學(xué)和時間序列非線性分析的手段引入預(yù)測當中，通過分析沙塵暴的旋度，來判斷沙塵暴路徑和強度，然后通過特定的方程或方程組，來獲得沙塵暴的時空結(jié)構(gòu)。
做到這一步還不夠，還要對風沙動力學(xué)進行重構(gòu)，從而獲得較為可信的沙塵暴預(yù)測，它可以從時間序列的歷史記錄中直接預(yù)測沙塵暴未來時刻的狀態(tài)，從而有可能探索一種沙塵暴早期預(yù)報方法。李新碗教授告訴記者，科研團隊將在沙漠腹地搭建一個可移動的沙塵監(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、風力、風向、風蝕量、沙粒振動參量、GPS等七類傳感數(shù)據(jù)，應(yīng)用數(shù)據(jù)融合和時間序列分析方法，對沙塵暴進行動力學(xué)重構(gòu)，從而探索出沙塵暴起因機制和預(yù)測預(yù)報方法。（新華網(wǎng)）