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  上海交大等一项成果可为沙尘暴起因和预测提供更多信息

  通过智能化方式“跟踪”每一粒沙,减缓土地沙漠化现象。在上海交通大学和宁夏大学联合主办的未来国际智能沙漠研讨会上,上海交通大学展示了一项将在宁夏沙漠治理中使用的新成果——通过沙粒尺度新型传感器技术、无线传感网络与传输技术、沙基机器人技术、沙漠新能源技术等一系列智能沙漠技术,形成一张可移动的无线传感网,与沙尘暴斗智斗勇。这项科研是由毛军发教授科研团队联合中国科学院寒区旱区与环境工程研究所、美国宾夕法尼亚大学KdLab实验室、宁夏大学宁夏沙漠信息智能感知重点实验室等进行的。

  据介绍,现在土地荒漠化和沙漠化成为国际社会面临的一项重大问题。世界荒漠化总面积约占地球陆地总面积的1/4,且仍以每年万分之二的速度扩展。而中国是世界上受荒漠化危害最严重的国家之一,全国荒漠化土地总面积占国土总面积的27.33%,在过去的六十年里,沙漠化面积翻了一番。

  机器人编队在沙漠站岗

  据团队成员、上海交大电子信息与电气工程学院李新碗教授介绍,现在沙尘暴的观测方法主要有两种:一种是依靠地面气象站和地面沙尘观测站,目前全国已有2456个气象站和82个沙尘观测站,但主要采用定点和人工测量的方法;第二种方法是通过遥感卫星对沙尘区域进行监测,但这种方法获取的主要是宏观数据和分辨率比较低的图像。

  “沙漠腹地是沙尘暴最主要的发源地,因此针对沙漠腹地沙尘监测非常重要”,李新碗教授介绍,现有沙尘暴监测技术已经非常先进,并已经发挥重要作用,但瓶颈还是对沙尘暴“有效信息”的获取:腹地沙尘信息少,难以全天候进行沙尘监测,而且沙尘暴起沙前信息和沙粒尺度信息少。

  如何深入沙漠腹地,获取更多信息?目前存在的难题是,人工监测只能定点监测,不能移动;而沙漠中的沙丘具有极强的移动性,每年约十几米不等的沙丘搬运速度,意味着人工进入腹地监测危险性极高;依靠大型自动化机械,又存在能源供给的问题。目前,毛军发团队与美国宾夕法尼亚大学合作,研发出一种沙基机器人,它可以像“沙漠卫士”一样,形成一支能够自动定位的机器人编队,在沙漠腹地进行“巡逻”站岗,借助于传感网等信息手段,进行沙尘监测与信息获取,实现无人全天候测量,为沙尘暴起因和预测方法提供更多信息。

  “跟踪”每一粒沙尘

  与传统观测手段相比,上海交大智能沙漠技术通过沙粒尺度的精细测量技术路线,即可以“跟踪”每一粒尘沙。观测人员只要在室内便可知道沙粒的振动频率,风沙流的强度、风速、温湿度等实时数据。

  因为沙粒的碰撞是引发沙尘暴的重要原因,因此课题组通过三维振动监测方案,实现微小尺度的沙粒运动特征监测。就是这些技术和方案,让一粒尘沙的运动方向、运动多远,包括它运动的频率和强度都清晰地以图像的形式呈现出来。

  课题组还将动力学和时间序列非线性分析的手段引入预测当中,通过分析沙尘暴的旋度,来判断沙尘暴路径和强度,然后通过特定的方程或方程组,来获得沙尘暴的时空结构。

  做到这一步还不够,还要对风沙动力学进行重构,从而获得较为可信的沙尘暴预测,它可以从时间序列的历史记录中直接预测沙尘暴未来时刻的状态,从而有可能探索一种沙尘暴早期预报方法。李新碗教授告诉记者,科研团队将在沙漠腹地搭建一个可移动的沙尘监测传感网络,范围为25公里,可收集到包括温度、局部气压、风力、风向、风蚀量、沙粒振动参量、GPS等七类传感数据,应用数据融合和时间序列分析方法,对沙尘暴进行动力学重构,从而探索出沙尘暴起因机制和预测预报方法。(记者 姜澎)