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科技奥运:“捕风捉影”科技保奥帆赛顺利进行
2008-08-12 科技日报 王建高

  在奥运会的比赛项目中,真正“靠天吃饭”的项目不多,帆船比赛首当其冲算是其中的一个。帆船自身没有动力,行驶完全依赖于风力,无风就无法比赛,风大了又有危险。因此,在所有奥运会比赛项目中只有帆船有“完成率”的说法。而这也正是青岛市市长、奥帆委主席夏耕最忧虑的事:“其他都不怕,最怕的就是比赛期间没有风!”

  应对“风作怪”

  按照惯例,帆船比赛的风力一般在3米/秒至20米/秒之间,风力过小不足以鼓起风帆驱动帆船前进,而过大的风又容易引发险情。

  青岛奥帆委竞赛部部长曲春告诉记者,任何帆船赛事,都会遭遇“风”的尴尬,这是十分正常的,因为组委会很难精确地预测每一天是不是都有风。实际上,在2004年的雅典奥运会和去年7月的葡萄牙世锦赛上,都曾遭遇“无风日”。“雅典奥运会时,至少出现了3天‘无风日’。”曲春回忆说。

  对举办奥运会帆船比赛的青岛而言,最头疼的也是风,不怕太大,只怕太小。青岛气象部门在对30年来的所有数据进行统计分析后发现,8月的青岛平均风速为4.7米/秒,是一年当中风速最小的月份。

  过小的风速对于奥运选手的比赛状态无疑会有一定的影响。

  “天有不测风云”。青岛动用了所有能用到的科研机构和先进仪器,对青岛的风力状况进行了分析。青岛奥帆委副主席兼秘书长孙立杰说:“2006年8月和2007年8月,青岛连续举办了两届奥运会测试赛,2006年,我们的测试赛完赛率高达92.6%%,而2007年测试赛的完赛率也有77.8%%,而在国际上,只要完赛率达到70%%以上,就可以认定比赛是成功的。”

  为了实时监控奥帆赛海域的风向、风速,奥帆委初步建设完成了奥帆赛场立体观测体系,基本满足奥帆赛气象服务对探测数据的需求。在奥帆赛场周边建设完成海岛岸基站5套、海上浮标站5套、气象观测船1艘、梯度风观测塔1座、新一代天气雷达1部、GPS水汽探测网等高科技设备。最引人瞩目的是中国海洋大学和中国电子科技集团联合研制的可移动式测风激光雷达投入奥帆赛气象服务保障,实时观测赛场风的平面分布。

  “追风”之路

  从“九五”开始,中国海洋大学海洋遥感教育部重点实验室的刘智深教授领导的激光遥感课题组,就承担了国家科技攻关项目、国家自然科学基金委项目及激光探测方面的国家项目等,研制成功我国第一台可移动型地基固体激光多普勒测风雷达系统,相继突破了该领域内的多项关键技术难题。

  激光雷达通过被大气气溶胶或分子散射的激光束运作。多普勒激光雷达利用了一个现象,即当这些气溶胶或分子在风中运动的时候,散射的激光频率会发生变化———这与汽车接近你的时候比驶离你的时候音调更高是一样的。

  2005年,针对气象探测领域的风场信息探测需求,中国海洋大学和中国电子科技集团合作,共同承担了中国气象局重点工程项目“可移式多普勒激光雷达”。

  全球大气风场在大气动力学、天气、气象中有着极其重要的地位,多普勒激光雷达是目前测量全球风场最先进的技术,可实现晴空探测,实时提供高精度、高分辨率的大气风场信息,通过实测数据修改目前数值预报模型,满足精细天气预报的需要,这是目前其他风场测量技术难以达到的,而多普勒激光雷达技术同时也是激光雷达领域技术难度最高者。刘智深提出了基于碘分子吸收滤过器的非相干测风激光雷达技术。这一技术刚一提出,便引起了科技部和国家自然科学基金委员会的高度关注,成为当时的科技攻关项目之一。

  随着研究的深入,“固体激光多普勒测风雷达”项目成为第一期863计划项目的组成部分,这也是中国海洋大学在信息领域里的第一个863项目。为了提高精度和稳定性,在第二期863计划项目期间,研究人员进行了更加深入的“高稳定性多普勒激光测风雷达数据处理及反演技术研究”。并在自然科学基金仪器专项的重点支持下完成了小型非相干测风激光雷达系统。在系统进入实用化的关键阶段,中国海洋大学将测风激光雷达列入985工程重点支持,直接推动了高技术为气象服务的进程。

  当开始研制激光测风雷达时,特殊的激光频率控制系统和扫描转镜需要依赖进口,价格十分昂贵,而且国外公司以有军事应用为由,严格限制对我国的产品出口。经过课题组的艰苦攻关,我国自主研制的设备已经成功应用在测风激光雷达当中,性能优异,扫描转镜有些指标甚至超过国外公司产品,成本却大幅度降低了。

  在科研人员的共同努力下,项目组在一年的时间里,就研制完成了车载可移式多普勒测风激光雷达系统并投入试验运行。这是中国第一台车载测风激光雷达。

  护航奥帆赛

  两年前,在青岛国际帆船赛期间。一连几天深夜,青岛市民发现一个奇异的亮点出现在静静的夜空。

  “UFO!”市民们对着那个绿色的亮点猜测纷纷。

  “市民好奇地循着亮点的光线查找根源,结果就找到了我们。”刘智深说,“那是我们用车载可移式多普勒测风激光雷达测风速时,激光打出的亮点。”

  这种移动激光雷达站,可以准确地实时测量大范围区域的风速和风向———这项应用对于航空安全、天气预报和体育都有用处。

  刘智深说,多普勒激光雷达的优点是它可以迅速地对大片区域进行采样,能比单独使用浮标提供更精细的风图。他和他的研究组已经开发了一辆激光雷达巴士,它可以方便地把设备运送到实验区域。

  去年,他们成功地在2007年青岛国际帆船赛上测试了这辆新的巴士。他们把这辆巴士开到了比赛区域附近的海滨,并对海面进行了水平扫描,进行实时测量,然后每隔10分钟把数据上传到当地气象站。他们打算在即将到来的奥运会和残奥会赛事上也采取类似的措施。

  这个善于“捕风捉影”的“气象卫士”为2008年奥运会青岛帆船赛的顺利进行保驾护航:它将实时监测大气边界层厚度的变化、推断大气运动的湍流结构、确定风切变的位置高度等,并采用数值天气预报模式,进行高质量的短时预报和精确的赛风预报。

  原来,帆船赛对天气条件的要求很高。按照国际帆船赛的要求,比赛要在3米/秒到20米/秒的风速中进行。由于风向、风速、气象、水文等条件的不断变化,竞赛场地也不是固定不变的,它在规定的区域里按照气象水文情况布设。多普勒测风激光雷达系统,正是以“科技服务奥运”的精神,实时探测比赛海区的风速、风向等数据,并提供给气象台,供专家分析,作出准确的预报。

  据青岛气象部门介绍,依靠每天的探空气球数据,很难做到比赛海区风场数据的实时获取,而测风激光雷达的运用,很好地解决了这个问题,时间和空间的分辨率都得到了很大的提高。

  “即便是在小型帆船赛场,风也不均匀。”刘智深教授说,“如果运动员拥有最准确的信息帮助他们捕捉到风,那么他们就可能发挥出最高水平。”

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