遇到強(qiáng)臺風(fēng)，人人都唯恐避之不及。但是要獲取觀測數(shù)據(jù)，就必須接近臺風(fēng)。近日，我國研發(fā)的海洋氣象觀測者-3(MWO-3)半潛式太陽能氣象探測無人艇迎風(fēng)而上，成功穿過今年第3號臺風(fēng)“森拉克”中心，獲取了臺風(fēng)發(fā)展過程中高時(shí)間分辨率的洋面氣象及海洋要素?cái)?shù)據(jù)。據(jù)介紹，這也是國際上首次利用太陽能無人艇主動探測臺風(fēng)中心。

也許有人會問：我們發(fā)射了那么多氣象衛(wèi)星，地面還有不少氣象雷達(dá)，為什么還要用無人艇來探測臺風(fēng)?這艘乘風(fēng)破浪的無人艇具備哪些優(yōu)越的性能?在狂風(fēng)暴雨中穿過臺風(fēng)中心，無人艇收集到了哪些數(shù)據(jù)?為此，記者采訪了相關(guān)專家，就這些問題一一作出解釋。

“看清”臺風(fēng)內(nèi)部可大幅提高觀測精度

據(jù)了解，在陸地或島嶼上的天氣雷達(dá)能夠探測周圍200公里以內(nèi)的臺風(fēng)降水和風(fēng)場，對于監(jiān)視近岸臺風(fēng)活動能夠起到很好的助力。但雷達(dá)探測不到海上遠(yuǎn)處的臺風(fēng)，也無法測量一些全面反映臺風(fēng)特征的要素，比如中心氣壓、最大風(fēng)速和臺風(fēng)處海面水溫等。為了提升臺風(fēng)預(yù)報(bào)精細(xì)化水平，需要對臺風(fēng)位置、強(qiáng)度等進(jìn)行準(zhǔn)確分析，氣象觀測人員需要派出“哨兵”到更遠(yuǎn)處監(jiān)測。

相比雷達(dá)而言，衛(wèi)星“站得高”“看得廣”，相應(yīng)地監(jiān)測范圍也就更大。目前，衛(wèi)星云圖已經(jīng)可以幫助氣象觀測人員看到全部臺風(fēng)和熱帶風(fēng)暴，進(jìn)而對其進(jìn)行定位、定強(qiáng)。但同時(shí)，也正因?yàn)樾l(wèi)星的觀測位置太高，觀測結(jié)果的清晰度有時(shí)難以保障，尤其當(dāng)臺風(fēng)上部被厚厚的卷云覆蓋時(shí)，用衛(wèi)星云圖給臺風(fēng)定位、定強(qiáng)的難度也會大大增加，如果不能準(zhǔn)確知道臺風(fēng)中心位置，氣象觀測數(shù)值模式也無法準(zhǔn)確描述臺風(fēng)渦旋結(jié)構(gòu)，觀測人員就難以準(zhǔn)確地跟蹤和預(yù)報(bào)臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度的變化，就會造成預(yù)報(bào)誤差偏大。

“衛(wèi)星觀測作為一種遙感技術(shù)，事實(shí)上不能直接測得我們氣象預(yù)報(bào)和研究所需要的精準(zhǔn)參數(shù)，比如臺風(fēng)內(nèi)部的氣壓、溫度和氣流分布等。”無人艇項(xiàng)目首席科學(xué)家、中國科學(xué)院大氣物理研究所研究員陳洪濱告訴科技日報(bào)記者。

臺風(fēng)中心氣壓直接決定臺風(fēng)強(qiáng)度和臺風(fēng)的極大風(fēng)速，一般來說，臺風(fēng)中心氣壓愈低，在臺風(fēng)范圍內(nèi)氣壓梯度越大，風(fēng)也就越猛烈;如果能夠獲得臺風(fēng)內(nèi)部風(fēng)力、溫度場和濕度場等各項(xiàng)探測數(shù)據(jù)，就可以大大提高數(shù)值預(yù)報(bào)的精度。因此，直接探測臺風(fēng)中心的海面氣壓、風(fēng)場等要素，對臺風(fēng)準(zhǔn)確預(yù)報(bào)預(yù)警至關(guān)重要。

當(dāng)前，有一些臺風(fēng)監(jiān)測和預(yù)報(bào)機(jī)構(gòu)利用有人和無人駕駛飛機(jī)，飛到臺風(fēng)某些部位上空，下投帶降落傘的氣象探空儀，測得的溫度、氣壓、濕度、風(fēng)速和風(fēng)向廓線資料等，顯著提高了臺風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的精度。

專家告訴記者，對臺風(fēng)演變規(guī)律的研究和數(shù)值預(yù)報(bào)精度的提高，需要衛(wèi)星遙感、岸基雷達(dá)、飛機(jī)和海面監(jiān)測裝置的立體全面探測。以往在海面實(shí)地監(jiān)測臺風(fēng)，都是使用浮標(biāo)，如今無人艇的加入為臺風(fēng)監(jiān)測提供了更大助力。在這次海上觀測試驗(yàn)中，MWO-3為中國氣象局提供了時(shí)間分辨率高達(dá)1分鐘的實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)，并對臺風(fēng)過境時(shí)海面各要素的詳細(xì)變化過程進(jìn)行了監(jiān)測。在航行觀測過程中，無人艇能夠機(jī)動應(yīng)變，獲取最優(yōu)位置的實(shí)時(shí)觀測數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)的海洋浮標(biāo)觀測，具有獨(dú)特的優(yōu)勢。

特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)造就風(fēng)浪中的不倒翁

據(jù)專家介紹，想要經(jīng)得住臺風(fēng)中大風(fēng)大浪的考驗(yàn)，無人艇的隨浪性要好，或者說自扶正能力要強(qiáng)，這樣才不至于在風(fēng)浪中“翻船”。

MWO系列半潛式太陽能氣象探測無人艇采用雙體筒來保證穩(wěn)定性，也就是在甲板下聯(lián)接兩個(gè)同型體的浮筒，可在水面上提供更大浮力。除此之外，這種設(shè)計(jì)還賦予了無人艇半潛功能，即當(dāng)風(fēng)大浪高時(shí)，無人艇可以自動或遠(yuǎn)程控制浮筒的進(jìn)水量，從而使整個(gè)艇體和支架部分沉入水中。由于重心下降，整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了明顯增強(qiáng)，很難出現(xiàn)傾翻的現(xiàn)象。此外，雖然艦體沉入水中但是氣象傳感器卻可以浮在水面之上，仍然可以正常工作，傳感器上的北斗衛(wèi)星天線也可以接收指令和發(fā)出數(shù)據(jù)。這種功能設(shè)計(jì)是MWO系列半潛式太陽能氣象探測無人艇的一大亮點(diǎn)。

8月初，今年的第3號臺風(fēng)“森拉克”來襲時(shí)，MWO-3在風(fēng)浪中展示了其良好的機(jī)動性、強(qiáng)抗風(fēng)浪、自動探測和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，優(yōu)越的探測能力得到了驗(yàn)證。

除此之外，MWO系列半潛式太陽能氣象探測無人艇的另一大特點(diǎn)就是利用太陽能作為重要的動力源。使用太陽能，一方面清潔無污染，另一方面還能夠保證無人艇可以長時(shí)間航行。“我們的無人艇設(shè)計(jì)要求是保證海上半年的觀測運(yùn)行。尤其是在連陰雨天氣時(shí)，依然要保證氣象探測和定位數(shù)據(jù)可以連續(xù)地傳回地面中心站。”陳洪濱說。

無人艇在正式開展臺風(fēng)探測之前，研究人員會對其進(jìn)行全面測試，盡可能保證無人艇各項(xiàng)性能的可靠性，尤其是內(nèi)外管線的防水性和無人艇的主動避障能力。在本次探測臺風(fēng)前，兩艘無人艇在海南省瓊海市潭門中心漁港內(nèi)連續(xù)測試運(yùn)行近一個(gè)月，于7月22日才正式出海，參加中國氣象局氣象探測中心組織開展的“海燕計(jì)劃”試驗(yàn)，在海南省陵水黎族自治縣以東約120公里的洋面上進(jìn)行連續(xù)航行觀測。

8月1日，研究人員根據(jù)衛(wèi)星云圖分析對航行路線做了規(guī)劃，主動接近臺風(fēng)中心，并觀測到第3號臺風(fēng)“森拉克”從熱帶低壓快速演變?yōu)榕_風(fēng)的過程，為臺風(fēng)預(yù)報(bào)專家及時(shí)提供了臺風(fēng)中心的實(shí)地觀測資料。

多種觀測手段組建海上綜合觀測網(wǎng)

據(jù)介紹，MWO-3搭載了自動氣象站、太陽輻射表、海面水溫和鹽度傳感器以及波浪儀等觀測裝置，可獲取的數(shù)據(jù)有海面氣壓、氣溫、濕度、風(fēng)速風(fēng)向、太陽輻射、海面水溫和鹽度以及波浪參數(shù)等，并能夠利用我國北斗衛(wèi)星的通訊功能，每分鐘回傳一組數(shù)據(jù)。

MWO-3在本次試驗(yàn)中獲取的觀測資料，被第一時(shí)間發(fā)送到中央氣象臺臺風(fēng)與海洋氣象預(yù)報(bào)中心，為臺風(fēng)預(yù)報(bào)、預(yù)警發(fā)揮了重要作用。“當(dāng)時(shí)附近沒有其他觀測資料，MWO-3的實(shí)時(shí)資料非常珍貴，離低壓中心較近，非常有利于我們確定低壓中心的位置。”中央氣象臺臺風(fēng)與海洋氣象預(yù)報(bào)中心主任錢傳海評價(jià)道。

此外，研究人員還將這次海上試驗(yàn)包括穿過臺風(fēng)所獲得的數(shù)據(jù)，與有關(guān)研究單位進(jìn)行了共享，以開展深度的質(zhì)量控制，比如觀測到的強(qiáng)風(fēng)浪和下雨條件下濕度數(shù)據(jù)，將在通過可靠性驗(yàn)證后，進(jìn)一步應(yīng)用于數(shù)值模擬和一些衛(wèi)星遙感產(chǎn)品驗(yàn)證等研究。

記者了解到，MWO系列半潛式太陽能氣象探測無人艇還能用于監(jiān)測海上大風(fēng)和大霧等天氣，加載其他傳感器或設(shè)備后，還可以用于采集其他海洋研究所需的數(shù)據(jù)，例如加載二氧化碳傳感器后，可以對海水中二氧化碳含量進(jìn)行測定，進(jìn)而幫助研究人員了解海水質(zhì)量。

研究人員介紹說，無人艇的最大優(yōu)勢是其航行機(jī)動性。無人艇具有的超強(qiáng)抗風(fēng)浪能力，使其能夠在惡劣環(huán)境下獲得臺風(fēng)海面氣壓、溫度和風(fēng)速風(fēng)向、海水表層溫度鹽度以及浪高等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這些為臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報(bào)和后續(xù)機(jī)理研究提供了十分寶貴的資料。

“通過為期兩周的長航時(shí)觀測試驗(yàn)和穿越臺風(fēng)的經(jīng)歷，我們對MWO系列半潛式太陽能氣象探測無人艇的先進(jìn)性和實(shí)用性更有信心。但對于廣闊海洋的氣象和環(huán)境監(jiān)測，派出兩三艘無人艇是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。”陳洪濱說，未來期望能夠像陸地上的臺站觀測網(wǎng)那樣，采用無人艇、浮標(biāo)和海面穿浪器等各種觀測手段，在海上組網(wǎng)綜合觀測，進(jìn)而早日進(jìn)入業(yè)務(wù)實(shí)用階段，為海洋氣象和環(huán)境預(yù)報(bào)提供更多更好的資料，更好地服務(wù)海上安全和資源利用。(陸成寬)