別人唯恐避之不及 這艘小艇卻偏要鉆到臺風(fēng)中心看看
遇到強臺風(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)展過程中高時間分辨率的洋面氣象及海洋要素數(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，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。但雷達探測不到海上遠處的臺風(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)報精細化水平，需要對臺風(fēng)位置、強度等進行準確分析，氣象觀測人員需要派出“哨兵”到更遠處監(jiān)測。
相比雷達而言，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，進而對其進行定位、定強。但同時，也正因為衛(wèi)星的觀測位置太高，觀測結(jié)果的清晰度有時難以保障，尤其當臺風(fēng)上部被厚厚的卷云覆蓋時，用衛(wèi)星云圖給臺風(fēng)定位、定強的難度也會大大增加，如果不能準確知道臺風(fēng)中心位置，氣象觀測數(shù)值模式也無法準確描述臺風(fēng)渦旋結(jié)構(gòu)，觀測人員就難以準確地跟蹤和預(yù)報臺風(fēng)路徑和強度的變化，就會造成預(yù)報誤差偏大。
“衛(wèi)星觀測作為一種遙感技術(shù)，事實上不能直接測得我們氣象預(yù)報和研究所需要的精準參數(shù)，比如臺風(fēng)內(nèi)部的氣壓、溫度和氣流分布等?！睙o人艇項目首席科學(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記者。
臺風(fēng)中心氣壓直接決定臺風(fēng)強度和臺風(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探測數(shù)據(jù)，就可以大大提高數(shù)值預(yù)報的精度。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)準確預(yù)報預(yù)警至關(guān)重要。
當前，有一些臺風(fēng)監(jiān)測和預(yù)報機構(gòu)利用有人和無人駕駛飛機，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)報精度的提高，需要衛(wèi)星遙感、岸基雷達、飛機和海面監(jiān)測裝置的立體全面探測。以往在海面實地監(jiān)測臺風(fēng)，都是使用浮標，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中，MWO-3為中國氣象局提供了時間分辨率高達1分鐘的實時觀測數(shù)據(jù)，并對臺風(fēng)過境時海面各要素的詳細變化過程進行了監(jiān)測。在航行觀測過程中，無人艇能夠機動應(yīng)變，獲取最優(yōu)位置的實時觀測數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)的海洋浮標觀測，具有獨特的優(yōu)勢。
特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計造就風(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，無人艇的隨浪性要好，或者說自扶正能力要強，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)計還賦予了無人艇半潛功能，即當風(fēng)大浪高時，無人艇可以自動或遠程控制浮筒的進水量，從而使整個艇體和支架部分沉入水中。由于重心下降，整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性有了明顯增強，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)計是MWO系列半潛式太陽能氣象探測無人艇的一大亮點。
8月初，今年的第3號臺風(fēng)“森拉克”來襲時，MWO-3在風(fēng)浪中展示了其良好的機動性、強抗風(fēng)浪、自動探測和實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)忍攸c，優(yōu)越的探測能力得到了驗證。
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間航行?！拔覀兊臒o人艇設(shè)計要求是保證海上半年的觀測運行。尤其是在連陰雨天氣時，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?！标惡闉I說。
無人艇在正式開展臺風(fēng)探測之前，研究人員會對其進行全面測試，盡可能保證無人艇各項性能的可靠性，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)測試運行近一個月，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“海燕計劃”試驗，在海南省陵水黎族自治縣以東約120公里的洋面上進行連續(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)報專家及時提供了臺風(fēng)中心的實地觀測資料。
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在本次試驗中獲取的觀測資料，被第一時間發(fā)送到中央氣象臺臺風(fēng)與海洋氣象預(yù)報中心，為臺風(fēng)預(yù)報、預(yù)警發(fā)揮了重要作用?！爱敃r附近沒有其他觀測資料，MWO-3的實時資料非常珍貴，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)報中心主任錢傳海評價道。
此外，研究人員還將這次海上試驗包括穿過臺風(fēng)所獲得的數(shù)據(jù)，與有關(guān)研究單位進行了共享，以開展深度的質(zhì)量控制，比如觀測到的強風(fēng)浪和下雨條件下濕度數(shù)據(jù)，將在通過可靠性驗證后，進一步應(yīng)用于數(shù)值模擬和一些衛(wèi)星遙感產(chǎn)品驗證等研究。
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行測定，進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)勢是其航行機動性。無人艇具有的超強抗風(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時數(shù)據(jù)，這些為臺風(fēng)數(shù)值預(yù)報和后續(xù)機理研究提供了十分寶貴的資料。
“通過為期兩周的長航時觀測試驗和穿越臺風(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性和實用性更有信心。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遠不夠的。”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、浮標和海面穿浪器等各種觀測手段，在海上組網(wǎng)綜合觀測，進而早日進入業(yè)務(wù)實用階段，為海洋氣象和環(huán)境預(yù)報提供更多更好的資料，更好地服務(wù)海上安全和資源利用。
本報記者 陸成寬