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别人唯恐避之不及这艘小艇却偏要钻到台风中心看看

2020-08-27 08:41:07 整理发布   转载来源:科技日报  

遇到强台风,人人都唯恐避之不及。但是要获取观测数据,就必须接近台风...《别人唯恐避之不及这艘小艇却偏要钻到台风中心看看

遇到强台风,人人都唯恐避之不及。但是要获取观测数据,就必须接近台风。近日,我国研发的海洋气象观测者-3(MWO-3)半潜式太阳能气象探测无人艇迎风而上,成功穿过今年第3号台风“森拉克”中心,获取了台风发展过程中高时间分辨率的洋面气象及海洋要素数据。据介绍,这也是国际上首次利用太阳能无人艇主动探测台风中心。

也许有人会问:我们发射了那么多气象卫星,地面还有不少气象雷达,为什么还要用无人艇来探测台风?这艘乘风破浪的无人艇具备哪些优越的性能?在狂风暴雨中穿过台风中心,无人艇收集到了哪些数据?为此,记者采访了相关专家,就这些问题一一作出解释。

“看清”台风内部可大幅提高观测精度

据了解,在陆地或岛屿上的天气雷达能够探测周围200公里以内的台风降水和风场,对于监视近岸台风活动能够起到很好的助力。但雷达探测不到海上远处的台风,也无法测量一些全面反映台风特征的要素,比如中心气压、最大风速和台风处海面水温等。为了提升台风预报精细化水平,需要对台风位置、强度等进行准确分析,气象观测人员需要派出“哨兵”到更远处监测。

相比雷达而言,卫星“站得高”“看得广”,相应地监测范围也就更大。目前,卫星云图已经可以帮助气象观测人员看到全部台风和热带风暴,进而对其进行定位、定强。但同时,也正因为卫星的观测位置太高,观测结果的清晰度有时难以保障,尤其当台风上部被厚厚的卷云覆盖时,用卫星云图给台风定位、定强的难度也会大大增加,如果不能准确知道台风中心位置,气象观测数值模式也无法准确描述台风涡旋结构,观测人员就难以准确地跟踪和预报台风路径和强度的变化,就会造成预报误差偏大。

“卫星观测作为一种遥感技术,事实上不能直接测得我们气象预报和研究所需要的精准参数,比如台风内部的气压、温度和气流分布等。”无人艇项目首席科学家、中国科学院大气物理研究所研究员陈洪滨告诉科技日报记者。

台风中心气压直接决定台风强度和台风的极大风速,一般来说,台风中心气压愈低,在台风范围内气压梯度越大,风也就越猛烈;如果能够获得台风内部风力、温度场和湿度场等各项探测数据,就可以大大提高数值预报的精度。因此,直接探测台风中心的海面气压、风场等要素,对台风准确预报预警至关重要。

当前,有一些台风监测和预报机构利用有人和无人驾驶飞机,飞到台风某些部位上空,下投带降落伞的气象探空仪,测得的温度、气压、湿度、风速和风向廓线资料等,显著提高了台风路径预报的精度。

专家告诉记者,对台风演变规律的研究和数值预报精度的提高,需要卫星遥感、岸基雷达、飞机和海面监测装置的立体全面探测。以往在海面实地监测台风,都是使用浮标,如今无人艇的加入为台风监测提供了更大助力。在这次海上观测试验中,MWO-3为中国气象局提供了时间分辨率高达1分钟的实时观测数据,并对台风过境时海面各要素的详细变化过程进行了监测。在航行观测过程中,无人艇能够机动应变,获取最优位置的实时观测数据,相比传统的海洋浮标观测,具有独特的优势。

特殊结构设计造就风浪中的不倒翁

据专家介绍,想要经得住台风中大风大浪的考验,无人艇的随浪性要好,或者说自扶正能力要强,这样才不至于在风浪中“翻船”。

MWO系列半潜式太阳能气象探测无人艇采用双体筒来保证稳定性,也就是在甲板下联接两个同型体的浮筒,可在水面上提供更大浮力。除此之外,这种设计还赋予了无人艇半潜功能,即当风大浪高时,无人艇可以自动或远程控制浮筒的进水量,从而使整个艇体和支架部分沉入水中。由于重心下降,整个系统的稳定性有了明显增强,很难出现倾翻的现象。此外,虽然舰体沉入水中但是气象传感器却可以浮在水面之上,仍然可以正常工作,传感器上的北斗卫星天线也可以接收指令和发出数据。这种功能设计是MWO系列半潜式太阳能气象探测无人艇的一大亮点。

8月初,今年的第3号台风“森拉克”来袭时,MWO-3在风浪中展示了其良好的机动性、强抗风浪、自动探测和实时数据传输等特点,优越的探测能力得到了验证。

除此之外,MWO系列半潜式太阳能气象探测无人艇的另一大特点就是利用太阳能作为重要的动力源。使用太阳能,一方面清洁无污染,另一方面还能够保证无人艇可以长时间航行。“我们的无人艇设计要求是保证海上半年的观测运行。尤其是在连阴雨天气时,依然要保证气象探测和定位数据可以连续地传回地面中心站。”陈洪滨说。

无人艇在正式开展台风探测之前,研究人员会对其进行全面测试,尽可能保证无人艇各项性能的可靠性,尤其是内外管线的防水性和无人艇的主动避障能力。在本次探测台风前,两艘无人艇在海南省琼海市潭门中心渔港内连续测试运行近一个月,于7月22日才正式出海,参加中国气象局气象探测中心组织开展的“海燕计划”试验,在海南省陵水黎族自治县以东约120公里的洋面上进行连续航行观测。

8月1日,研究人员根据卫星云图分析对航行路线做了规划,主动接近台风中心,并观测到第3号台风“森拉克”从热带低压快速演变为台风的过程,为台风预报专家及时提供了台风中心的实地观测资料。

多种观测手段组建海上综合观测网

据介绍,MWO-3搭载了自动气象站、太阳辐射表、海面水温和盐度传感器以及波浪仪等观测装置,可获取的数据有海面气压、气温、湿度、风速风向、太阳辐射、海面水温和盐度以及波浪参数等,并能够利用我国北斗卫星的通讯功能,每分钟回传一组数据。

MWO-3在本次试验中获取的观测资料,被第一时间发送到中央气象台台风与海洋气象预报中心,为台风预报、预警发挥了重要作用。“当时附近没有其他观测资料,MWO-3的实时资料非常珍贵,离低压中心较近,非常有利于我们确定低压中心的位置。”中央气象台台风与海洋气象预报中心主任钱传海评价道。

此外,研究人员还将这次海上试验包括穿过台风所获得的数据,与有关研究单位进行了共享,以开展深度的质量控制,比如观测到的强风浪和下雨条件下湿度数据,将在通过可靠性验证后,进一步应用于数值模拟和一些卫星遥感产品验证等研究。

记者了解到,MWO系列半潜式太阳能气象探测无人艇还能用于监测海上大风和大雾等天气,加载其他传感器或设备后,还可以用于采集其他海洋研究所需的数据,例如加载二氧化碳传感器后,可以对海水中二氧化碳含量进行测定,进而帮助研究人员了解海水质量。

研究人员介绍说,无人艇的最大优势是其航行机动性。无人艇具有的超强抗风浪能力,使其能够在恶劣环境下获得台风海面气压、温度和风速风向、海水表层温度盐度以及浪高等实时数据,这些为台风数值预报和后续机理研究提供了十分宝贵的资料。

“通过为期两周的长航时观测试验和穿越台风的经历,我们对MWO系列半潜式太阳能气象探测无人艇的先进性和实用性更有信心。但对于广阔海洋的气象和环境监测,派出两三艘无人艇是远远不够的。”陈洪滨说,未来期望能够像陆地上的台站观测网那样,采用无人艇、浮标和海面穿浪器等各种观测手段,在海上组网综合观测,进而早日进入业务实用阶段,为海洋气象和环境预报提供更多更好的资料,更好地服务海上安全和资源利用。


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