遇到強颱風，人人都唯恐避之不及。但是要獲取觀測數據，就必須接近颱風。近日，我國研發的海洋氣象觀測者-3(MWO-3)半潛式太陽能氣象探測無人艇迎風而上，成功穿過今年第3號颱風「森拉克」中心，獲取了颱風發展過程中高時間解析度的洋面氣象及海洋要素數據。據介紹，這也是國際上首次利用太陽能無人艇主動探測颱風中心。
也許有人會問：我們發射了那麼多氣象衛星，地面還有不少氣象雷達，為什麼還要用無人艇來探測颱風？這艘乘風破浪的無人艇具備哪些優越的性能？在狂風暴雨中穿過颱風中心，無人艇收集到了哪些數據？為此，記者採訪了相關專家，就這些問題一一作出解釋。
「看清」颱風內部可大幅提高觀測精度
據了解，在陸地或島嶼上的天氣雷達能夠探測周圍200公裡以內的颱風降水和風場，對於監視近岸颱風活動能夠起到很好的助力。但雷達探測不到海上遠處的颱風，也無法測量一些全面反映颱風特徵的要素，比如中心氣壓、最大風速和颱風處海面水溫等。為了提升颱風預報精細化水平，需要對颱風位置、強度等進行準確分析，氣象觀測人員需要派出「哨兵」到更遠處監測。
相比雷達而言，衛星「站得高」「看得廣」，相應地監測範圍也就更大。目前，衛星雲圖已經可以幫助氣象觀測人員看到全部颱風和熱帶風暴，進而對其進行定位、定強。但同時，也正因為衛星的觀測位置太高，觀測結果的清晰度有時難以保障，尤其當颱風上部被厚厚的捲雲覆蓋時，用衛星雲圖給颱風定位、定強的難度也會大大增加，如果不能準確知道颱風中心位置，氣象觀測數值模式也無法準確描述颱風渦旋結構，觀測人員就難以準確地跟蹤和預報颱風路徑和強度的變化，就會造成預報誤差偏大。
「衛星觀測作為一種遙感技術，事實上不能直接測得我們氣象預報和研究所需要的精準參數，比如颱風內部的氣壓、溫度和氣流分布等。」無人艇項目首席科學家、中國科學院大氣物理研究所研究員陳洪濱告訴科技日報記者。
颱風中心氣壓直接決定颱風強度和颱風的極大風速，一般來說，颱風中心氣壓愈低，在颱風範圍內氣壓梯度越大，風也就越猛烈；如果能夠獲得颱風內部風力、溫度場和溼度場等各項探測數據，就可以大大提高數值預報的精度。因此，直接探測颱風中心的海面氣壓、風場等要素，對颱風準確預報預警至關重要。
當前，有一些颱風監測和預報機構利用有人和無人駕駛飛機，飛到颱風某些部位上空，下投帶降落傘的氣象探空儀，測得的溫度、氣壓、溼度、風速和風向廓線資料等，顯著提高了颱風路徑預報的精度。
專家告訴記者，對颱風演變規律的研究和數值預報精度的提高，需要衛星遙感、岸基雷達、飛機和海面監測裝置的立體全面探測。以往在海面實地監測颱風，都是使用浮標，如今無人艇的加入為颱風監測提供了更大助力。在這次海上觀測試驗中，MWO-3為中國氣象局提供了時間解析度高達1分鐘的實時觀測數據，並對颱風過境時海面各要素的詳細變化過程進行了監測。在航行觀測過程中，無人艇能夠機動應變，獲取最優位置的實時觀測數據，相比傳統的海洋浮標觀測，具有獨特的優勢。
特殊結構設計造就風浪中的不倒翁
據專家介紹，想要經得住颱風中大風大浪的考驗，無人艇的隨浪性要好，或者說自扶正能力要強，這樣才不至於在風浪中「翻船」。
MWO系列半潛式太陽能氣象探測無人艇採用雙體筒來保證穩定性，也就是在甲板下聯接兩個同型體的浮筒，可在水面上提供更大浮力。除此之外，這種設計還賦予了無人艇半潛功能，即當風大浪高時，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。由於重心下降，整個系統的穩定性有了明顯增強，很難出現傾翻的現象。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，傳感器上的北鬥衛星天線也可以接收指令和發出數據。這種功能設計是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號颱風「森拉克」來襲時，MWO-3在風浪中展示了其良好的機動性、強抗風浪、自動探測和實時數據傳輸等特點，優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，一方面清潔無汙染，另一方面還能夠保證無人艇可以長時間航行。「我們的無人艇設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據可以連續地傳回地面中心站。」陳洪濱說。
無人艇在正式開展颱風探測之前，研究人員會對其進行全面測試，儘可能保證無人艇各項性能的可靠性，尤其是內外管線的防水性和無人艇的主動避障能力。在本次探測颱風前，兩艘無人艇在海南省瓊海市潭門中心漁港內連續測試運行近一個月，於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公裡的洋面上進行連續航行觀測。
8月1日，研究人員根據衛星雲圖分析對航行路線做了規劃，主動接近颱風中心，並觀測到第3號颱風「森拉克」從熱帶低壓快速演變為颱風的過程，為颱風預報專家及時提供了颱風中心的實地觀測資料。
多種觀測手段組建海上綜合觀測網
據介紹，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，可獲取的數據有海面氣壓、氣溫、溼度、風速風向、太陽輻射、海面水溫和鹽度以及波浪參數等，並能夠利用我國北鬥衛星的通訊功能，每分鐘回傳一組數據。
MWO-3在本次試驗中獲取的觀測資料，被第一時間發送到中央氣象臺颱風與海洋氣象預報中心，為颱風預報、預警發揮了重要作用。「當時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，非常有利於我們確定低壓中心的位置。」中央氣象臺颱風與海洋氣象預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颱風所獲得的數據，與有關研究單位進行了共享，以開展深度的質量控制，比如觀測到的強風浪和下雨條件下溼度數據，將在通過可靠性驗證後，進一步應用於數值模擬和一些衛星遙感產品驗證等研究。
記者了解到，MWO系列半潛式太陽能氣象探測無人艇還能用於監測海上大風和大霧等天氣，加載其他傳感器或設備後，還可以用於採集其他海洋研究所需的數據，例如加載二氧化碳傳感器後，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量。
研究人員介紹說，無人艇的最大優勢是其航行機動性。無人艇具有的超強抗風浪能力，使其能夠在惡劣環境下獲得颱風海面氣壓、溫度和風速風向、海水錶層溫度鹽度以及浪高等實時數據，這些為颱風數值預報和後續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颱風的經歷，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。但對於廣闊海洋的氣象和環境監測，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那樣，採用無人艇、浮標和海面穿浪器等各種觀測手段，在海上組網綜合觀測，進而早日進入業務實用階段，為海洋氣象和環境預報提供更多更好的資料，更好地服務海上安全和資源利用。
本報記者 陸成寬
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