機器人“風眼”里挖數(shù)據(jù)
??美研發(fā)預測和追蹤颶風行進方案
波浪滑翔機
新視野
席卷美國東海岸的颶風“桑迪”早已過去，但它對美國造成的大量人員傷亡和巨大經(jīng)濟損失讓人心有余悸。美國《國家科學院學報》近日刊發(fā)的一篇論文指出，隨著全球變暖態(tài)勢的增強，熱帶氣旋的發(fā)生也愈加頻繁，而這種情況在大西洋區(qū)域表現(xiàn)得尤為突出。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，自1923年以來大西洋颶風潮的數(shù)量有了顯著增加。此外，丹麥哥本哈根大學尼爾斯?波爾研究所冰與氣候中心的科研人員還表示，具有最高級別風暴潮的颶風將帶來極大的破壞和經(jīng)濟影響，例如2005年突襲美國新奧爾良的五級颶風卡特里娜，它們在溫暖年份的發(fā)生數(shù)量約為寒冷年份的兩倍。因此，為避免不必要的傷亡和損失，對颶風進行精準的追蹤和預測就顯得勢在必行。
巧部署，風眼里面挖數(shù)據(jù)
美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的氣象學家表示，科研人員只有在獲得風暴相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下才能預測它們的前行路徑和強度。若想對颶風更好地進行預測就需要更準確的數(shù)據(jù)，尤其是源自風暴中心的數(shù)據(jù)。此前，NOAA等機構(gòu)會從不同的來源收集風暴的有關(guān)數(shù)據(jù)，例如盤旋于數(shù)千英尺高空的飛行器，環(huán)墨西哥灣區(qū)域零散分布的固定浮標氣象站，和環(huán)繞地球運行的衛(wèi)星等，這些都能使科學家較好地了解風暴周圍區(qū)域的情況。但源自風暴內(nèi)部的數(shù)據(jù)流卻仍然缺乏，而這個區(qū)域正是最重要的數(shù)據(jù)所在。因此，NOAA正在研制能夠從颶風風眼傳送報告的機器人，以彌補巨大的數(shù)據(jù)缺口，并預測颶風最有可能的路徑，及其下一步的動態(tài)。
據(jù)大眾科學網(wǎng)站相關(guān)報道，由于目前已進入本年颶風襲擊較為猛烈的階段，NOAA的研究人員正在努力部署兩種不同的水下機器人，并期待它們未來能成為風暴預測的關(guān)鍵工具。第一種是泳動型機器人“波浪滑翔機”，其被預想為一個持續(xù)的監(jiān)控平臺，一只流動的監(jiān)測站“艦隊”，整個颶風季都將停留在海上，隨時等待沖入風暴的活動區(qū)域。第二種就是Hydronalix公司研制的水上綜合緊急救生裝置EMILY的改進版??“颶風追蹤者”無人水面艇。它能夠連續(xù)數(shù)日追蹤風暴，直接將源自風暴風眼的數(shù)據(jù)流傳送給海岸上的科研人員。這些機器人平臺將提供給氣象學家有關(guān)天氣系統(tǒng)前方、內(nèi)部和后方表面狀況的完整特性描述。而這些新品種的“追風艦隊”也將連同越來越機器人化的飛行器，和在超級計算機上運行的高分辨率天氣模型一起，生成更加完整和清晰的風暴圖像。
NOAA大西洋海洋學和氣象實驗室的副主任艾倫?萊昂納迪表示，目前只有三種方式可以獲得上述數(shù)據(jù)。第一種是風暴碰巧穿過此前已經(jīng)布置在水中的浮標，而這并不像人們想像的那么經(jīng)常發(fā)生。另一種是于風暴所在區(qū)域放置船只來收集數(shù)據(jù)，但這種情況對留在船上的船員而言過于危險，因此一般不被采納。第三種就是他們已經(jīng)使用的，通過飛行器在風暴前方部署儀器設備，使其能在風暴經(jīng)過時收集數(shù)據(jù)。
“隨著近年來載人飛機和無人機的發(fā)展，收集到的數(shù)據(jù)越發(fā)豐富，對風暴路徑的預測也變得愈發(fā)準確。但風暴的路線很大程度上會由上層風和颶風周圍的環(huán)境所影響，強度卻只能從風暴內(nèi)部測量。即使能從風眼獲取數(shù)據(jù)，其也能快速地改變，因此很難及時精確地獲知在某一時刻的風暴強度，然而這卻決定了一個城市是否需要進行人員疏散。一場風暴將在新奧爾良州以東或是以西登陸并不那么重要，更重要的是知曉它將演變?yōu)橐患夛Z風還是三級颶風�！比R昂納迪如是說。
NOAA地球系統(tǒng)研究實驗室的主任亞歷山大?麥克唐納博士也表示：“現(xiàn)今的問題在于風暴的增強速度到底有多快？拿2004年自佛羅里達州西海岸登陸的颶風查理為例，其在一天內(nèi)就從二級颶風升級成為四級颶風。因此我們的理念就是在風暴的強度發(fā)生變化時能夠觀測到，平均每半小時獲取一次新的壓力讀數(shù)，因為觀察不到，就無法進行預測�！�
就了解強度而言，風暴數(shù)據(jù)最豐富的部分位于海洋和空氣交界面。這個區(qū)域可由水面向上向下延伸數(shù)十英尺，其在風暴風眼中也表現(xiàn)得尤為明顯。颶風的能量源自海水下面的熱力，也正是海氣交界面將它們轉(zhuǎn)移到了上方。保持觀察海洋和空氣的溫度，以及眼壁內(nèi)的壓力，對于了解風暴現(xiàn)在和未來的強度十分關(guān)鍵。風眼的四周環(huán)繞著眼壁，強度最強、風速最快的風就位于颶風的眼壁處。而風眼卻是風暴中心天氣十分穩(wěn)定的地帶，其內(nèi)通常是平靜無風，甚至時有陽光。
妙搭配，“追風艦隊”顯威力
NOAA的兩種機器人平臺雖是獨立開發(fā)，所執(zhí)行任務卻是高度契合�！安ɡ嘶铏C”像是可按意愿移動的浮標氣象站，其能從海浪中汲取前行的驅(qū)動力，并能借助太陽能電池為裝備的空氣、水溫傳感器（可到達水下23英尺）、GPS導航裝置以及通信設備等提供電力。同時，這也意味著它們不會行進過快，能連續(xù)在海中堅守數(shù)月，記錄氣壓、濕度、風向和陣風、海浪高度和頻率等相關(guān)數(shù)據(jù)，對于追蹤和監(jiān)測風暴而言再好不過。因而該機構(gòu)期望在大西洋上部署一大群“波浪滑翔機”機器人，橫跨數(shù)百英里，如同在區(qū)域內(nèi)防守的足球隊員一般，涌入風暴正在形成的區(qū)域，各自收集數(shù)據(jù)。這不僅涉及風暴內(nèi)部的數(shù)據(jù)，也同時兼顧了風暴前方和后方的數(shù)據(jù)。這些額外的數(shù)據(jù)不單能夠協(xié)助科研人員構(gòu)建更好的模型，也能告訴氣象學家風暴從頭至尾究竟吞噬了多少熱量。
而改進版的EMILY“颶風追蹤者”能夠履行“波浪滑翔機”不能盡的職責，追蹤風眼本身。它同時裝配了電池和往復式內(nèi)燃機、溫度傳感器、氣壓指示器和攝像機等與“波浪滑翔機”類似的儀器組，以及衛(wèi)星通信線路和所能承載的最大的燃料箱。其使用壽命最長為10天，可被投入風暴前方的水面上，追蹤它的蹤跡直至風眼中心，并停留其中，隨風暴移動不斷對其追蹤，從而持續(xù)地獲取數(shù)據(jù)流。
研究人員表示，“颶風追蹤者”的主要關(guān)注點是眼壁內(nèi)的壓力。在許多大型的熱帶氣旋，都會有眼壁更替周期的情形出現(xiàn)。過程中眼壁會縮小，再由外圍雨帶產(chǎn)生一個新的眼壁；新的眼壁會逐漸削弱并取代原來的眼壁。更替周期發(fā)生時，風暴會顯著減弱，但更替周期過后，風暴可能會比原來更強烈。因此，眼壁的更替周期是颶風將會增強或是減弱的重要指示。雖然NOAA也在致力構(gòu)建更好的模型，但沒有足夠的數(shù)據(jù)一切都是空談。
麥克唐納談到：“我們堅信眼壁的變化和其內(nèi)部的壓力變化有關(guān)。如果我們能在觀測結(jié)果中看到這些變化，并將其納入模型，我們就能觀察到颶風，并知曉它接下來要做什么。�？战唤缑嬉彩侨绱�，我們知道海洋會將動力傳輸給風暴，但我們此前從未觀察到這種轉(zhuǎn)移究竟是怎么發(fā)生的。我們正在尋找新穎、安全的方式從機器人等平臺獲得上述觀測結(jié)果，如今，這些觀測結(jié)果已經(jīng)滾滾而來。”
雖然“颶風追蹤者”尚在研制之中，但NOAA旗下的“波浪滑翔機”已開始在波多黎各的北方水域履行職責。其在惡劣的天氣狀況下捕捉到了寶貴的數(shù)據(jù)，獲得了“開門紅”。隨后，該機構(gòu)還希望這只日漸強大的機器人“追風艦隊”能挖掘到更多的數(shù)據(jù)財富。這些數(shù)據(jù)將成為研發(fā)新一代計算機模型的驅(qū)動力，其能在未來幾年將NOAA的風暴預測準確率提高50%。這并不是一個隨意的數(shù)字，NOAA下屬名為“颶風預測改進計劃”的項目，就是朝著這個目標邁進的。研究人員對此都十分認真，因為更精準的颶風預測能夠直接降低經(jīng)濟損失，減少財產(chǎn)損害，并挽救大量的生命。誠如麥克唐納所言：“數(shù)據(jù)將推動模型的發(fā)展，而模型能幫助我們針對風暴更好地作出回應。模型的解析度越高，我們能做的也越多、越好。”
分析海洋溫度預測颶風強度
由于溫暖的海水能夠為颶風提供能量并維持其在海洋上的攪動和行進，因此科學家可根據(jù)準確的水溫數(shù)據(jù)來預測風暴的強度�；谶@一原理，NOAA的海洋生態(tài)系統(tǒng)和氣候研究所開發(fā)出了一種更小巧、緊湊的海洋漂流浮標，其將顯著改進颶風行進路徑上水溫和其他數(shù)據(jù)的收集，提升颶風強度預測的準確度。此外，新型浮標還能與各種飛機型號兼容，其比只能裝載于颶風獵人C-130J飛機的舊式浮標更易部署，可確保在危險的颶風登陸前全部就位。
通常情況下，漂流浮標會在颶風經(jīng)過前一天左右部署完畢。它們能夠傳輸氣壓、風速、海面溫度及海平面下方150米內(nèi)的水溫等有關(guān)數(shù)據(jù)，并可通過衛(wèi)星通信線路進行實時傳輸。
借無人機收集高空風暴數(shù)據(jù)
想對颶風進行預測，僅靠地面觀察和衛(wèi)星數(shù)據(jù)遠遠不夠。而借助飛機可直接獲取和收集高空的風暴系統(tǒng)數(shù)據(jù)，因此NOAA聯(lián)手美國航天局（NASA）等機構(gòu)，于今秋在大西洋颶風區(qū)部署了兩架大型無人機，以便更好地了解和預測該區(qū)的颶風。
9月初，一架“全球鷹”（GlobalHawk）飛抵弗吉尼亞州瓦勒普斯發(fā)射場，啟動了NASA主導的最新颶風科研項目??“颶風和強風暴哨兵”任務。該任務是NASA“地球探險任務”中的一項，旨在研究颶風和熱帶風暴的形成過程以及強度變化。此次任務結(jié)束后，NASA還計劃在和的颶風季再次開展這些任務。
在為期一天的飛行中，這架無人機對大西洋颶風“萊斯利”進行了長達10小時的數(shù)據(jù)收集。它攜帶了云物理激光雷達、掃描式高分辨率干涉儀和下投式探空儀系統(tǒng)，主要任務是對颶風的周圍環(huán)境進行取樣，如風速、風向、降水，甚至是風暴下方的海平面飛沫等。而這一任務的關(guān)鍵在于500個下投式探空儀，它們能從高空下落穿越颶風，并在此過程中進行相關(guān)測量。
按計劃，另一架“全球鷹”也會在短期內(nèi)抵達瓦勒普斯。它將攜帶高空單片微波集成電路探通輻射計和颶風成像輻射計等設備，對颶風內(nèi)部和風暴的形成進行研究。兩架“全球鷹”均由地面控制臺進行遠程控制。它們的翼幅為115英尺，最高飛行高度可達6萬5千英尺，并可在空中停留28小時。
測繪颶風海面風圖
了解熱帶風暴的結(jié)構(gòu)是作出更準確預測的關(guān)鍵。例如，即將形成颶風風眼的風的變化能夠指示出它的強度也將發(fā)生改變。NOAA位于科羅拉多州立大學的科研機構(gòu)就開發(fā)出了一種新技術(shù)，能夠?qū)⒃醋孕l(wèi)星和飛機的觀測結(jié)果相結(jié)合，生成高度精確的颶風海面風圖，其分辨率可達10米。這些信息尤為重要，特別是在風暴的登陸過程中。而將可能的觀測值相互糅合并在一張風圖上展現(xiàn)，對于研究人員而言具有重大的實用意義。
構(gòu)建新型計算機模型系統(tǒng)
眾所周知，預測將有多少次颶風活動發(fā)生在給定的颶風季極其困難，但NOAA下屬的地球物理流體力學實驗室或能改變這種狀況。該實驗室開發(fā)出了一種復雜而精細的新型計算機模型實驗系統(tǒng)，能夠用于預測北大西洋的季節(jié)性颶風頻率。如果進一步的研究證實了這一系統(tǒng)預測的準確性，該系統(tǒng)可被用于預測颶風季前7個月的熱帶風暴頻率，并對季節(jié)性颶風活動的年度變化做出預測。
利用新型衛(wèi)星傳感器定位風暴中心
熱帶風暴預測中最具挑戰(zhàn)的方面之一就是定位新形成的或是正在形成的風暴中心。一旦確定風暴中心，氣象學家就可啟動模擬測試并利用相關(guān)數(shù)據(jù)進行預測。在白天，這一工作還相對易于開展，科研人員可借助衛(wèi)星觀測結(jié)果識別出低壓系統(tǒng)周圍的低空云層和指示性螺旋，定位出風暴中心。而在晚上，由于不能利用可見光的觀測結(jié)果，紅外傳感器也無法分辨出低空云層和海平面的區(qū)別，定位風暴中心就變得十分困難。
為解決這一難題，NOAA在大氣領(lǐng)域的合作科研機構(gòu)嘗試使用了新型的日夜波段衛(wèi)星傳感器，它搭載于美國國家極地軌道運行環(huán)境衛(wèi)星之上。這種傳感器十分敏感，因此它僅借助反射的月光也能在黑夜里辨識出風暴中心。這意味著科學家能夠搶占先機對相關(guān)數(shù)據(jù)進行分析和提煉，并由此提升風暴的預測水平。
《科技日報》八版（-11-20）本報記者張巍巍綜合外電
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