逍遥学能 2017-12-10 13:42
机器人“风眼”里挖数据
??美研发预测和追踪飓风行进方案
波浪滑翔机
新视野
席卷美国东海岸的飓风“桑迪”早已过去，但它对美国造成的大量人员伤亡和巨大经济损失让人心有余悸。美国《国家科学院学报》近日刊发的一篇论文指出，随着全球变暖态势的增强，热带气旋的发生也愈加频繁，而这种情况在大西洋区域表现得尤为突出。统计数据表明，自1923年以来大西洋飓风潮的数量有了显著增加。此外，丹麦哥本哈根大学尼尔斯?波尔研究所冰与气候中心的科研人员还表示，具有最高级别风暴潮的飓风将带来极大的破坏和经济影响，例如2005年突袭美国新奥尔良的五级飓风卡特里娜，它们在温暖年份的发生数量约为寒冷年份的两倍。因此，为避免不必要的伤亡和损失，对飓风进行精准的追踪和预测就显得势在必行。
巧部署，风眼里面挖数据
美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的气象学家表示，科研人员只有在获得风暴相关数据的情况下才能预测它们的前行路径和强度。若想对飓风更好地进行预测就需要更准确的数据，尤其是源自风暴中心的数据。此前，NOAA等机构会从不同的来源收集风暴的有关数据，例如盘旋于数千英尺高空的飞行器，环墨西哥湾区域零散分布的固定浮标气象站，和环绕地球运行的卫星等，这些都能使科学家较好地了解风暴周围区域的情况。但源自风暴内部的数据流却仍然缺乏，而这个区域正是最重要的数据所在。因此，NOAA正在研制能够从飓风风眼传送报告的机器人，以弥补巨大的数据缺口，并预测飓风最有可能的路径，及其下一步的动态。
据大众科学网站相关报道，由于目前已进入本年飓风袭击较为猛烈的阶段，NOAA的研究人员正在努力部署两种不同的水下机器人，并期待它们未来能成为风暴预测的关键工具。第一种是泳动型机器人“波浪滑翔机”，其被预想为一个持续的监控平台，一只流动的监测站“舰队”，整个飓风季都将停留在海上，随时等待冲入风暴的活动区域。第二种就是Hydronalix公司研制的水上综合紧急救生装置EMILY的改进版??“飓风追踪者”无人水面艇。它能够连续数日追踪风暴，直接将源自风暴风眼的数据流传送给海岸上的科研人员。这些机器人平台将提供给气象学家有关天气系统前方、内部和后方表面状况的完整特性描述。而这些新品种的“追风舰队”也将连同越来越机器人化的飞行器，和在超级计算机上运行的高分辨率天气模型一起，生成更加完整和清晰的风暴图像。
NOAA大西洋海洋学和气象实验室的副主任艾伦?莱昂纳迪表示，目前只有三种方式可以获得上述数据。第一种是风暴碰巧穿过此前已经布置在水中的浮标，而这并不像人们想像的那么经常发生。另一种是于风暴所在区域放置船只来收集数据，但这种情况对留在船上的船员而言过于危险，因此一般不被采纳。第三种就是他们已经使用的，通过飞行器在风暴前方部署仪器设备，使其能在风暴经过时收集数据。
“随着近年来载人飞机和无人机的发展，收集到的数据越发丰富，对风暴路径的预测也变得愈发准确。但风暴的路线很大程度上会由上层风和飓风周围的环境所影响，强度却只能从风暴内部测量。即使能从风眼获取数据，其也能快速地改变，因此很难及时精确地获知在某一时刻的风暴强度，然而这却决定了一个城市是否需要进行人员疏散。一场风暴将在新奥尔良州以东或是以西登陆并不那么重要，更重要的是知晓它将演变为一级飓风还是三级飓风。”莱昂纳迪如是说。
NOAA地球系统研究实验室的主任亚历山大?麦克唐纳博士也表示：“现今的问题在于风暴的增强速度到底有多快？拿2004年自佛罗里达州西海岸登陆的飓风查理为例，其在一天内就从二级飓风升级成为四级飓风。因此我们的理念就是在风暴的强度发生变化时能够观测到，平均每半小时获取一次新的压力读数，因为观察不到，就无法进行预测。”
就了解强度而言，风暴数据最丰富的部分位于海洋和空气交界面。这个区域可由水面向上向下延伸数十英尺，其在风暴风眼中也表现得尤为明显。飓风的能量源自海水下面的热力，也正是海气交界面将它们转移到了上方。保持观察海洋和空气的温度，以及眼壁内的压力，对于了解风暴现在和未来的强度十分关键。风眼的四周环绕着眼壁，强度最强、风速最快的风就位于飓风的眼壁处。而风眼却是风暴中心天气十分稳定的地带，其内通常是平静无风，甚至时有阳光。
妙搭配，“追风舰队”显威力
NOAA的两种机器人平台虽是独立开发，所执行任务却是高度契合。“波浪滑翔机”像是可按意愿移动的浮标气象站，其能从海浪中汲取前行的驱动力，并能借助太阳能电池为装备的空气、水温传感器（可到达水下23英尺）、GPS导航装置以及通信设备等提供电力。同时，这也意味着它们不会行进过快，能连续在海中坚守数月，记录气压、湿度、风向和阵风、海浪高度和频率等相关数据，对于追踪和监测风暴而言再好不过。因而该机构期望在大西洋上部署一大群“波浪滑翔机”机器人，横跨数百英里，如同在区域内防守的足球队员一般，涌入风暴正在形成的区域，各自收集数据。这不仅涉及风暴内部的数据，也同时兼顾了风暴前方和后方的数据。这些额外的数据不单能够协助科研人员构建更好的模型，也能告诉气象学家风暴从头至尾究竟吞噬了多少热量。
而改进版的EMILY“飓风追踪者”能够履行“波浪滑翔机”不能尽的职责，追踪风眼本身。它同时装配了电池和往复式内燃机、温度传感器、气压指示器和摄像机等与“波浪滑翔机”类似的仪器组，以及卫星通信线路和所能承载的最大的燃料箱。其使用寿命最长为10天，可被投入风暴前方的水面上，追踪它的踪迹直至风眼中心，并停留其中，随风暴移动不断对其追踪，从而持续地获取数据流。
研究人员表示，“飓风追踪者”的主要关注点是眼壁内的压力。在许多大型的热带气旋，都会有眼壁更替周期的情形出现。过程中眼壁会缩小，再由外围雨带产生一个新的眼壁；新的眼壁会逐渐削弱并取代原来的眼壁。更替周期发生时，风暴会显著减弱，但更替周期过后，风暴可能会比原来更强烈。因此，眼壁的更替周期是飓风将会增强或是减弱的重要指示。虽然NOAA也在致力构建更好的模型，但没有足够的数据一切都是空谈。
麦克唐纳谈到：“我们坚信眼壁的变化和其内部的压力变化有关。如果我们能在观测结果中看到这些变化，并将其纳入模型，我们就能观察到飓风，并知晓它接下来要做什么。海空交界面也是如此，我们知道海洋会将动力传输给风暴，但我们此前从未观察到这种转移究竟是怎么发生的。我们正在寻找新颖、安全的方式从机器人等平台获得上述观测结果，如今，这些观测结果已经滚滚而来。”
虽然“飓风追踪者”尚在研制之中，但NOAA旗下的“波浪滑翔机”已开始在波多黎各的北方水域履行职责。其在恶劣的天气状况下捕捉到了宝贵的数据，获得了“开门红”。随后，该机构还希望这只日渐强大的机器人“追风舰队”能挖掘到更多的数据财富。这些数据将成为研发新一代计算机模型的驱动力，其能在未来几年将NOAA的风暴预测准确率提高50%。这并不是一个随意的数字，NOAA下属名为“飓风预测改进计划”的项目，就是朝着这个目标迈进的。研究人员对此都十分认真，因为更精准的飓风预测能够直接降低经济损失，减少财产损害，并挽救大量的生命。诚如麦克唐纳所言：“数据将推动模型的发展，而模型能帮助我们针对风暴更好地作出回应。模型的解析度越高，我们能做的也越多、越好。”
分析海洋温度预测飓风强度
由于温暖的海水能够为飓风提供能量并维持其在海洋上的搅动和行进，因此科学家可根据准确的水温数据来预测风暴的强度。基于这一原理，NOAA的海洋生态系统和气候研究所开发出了一种更小巧、紧凑的海洋漂流浮标，其将显著改进飓风行进路径上水温和其他数据的收集，提升飓风强度预测的准确度。此外，新型浮标还能与各种飞机型号兼容，其比只能装载于飓风猎人C-130J飞机的旧式浮标更易部署，可确保在危险的飓风登陆前全部就位。
通常情况下，漂流浮标会在飓风经过前一天左右部署完毕。它们能够传输气压、风速、海面温度及海平面下方150米内的水温等有关数据，并可通过卫星通信线路进行实时传输。
借无人机收集高空风暴数据
想对飓风进行预测，仅靠地面观察和卫星数据远远不够。而借助飞机可直接获取和收集高空的风暴系统数据，因此NOAA联手美国航天局（NASA）等机构，于今秋在大西洋飓风区部署了两架大型无人机，以便更好地了解和预测该区的飓风。
9月初，一架“全球鹰”（GlobalHawk）飞抵弗吉尼亚州瓦勒普斯发射场，启动了NASA主导的最新飓风科研项目??“飓风和强风暴哨兵”任务。该任务是NASA“地球探险任务”中的一项，旨在研究飓风和热带风暴的形成过程以及强度变化。此次任务结束后，NASA还计划在和的飓风季再次开展这些任务。
在为期一天的飞行中，这架无人机对大西洋飓风“莱斯利”进行了长达10小时的数据收集。它携带了云物理激光雷达、扫描式高分辨率干涉仪和下投式探空仪系统，主要任务是对飓风的周围环境进行取样，如风速、风向、降水，甚至是风暴下方的海平面飞沫等。而这一任务的关键在于500个下投式探空仪，它们能从高空下落穿越飓风，并在此过程中进行相关测量。
按计划，另一架“全球鹰”也会在短期内抵达瓦勒普斯。它将携带高空单片微波集成电路探通辐射计和飓风成像辐射计等设备，对飓风内部和风暴的形成进行研究。两架“全球鹰”均由地面控制台进行远程控制。它们的翼幅为115英尺，最高飞行高度可达6万5千英尺，并可在空中停留28小时。
测绘飓风海面风图
了解热带风暴的结构是作出更准确预测的关键。例如，即将形成飓风风眼的风的变化能够指示出它的强度也将发生改变。NOAA位于科罗拉多州立大学的科研机构就开发出了一种新技术，能够将源自卫星和飞机的观测结果相结合，生成高度精确的飓风海面风图，其分辨率可达10米。这些信息尤为重要，特别是在风暴的登陆过程中。而将可能的观测值相互糅合并在一张风图上展现，对于研究人员而言具有重大的实用意义。
构建新型计算机模型系统
众所周知，预测将有多少次飓风活动发生在给定的飓风季极其困难，但NOAA下属的地球物理流体力学实验室或能改变这种状况。该实验室开发出了一种复杂而精细的新型计算机模型实验系统，能够用于预测北大西洋的季节性飓风频率。如果进一步的研究证实了这一系统预测的准确性，该系统可被用于预测飓风季前7个月的热带风暴频率，并对季节性飓风活动的年度变化做出预测。
利用新型卫星传感器定位风暴中心
热带风暴预测中最具挑战的方面之一就是定位新形成的或是正在形成的风暴中心。一旦确定风暴中心，气象学家就可启动模拟测试并利用相关数据进行预测。在白天，这一工作还相对易于开展，科研人员可借助卫星观测结果识别出低压系统周围的低空云层和指示性螺旋，定位出风暴中心。而在晚上，由于不能利用可见光的观测结果，红外传感器也无法分辨出低空云层和海平面的区别，定位风暴中心就变得十分困难。
为解决这一难题，NOAA在大气领域的合作科研机构尝试使用了新型的日夜波段卫星传感器，它搭载于美国国家极地轨道运行环境卫星之上。这种传感器十分敏感，因此它仅借助反射的月光也能在黑夜里辨识出风暴中心。这意味着科学家能够抢占先机对相关数据进行分析和提炼，并由此提升风暴的预测水平。
《科技日报》八版（-11-20）本报记者张巍巍综合外电