世界上首艘能发射探空火箭的无人艇,究竟是为了监测什么?
2019-04-04 09:38

世界上首艘能发射探空火箭的无人艇,究竟是为了监测什么?

本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:李军、金玲


从太空中看,我们的地球是蓝色的,因为地球表面2/3的区域被海水覆盖着。


蔚蓝的地球 (图片来源:Veer图库)


从远古时代开始,人们对神秘莫测又威力无穷的大海就充满了好奇。


《哪吒闹海》动画片 (图片来源:必应图库)


哪吒闹海的故事几乎是家喻户晓。一方面,故事中哪吒的天真烂漫与不畏强权的精神,备受人们喜爱;另一方面,我们也能从东海龙王的可怕形象,感受到当时人们对海洋灾害性天气的恐惧和无能为力。


海洋灾害性天气有多可怕? 


各种类型的海洋灾害 (图片来源:Veer图库)


我国是世界上遭受自然灾害影响严重的国家之一。影响我国的海洋气象灾害以海上大风、风暴潮、海浪、海雾、海上强对流等为主,赤潮、海蚀、咸潮与海水入侵和海啸等海洋灾害也有不同程度发生。


这些海龙王的气象灾害“分身”,不但影响城市正常运行甚至造成人员伤亡,而且导致生态破坏、疫病流行。例如,超强台风能把万吨巨轮抛向半空并拦腰斩断,瞬间摧毁沿岸建筑、桥梁、车辆等,台风引起的泥石流还会破坏森林植被;风暴潮灾害发生时,海水越过堤坝,淹没农田及生产生活设施,给人民造成很大的经济损失和人员伤亡,风暴潮带来海岸侵蚀,海水倒灌造成土地盐渍化等灾害;暴雨能造成来势凶猛,破坏性极大的洪涝灾害,洪水过后常常容易出现疫情等。


台风“海盐”过境后,菲律宾塔克洛班一片狼藉 (图片来源:Veer图库)


2016年第17号热带风暴“鲇鱼”造成福建省损失惨重。据福建省防汛办统计:全省148.9 万人受灾,宁德、霞浦、永泰等3个城区和福州的部分城区受淹,紧急转移群众59.73万人,因灾死亡6人;农作物受灾92.24千公顷、全省直接经济总损失61.33亿元。2016年9月30日,受台风“鲇鱼”影响,浙江省武义县连降暴雨,致使一些山区公路边出现多处滑坡体,阻塞交通。


台风“鲇鱼”登陆福建  (图片来源:腾讯·大闽网)


2018年第14号热带风暴“摩羯”,导致山东省25.37万人受灾,农作物受灾面积2.34万公顷,成灾面积8429公顷,倒塌房屋26间,严重损坏房屋11间,一般损坏房屋157间(数据来源:科普中国)。2018年8月13日,受“摩羯”影响,山东青岛沿海出现风暴潮,海浪越过堤坝侵入道路,部分车辆被淹受损。


热带风暴“摩羯”影响青岛,在海边掀起风暴潮   (图片来源:光明网)


2018年9月16日,第22号台风“山竹”以强台风级别在我国广东江门市台山沿海登陆,成为2018年登陆我国的最强台风。台风“山竹”造成近300万人受灾,5人死亡,1人失踪,160.1万人紧急避险转移和安置,农作物受灾面积174.4千公顷,直接经济损失52亿元(数据来源:科普中国)。9月17日是超强台风“山竹”过境后的首个工作日,一大批勤劳的深圳人,整理好被狂风吹乱的心情,勇敢地踏上爬山涉水的上班路。他们不断解锁各种“路障游戏", “十八般武艺”尽显。


台风“山竹”过境后,深圳人民是这样上班的 (图片来源:深圳天气)


这些灾害性天气能准确预报吗?


答案是:很难。


沿海地区以及濒临海域的气候多变,气象条件和海陆环境复杂。由于缺乏海上、尤其是外海气象观测资料,加之我们对这些海洋灾害性天气生消演变的科学认识还存在诸多不足,进而难以准确预报这些海洋灾害性天气。


(图片来源:作者提供)


虽然海陆空不同方式都可以观测我国周边广阔海域上的气象和水文状况,但短板依旧明显:近海布置的浮标不多;商船只能提供不连续、分散的气象海况报告;海监飞机在恶劣天气时不能提供气象水文信息;岛屿和综合考察船的气象探空少,缺少覆盖面宽、时间连续的对流层廓线剖面探测。这些短板限制了台风生成与发展机理、海-气相互作用以及厄尔尼诺事件相关的气候变化等研究的深入开展,极大地阻碍了海洋气象和水文环境预报尤其是台风天气预报能力的提高。


国际上,海洋上的气象观测资料主要由卫星遥感、商船气象报和非业务性飞机观测提供。虽然美国和加拿大拥有军事用途的无人艇,但是并没有应用于气象观测。比起陆地台站网所提供的资料,海上气象观测资料在质量和数量上都有极大差距,不能满足科研和业务需要。 


谁能追踪“海龙王”


如果有几个“远海气象观察员”,就能帮助预报员及时掌握海上灾害性天气的发生和发展过程,为模式预报提供实测数据,为提高海洋气象灾害的预报精度提供有效的科学支撑,让兴风作浪的海龙王无所遁形。


要揭开海龙王的真面目,“远海气象观察员”最好具备以下素质:要能耐得住长久的寂寞,能在海上长航时航行,独自等待海龙王的出现;身体素质极好,要能在复杂海况条件下生存;一身是胆,有勇气追踪移动中尺度强对流系统或台风系统,并对其进行实时的三维观测,获取高精度海洋气象观测资料。


半潜式海洋气象观测无人艇海上试验(图片来源:郑斯平 摄)


2016年5月,中国科学院大气物理研究所无人艇研发团队成功研制了一款基于自控驾驶的半潜式海洋气象观测专用无人艇。该艇是一种自动驾驶的水面机器人,是世界上首艘可以发射探空火箭的无人艇。基于卫星定位导航和艇载姿态传感器等的信息,该艇可以实现自动部署、自动观测、自动发射探空火箭和自动传输观测数据等功能。


半潜式海洋气象观测无人艇内部结构(图片来源:黄晓松提供)


无人艇为半潜式结构,艇身大部分处于水线之下,只有设备仓位于水面以上,大大降低了海浪对艇体的影响,使无人艇航行非常稳定;同时无人艇的重心远远低于其浮心,使无人艇具备自扶正功能,大大提高了其在恶劣海况下的生存能力。


海上火箭探空,在指定海域进行定时和指令气象探空火箭发射,获取海洋边界层内高垂直分辨的温度、湿度、气压、风速和风向廓线。(图片来源:作者提供)


该艇通过发射探空火箭,将下投式探空仪发射至指定高度,在探空仪下落过程中对中下对流层进行高精度的探测。无人艇火箭探空的优势,在于其具备很强的机动性,能够对偏远海域、关键海域,或中尺度强对流系统、台风系统进行实时的三维立体机动观测,及时为相关业务和科研部门提供中尺度强对流系统或台风系统内部较准确的海面大气热力和动力参数资料。



中国科学院大气物理研究所无人艇研发团队的研究成果被选为中科院SCI期刊《大气科学进展(英)(Advances in Atmospheric Sciences)2019年第4期的封面论文。封面设计展示了从梦想到现实,从图纸到下海试验的过程。(图片来源:作者提供)


中国科学院大气物理研究所无人艇研发团队合影(图片来源:谢红 摄)


有了它,海洋天气尽在掌握


2017年6月13日,在项目负责人陈洪滨研究员的带领下,半潜式海洋气象观测专用无人艇在河北乐亭附近海域开展了海上探测试验,首次在无人艇上发射了探空火箭,并获取了世界上首条无人艇火箭探空廓线。同时,这次试验还获取了实时的海面常规气象观测数据、海表温度和海上边界层内的温度、湿度、气压以及风速和风向高垂直分辨率廓线。此举标志着智能化海洋气象探测的开始,也是无人艇海洋气象探测由近海向远洋延伸、由二维海面观测走向三维立体观测的重要起点。


无人艇起吊离厂(图片来源:作者提供)


无人艇准备,调试检测半潜式无人艇各仪器设备,并预先设定航线和观测模式(图片来源:郑斯平 摄)


半潜式无人艇起吊下水,从港口出航,准备开展海上探测试验(图片来源:郑斯平 摄)


无人艇按预设航线以走航式和驻点式观测模式进行海上观测,获取实时高时间分辨率的海洋气象水文观测数据。(图片来源:作者提供)


2017年6月13日,首次无人艇发射探空火箭获得的海上大气低层的温度、湿度、位温、风速和风向的高垂直分辨率廓线(垂直分辨率约为5米)。黑色虚线代表海上边界层顶。(图片来源:作者提供)


2016年5月至2017年11月,半潜式海洋气象观测无人艇在淮河和渤海开展了一系列河上和海上试验,测试了半潜式海洋气象观测无人艇的功能、技术成熟性和业务化可行性。


为科研提供数据:半潜式艇体结构设计结合自动航行控制、实时卫星数据通讯、气象水文自动观测和探空火箭发射等技术,使得该艇能够在复杂海况条件下开展连续、实时的海面气象要素的观测,同时结合海温、海盐和海流等海洋参数的观测,为海洋气象水文业务和科研提供资料。这些海洋气象观测数据可以促进海-气相互作用、海气界面感热和潜热通量的估算、海洋边界层模拟和海洋卫星产品验证等的研究。


为气象灾害提供预警:无人艇能对中下对流层进行气象探空探测、实时数据和指令传输以及工作状态监控,实现海洋尤其是远海气象与水文多要素的定点或走航式探测,实时监测海上大风、大雾和雷暴等天气,对海上天气探测、监测和预报起到积极作用。


2018年,根据前期海试中出现的问题,以及远海海洋气象综合观测的需求,中国科学院大气物理研究所无人艇研发团队对无人艇的船体结构和传感器配置等进行了升级改造,目前改造工作正在进行中。基于原型艇的研制工作基础,无人艇研发团队已经开始建造2号艇,新艇的艇体结构强度和各项工作指标较原型艇都有大幅提高,并配备了更多海洋水文观测设备,预计于2019年上半年完工。2019年,无人艇将开展更多的海上观测试验,尤其是中远海观测试验。


海上无人区的滔天风浪里,究竟发生着什么?一切的未知就等远海“天气观察员”为我们揭秘吧!


本文来自微信公众号:科学大院(ID:kexuedayuan),作者:李军、金玲

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