機(jī)器人“風(fēng)眼”里挖數(shù)據(jù)
??美研發(fā)預(yù)測和追蹤颶風(fēng)行進(jìn)方案
波浪滑翔機(jī)
新視野
席卷美國東海岸的颶風(fēng)“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(jì)損失讓人心有余悸。美國《國家科學(xué)院學(xué)報(bào)》近日刊發(fā)的一篇論文指出，隨著全球變暖態(tài)勢的增強(qiáng)，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(jì)數(shù)據(jù)表明，自1923年以來大西洋颶風(fēng)潮的數(shù)量有了顯著增加。此外，丹麥哥本哈根大學(xué)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(jí)別風(fēng)暴潮的颶風(fēng)將帶來極大的破壞和經(jīng)濟(jì)影響，例如2005年突襲美國新奧爾良的五級(jí)颶風(fēng)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(fēng)進(jìn)行精準(zhǔn)的追蹤和預(yù)測就顯得勢在必行。
巧部署，風(fēng)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(xué)家表示，科研人員只有在獲得風(fēng)暴相關(guān)數(shù)據(jù)的情況下才能預(yù)測它們的前行路徑和強(qiáng)度。若想對颶風(fēng)更好地進(jìn)行預(yù)測就需要更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，尤其是源自風(fēng)暴中心的數(shù)據(jù)。此前，NOAA等機(jī)構(gòu)會(huì)從不同的來源收集風(fēng)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(biāo)氣象站，和環(huán)繞地球運(yùn)行的衛(wèi)星等，這些都能使科學(xué)家較好地了解風(fēng)暴周圍區(qū)域的情況。但源自風(fēng)暴內(nèi)部的數(shù)據(jù)流卻仍然缺乏，而這個(gè)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(fēng)風(fēng)眼傳送報(bào)告的機(jī)器人，以彌補(bǔ)巨大的數(shù)據(jù)缺口，并預(yù)測颶風(fēng)最有可能的路徑，及其下一步的動(dòng)態(tài)。
據(jù)大眾科學(xué)網(wǎng)站相關(guān)報(bào)道，由于目前已進(jìn)入本年颶風(fēng)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(jī)器人，并期待它們未來能成為風(fēng)暴預(yù)測的關(guān)鍵工具。第一種是泳動(dòng)型機(jī)器人“波浪滑翔機(jī)”，其被預(yù)想為一個(gè)持續(xù)的監(jiān)控平臺(tái)，一只流動(dòng)的監(jiān)測站“艦隊(duì)”，整個(gè)颶風(fēng)季都將停留在海上，隨時(shí)等待沖入風(fēng)暴的活動(dòng)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(jìn)版??“颶風(fēng)追蹤者”無人水面艇。它能夠連續(xù)數(shù)日追蹤風(fēng)暴，直接將源自風(fēng)暴風(fēng)眼的數(shù)據(jù)流傳送給海岸上的科研人員。這些機(jī)器人平臺(tái)將提供給氣象學(xué)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(fēng)艦隊(duì)”也將連同越來越機(jī)器人化的飛行器，和在超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的高分辨率天氣模型一起，生成更加完整和清晰的風(fēng)暴圖像。
NOAA大西洋海洋學(xué)和氣象實(shí)驗(yàn)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(fēng)暴碰巧穿過此前已經(jīng)布置在水中的浮標(biāo)，而這并不像人們想像的那么經(jīng)常發(fā)生。另一種是于風(fēng)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(xiǎn)，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(fēng)暴前方部署儀器設(shè)備，使其能在風(fēng)暴經(jīng)過時(shí)收集數(shù)據(jù)。
“隨著近年來載人飛機(jī)和無人機(jī)的發(fā)展，收集到的數(shù)據(jù)越發(fā)豐富，對風(fēng)暴路徑的預(yù)測也變得愈發(fā)準(zhǔn)確。但風(fēng)暴的路線很大程度上會(huì)由上層風(fēng)和颶風(fēng)周圍的環(huán)境所影響，強(qiáng)度卻只能從風(fēng)暴內(nèi)部測量。即使能從風(fēng)眼獲取數(shù)據(jù)，其也能快速地改變，因此很難及時(shí)精確地獲知在某一時(shí)刻的風(fēng)暴強(qiáng)度，然而這卻決定了一個(gè)城市是否需要進(jìn)行人員疏散。一場風(fēng)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?jí)颶風(fēng)還是三級(jí)颶風(fēng)�！比R昂納迪如是說。
NOAA地球系統(tǒng)研究實(shí)驗(yàn)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(fēng)暴的增強(qiáng)速度到底有多快？拿2004年自佛羅里達(dá)州西海岸登陸的颶風(fēng)查理為例，其在一天內(nèi)就從二級(jí)颶風(fēng)升級(jí)成為四級(jí)颶風(fēng)。因此我們的理念就是在風(fēng)暴的強(qiáng)度發(fā)生變化時(shí)能夠觀測到，平均每半小時(shí)獲取一次新的壓力讀數(shù)，因?yàn)橛^察不到，就無法進(jìn)行預(yù)測�！�
就了解強(qiáng)度而言，風(fēng)暴數(shù)據(jù)最豐富的部分位于海洋和空氣交界面。這個(gè)區(qū)域可由水面向上向下延伸數(shù)十英尺，其在風(fēng)暴風(fēng)眼中也表現(xiàn)得尤為明顯。颶風(fēng)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(fēng)暴現(xiàn)在和未來的強(qiáng)度十分關(guān)鍵。風(fēng)眼的四周環(huán)繞著眼壁，強(qiáng)度最強(qiáng)、風(fēng)速最快的風(fēng)就位于颶風(fēng)的眼壁處。而風(fēng)眼卻是風(fēng)暴中心天氣十分穩(wěn)定的地帶，其內(nèi)通常是平靜無風(fēng)，甚至?xí)r有陽光。
妙搭配，“追風(fēng)艦隊(duì)”顯威力
NOAA的兩種機(jī)器人平臺(tái)雖是獨(dú)立開發(fā)，所執(zhí)行任務(wù)卻是高度契合�！安ɡ嘶铏C(jī)”像是可按意愿移動(dòng)的浮標(biāo)氣象站，其能從海浪中汲取前行的驅(qū)動(dòng)力，并能借助太陽能電池為裝備的空氣、水溫傳感器（可到達(dá)水下23英尺）、GPS導(dǎo)航裝置以及通信設(shè)備等提供電力。同時(shí)，這也意味著它們不會(huì)行進(jìn)過快，能連續(xù)在海中堅(jiān)守?cái)?shù)月，記錄氣壓、濕度、風(fēng)向和陣風(fēng)、海浪高度和頻率等相關(guān)數(shù)據(jù)，對于追蹤和監(jiān)測風(fēng)暴而言再好不過。因而該機(jī)構(gòu)期望在大西洋上部署一大群“波浪滑翔機(jī)”機(jī)器人，橫跨數(shù)百英里，如同在區(qū)域內(nèi)防守的足球隊(duì)員一般，涌入風(fēng)暴正在形成的區(qū)域，各自收集數(shù)據(jù)。這不僅涉及風(fēng)暴內(nèi)部的數(shù)據(jù)，也同時(shí)兼顧了風(fēng)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(xué)家風(fēng)暴從頭至尾究竟吞噬了多少熱量。
而改進(jìn)版的EMILY“颶風(fēng)追蹤者”能夠履行“波浪滑翔機(jī)”不能盡的職責(zé)，追蹤風(fēng)眼本身。它同時(shí)裝配了電池和往復(fù)式內(nèi)燃機(jī)、溫度傳感器、氣壓指示器和攝像機(jī)等與“波浪滑翔機(jī)”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(fēng)暴前方的水面上，追蹤它的蹤跡直至風(fēng)眼中心，并停留其中，隨風(fēng)暴移動(dòng)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(fēng)追蹤者”的主要關(guān)注點(diǎn)是眼壁內(nèi)的壓力。在許多大型的熱帶氣旋，都會(huì)有眼壁更替周期的情形出現(xiàn)。過程中眼壁會(huì)縮小，再由外圍雨帶產(chǎn)生一個(gè)新的眼壁；新的眼壁會(huì)逐漸削弱并取代原來的眼壁。更替周期發(fā)生時(shí)，風(fēng)暴會(huì)顯著減弱，但更替周期過后，風(fēng)暴可能會(huì)比原來更強(qiáng)烈。因此，眼壁的更替周期是颶風(fēng)將會(huì)增強(qiáng)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(jiān)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(fēng)，并知曉它接下來要做什么。�？战唤缑嬉彩侨绱耍覀冎篮Ｑ髸�(huì)將動(dòng)力傳輸給風(fēng)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(jī)器人等平臺(tái)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(fēng)追蹤者”尚在研制之中，但NOAA旗下的“波浪滑翔機(jī)”已開始在波多黎各的北方水域履行職責(zé)。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(jī)構(gòu)還希望這只日漸強(qiáng)大的機(jī)器人“追風(fēng)艦隊(duì)”能挖掘到更多的數(shù)據(jù)財(cái)富。這些數(shù)據(jù)將成為研發(fā)新一代計(jì)算機(jī)模型的驅(qū)動(dòng)力，其能在未來幾年將NOAA的風(fēng)暴預(yù)測準(zhǔn)確率提高50%。這并不是一個(gè)隨意的數(shù)字，NOAA下屬名為“颶風(fēng)預(yù)測改進(jìn)計(jì)劃”的項(xiàng)目，就是朝著這個(gè)目標(biāo)邁進(jìn)的。研究人員對此都十分認(rèn)真，因?yàn)楦珳?zhǔn)的颶風(fēng)預(yù)測能夠直接降低經(jīng)濟(jì)損失，減少財(cái)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(dòng)模型的發(fā)展，而模型能幫助我們針對風(fēng)暴更好地作出回應(yīng)。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(yù)測颶風(fēng)強(qiáng)度
由于溫暖的海水能夠?yàn)轱Z風(fēng)提供能量并維持其在海洋上的攪動(dòng)和行進(jìn)，因此科學(xué)家可根據(jù)準(zhǔn)確的水溫?cái)?shù)據(jù)來預(yù)測風(fēng)暴的強(qiáng)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(biāo)，其將顯著改進(jìn)颶風(fēng)行進(jìn)路徑上水溫和其他數(shù)據(jù)的收集，提升颶風(fēng)強(qiáng)度預(yù)測的準(zhǔn)確度。此外，新型浮標(biāo)還能與各種飛機(jī)型號(hào)兼容，其比只能裝載于颶風(fēng)獵人C-130J飛機(jī)的舊式浮標(biāo)更易部署，可確保在危險(xiǎn)的颶風(fēng)登陸前全部就位。
通常情況下，漂流浮標(biāo)會(huì)在颶風(fēng)經(jīng)過前一天左右部署完畢。它們能夠傳輸氣壓、風(fēng)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(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。
借無人機(jī)收集高空風(fēng)暴數(shù)據(jù)
想對颶風(fēng)進(jìn)行預(yù)測，僅靠地面觀察和衛(wèi)星數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。而借助飛機(jī)可直接獲取和收集高空的風(fēng)暴系統(tǒng)數(shù)據(jù)，因此NOAA聯(lián)手美國航天局（NASA）等機(jī)構(gòu)，于今秋在大西洋颶風(fēng)區(qū)部署了兩架大型無人機(jī)，以便更好地了解和預(yù)測該區(qū)的颶風(fēng)。
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(dòng)了NASA主導(dǎo)的最新颶風(fēng)科研項(xiàng)目??“颶風(fēng)和強(qiáng)風(fēng)暴哨兵”任務(wù)。該任務(wù)是NASA“地球探險(xiǎn)任務(wù)”中的一項(xiàng)，旨在研究颶風(fēng)和熱帶風(fēng)暴的形成過程以及強(qiáng)度變化。此次任務(wù)結(jié)束后，NASA還計(jì)劃在和的颶風(fēng)季再次開展這些任務(wù)。
在為期一天的飛行中，這架無人機(jī)對大西洋颶風(fēng)“萊斯利”進(jìn)行了長達(dá)10小時(shí)的數(shù)據(jù)收集。它攜帶了云物理激光雷達(dá)、掃描式高分辨率干涉儀和下投式探空儀系統(tǒng)，主要任務(wù)是對颶風(fēng)的周圍環(huán)境進(jìn)行取樣，如風(fēng)速、風(fēng)向、降水，甚至是風(fēng)暴下方的海平面飛沫等。而這一任務(wù)的關(guān)鍵在于500個(gè)下投式探空儀，它們能從高空下落穿越颶風(fēng)，并在此過程中進(jìn)行相關(guān)測量。
按計(jì)劃，另一架“全球鷹”也會(huì)在短期內(nèi)抵達(dá)瓦勒普斯。它將攜帶高空單片微波集成電路探通輻射計(jì)和颶風(fēng)成像輻射計(jì)等設(shè)備，對颶風(fēng)內(nèi)部和風(fēng)暴的形成進(jìn)行研究。兩架“全球鷹”均由地面控制臺(tái)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。它們的翼幅為115英尺，最高飛行高度可達(dá)6萬5千英尺，并可在空中停留28小時(shí)。
測繪颶風(fēng)海面風(fēng)圖
了解熱帶風(fēng)暴的結(jié)構(gòu)是作出更準(zhǔn)確預(yù)測的關(guān)鍵。例如，即將形成颶風(fēng)風(fēng)眼的風(fēng)的變化能夠指示出它的強(qiáng)度也將發(fā)生改變。NOAA位于科羅拉多州立大學(xué)的科研機(jī)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(jī)的觀測結(jié)果相結(jié)合，生成高度精確的颶風(fēng)海面風(fēng)圖，其分辨率可達(dá)10米。這些信息尤為重要，特別是在風(fēng)暴的登陸過程中。而將可能的觀測值相互糅合并在一張風(fēng)圖上展現(xiàn)，對于研究人員而言具有重大的實(shí)用意義。
構(gòu)建新型計(jì)算機(jī)模型系統(tǒng)
眾所周知，預(yù)測將有多少次颶風(fēng)活動(dòng)發(fā)生在給定的颶風(fēng)季極其困難，但NOAA下屬的地球物理流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室或能改變這種狀況。該實(shí)驗(yàn)室開發(fā)出了一種復(fù)雜而精細(xì)的新型計(jì)算機(jī)模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，能夠用于預(yù)測北大西洋的季節(jié)性颶風(fēng)頻率。如果進(jìn)一步的研究證實(shí)了這一系統(tǒng)預(yù)測的準(zhǔn)確性，該系統(tǒng)可被用于預(yù)測颶風(fēng)季前7個(gè)月的熱帶風(fēng)暴頻率，并對季節(jié)性颶風(fēng)活動(dòng)的年度變化做出預(yù)測。
利用新型衛(wèi)星傳感器定位風(fēng)暴中心
熱帶風(fēng)暴預(yù)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(fēng)暴中心。一旦確定風(fēng)暴中心，氣象學(xué)家就可啟動(dòng)模擬測試并利用相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)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(shí)別出低壓系統(tǒng)周圍的低空云層和指示性螺旋，定位出風(fēng)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(fēng)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(jī)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(yùn)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(shí)出風(fēng)暴中心。這意味著科學(xué)家能夠搶占先機(jī)對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和提煉，并由此提升風(fēng)暴的預(yù)測水平。
《科技日報(bào)》八版（-11-20）本報(bào)記者張巍巍綜合外電
本文來自：逍遙右腦記憶 http://yy-art.cn/gaozhong/950677.html
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