技术进展 | NOAA部署海空无人观测系统以提高飓风预报精度

导读

近期，NOAA与其合作伙伴在佛罗里达州展示了猎人飞机、无人机、无人船等海洋和大气观测装备，用于提升对飓风形成机理的认识，提高对飓风路径、强度和速度等的预报精度。

正文

开发这套新系统的目标是提升对现场数据的获取能力，从而改善飓风预报模型中海洋和大气的代表性。该观测系统集成了传统飞机、无人机和无人船等观测平台，其中无人系统通过收集海洋和大气不同高度的数据用于研究风暴的形成过程、发展以及强度，并通过与飓风猎人飞机搭载的传感器（如尾部多普勒雷达和下投式探空仪等）收集的数据融合大大改进了NOAA预报模型的精度。精确的预报为当地经济发展、人员财产安全提供了更好的服务保障。

NOAA最新的飓风模型（the Hurricane Analysis and Forecast System，HAFS）包括了飓风分析和预报功能，将于本季度投入使用。HAFS是NOAA的下一代飓风模型，旨在为NOAA的国家飓风中心在有关热带气旋的轨迹、强度和结构等方面提供可靠预报指导。该模型由NOAA下的大西洋海洋学和气象实验室、国家气象局国家环境预测中心以及海洋与大气研究所和迈阿密大学联合开发、测试和评估。

图1 NOAA飓风猎人以及NOAA用来收集大气和海洋不同层数据的几种空中和海洋无人机、水下滑翔机、下投式探空仪等技术

相关新技术分析：

（1）小型无人机系统：系统包括了Black Swift Technologies的小型无人机系统S0。Black swift S0无人机系统，比NOAA之前用于测量温度、压力和空气湿度的平台更加轻便。相关测试工作在NOAA的飞机运营中心进行的，是确保仪器在飓风季节以安全有效的方式执行数据收集任务的关键一步。

同时，NOAA还将测试其他小型无人飞机系统的使用，如 Altius 600、Dragoon（陆上发射的小型无人飞机系统）等。

（2）新型机载下投式探空仪：NOAA将部署Streamsondes，这是一种新型轻型气象下投式探空仪，并集成传统的下投式探空仪和应用较为成熟的XBT（Expendable Bathy Thermographs）。下投式探空仪是一种小型仪器，可在下降过程中收集大气压力、温度、相对湿度、风速和风向的剖面数据。XBT是从飞机上释放的探测器，用于测量海洋温度和深度。这些设备可以快速释放到风暴中，从而获取宝贵的风数据。

（3）海洋表面和水下无人系统：NOAA的新系统将部署由太阳能、风能和波浪能驱动的Saildrones无人水面海洋观测平台，监测并跟踪大西洋飓风。它与水下无人系统集成已提供有关海洋和大气的信息，包括海面温度、盐度、表面气温、湿度、压力、风向和风速以及波高。今年夏天，12架帆船无人机部署在大西洋、加勒比海和墨西哥湾巡逻。

图2 Saildrone将在整个2023年跟踪飓风

除此之外，NOAA还将在传统上飓风路径覆盖海域部署水下滑翔机（glider）。水下滑翔机是一类自主观测平台，可在近岸和开阔海洋环境中工作，在已知飓风加剧或减弱的海域实现1000米的深度以内的温度和盐度观测。水下滑翔机还将与Saildrones一起实现同步观测。

（4）Argo浮标：Argo浮标是部署在全球海洋中的自主剖面仪器。在大西洋盆地，它们在随水流漂移并垂直穿过水柱时提供温度、盐度和压力剖面。Drifter是一类卫星跟踪的表面漂流浮标，可提供对混合层海流、温度、大气压力、风、波浪和盐度的原位观测，并已在大西洋盆地实现部署。

总结

来自滑翔机、漂流器和Argo浮标的数据通过卫星传输到世界气象组织的全球电信中心。这些信息用于NOAA的运营和研究预测模型以及世界各地的许多其他预测模型。来自Saildrones的数据提供给NOAA科学家，并由NOAA用于推进飓风预报模型的研究。NOAA也使用来自小型无人飞机系统的数据来推进预测模型的研究。