“黑珍珠”波浪滑翔器 日本東部海域臺風“海貝思”實時觀測應用報告

  2019年10月10日至2019年10月14日，在青島海洋科學與技術國家實驗室“問海計劃”項目支撐下，“黑珍珠”波浪滑翔器團隊自主研發的“黑珍珠”小型波浪滑翔器在日本KEO海域進行近距離臺風“海貝思”觀測試驗。該海試歷時4天航行88.5km，順利結束海上試驗任務，同時，臺風觀測期間也對波浪滑翔器極端海況生存能力進行有效驗證。

  “黑珍珠”波浪滑翔器通過集成AirMar氣象站、溫度儀、波浪傳感器、溫濕傳感器等傳感器，在日本KEO海域近觀測臺風“海貝思”，此次海試波浪滑翔器累計航程為88.5km，波浪滑翔器觀測位置距離臺風風眼287公里，觀測位置距離日本KEO錨系浮標180公里。在觀測期間獲得了“海貝思”大量的水文數據

圖1 “黑珍珠”波浪滑翔器航跡圖

  在臺風過境前，波浪滑翔器采集的平均波高、1/3波高，1/10波高，最大波高等均處于6m以下，在2019年10月12日至2019年10月13日期間2019年最強臺風“海貝思”經過波浪滑翔器觀測海域，測得最大波高在11.45m，臺風經過時海域的波高數據均有明顯增大趨勢。波浪滑翔器觀測位置位于波浪浮標西南側360公里處。圖2和圖3分別展示了波浪滑翔器與波浪浮標對波浪數據的比對效果，波浪滑翔器集成的波浪傳感器型號為SWS-1，波浪浮標集成的波浪傳感器為中國海洋大學物理海洋重點實驗室自主研發，從圖中可以看出，對波浪采集的吻合程度較好。圖4、圖5和圖6分別展示了波浪滑翔器搭載的波浪傳感器對波浪采集的其他數據的展示。

圖2 1/3波高與1/3波周期比對圖

圖3 1/10波高與1/10波周期比對圖

圖4 最大波高與最大波周期圖

圖5 譜有效波高與譜有效周期圖

圖6 峰值周期與峰值能量圖

  臺風形成后由于中心低氣壓和巨大的風應力，在海洋上下層之間引起強烈混合和流輻散。通過大風夾卷使混合層深度加深，誘導的上升流強迫表層海水重新分布，使得海表溫度(sea surface temperature, SST)下降。

  SST變化是臺風與海洋之間能量交換的關鍵，是影響臺風產生以及強度變化的重要因素；臺風引起的低SST會影響臺風自身強度以及短期內下一個經過這個區域的臺風的強度。

  圖7至圖9展示了波浪滑翔器采集的氣溫、氣壓和海表水溫與KEO浮標采集的數據比對圖，波浪滑翔器搭載AIRMAR 200WX傳感器和水溫傳感器對氣溫、氣壓、風速、風向和SST數據進行采集，此次AIRMAR 200WX氣象站風速與風向數據因傳感器自身原因導致數據失效，因此僅對氣溫、氣壓和SST數據進行分析。波浪滑翔器觀測位置位于KEO西側180公里處，從圖中可以看出，波浪滑翔器搭載AIRMAR 200WX采集的氣壓與KEO浮標的氣壓吻合度較好，波浪滑翔器AIRMAR 200WX采集的氣溫與KEO的氣溫采集溫差在3℃，溫差相對較大，后續需要核實氣象站氣溫采集的準確性，波浪滑翔器采集的水溫與KEO水溫相差約0.5℃范圍內。

圖7  波浪滑翔器與KEO氣溫比對圖

圖8  波浪滑翔器與KEO海表水溫比對圖

圖9 波浪滑翔器與KEO氣壓比對圖

圖10為海試時間內波浪滑翔器航行速度圖，從圖中可以看出，整個海試時間的航行速度變化范圍為0-1m/s。

圖10 速度圖航向

圖11為波浪滑翔器當前航向與期望航向的對比圖，從圖中可以看出在整個時間段內當前航向與期望航向的吻合程度較差，說明波浪滑翔器在此次臺風經過時航向保持能力較差。

圖11 航向對比圖姿態

圖12為波浪滑翔器姿態圖，從圖中可以看出，海試過程中俯仰均值較小，接近零度；絕大多數俯仰角在20度之間波動，這表明波浪滑翔器在海試過程中俯仰角度較小，儀器姿態較為平穩。另外，海試過程中波浪滑翔器橫滾均值較小，接近零度；絕大多數橫滾角在10度之間波動，這表明波浪滑翔器在海試過程中橫滾角度較小，儀器姿態較為平穩。

圖12 姿態圖電壓

圖13是本次海試過程中波浪滑翔器海試全程電壓圖，電壓均值在13.4V左右，整個海試過程中，電壓變化較為平穩，具有一定的規律，電源供電系統性能可靠。

圖13  電壓圖

  通過數據分析，臺風“海貝思”經過時（波浪滑翔器觀測位置距離臺風風眼287公里）的波高明顯增強（最大波高11.45m），氣壓明顯降低，并形成顯著降溫區；波浪滑翔器集成氣象水文傳感器對臺風“海貝思”的觀測效果明顯，回傳的氣溫、氣壓、SST、波浪數據真實有效，證明波浪滑翔器臺風觀測切實可行。

  本次觀測試驗過程中，波浪滑翔器自身狀態穩定，能夠近距離完成臺風觀測的任務，能夠達到臺風觀測要求，具有極端海況生存能力。本次海試時長4天，波浪滑翔器累積航程為88.5km，波浪滑翔器續航能力持久；全程當前航向與期望航向差值均值為-10.45°，波動不超過±20°，波浪滑翔器基本能夠按照預定航向航行；波浪滑翔器俯仰和橫滾的均值及波動都較小，波浪滑翔器在海試過程中姿態平穩；波浪滑翔器在海試過程中，電壓呈現預期的合理周期性，穩定可靠。儀器各參數顯示波浪滑翔器的總體性能良好，是一個穩定的海面觀測平臺。