波浪滑翔機臺風觀測研究取得新突破

2019年6月至9月，我公司波浪滑翔機研發團隊與自然資源部第二海洋研究所近海動力與生態環境團隊聯合完成中國南海以及菲律賓臨近海域波浪滑翔機臺風觀測任務。任務期間獲取了大量真實有效的臺風觀測數據，自然資源部第二海洋研究所近海動力與生態環境團隊田娣副研究員及聯合作者針對臺風觀測數據進行了科學分析，在國際高影響力自然指數（Nature Index）收錄的、美國地球物理學會旗下著名期刊Journal of Geophysical Research: Atmospheres 上發表了題為“Sea Surface Wind Structure in the Outer Region of Tropical Cyclones Observed by Wave Gliders”的研究成果。論文基于新型海洋移動觀測裝備波浪滑翔機的觀測數據，揭示了臺風外圍海表風場不對稱性結構特征，研究也表明波浪滑翔機觀測在提高海氣界面交換過程認識和改善相關參數化方案方面具有較大的應用潛力。聯合作者包括波浪滑翔機團隊孫秀軍教授、周瑩工程師，自然資源部第二海洋研究所近海動力與生態環境團隊張翰副研究員、鄭罡研究員、周鋒研究員（通訊作者）、碩士研究生姜翰，美國普林斯頓大學王帥博士，德國亥姆霍茲中心張文彥研究員，北京市氣象局楊世莉博士。

臺風及其所引起的風暴潮是我國最大的海洋災害。近十年平均每年損失直接經濟損失600多億元。近年來，我國在臺風研究在路徑預報準確度取得較大進展，然而，臺風強度預報準確度提高有限。瓶頸主要是臺風期間的海洋環境極其危險和復雜，現場觀測相當稀缺，嚴重地限制了我們認知能力的提高。

認識臺風期間海表面風場結構是理解海洋響應和改進數值模擬中海氣界面參數化的關鍵。但是相關現場觀測十分稀缺，特別是2米及以下高度觀測對認識海氣通量交換過程至關重要。目前常用于臺風風場觀測的傳統手段有衛星遙感、機載下投式探空儀、地面基站（如多普勒雷達、多層測風塔）、錨定浮標。但傳統方式存在一定的觀測局限性，如衛星遙感的觀測精度高度地依賴于反演算法，且受云層影響較大；浮標觀測成本高，空間范圍有限，且易受到波浪等因素干擾。作為新型的海上機動觀測設備，波浪滑翔機在一定程度上能夠彌補傳統手段在海氣界面觀測的不足，特別是在臺風等強風海況下直接獲得海上現場的風溫濕壓波浪等海氣界面同步資料。

圖1 臺風路徑以及波浪滑翔機路徑

2019年6月至10月，布放在中國南海以及菲律賓臨近海域的三臺波浪滑翔機，先后獲取了8個臺風期間的海表面風場數據。經質量控制和風速高度調整后，通過對風場觀測數據的分析，表明波浪滑翔機觀測的風場與公開的再分析數據（如ERA5, CCMP以及NCEP-GDAS）和遙感數據SMAP具有較好的一致性。臺風期間，海表面風速明顯增強，伴隨著風向的突變，風場呈現不對稱性，且不對稱性與臺風移動速度和強度有關。通常，臺風路徑右側風速和入流角較大。風場入流角也高度依賴于與臺風中心的距離、臺風強度和方位角。進一步地，基于現場觀測資料比較了多個臺風理論模型對10米風廓線的重構效果，表明在缺乏準確臺風相關資料的情況下，相對簡單的理想模型（如修正的蘭金渦旋模型）比相較復雜的模型具有更加廣泛的適用性。

圖2 觀測的臺風風場結構