水下滑翔机收集数据帮助预测下一次大风暴

2011 年夏天，飓风艾琳袭击东海岸时，人们认为这场风暴会造成巨大破坏。地铁关闭，人们撤离，商店关门。但尽管造成了重大损失，但这场风暴的强度远没有预测的那么大。但一年后，当飓风桑迪于 2012 年 10 月 29 日登陆新泽西州时，科学家们意识到他们遇到了相反的问题：他们严重低估了飓风桑迪带来的降水量。

尽管气象学家努力准确预测风暴（甚至驾驶飞机直接进入风暴中收集数据），但预测飓风和热带风暴仍然是一门不精确的科学。特别是在确定风暴登陆时的强度方面，我们还有很长的路要走。但风暴上方和下方的风暴跟踪机器人可以为我们提供观测数据来改变这一现状。

罗格斯大学的沿海海洋观测实验室 (COOL) 正在努力提高飓风模型的准确性，他们部署了一批相对便宜、浮力驱动的水下滑翔机，这些滑翔机可以直接进入风暴眼下方，收集水下海洋实时数据，例如不同深度的温度变化。研究人员正在分析这些滑翔机在飓风艾琳和桑迪期间收集的数据，试图找出相对较弱的飓风和超级风暴之间的区别。

“总体思路是利用这些数据验证部分模型，因为暴风雨期间海洋观测数据非常有限，”罗格斯大学博士生特拉维斯·迈尔斯 (Travis Miles) 告诉我。传统上，在暴风雨期间收集海洋数据的少数几种方法之一是提前放置系泊浮标，并希望暴风雨能够过去。或者你可以驾驶飞机冲进暴风雨中，将传感器投放到水中。或者你可以在飓风来袭时坐在船上（开个玩笑，别这么做）。这些技术成本高昂，而且可收集的数据量有限，因为传感器无法前往不同位置和深度收集观测数据。“没有太多其他方法可以收集高时间分辨率的海洋数据，”迈尔斯说。

“暴风雨期间对海洋的观测确实有限。”

这时，滑翔机就派上用场了。这种 6 英尺长、115 磅重的自主水下航行器 (AUV) 携带着测量水温、深度、盐度等的仪器，一次可以运行数月，从所有不同深度收集连续的数据流，每次浮出水面时都通过卫星电话将信息传回实验室。它们由电池供电，由浮力变化驱动，使用机翼重现水下飞行的力学原理，而不是像潜艇那样自行推进。

工作原理（视频说明在此）：滑翔机机头的活塞向后拉，让少量水进入机头。这会增加机头的重量，使其向海底倾斜。机身上的机翼使向下运动变成向前滑行，就像鸟儿俯冲向地面一样。为了重新升起，活塞将水推回，使滑翔机更有浮力，并将其推向水面。

借助这种上下摆动的运动，滑翔机可以在水中水平和垂直移动，每天可以缓慢但高效地移动约 10 至 20 公里。与其他一些机器人水下传感器（如美国国家海洋和大气管理局去年测试的滑翔机，可以记录距离水面 23 英尺的水温）相比，这些滑翔机可以潜入数百英尺深的水下。结合系泊浮标等传统数据采样方法，它们可以绘制出风暴前、风暴中和风暴后的海洋状况的更详细的 3D 图。

“所有这些事物的真正力量在于，它们都有不同的空间和时间采样方式，”COOL 的联合导演之一斯科特·格伦 (Scott Glenn) 告诉我。“将它们组合在一起的力量在于，你真的可以探索这个看不见的世界。”

该实验室目前正在分析飓风艾琳和桑迪的数据，试图改进飓风模型如何将海洋对风暴的反应纳入其中。迈尔斯解释说：“目前许多模型的工作方式是，它们假设海洋的实际样子。我们试图做的是将通过观测验证的真实海洋物理学纳入这些大气模型，以真正改善它们的强度预测。”

例如，了解风暴经过时海洋深处的温度如何变化，科学家可以知道海水是否会成为加剧风暴的引擎，还是会起到抑制风暴的作用。迈尔斯说：“海洋是热量驱动器。它是飓风的引擎。”

“在飓风桑迪来袭时，你可以看到新泽西州附近的海底温度从 10 摄氏度上升到接近 18 摄氏度，”他解释道。在飓风桑迪来袭期间，COOL 在风暴眼正下方派出了一架滑翔机。“这相当于在两小时内从夏季状态转变为冬季状态。”相比之下，在飓风艾琳来袭时，滑翔机数据显示海水急剧冷却，减弱了风暴强度。“在艾琳来袭时，我们看到了风暴潮的逃生路线，”格伦解释道。因为当时仍是夏季，海水呈分层状，上层是较热的海水，下层是较冷的海水。在飓风的搅动下，大陆架底部的冷水冷却了表面的较热海水，削弱了风暴，并减少了风暴潮（飓风期间由风推动的海水在岸上堆积起来）。

然而，如果没有这类数据来表明整个海洋的温度如何变化，预报员就无法预测会发生什么。“如果不包括这一过程，你只能假设这一过程是变暖的”，这可能导致对风暴强度的预测过高，他说。

目前，已有少量滑翔机部署在大西洋上空，从新斯科舍省到乔治亚州，参加“滑翔节”，这是美国综合海洋观测系统的一部分，由多所大学联合开展，为期两个月。他们计划在本月底前收集数据，届时大西洋秋季风暴将达到顶峰，以帮助进一步改进飓风强度模型。

通过为我们提供来自海洋深处的高分辨率数据，这些滑翔机可以帮助我们区分下一场大风暴和误报。