本文經授權轉載自《科學大院》微信公衆號

從太空中看，我們的地球是藍色的，因爲地球表面2/3的區域被海水覆蓋着。

蔚藍的地球 （圖片來源：Veer圖庫）

從遠古時代開始，人們對神祕莫測又威力無窮的大海就充滿了好奇。

《哪吒鬧海》動畫片 （圖片來源：必應圖庫）

哪吒鬧海的故事幾乎是家喻戶曉。一方面，故事中哪吒的天真爛漫與不畏強權的精神，備受人們喜愛；另一方面，我們也能從東海龍王的可怕形象，感受到當時人們對海洋災害性天氣的恐懼和無能爲力。

海洋災害性天氣有多可怕？

各種類型的海洋災害 （圖片來源：Veer圖庫）

我國是世界上遭受自然災害影響嚴重的國家之一。影響我國的海洋氣象災害以海上大風、風暴潮、海浪、海霧、海上強對流等爲主，赤潮、海蝕、鹹潮與海水入侵和海嘯等海洋災害也有不同程度發生。

這些海龍王的氣象災害“分身”，不但影響城市正常運行甚至造成人員傷亡，而且導致生態破壞、疫病流行。例如，超強颱風能把萬噸巨輪拋向半空並攔腰斬斷，瞬間摧毀沿岸建築、橋樑、車輛等，颱風引起的泥石流還會破壞森林植被；風暴潮災害發生時，海水越過堤壩，淹沒農田及生產生活設施，給人民造成很大的經濟損失和人員傷亡，風暴潮帶來海岸侵蝕，海水倒灌造成土地鹽漬化等災害；暴雨能造成來勢兇猛，破壞性極大的洪澇災害，洪水過後常常容易出現疫情等。

颱風“海鹽”過境後，菲律賓塔克洛班一片狼藉 （圖片來源：Veer圖庫）

2016年第17號熱帶風暴“鮎魚”造成福建省損失慘重。據福建省防汛辦統計: 全省148.9 萬人受災，寧德、霞浦、永泰等3 個城區和福州的部分城區受淹，緊急轉移羣衆59.73 萬人，因災死亡6 人；農作物受災92.24 千公頃、全省直接經濟總損失61.33 億元。2016年9月30日，受颱風“鮎魚”影響，浙江省武義縣連降暴雨，致使一些山區公路邊出現多處滑坡體，阻塞交通。

颱風“鮎魚”登陸福建 （圖片來源：騰訊·大閩網）

2018年第14號熱帶風暴“摩羯”，導致山東省25.37萬人受災，農作物受災面積2.34萬公頃，成災面積8429公頃，倒塌房屋26間，嚴重損壞房屋11間，一般損壞房屋157間（數據來源：科普中國）。2018年8月13日，受“摩羯”影響，山東青島沿海出現風暴潮，海浪越過堤壩侵入道路，部分車輛被淹受損。

熱帶風暴“摩羯”影響青島，在海邊掀起風暴潮 （圖片來源：光明網）

2018年9月16日，第22號颱風“山竹”以強颱風級別在我國廣東江門市台山沿海登陸，成爲2018年登陸我國的最強颱風。颱風“山竹”造成近300萬人受災，5人死亡，1人失蹤，160.1萬人緊急避險轉移和安置，農作物受災面積174.4千公頃，直接經濟損失52億元（數據來源：科普中國）。9月17日是超強颱風“山竹”過境後的首個工作日，一大批勤勞的深圳人，整理好被狂風吹亂的心情，勇敢地踏上爬山涉水的上班路。他們不斷解鎖各種“路障遊戲"， “十八般武藝”盡顯。

颱風“山竹”過境後，深圳人民是這樣上班的 （圖片來源：深圳天氣）

這些災害性天氣能準確預報嗎？

答案是：很難。

沿海地區以及瀕臨海域的氣候多變，氣象條件和海陸環境複雜。由於缺乏海上、尤其是外海氣象觀測資料，加之我們對這些海洋災害性天氣生消演變的科學認識還存在諸多不足，進而難以準確預報這些海洋災害性天氣。

（圖片來源：作者提供）

雖然海陸空不同方式都可以觀測我國周邊廣闊海域上的氣象和水文狀況，但短板依舊明顯：近海佈置的浮標不多；商船隻能提供不連續、分散的氣象海況報告；海監飛機在惡劣天氣時不能提供氣象水文信息；島嶼和綜合考察船的氣象探空少，缺少覆蓋面寬、時間連續的對流層廓線剖面探測。這些短板限制了颱風生成與發展機理、海-氣相互作用以及厄爾尼諾事件相關的氣候變化等研究的深入開展，極大地阻礙了海洋氣象和水文環境預報尤其是颱風天氣預報能力的提高。

國際上，海洋上的氣象觀測資料主要由衛星遙感、商船氣象報和非業務性飛機觀測提供。雖然美國和加拿大擁有軍事用途的無人艇，但是並沒有應用於氣象觀測。比起陸地臺站網所提供的資料，海上氣象觀測資料在質量和數量上都有極大差距，不能滿足科研和業務需要。

誰能追蹤“海龍王”

如果有幾個“遠海氣象觀察員”，就能幫助預報員及時掌握海上災害性天氣的發生和發展過程，爲模式預報提供實測數據，爲提高海洋氣象災害的預報精度提供有效的科學支撐，讓興風作浪的海龍王無所遁形。

要揭開海龍王的真面目，“遠海氣象觀察員”最好具備以下素質：要能耐得住長久的寂寞，能在海上長航時航行，獨自等待海龍王的出現；身體素質極好，要能在複雜海況條件下生存；一身是膽，有勇氣追蹤移動中尺度強對流系統或颱風系統，並對其進行實時的三維觀測，獲取高精度海洋氣象觀測資料。

半潛式海洋氣象觀測無人艇海上試驗（圖片來源：鄭斯平 攝）

2016年5月，中國科學院大氣物理研究所無人艇研發團隊成功研製了一款基於自控駕駛的半潛式海洋氣象觀測專用無人艇。該艇是一種自動駕駛的水面機器人，是世界上首艘可以發射探空火箭的無人艇。基於衛星定位導航和艇載姿態傳感器等的信息，該艇可以實現自動部署、自動觀測、自動發射探空火箭和自動傳輸觀測數據等功能。

半潛式海洋氣象觀測無人艇內部結構（圖片來源：黃曉鬆提供）

無人艇爲半潛式結構，艇身大部分處於水線之下，只有設備倉位於水面以上，大大降低了海浪對艇體的影響，使無人艇航行非常穩定；同時無人艇的重心遠遠低於其浮心，使無人艇具備自扶正功能，大大提高了其在惡劣海況下的生存能力。

海上火箭探空，在指定海域進行定時和指令氣象探空火箭發射，獲取海洋邊界層內高垂直分辨的溫度、溼度、氣壓、風速和風向廓線。（圖片來源：作者提供）

該艇通過發射探空火箭，將下投式探空儀發射至指定高度，在探空儀下落過程中對中下對流層進行高精度的探測。無人艇火箭探空的優勢，在於其具備很強的機動性，能夠對偏遠海域、關鍵海域，或中尺度強對流系統、颱風系統進行實時的三維立體機動觀測，及時爲相關業務和科研部門提供中尺度強對流系統或颱風系統內部較準確的海面大氣熱力和動力參數資料。

中國科學院大氣物理研究所無人艇研發團隊合影（圖片來源：謝紅 攝）

有了它，海洋天氣盡在掌握

2017年6月13日，在項目負責人陳洪濱研究員的帶領下，半潛式海洋氣象觀測專用無人艇在河北樂亭附近海域開展了海上探測試驗，首次在無人艇上發射了探空火箭，並獲取了世界上首條無人艇火箭探空廓線。同時，這次試驗還獲取了實時的海面常規氣象觀測數據、海表溫度和海上邊界層內的溫度、溼度、氣壓以及風速和風向高垂直分辨率廓線。此舉標誌着智能化海洋氣象探測的開始，也是無人艇海洋氣象探測由近海向遠洋延伸、由二維海面觀測走向三維立體觀測的重要起點。

無人艇起吊離廠（圖片來源：作者提供）

無人艇準備，調試檢測半潛式無人艇各儀器設備，並預先設定航線和觀測模式（圖片來源：鄭斯平 攝）

半潛式無人艇起吊下水，從港口出航，準備開展海上探測試驗（圖片來源：鄭斯平 攝）

無人艇按預設航線以走航式和駐點式觀測模式進行海上觀測，獲取實時高時間分辨率的海洋氣象水文觀測數據。（圖片來源：作者提供）

2017年6月13日，首次無人艇發射探空火箭獲得的海上大氣低層的溫度、溼度、位溫、風速和風向的高垂直分辨率廓線（垂直分辨率約爲5米）。黑色虛線代表海上邊界層頂。（圖片來源：作者提供）

2016年5月至2017年11月，半潛式海洋氣象觀測無人艇在淮河和渤海開展了一系列河上和海上試驗，測試了半潛式海洋氣象觀測無人艇的功能、技術成熟性和業務化可行性。

爲科研提供數據：半潛式艇體結構設計結合自動航行控制、實時衛星數據通訊、氣象水文自動觀測和探空火箭發射等技術，使得該艇能夠在複雜海況條件下開展連續、實時的海面氣象要素的觀測，同時結合海溫、海鹽和海流等海洋蔘數的觀測，爲海洋氣象水文業務和科研提供資料。這些海洋氣象觀測數據可以促進海-氣相互作用、海氣界面感熱和潛熱通量的估算、海洋邊界層模擬和海洋衛星產品驗證等的研究。

爲氣象災害提供預警：無人艇能對中下對流層進行氣象探空探測、實時數據和指令傳輸以及工作狀態監控，實現海洋尤其是遠海氣象與水文多要素的定點或走航式探測，實時監測海上大風、大霧和雷暴等天氣，對海上天氣探測、監測和預報起到積極作用。

2018年，根據前期海試中出現的問題，以及遠海海洋氣象綜合觀測的需求，中國科學院大氣物理研究所無人艇研發團隊對無人艇的船體結構和傳感器配置等進行了升級改造，目前改造工作正在進行中。基於原型艇的研製工作基礎，無人艇研發團隊已經開始建造2號艇，新艇的艇體結構強度和各項工作指標較原型艇都有大幅提高，並配備了更多海洋水文觀測設備，預計於2019年上半年完工。2019年，無人艇將開展更多的海上觀測試驗，尤其是中遠海觀測試驗。

海上無人區的滔天風浪裏，究竟發生着什麼？一切的未知就等遠海“天氣觀察員”爲我們揭祕吧！

作者單位：中國科學院大氣物理研究所