飓风逼近，未来的机器人风暴追逐者已做好准备

热带风暴艾萨克是一场奇怪的风暴。今天，它正向新奥尔良前进——预计明天登陆，即卡特里娜飓风登陆七年后的第二天——它仍然缺乏类似热带风暴所特有的那种连贯组织。至少，美国国家海洋和大气管理局的几位顶尖研究人员今天告诉 PopSci。但就其奇怪之处而言，艾萨克其实并不奇怪。很难预测这类天气系统接下来会做什么，这对试图为风暴（预计）路径上的人们提供建议的预报员来说是一个大问题。这就是 NOAA 派出机器人的原因。

负责预测特定风暴路径和强度的气象学家只能依靠他们所掌握的数据，而目前这些数据存在巨大缺口。NOAA 等机构从几个不同的来源收集风暴数据——从数万英尺高空盘旋在天气系统上的飞机、从遍布墨西哥湾的固定气象浮标、从绕地球运行的卫星——让科学家能够很好地观察风暴周围的区域。但几乎没有任何数据从风暴内部传到岸上。正在形成的飓风和海面之间的空间不是可以停留的地方。那里也是最重要的数据所在的地方。

随着 2012 年飓风季节的到来，美国国家海洋和大气管理局的研究人员正在努力改造两种不同的海上机器人，该机构希望它们将成为未来重要的风暴预报工具。第一个机器人是 Liquid Robotics 的 Wave Glider，它被设想为一个持续的监视平台，是一支移动监测站大军，它们将在整个飓风季节期间一直停留在海上，等待着涌入正在形成的风暴的路径。第二个机器人是 Hydronalix 的紧急综合救生绳，或 EMILY（2010 年 PopSci 最佳新产品奖获得者），它将能够连续数天跟踪风暴本身，将连续数据直接从风暴中心传输到岸上的研究人员。

“我们将能够观察像艾萨克这样的风暴离开基韦斯特并穿越墨西哥湾的过程，并了解其动向。”这些机器人平台将为气象学家提供来自风暴眼内部的首批连续数据流，以及天气系统发展过程中前后表面状况的完整特征。与天空中的研究飞机（也越来越机器人化）和岸上超级计算机上运行的高分辨率天气模型协同工作，这种新型海上风暴追踪器将生成一幅更为完整的风暴内部图像，而迄今为止，这一图像至少可以说是模糊的。

“目前只有两三种方法可以获取此类数据，”美国国家海洋和大气管理局大西洋海洋与气象实验室副主任艾伦·莱昂纳迪博士说。“首先，风暴可能恰好横扫已经在水中的浮标，但这种情况并不像有些人认为的那样频繁发生。另一种方法是将一艘船停泊在那里收集这些数据，但这会给船上的任何船员带来危险，所以我们不会这么做。第三种方法——我们已经这样做了——是在风暴前部署飞机上的仪器，以便在风暴经过时收集数据。然后我们回到船上，打捞那些浮标——前提是它们完好无损，没有沉没。”

莱昂纳迪说，这些新机器人可以让科学不再那么偶然。由于有人驾驶飞机和无人机收集了更优质的大气数据，近年来，对风暴路径的预测变得更加准确。但风暴的路径很大程度上受高空风和飓风周围条件的影响，而不是飓风内部。强度实际上只能从内部测量——理想情况下是从风暴眼本身——而且即使这样，强度也会迅速变化。很难确切知道风暴在某一特定时刻的强度，但这却决定了一座城市是否需要疏散。知道风暴是在新奥尔良以东还是以西 50 英里登陆并不那么重要，而知道它是一级飓风还是三级飓风则更为重要。

“我们知道我们必须更好地预测快速强度变化，”NOAA 研究实验室副助理管理员兼该机构地球系统研究实验室主任 Alexander MacDonald 博士说。“今天的问题是‘艾萨克会以多快的速度增强？’我们实际上在 2004 年佛罗里达州西海岸的飓风查理中看到了类似的情况。它在不到一天的时间内从 2 级变为 4 级。因此，我们的想法是能够在强度变化发生时对其进行观察，以便每半小时获得新的压力读数。因为如果你不能观察到某件事，你就无法预测它。”

风暴强度方面，数据最丰富的部分是海气界面，即水面上方和下方数十英尺的区域。而海气界面与风暴眼的关系最为密切。飓风以下方海水的热量为食，正是在海气界面，热量被向上传递。密切关注此处的海洋和气温以及眼壁的压力积聚，是了解风暴当前和未来强度的关键。

NOAA 的两个机器人平台是独立开发的，但它们的作用却完美契合。Liquid Robotics 波浪滑翔机平台被设计成一种风暴监测哨兵——就像一个气象浮标，但研究人员可以随意移动它。波浪滑翔机从海浪中获取推进能，并用太阳能为机载电子设备供电。这意味着它们的速度不是很快——在大多数情况下，速度太慢，无法真正追逐风暴——但它们可以在海上停留数月，等待和观察。

NOAA 希望在大西洋部署一群波浪滑翔机（Leonardi 表示，“有几十个”），这些机器人将以大范围队形在数百英里范围内盘旋，这些机器人配备了空气和水温传感器（可探测到水下 23 英尺）、记录气压、湿度、风向和阵风、海浪高度和频率的仪器以及一系列 GPS 导航和通信设备。就像足球运动员进行区域防守一样，这些机器人将涌入正在形成的风暴路径，在每个拦截风暴系统的地方收集数据——不仅是风暴内部的数据，还有风暴前后的数据。这些额外的数据不仅可以帮助研究人员建立更好的模型，还可以告诉气象学家风暴在移动过程中吸收了多少热量。

NOAA 改进后的 EMILY 将完成 Wave Glider 无法完成的任务——追踪风暴眼本身。重新设计的 EMILY 配备了电池和汽油发动机，以及 NOAA 可以装载的最大燃料箱，同时还留有空间安装与 Wave Glider 非常相似的仪器包（空气和水温传感器、气压指示器、风速传感器、摄像头等）。EMILY 的使用寿命为十天，可以在风暴来临之前投入水中，导航到风暴中心并停留在那里，跟踪风暴的移动，同时在整个过程中传输数据。

EMILY 特别关注的是眼墙（即围绕风暴眼的强大雷雨云环）处的气压。MacDonald 表示，大型风暴的眼墙会周期性移动，这些周期是飓风增强或减弱的有力预测指标。然而，计算机模型无法解释这种现象（称为眼墙替换），因为它们没有数据来识别它。NOAA 一直在努力改进模型，但没有数据，模型就会失效。

“我们认为这些眼墙变化与压力变化有关，”他说。“如果我们能在观测中看到它并将其输入到我们的模型中，那就是圣杯。然后我们将能够观察像艾萨克这样的风暴离开基韦斯特时的情况
并穿越海湾并知道它要做什么。”

莱昂纳迪说，海气界面也是如此。我们知道动量正在从海洋转移到风暴，但我们之前无法观察到这种转移是如何发生的，无法监测其进展并将这些观察结果输入预测模型。“我们正在寻找新的、新颖的、更安全的方法从平台上获取这些观测结果，”他说。观测结果已经开始陆续公布。

NOAA 的 EMILY 仍在开发中，尚未完成从机器人救生员到勇敢的机器人气象学家的转变。但该机构已经在波多黎各北部的海域安装了一台 Wave Glider，作为 NOAA 希望随后推出的数十台 Wave Glider 的试验台。Isaac 追踪波多黎各南部并错过了原型机，但该机器人确实成功捕获了系统外围带的一些极端天气的数据——这是 NOAA 希望其机器人舰队能够产生的第一批新的飓风数据。

这些数据将成为新一代计算机模型的驱动力，在未来几年内，这些模型将使 NOAA 的预测准确率提高 50%。这并不是一个随意的数字；NOAA 有一个名为飓风预测改进计划的项目，就是专门为实现这一目标而设立的，那里的研究人员也对此非常认真。更好的飓风预测直接意味着降低经济损失，更好地减轻财产损失，并且——在卡特里娜飓风周年纪念日的前夕，不言而喻——挽救生命。数据将推动模型的发展，而模型将帮助我们更好地应对猛烈的风暴。正如 MacDonald 所说：“模型的分辨率越高，我们做得就越好。”