南海海洋氣象觀測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

■ 匡昌武 張雪芬 黃斌 井高飛 高濤

近年來(lái)，隨著南海海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和防災(zāi)減災(zāi)的需要，南海海洋氣象觀測(cè)技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，在部分海域初步建成了一個(gè)設(shè)備先進(jìn)、功能齊全的近海和島礁的海洋氣象綜合觀測(cè)系統(tǒng)。

經(jīng)過(guò)十幾年的建設(shè)，到2019年12月為止，海南省氣象部門(mén)已經(jīng)在南海海域建設(shè)了7個(gè)國(guó)家級(jí)地面自動(dòng)氣象站，25個(gè)海島自動(dòng)氣象站、3個(gè)船舶自動(dòng)氣象站、5個(gè)錨系浮標(biāo)自動(dòng)氣象站、2個(gè)錨泊浮臺(tái)自動(dòng)氣象站、7部多普勒天氣雷達(dá)站、5個(gè)探空站、6部風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)站、12個(gè)雷電監(jiān)測(cè)站。在南海海域初步形成以海南島周邊、南沙群島、西沙群島的各種平臺(tái)自動(dòng)氣象站、雷達(dá)、并同氣象衛(wèi)星海洋觀測(cè)等組成海陸空立體海洋氣象觀測(cè)網(wǎng)。

1 南海海洋氣象觀測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀

目前，在海南島周邊初步形成了以岸基觀測(cè)為主，南海群島以永暑礁為中心、西沙群島以永興島為中心的綜合氣象觀測(cè)系統(tǒng)，主要包括海島自動(dòng)氣象站、船舶自動(dòng)氣象站、錨系浮標(biāo)和浮臺(tái)自動(dòng)氣象站、多普勒天氣雷達(dá)、探空雷達(dá)、風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)、雷電監(jiān)測(cè)等自動(dòng)化觀測(cè)。

1.1 衛(wèi)星遙感

我國(guó)風(fēng)云系列靜止和極軌氣象衛(wèi)星，主要提供空間分辨率約1 km和時(shí)間間隔約5～30 min的可見(jiàn)光、紅外和水汽通道云圖；更高空間分辨率的云圖及其他遙感產(chǎn)品，如海表溫度、氣溶膠光學(xué)厚度等，以及大氣溫度和水汽廓線(xiàn)的紅外與微波遙感。

1.2 海島自動(dòng)氣象站

海島自動(dòng)氣象站一般建在海南島周邊、西沙和南沙的島礁上，主要觀測(cè)溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速、能見(jiàn)度、雨量等觀測(cè)要素，風(fēng)傳感器采用螺旋槳的強(qiáng)風(fēng)傳感器，測(cè)風(fēng)范圍0～100 m/s。遠(yuǎn)洋海島站由于交通不便而維護(hù)困難，因此在南沙群島和西沙群島采用雙套站同時(shí)運(yùn)行，即一個(gè)站點(diǎn)兩套設(shè)備同時(shí)運(yùn)行并通過(guò)北斗衛(wèi)星和4G進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，從而保證數(shù)據(jù)的完整性和可用性；對(duì)交通便利的海島站只安裝一套設(shè)備。采用4G移動(dòng)通信進(jìn)行傳輸便于進(jìn)行加密觀測(cè)，在中心站可以根據(jù)需要改變數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間，目前北斗衛(wèi)星通信每10 min傳輸一次資料。由于高溫、高濕、高鹽霧的特殊環(huán)境，海島型自動(dòng)氣象站所有的部件及電纜都必須具備耐鹽霧腐蝕、耐高溫、耐高濕、抗風(fēng)強(qiáng)度高的特性。

1.3 船舶自動(dòng)氣象站

船舶自動(dòng)氣象站是利用船舶為載體，通過(guò)對(duì)船舶航行過(guò)程中的海面以上的氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、能見(jiàn)度等氣象要素進(jìn)行觀測(cè)。海南島的船舶氣象自動(dòng)站主要建設(shè)在瓊州海峽徐聞到海口的2所粵海鐵、永興島到文昌的瓊沙3號(hào)上。船舶位置變化導(dǎo)致氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)變化較大，數(shù)據(jù)的連續(xù)性較差。在惡劣（大風(fēng)、臺(tái)風(fēng)和大霧）的天氣條件下，船舶只能?？吭诖a頭，船舶氣象自動(dòng)站不能提供惡劣天氣時(shí)航路上的氣象信息。由于船舶是一個(gè)移動(dòng)的測(cè)量平臺(tái)，氣象站直接測(cè)量的風(fēng)要素是一個(gè)合成了船舶移動(dòng)速度的合成矢量，而并非風(fēng)參數(shù)的真值，必須通過(guò)必要的矢量運(yùn)算實(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)參數(shù)的計(jì)算。

1.4 錨系浮標(biāo)和錨泊浮臺(tái)自動(dòng)氣象站

海南島東部海岸是臺(tái)風(fēng)的主要登陸點(diǎn)，為了擴(kuò)大觀測(cè)范圍，在離海岸線(xiàn)50 km以外，建設(shè)了10 m、6 m的錨系浮標(biāo)和18 m的錨泊浮臺(tái)自動(dòng)氣象站。浮標(biāo)和浮臺(tái)抗惡劣天氣和風(fēng)浪能力強(qiáng)，能在各種復(fù)雜的海洋環(huán)境中提供長(zhǎng)期、連續(xù)、實(shí)時(shí)的海洋觀測(cè)數(shù)據(jù)，是目前海洋觀測(cè)技術(shù)中最重要的手段之一?，F(xiàn)在建設(shè)的錨系浮標(biāo)能觀測(cè)風(fēng)速風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓、能見(jiàn)度和降水等氣象要素，以及海水流速、水溫、鹽度和浪高等水文要素；錨泊浮臺(tái)現(xiàn)只觀測(cè)風(fēng)速風(fēng)向、溫度、濕度、氣壓、能見(jiàn)度和降水等氣象要素，在浮臺(tái)上安裝強(qiáng)風(fēng)和超聲風(fēng)傳感器。浮臺(tái)比現(xiàn)有浮標(biāo)穩(wěn)定性更高，惡劣海況生存能力更強(qiáng)，觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量高于浮標(biāo)。錨系浮標(biāo)和錨泊浮臺(tái)自動(dòng)氣象站采用北斗衛(wèi)星通信每10 min傳輸一次觀測(cè)資料，對(duì)海南島東部沿岸監(jiān)測(cè)和防御臺(tái)風(fēng)、暴雨、強(qiáng)對(duì)流天氣、海上大風(fēng)等海洋災(zāi)害性天氣起到至關(guān)重要的作用。

1.5 多普勒天氣雷達(dá)

建設(shè)在海南島岸基、永興島和南沙的S波段多普勒天氣雷達(dá)，可以監(jiān)測(cè)半徑為460 km范圍內(nèi)的臺(tái)風(fēng)、暴雨、颮線(xiàn)等大范圍強(qiáng)降水天氣，顯著增強(qiáng)對(duì)南海暴雨、臺(tái)風(fēng)等災(zāi)害性天氣的監(jiān)測(cè)和預(yù)警能力相較于傳統(tǒng)天氣雷達(dá)，多普勒天氣雷達(dá)能夠監(jiān)測(cè)到位于垂直地面8～12 km的高空中的對(duì)流云層的生成和變化，判斷云的移動(dòng)速度，其產(chǎn)品信息達(dá)72種。

1.6 探空和風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)

建設(shè)在西沙和南沙的探空和風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)可以觀測(cè)垂直方向的氣象要素，其產(chǎn)品包括徑向速度、譜寬、信噪比、水平風(fēng)向、水平風(fēng)速、垂直速度和反映大氣湍流狀況的折射率結(jié)構(gòu)指數(shù)等的廓線(xiàn)。風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)產(chǎn)品和無(wú)線(xiàn)電探空儀測(cè)風(fēng)二者可互為補(bǔ)充，可彌補(bǔ)常規(guī)探空資料在時(shí)空分辨率上的不足，使預(yù)報(bào)員能及時(shí)了解觀測(cè)站上空環(huán)境風(fēng)場(chǎng)的垂直分布，有利提高短時(shí)臨近預(yù)報(bào)服務(wù)質(zhì)量。

2 海洋氣象觀測(cè)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

2.1 無(wú)人飛機(jī)空基觀測(cè)

未來(lái)將在海南省建設(shè)無(wú)人飛機(jī)試驗(yàn)基地，對(duì)特定天氣（臺(tái)風(fēng)）進(jìn)行空基海洋氣象觀測(cè)。利用無(wú)人飛機(jī)探空使南海海洋空基觀測(cè)延伸到3000 km。飛機(jī)海洋氣象探測(cè)是在飛機(jī)平臺(tái)上安裝不同的探測(cè)傳感器，通過(guò)傳感器來(lái)直接測(cè)量和遙感測(cè)量海洋氣象要素，在預(yù)定空域和高度通過(guò)自動(dòng)投放下投式探空儀探測(cè)海拔12 km高度內(nèi)的大氣溫度、濕度、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向等氣象要素，生成大氣參數(shù)的垂直廓線(xiàn)，氣象衛(wèi)星上的遙感設(shè)備也可以安裝在飛機(jī)平臺(tái)上。無(wú)人飛機(jī)可以直接飛入臺(tái)風(fēng)的上空，利用下投探空儀和遙感設(shè)備探測(cè)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部精細(xì)三維結(jié)構(gòu)。

2.2 漂流浮標(biāo)和無(wú)人艇

在漂流浮標(biāo)和無(wú)人艇上安裝氣象要素和水文要素的自動(dòng)觀測(cè)設(shè)備，獲取海平面溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素以及海水表層溫度、鹽度等數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)漂流路徑及氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，可獲取海流及漂流軌跡上的天氣特征。在南海重點(diǎn)海域構(gòu)建海面漂浮浮標(biāo)氣象觀測(cè)站網(wǎng)，針對(duì)臺(tái)風(fēng)、海上大風(fēng)開(kāi)展機(jī)動(dòng)定點(diǎn)和自主漂流相結(jié)合的海洋氣象觀測(cè)，與浮標(biāo)、浮臺(tái)和海上平臺(tái)站一起構(gòu)筑臺(tái)風(fēng)觀測(cè)預(yù)警第一道防線(xiàn)。通過(guò)海面漂浮氣象觀測(cè)站，直接將海基觀測(cè)能力由沿岸海區(qū)和近海海域拓展到中遠(yuǎn)海域，彌補(bǔ)中遠(yuǎn)海域氣象觀測(cè)能力的不足。

2.3 垂直氣象探測(cè)

在南沙、西沙已經(jīng)建設(shè)探空和風(fēng)廓線(xiàn)雷達(dá)的島嶼，利用同址建設(shè)微波輻射計(jì)、毫米波云雷達(dá)等地基遙感設(shè)備，獲取溫度、濕度、風(fēng)向風(fēng)速、水凝物等垂直廓線(xiàn)觀測(cè)數(shù)據(jù)，通過(guò)綜合集成地基遙感設(shè)備和現(xiàn)有地面、探空觀測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)多種遙感設(shè)備進(jìn)行綜合質(zhì)控和相互對(duì)比驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)從單一要素廓線(xiàn)遙感探測(cè)到多要素廓線(xiàn)遙感探測(cè)的轉(zhuǎn)變，提高溫、濕、風(fēng)、水凝物的探測(cè)能力。

3 結(jié)語(yǔ)

海南省南海海域海洋綜合氣象觀測(cè)網(wǎng)的發(fā)展，使南海氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)越來(lái)越多，覆蓋面越來(lái)越廣，填補(bǔ)了我國(guó)在南海氣象觀測(cè)資料的空白，增強(qiáng)了南海氣象保障能力和災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)服務(wù)能力。但南海海洋氣象觀測(cè)站點(diǎn)嚴(yán)重不足，浮標(biāo)、浮臺(tái)、海島、海上平臺(tái)等觀測(cè)站點(diǎn)稀疏，間距大，存在大片觀測(cè)空白，中遠(yuǎn)海海洋氣象觀測(cè)幾乎空白。

為了更好地建設(shè)南海海洋氣象綜合觀測(cè)系統(tǒng)，需要加強(qiáng)氣象、海洋、漁業(yè)、海事等涉海部門(mén)間的溝通協(xié)作，共享海洋觀測(cè)資源，積極參與國(guó)際合作與資料共享，共同推進(jìn)南海海洋綜合觀測(cè)系統(tǒng)建設(shè)和資料的應(yīng)用研究。

深入閱讀

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