國(guó)內(nèi)外臺(tái)風(fēng)飛行科學(xué)試驗(yàn)進(jìn)展及展望

湯杰 趙兵科 雷小途

（1 中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所，上海 200030；2 亞太臺(tái)風(fēng)研究中心，上海 201306；3 上海市氣象局，上海 200030）

0 當(dāng)前臺(tái)風(fēng)研究業(yè)務(wù)瓶頸與臺(tái)風(fēng)科學(xué)試驗(yàn)必要性

熱帶氣旋（本文統(tǒng)稱臺(tái)風(fēng)）是在熱帶洋面上發(fā)展起來(lái)的強(qiáng)對(duì)流渦旋性天氣系統(tǒng)，它產(chǎn)生的大風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮等氣象災(zāi)害每年都給全世界大洋沿岸居民帶來(lái)巨大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。因此臺(tái)風(fēng)的路徑和強(qiáng)度以及風(fēng)雨的預(yù)測(cè)和機(jī)理研究是氣象防災(zāi)減災(zāi)業(yè)務(wù)和科研中的一個(gè)重要領(lǐng)域。近幾十年來(lái)，隨著非常規(guī)資料的廣泛使用，高分辨率數(shù)值模式的改進(jìn)以及對(duì)臺(tái)風(fēng)發(fā)生發(fā)展的機(jī)制深入理解，臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)水平已經(jīng)逐步提高，而與之形成鮮明對(duì)比的是，臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)水平卻進(jìn)步相對(duì)緩慢[1]。對(duì)于臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)進(jìn)步緩慢一個(gè)主要原因是熱帶氣旋主要在遠(yuǎn)洋洋面上發(fā)展并迅速移動(dòng)，人們往往缺乏對(duì)于臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行持續(xù)有效觀測(cè)的手段。因此近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展多個(gè)針對(duì)熱帶氣旋大型外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，如美國(guó)多年來(lái)連續(xù)開(kāi)展的TCM-90和Typhoon-90試驗(yàn)[2]，RAINEX（Hurricane Rainband and Intensity Change Experiment）[3]，以及近年來(lái)以美國(guó)颶風(fēng)研究中心（Hurricane Research Division，HRD）為核心針對(duì)颶風(fēng)強(qiáng)度觀測(cè)試驗(yàn)HIFX（HurricaneIntensity Forecasting Experiment）試驗(yàn)[4-5]。THORPEX計(jì)劃也針對(duì)西北太平洋臺(tái)風(fēng)開(kāi)展了兩季T-PARC（THORPEX-Pacific Asian Regional Campaign）試驗(yàn)即TCS-08和TCS-10計(jì)劃[6]。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)從2003年開(kāi)始執(zhí)行針對(duì)經(jīng)過(guò)臺(tái)灣島附近區(qū)域的臺(tái)風(fēng)觀測(cè)Dotstar（Dropwindsonde Observations for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region）計(jì)劃。

美國(guó)等長(zhǎng)年的颶風(fēng)（大西洋的熱帶氣旋）探測(cè)實(shí)踐表明，飛機(jī)下投探空是獲取臺(tái)風(fēng)內(nèi)部精細(xì)結(jié)構(gòu)特征的有效手段，其中基于無(wú)人機(jī)平臺(tái)的臺(tái)風(fēng)下投探空技術(shù)則已漸成發(fā)展趨勢(shì)。近年來(lái)，美國(guó)通過(guò)實(shí)施“颶風(fēng)預(yù)報(bào)提高計(jì)劃（HFIP）”，針對(duì)颶風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)，開(kāi)展規(guī)?；娘Z風(fēng)內(nèi)部垂直精細(xì)結(jié)構(gòu)的飛機(jī)下投探空觀測(cè)，并使用包括“全球鷹”在內(nèi)的高空無(wú)人機(jī)加強(qiáng)了對(duì)颶風(fēng)高層“出流層”結(jié)構(gòu)等的直接觀測(cè)，極大提高了其對(duì)颶風(fēng)結(jié)構(gòu)影響強(qiáng)度變化過(guò)程的事實(shí)及機(jī)理認(rèn)識(shí)，“出流層”結(jié)構(gòu)的直接觀測(cè)還促進(jìn)了其數(shù)值模式（HWRF）颶風(fēng)高層次抽吸及級(jí)環(huán)流等相關(guān)物理過(guò)程處理方案的完善、確保了模式中颶風(fēng)渦旋結(jié)構(gòu)的真實(shí)準(zhǔn)確，使其颶風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)能力取得突破性進(jìn)展，5年內(nèi)降低誤差約20%，當(dāng)前72 h的預(yù)報(bào)誤差與5年前的24 h預(yù)報(bào)相當(dāng)[7]。

Aberson等[8]對(duì)2008—2011年的颶風(fēng)飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)（包括航行高度上的溫壓濕風(fēng)數(shù)據(jù)、步進(jìn)頻率微波輻射計(jì)（SFMR）數(shù)據(jù)、下投式探空儀數(shù)據(jù)以及機(jī)載多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)等）采用集合卡曼濾波的方法將其同化到HWRF模式中，通過(guò)比較飛機(jī)觀測(cè)同化資料對(duì)24～60 h的路徑和響度有20%～40%幅度的提高。

1 國(guó)內(nèi)外臺(tái)風(fēng)飛行試驗(yàn)開(kāi)展的情況

基于臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)觀測(cè)的必要性，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展多個(gè)主要基于飛行器平臺(tái)的大型綜合性外場(chǎng)觀測(cè)試驗(yàn)，如美國(guó)多年來(lái)連續(xù)開(kāi)展的TCM-90和Typhoon-90試驗(yàn)[2]，RAINEX（Hurricane Rainband and Intensity Change Experiment）[3]，以及近年來(lái)以美國(guó)颶風(fēng)研究中心（Hurricane Research Division，HRD）為核心針對(duì)颶風(fēng)強(qiáng)度觀測(cè)試驗(yàn)HIEX（Hurricane Intensity Forecasting Experiment）試驗(yàn)[4-5]。THORPEX計(jì)劃也針對(duì)西北太平洋臺(tái)風(fēng)開(kāi)展了兩季T-PARC（THORPEX-Pacific Asian Regional Campaign）試驗(yàn)即TCS-08和TCS-10計(jì)劃[6]。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)從2003年開(kāi)始執(zhí)行針對(duì)經(jīng)過(guò)臺(tái)灣島附近區(qū)域的臺(tái)風(fēng)觀測(cè)DOTSTAR（Dropwindsonde Observations for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region）計(jì)劃。我國(guó)香港則利用海事搜救飛機(jī)自2012年進(jìn)行有人飛機(jī)環(huán)繞臺(tái)風(fēng)的邊界層觀測(cè)試驗(yàn)，并從2016年開(kāi)始在臺(tái)風(fēng)下探探空等方式探測(cè)。日本也于2017年開(kāi)始針對(duì)颶風(fēng)Lane進(jìn)行了飛行探測(cè)試驗(yàn)，并后續(xù)逐年開(kāi)展。

進(jìn)入21世紀(jì)后，我國(guó)連續(xù)多年開(kāi)展臺(tái)風(fēng)科學(xué)試驗(yàn)（China Landfalling Typhoon Experiment，CLATEX）[9]并且后續(xù)在“臺(tái)風(fēng)973”計(jì)劃資助下開(kāi)展了“影響登陸熱帶氣旋強(qiáng)度的邊界層主要物理過(guò)程特征觀測(cè)試驗(yàn)”（TLAPFEX）[10-11]以及在世界氣象組織和亞太臺(tái)風(fēng)委員會(huì)指導(dǎo)下國(guó)際示范項(xiàng)目“近海臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化科學(xué)試驗(yàn)”（EXOTICCA）。上海臺(tái)風(fēng)研究所自2007年也分別開(kāi)展了諸如遠(yuǎn)程火箭探空，無(wú)人機(jī)探測(cè)等多元手段，我國(guó)中國(guó)氣象科學(xué)研究院、探測(cè)中心、廣州熱帶海洋氣象研究所、南京大學(xué)等多家國(guó)內(nèi)單位也持續(xù)多年在廣東、海南等地針對(duì)登陸臺(tái)風(fēng)進(jìn)行多單位協(xié)同觀測(cè)試驗(yàn)。

下面根據(jù)飛行平臺(tái)對(duì)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行介紹：

1.1 基于大型有人機(jī)和火箭的臺(tái)風(fēng)探測(cè)試驗(yàn)：

美國(guó)早在“二戰(zhàn)”結(jié)束后的1950年代，即開(kāi)展了有人駕駛飛機(jī)穿越臺(tái)風(fēng)中心并在飛行中投放配有全球衛(wèi)星定位裝置的探空儀的觀測(cè)試驗(yàn)，飛行路線上的資料，特別是針對(duì)臺(tái)風(fēng)中心附近實(shí)施的下投探空資料，成為臺(tái)風(fēng)“定位”（確定臺(tái)風(fēng)中心位置）和“定強(qiáng)”（確定臺(tái)風(fēng)的強(qiáng)度）的重要依據(jù)。1976—1977年，美國(guó)國(guó)家海洋與大氣管理局（NOAA）成功地利用WP23D型飛機(jī)進(jìn)行了2個(gè)架次的颶風(fēng)下投探測(cè)試驗(yàn)，此后飛機(jī)便作為其探測(cè)颶（臺(tái)）風(fēng)的理想平臺(tái)，投入業(yè)務(wù)探測(cè)應(yīng)用至今。隨著“冷戰(zhàn)”的結(jié)束和經(jīng)費(fèi)等原因，美國(guó)于1987年停止了在西北太平洋地區(qū)的臺(tái)風(fēng)飛行觀測(cè)。但是，西太平洋沿岸各國(guó)和地區(qū)針對(duì)臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)科學(xué)問(wèn)題的觀測(cè)試驗(yàn)的努力并未停止。如：1990年代初，成功地實(shí)施了旨在提高臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的國(guó)際臺(tái)風(fēng)觀測(cè)計(jì)劃（SPECTRUM），下投探空、浮標(biāo)、觀測(cè)船和風(fēng)廓線雷達(dá)及沿海眾多地面和高空探測(cè)等資料的獲取及其應(yīng)用，明顯增進(jìn)了臺(tái)風(fēng)移動(dòng)物理機(jī)制的認(rèn)識(shí)和預(yù)報(bào)能力。SPECTRUM的成功，示范并推動(dòng)了國(guó)際臺(tái)風(fēng)界的臺(tái)風(fēng)觀測(cè)試驗(yàn)。下面舉例分別介紹近年來(lái)開(kāi)展的一些著名臺(tái)風(fēng)相關(guān)科學(xué)試驗(yàn)：

1.1.1 CBLAST（Coupled Boundary Layer Air-Sea Transfer）

利用風(fēng)雨廓線儀觀測(cè)表面風(fēng)和邊界層風(fēng)，在飛機(jī)上釋放GPS下投式探空儀觀測(cè)海表溫度和表面風(fēng)，云成像儀和粒子多普勒儀觀測(cè)海洋飛沫，掃瞄雷達(dá)高度計(jì)觀測(cè)表面波，機(jī)載湍流儀觀測(cè)動(dòng)量和感熱通量。CBLAST試驗(yàn)的主要目的是通過(guò)對(duì)大西洋熱帶氣旋的觀測(cè)，提高對(duì)海氣相互作用物理過(guò)程的認(rèn)識(shí)，了解強(qiáng)風(fēng)條件下海氣交換過(guò)程機(jī)制，改進(jìn)熱帶氣旋路徑和強(qiáng)度預(yù)報(bào)數(shù)值模式物理參數(shù)化[12-14]。

通過(guò)對(duì)熱帶氣旋邊界層通量的直接觀測(cè)初步發(fā)現(xiàn)高風(fēng)速條件下拖曳系數(shù)值減小[15-16]；熱帶氣旋增強(qiáng)所需的焓通量不僅限于來(lái)自湍流通量[17]；邊界層中存在特征波長(zhǎng)約為900 m的滾渦結(jié)構(gòu)，它們對(duì)海氣動(dòng)量交換的調(diào)整有著顯著作用[17]。這些觀測(cè)結(jié)果，已被應(yīng)用于物理機(jī)制的研究和理論模型及數(shù)值模式參數(shù)化方案的評(píng)估[18]，并發(fā)展了高分辨率大氣－浪－海洋耦合模式，檢驗(yàn)證明模式結(jié)果能夠明顯地提高熱帶氣旋強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)預(yù)報(bào)，尤其能夠較好反映海氣相互作用對(duì)氣旋強(qiáng)度預(yù)報(bào)的影響[14]。

1.1.2 DOTSTAR（Dropwindsonde Observations for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region）

由臺(tái)灣科學(xué)家組織實(shí)施的“DOTSTAR試驗(yàn)”開(kāi)始于2003年（圖1），試驗(yàn)海區(qū)為西北太平洋（主要是經(jīng)過(guò)臺(tái)灣島以東洋面），使用Astra SPX噴氣機(jī)投放了下投式探空儀對(duì)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行溫度、濕度、氣壓和風(fēng)速的垂直觀測(cè)，至2010年試驗(yàn)共觀測(cè)了39個(gè)臺(tái)風(fēng)，投放了846個(gè)下投式探空儀。觀測(cè)進(jìn)一步促進(jìn)了對(duì)臺(tái)風(fēng)動(dòng)力學(xué)的研究，尤其是環(huán)境場(chǎng)對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑突變機(jī)理的影響以及臺(tái)風(fēng)邊界層物理過(guò)程的理解[19]。試驗(yàn)中觀測(cè)資料實(shí)時(shí)傳輸?shù)脚_(tái)灣氣象局、NCEP、FNMOC和JMA，并同化進(jìn)臺(tái)灣氣象局?jǐn)?shù)值模式，NCEP的GFS和GFDL模式，F(xiàn)NMOC的NOGAPS、COAMPS和GFND模式，UET和JMA數(shù)值模式，發(fā)現(xiàn)同化DOTSTAR觀測(cè)資料后NCEP的GFS模式、NOGAPS模式、JMA的GSM模式和WRF模式對(duì)臺(tái)風(fēng)的路徑預(yù)報(bào)都表現(xiàn)出正效果[20]。

圖1 DOTSTAR對(duì)2014年臺(tái)風(fēng)鳳凰的觀測(cè)（黑色中心標(biāo)記：2014-09-19 00：00 UTC的臺(tái)風(fēng)中心位置；綠色中心標(biāo)記：第一枚Dropsonde落入海表時(shí)的臺(tái)風(fēng)中心位置；藍(lán)色中心標(biāo)記：最后一枚Dropsonde落入海表時(shí)的臺(tái)風(fēng)中心位置）Fig.1 Observation of typhoon Fenghuang in 2014 by DOTSTAR(black center mark: typhoon center position at 00:00 UTC on 19 September 2014;green center mark: typhoon center position when the first dropsonde falls into the sea surface;blue center mark:typhoon center position when the last dropsonde falls into the sea surface)

1.1.3 IFEX（Intensity Forecasting Experiment）

IFEX 觀測(cè)試驗(yàn)利用P-3、G-IV飛機(jī)以及無(wú)人機(jī)，主要通過(guò)投式探空儀、機(jī)載多普勒雷達(dá)和SFMR（Stepped-Frequency Microwave Radiometer）收集各種環(huán)境下大西洋颶風(fēng)生命期各階段的觀測(cè)資料，提供改進(jìn)的颶風(fēng)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)和環(huán)境場(chǎng)實(shí)時(shí)觀測(cè)，并推進(jìn)對(duì)影響颶風(fēng)生命期各階段強(qiáng)度變化的物理過(guò)程的理解[4]。以2005年為例，該試驗(yàn)共在大西洋海域執(zhí)行了93次飛行任務(wù)，觀測(cè)了14個(gè)颶風(fēng)，釋放了約2500個(gè)下投式探空儀（圖2）。

圖2 IFEX試驗(yàn)中對(duì)2005年颶風(fēng)Katrina的多平臺(tái)風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)（a）和地面風(fēng)分析（b）Fig.2 Multi-platform wind field observation (a) and surface wind analysis (b) of Hurricane Katrina in 2005 in IFEX test

1.1.4 EXOTICCA（Experiment on Typhoon Intensity Change in Coastal Area）

2014年，ESCAP/WMO臺(tái)風(fēng)委員會(huì)委托中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所和香港天文臺(tái)，聯(lián)合牽頭組織實(shí)施旨在提高西北太平洋近海臺(tái)風(fēng)強(qiáng)度變化預(yù)報(bào)能力的科學(xué)試驗(yàn)（EXOTICCA），該試驗(yàn)在南海北部布設(shè)了浮標(biāo)陣、使用了搜救飛機(jī)（Surveillance flight）、研制使用了火箭彈下投探空系統(tǒng)，并結(jié)合氣象梯度觀測(cè)塔等，對(duì)2014—2016年間的10個(gè)目標(biāo)臺(tái)風(fēng)（1409號(hào)“威馬遜”、1415號(hào)“海鷗”、1416號(hào)“鳳凰”、1509號(hào)“燦鴻”、1513號(hào)“蘇迪羅”、1522號(hào)“彩虹”、1601號(hào)“尼伯特”、1614號(hào)“莫蘭蒂”、1617號(hào)“鲇魚”和1621號(hào)“莎莉嘉”）實(shí)施了外場(chǎng)協(xié)同觀測(cè)試驗(yàn)，揭示了西太平洋近岸丘陵和海島特殊地形條件下的臺(tái)風(fēng)近地層的風(fēng)隨高度變化的垂直廓線及不同時(shí)距平均風(fēng)速間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，明顯不同于基于大西洋沿岸的平原地區(qū)。試驗(yàn)還針對(duì)1522號(hào)臺(tái)風(fēng)“彩虹”實(shí)施了全球首例火箭彈下投探空作業(yè)（圖3），發(fā)現(xiàn)：在臺(tái)風(fēng)濃密的核心云雨區(qū)，目前廣為使用的其于衛(wèi)星反演的CIMSS AMV風(fēng)場(chǎng)資料可能偏小約30%。

圖3 2015年10月3日23：00“彩虹”臺(tái)風(fēng)云團(tuán)及火箭下投探空和“追風(fēng)”車GPS探空10 km附近高度處的位置示意圖Fig.3 Location diagram of Rainbow typhoon group,rocket drop sounding and GPS sounding of "wind pursuit"vehicle at an altitude of 10 km at 23:00 on 3 October 2015

1.2 基于無(wú)人機(jī)的飛行探測(cè)試驗(yàn)

近年來(lái)，包括我國(guó)在內(nèi)的亞太地區(qū)在利用飛機(jī)探測(cè)臺(tái)風(fēng)方面有所加快。繼我國(guó)臺(tái)灣成功實(shí)施DOSTAR試驗(yàn)后，我國(guó)大陸的科學(xué)家也曾于2009年“莫拉克”和“天鵝”臺(tái)風(fēng)期間首次進(jìn)行了有人飛機(jī)探測(cè)臺(tái)風(fēng)的科學(xué)試驗(yàn)，飛機(jī)探測(cè)資料仍然對(duì)臺(tái)風(fēng)路徑和強(qiáng)度的數(shù)值預(yù)報(bào)非常有用[21]。但出于安全管制、飛行經(jīng)驗(yàn)、飛機(jī)性能等多方面原因，相關(guān)有人機(jī)飛行探測(cè)臺(tái)風(fēng)未能持續(xù)下去。我國(guó)香港則利用海事搜救飛機(jī)自2012年進(jìn)行有人飛機(jī)環(huán)繞臺(tái)風(fēng)的直接觀測(cè)試驗(yàn)，其改裝中的可下投探空儀的（有人）飛機(jī)并于2016年投入試用。韓國(guó)、日本和越南等國(guó)也紛紛制定雄心勃勃的飛機(jī)探測(cè)臺(tái)風(fēng)的試驗(yàn)計(jì)劃，其中日本和韓國(guó)計(jì)劃于2017—2018年間進(jìn)行（有人）飛機(jī)探測(cè)臺(tái)風(fēng)的試驗(yàn)。

面對(duì)飛機(jī)探測(cè)臺(tái)風(fēng)的高風(fēng)險(xiǎn)，有人飛機(jī)探測(cè)臺(tái)風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)大，操作難度大，對(duì)飛機(jī)性能和飛行員經(jīng)驗(yàn)要求高，大多數(shù)國(guó)家或地區(qū)很難大規(guī)模開(kāi)展臺(tái)風(fēng)的有人飛機(jī)探測(cè)。相對(duì)而言，無(wú)人飛機(jī)（Unmanned Aerial Vehicles，UAV）具有安全性好、效費(fèi)比高等眾多有人駕駛飛機(jī)所不具有的巨大優(yōu)勢(shì)。用無(wú)人機(jī)替代有人飛機(jī)執(zhí)行高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)任務(wù)，已是當(dāng)今國(guó)際航空領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。而隨著無(wú)人機(jī)巡航高度、航程、載重量以及可操控性的進(jìn)一步提高，利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行臺(tái)風(fēng)探測(cè)也逐漸成為可能和趨勢(shì)[22]。自本世紀(jì)開(kāi)始，美國(guó)等國(guó)家已經(jīng)利用多種類型的無(wú)人機(jī)開(kāi)展了氣象探測(cè)的嘗試。

1.2.1 低空無(wú)人機(jī)對(duì)臺(tái)風(fēng)探測(cè)

澳大利亞較早研發(fā)氣象無(wú)人機(jī)，代表機(jī)型是“Aerosonde（航空探測(cè)器，或稱氣象偵察兵）”及其改進(jìn)型“MK-II”和“MK-III”（圖4）。該序列無(wú)人機(jī)由澳大利亞Aerosonde公司自1991年開(kāi)始研發(fā)，1997年“Aerosonde”投入使用，1999年和2001年先后推出改進(jìn)型“MK-II”和“MK-III”。這一系列無(wú)人機(jī)由于方便可用已被澳大利亞氣象局、美國(guó)NOAA、日本氣象廳、韓國(guó)氣象廳、我國(guó)臺(tái)灣氣象部門等多個(gè)國(guó)家的科研部門和國(guó)際組織使用。

圖4 澳大利亞“MK-III”型無(wú)人機(jī)Fig.4 Australian’s “MK-III” UAV

美國(guó)在2001年實(shí)施的“對(duì)流與水汽科學(xué)試驗(yàn)（The Convection and Moisture Experiment，CAMEX-4）”中，使用這款無(wú)人機(jī)獲取了近水面（約為300 m）的溫度、濕度和風(fēng)速等氣象資料。同年，我國(guó)臺(tái)灣科學(xué)家也利用相同型號(hào)的無(wú)人機(jī)，成功地飛入了“海燕（0121號(hào)）”臺(tái)風(fēng)的環(huán)流，距臺(tái)風(fēng)中心最近僅為150 km，測(cè)得了氣壓、最大風(fēng)速和溫度等氣象要素。日本氣象廳于2001年，以沖繩為基地，使用螺旋槳式單發(fā)動(dòng)機(jī)飛機(jī)（全長(zhǎng)為2 m，續(xù)航能力約為3000 km），對(duì)“桃芝（0108號(hào)）”臺(tái)風(fēng)實(shí)施了無(wú)人機(jī)的探測(cè)試驗(yàn)，獲取了臺(tái)風(fēng)中的風(fēng)向、風(fēng)速、濕度和溫度等大量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

隨后，美國(guó)于2005年在“IFEX”試驗(yàn)中，用“MK-III”無(wú)人機(jī)成功地飛入了颶風(fēng)“奧菲莉亞（Ophelia）”，獲取了颶風(fēng)近水面（約為300 m）的風(fēng)、溫、壓、濕等觀測(cè)資料，在2007年進(jìn)行的颶風(fēng)“諾埃爾（Noel）”超低空飛行探測(cè)試驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)的飛行高度僅為82 m，并持續(xù)飛行了約為17.5 h。顯然，在這個(gè)高度實(shí)施有人駕駛飛機(jī)的飛行探測(cè)風(fēng)險(xiǎn)極大。

中國(guó)氣象局大氣探測(cè)中心于2008年組織國(guó)內(nèi)首個(gè)無(wú)人機(jī)探測(cè)臺(tái)風(fēng)比較試驗(yàn)，來(lái)自國(guó)內(nèi)的多家無(wú)人機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商參加在整個(gè)試驗(yàn)中共完成了3次7 h的連續(xù)飛行測(cè)試、4 h大雨條件下飛行測(cè)試（圖5），完成了對(duì)“海鷗”和“森拉克”臺(tái)風(fēng)的探測(cè)試驗(yàn)并獲取了完整的溫濕壓、風(fēng)速、風(fēng)向資料[23]。

圖5 中國(guó)“晨鳥”無(wú)人機(jī)（a）及其在臺(tái)風(fēng)探測(cè)的飛行軌跡（b）Fig.5 China’s “Morning Bird” UAV (a) and its flight trajectory in typhoon detection (b)

2015年上海臺(tái)風(fēng)研究所也曾經(jīng)利用小型無(wú)人機(jī)對(duì)臺(tái)風(fēng)“燦鴻”進(jìn)行探測(cè)，飛機(jī)進(jìn)入臺(tái)風(fēng)內(nèi)部40多分鐘后，探測(cè)到最大風(fēng)速超過(guò)40 m/s，但是此后失聯(lián)。

2017年和2018年上海臺(tái)風(fēng)研究所再度聯(lián)合南京航空航天大學(xué)在臺(tái)風(fēng)“泰利”和臺(tái)風(fēng)“安比”期間分別進(jìn)行了飛行測(cè)試，取得了一些有益數(shù)據(jù)（圖6）。

圖6 上海臺(tái)風(fēng)研究所無(wú)人機(jī)探測(cè)“燦鴻”探測(cè)風(fēng)速（a）及其在臺(tái)風(fēng)探測(cè)的飛行軌跡（b）Fig.6 Wind speed detected by “Canhong” UAV of Shanghai Typhoon Research Institute (a) and its flight track in typhoon detection (b)

1.2.2 以HS3為代表的高空無(wú)人機(jī)探測(cè)臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)

臺(tái)風(fēng)環(huán)流內(nèi)相關(guān)氣象要素的垂直分布廓線，對(duì)于臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)的正確描述極為重要，這也正是有人駕駛飛機(jī)穿越臺(tái)風(fēng)并進(jìn)行下投探空的意義和價(jià)值之所在。早在1993年，Langford等就探討了用高空無(wú)人機(jī)下投探空儀開(kāi)展颶風(fēng)觀測(cè)的可能性。隨著軍用無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，如今“長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人偵察機(jī)”的飛行升限已達(dá)18～20 km及以上、續(xù)航可達(dá)24 h以上，并具備作為空中運(yùn)載工具、攜帶和自動(dòng)投放下投探空儀的能力。

2009年開(kāi)始，美國(guó)NASA和NOAA合作利用兩架長(zhǎng)航時(shí)高空無(wú)人偵察機(jī)“Global Hawk（全球鷹）”（圖7a），探索進(jìn)行颶風(fēng)探測(cè)方面的研究。先后開(kāi)展了“颶風(fēng)生成和快速增強(qiáng)過(guò)程（The Genesis and Rapid Intensification Processes,GRIP）科學(xué)試驗(yàn)”[24]并在2012年開(kāi)始與另外一架WB-57有人機(jī)（圖7b）聯(lián)合開(kāi)展“颶風(fēng)與強(qiáng)風(fēng)暴哨兵計(jì)劃”（Hurricane and Severe Storm Sentinel，HS3）[25]，先后對(duì)多個(gè)颶風(fēng)進(jìn)行了飛行探測(cè)（圖8）。例如偵測(cè)到了颶風(fēng)“Karl”在30 h內(nèi)強(qiáng)度23～56 m/s的快速增強(qiáng)等過(guò)程，所獲取的大量的颶風(fēng)結(jié)構(gòu)及其環(huán)境場(chǎng)資料，已用于對(duì)颶風(fēng)形成和增強(qiáng)機(jī)理等的研究。

圖7 參加“超強(qiáng)風(fēng)暴哨兵（HS3）”的全球鷹（GH）無(wú)人機(jī)（a）和WB-57飛機(jī)（b）Fig.7 Global Hawk UAV (a) and WB-57 aircraft (b) participating in “Super Storm Sentinel (HS3)”

圖8 美國(guó)HS3試驗(yàn)中，2012—2014年歷年全球鷹（GH）探測(cè)颶風(fēng)飛行路徑圖以及2014年WB-57飛機(jī)探測(cè)颶風(fēng)Gonzalo路徑圖Fig.8 Graphic summary of the HS3 Atlantic tropical cyclone and SAL flights,GH flight tracks for the 2012-2014 and the 2014 WB-57 flight tracks over Hurricane Gonzalo

Komaromi[26]發(fā)現(xiàn)基于全球鷹的下投式探空能夠有效的改進(jìn)颶風(fēng)流出層的動(dòng)力和熱力結(jié)構(gòu)科學(xué)認(rèn)識(shí)，特別是第一次發(fā)現(xiàn)在颶風(fēng)最大流出層上方還有一個(gè)大約為2～4 m/s、厚度約為20～50 hPa的高層流入層，并認(rèn)為這與平流層在臺(tái)風(fēng)眼區(qū)的非絕熱干下沉有關(guān)。Christophersen等[27]認(rèn)為同化全球鷹下投式探空比沒(méi)有相關(guān)資料同化的預(yù)報(bào)在路徑和強(qiáng)度均有不同程度的提高。這些證明針對(duì)臺(tái)風(fēng)的高空下投式探空能夠有效改變模式預(yù)報(bào)能力。一系列的最新研究已經(jīng)證明無(wú)人機(jī)探測(cè)臺(tái)風(fēng)具有重大的科學(xué)意義和可靠的應(yīng)用前景以及高度的可行性[26-27]，并且已經(jīng)獲得國(guó)際臺(tái)風(fēng)研究和業(yè)務(wù)人員的高度評(píng)價(jià)[25]。2020年8月中國(guó)氣象局探測(cè)中心、海南省氣象局聯(lián)合成都飛機(jī)制造公司利用翼龍-10高空無(wú)人機(jī)對(duì)臺(tái)風(fēng)“森拉克”外圍進(jìn)行了探測(cè)并成功收集到30多枚探空。同年10月，中國(guó)氣象局上海臺(tái)風(fēng)研究所聯(lián)合四川騰盾科技公司利用TD328重型無(wú)人機(jī)等多類型無(wú)人機(jī)在臺(tái)風(fēng)“浪卡”登陸前24 h實(shí)施多機(jī)多次無(wú)人機(jī)探測(cè)試驗(yàn)，收集采集了大量觀測(cè)數(shù)據(jù)。

隨著無(wú)人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展，成本還將進(jìn)一步降低，有效荷載和續(xù)航能力等性能還將進(jìn)一步提高，更多的臺(tái)風(fēng)特種觀測(cè)儀器將被搭載并充分使用。對(duì)美國(guó)現(xiàn)役的用于探測(cè)臺(tái)風(fēng)的有人駕駛飛機(jī)和無(wú)人機(jī)的主要性能進(jìn)行比較，不難發(fā)現(xiàn)無(wú)人機(jī)在長(zhǎng)航時(shí)（或航程）和低空飛行方面具有明顯優(yōu)勢(shì)（圖9），基于高空下投探空和近水面飛行的無(wú)人機(jī)探測(cè)體系和協(xié)同觀測(cè)已是大勢(shì)所趨。

圖9 美國(guó)現(xiàn)役探測(cè)臺(tái)風(fēng)的有人機(jī)（ER-2，WB-57，G-IV，DC-8，C-130，P-3）和無(wú)人機(jī)（GH，Aerosonde）的飛行高度及其航程示意Fig.9 Schematic diagram of flight altitude and range of manned aircraft (ER-2,WB-57,G-IV,DC-8,C-130,P-3)and unmanned aircraft (GH,Aerosonde) in active service of typhoon detection in the United States

2 臺(tái)風(fēng)外場(chǎng)試驗(yàn)相關(guān)展望和未來(lái)

從2009年開(kāi)始，美國(guó)氣象部門通過(guò)實(shí)施“颶風(fēng)預(yù)報(bào)提高計(jì)劃（HFIP）”，針對(duì)颶風(fēng)強(qiáng)度預(yù)報(bào)，開(kāi)展規(guī)?；娘Z風(fēng)內(nèi)部垂直精細(xì)結(jié)構(gòu)的飛機(jī)下投探空觀測(cè)，并使用包括“全球鷹”在內(nèi)的高空無(wú)人機(jī)加強(qiáng)了對(duì)颶風(fēng)高層“出流層”結(jié)構(gòu)等的直接觀測(cè)，極大提高了其對(duì)颶風(fēng)結(jié)構(gòu)影響強(qiáng)度變化過(guò)程的事實(shí)及機(jī)理認(rèn)識(shí)，“出流層”結(jié)構(gòu)的直接觀測(cè)還促進(jìn)了其數(shù)值模式（HWRF）颶風(fēng)高層次抽吸及級(jí)環(huán)流等相關(guān)物理過(guò)程處理方案的完善、確保了模式中颶風(fēng)渦旋結(jié)構(gòu)的真實(shí)準(zhǔn)確，使其颶風(fēng)強(qiáng)度的預(yù)報(bào)能力取得突破性進(jìn)展（圖10），5年內(nèi)降低誤差約20%，當(dāng)前72 h的預(yù)報(bào)誤差與5年前的24 h預(yù)報(bào)相當(dāng)[7]。

飛機(jī)觀測(cè)資料的使用是改進(jìn)臺(tái)風(fēng)模式預(yù)報(bào)能力的有效手鍛。Aberson等[8]對(duì)2008—2011年的颶風(fēng)飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)（包括航行高度上的溫壓濕風(fēng)數(shù)據(jù)、步進(jìn)頻率微波輻射計(jì)（SFMR）數(shù)據(jù)、下投式探空儀數(shù)據(jù)以及機(jī)載多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)等）采用集合卡爾曼濾波的方法將其同化到HWRF模式中，通過(guò)比較同化后和未經(jīng)同化的模式預(yù)報(bào)結(jié)果來(lái)量化飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)颶風(fēng)路徑及強(qiáng)度模式預(yù)報(bào)結(jié)果的影響。得到結(jié)論如下：1）對(duì)于路徑預(yù)報(bào)，飛機(jī)觀測(cè)同化資料對(duì)24～60 h的預(yù)報(bào)有近20%的提高；對(duì)前24 h的預(yù)報(bào)，僅加入機(jī)載多普勒雷達(dá)的同化資料使預(yù)報(bào)改善10%；2）對(duì)于強(qiáng)度預(yù)報(bào)，加入飛機(jī)觀測(cè)同化資料后，使模式預(yù)報(bào)水平平均改善23%，對(duì)前24小時(shí)的預(yù)報(bào)，加入機(jī)載多普勒雷達(dá)數(shù)據(jù)使預(yù)報(bào)改善11%。Gall等[28]對(duì)2008—2010年的所有颶風(fēng)觀測(cè)資料進(jìn)行分析，指出對(duì)颶風(fēng)內(nèi)核的飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行同化，可以使強(qiáng)度預(yù)報(bào)的36 h預(yù)報(bào)提高18%，72 h預(yù)報(bào)提高42%，平均提高20%～40%；同時(shí)，AOML利用不包括雷達(dá)數(shù)據(jù)的其余飛機(jī)觀測(cè)資料和所有飛機(jī)觀測(cè)資料進(jìn)行觀測(cè)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)（OSSEs），結(jié)果表明，二者較不利用任何飛機(jī)觀測(cè)資料的運(yùn)行結(jié)果都有顯著的提高，此外對(duì)于飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)，加入雷達(dá)數(shù)據(jù)后，較未加入雷達(dá)數(shù)據(jù)有額外的10%的改善。

世界氣象組織（WMO）于2015年組織召開(kāi)的第8次國(guó)際熱帶氣旋研討論會(huì)（IWTC-8）的評(píng)估表明，飛機(jī)下投探空及相應(yīng)觀測(cè)資料的同化，仍是探測(cè)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及突破臺(tái)風(fēng)模式預(yù)報(bào)瓶頸的最有效手段。最近，美國(guó)環(huán)境預(yù)報(bào)中心（NCEP）對(duì)飛機(jī)下投探空資料在提高臺(tái)風(fēng)模式預(yù)報(bào)能力的貢獻(xiàn)進(jìn)行了較系統(tǒng)的測(cè)試和評(píng)估，結(jié)果表明，全球模式在同化飛機(jī)下投探空資料后，其60 h內(nèi)的臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)誤差減小了10%～15%（圖11）。

圖11 1997—2006年間飛機(jī)下投探空資料對(duì)NCEP全球模式（GFS）和區(qū)域模式（GFDL）臺(tái)風(fēng)路徑預(yù)報(bào)的改進(jìn)（GFSNO和GFDLNO-未同化飛機(jī)資料的GFS和GFDL，GFSALL和GFDLALL-同化飛機(jī)資料的GFS和GFDL）Fig.11 Improvement of NCEP global model (GFS) and regional model (GFDL) typhoon path prediction by aircraft dropping radiosonde data from 1997 to 2006(GFSNO and GFDLNO-GFS and GFDL of un-assimilated aircraft data,GFSALL and GFSALL-GFS and GFDL of assimilated aircraft data

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，臺(tái)風(fēng)給我國(guó)造成的災(zāi)害損失日益嚴(yán)重，尤其沿海地區(qū)人口密集、下墊面復(fù)雜，承災(zāi)害能力相對(duì)脆弱，臺(tái)風(fēng)容易對(duì)這些區(qū)域造成復(fù)合型的災(zāi)害。為此，《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》將臺(tái)風(fēng)作為影響國(guó)家公共安全的重大自然災(zāi)害之一，將臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)、預(yù)警和應(yīng)急處置關(guān)鍵技術(shù)及科學(xué)研究列入重大自然災(zāi)害監(jiān)測(cè)和防御優(yōu)先主題，因此針對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)核結(jié)構(gòu)的精確觀測(cè)越來(lái)越具有緊迫性和必要性。

另外一方面由于海上觀測(cè)站稀少，現(xiàn)階段基于衛(wèi)星遙感的大氣要素反演，受臺(tái)風(fēng)濃密云雨區(qū)的嚴(yán)重“干擾”，其精度尚不能滿足路徑和強(qiáng)度變化研究及預(yù)報(bào)對(duì)臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)精細(xì)化程度的要求。美國(guó)對(duì)颶風(fēng)探測(cè)的實(shí)踐已經(jīng)表明，基于飛行器的對(duì)臺(tái)風(fēng)直接觀測(cè)是當(dāng)前獲取臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)高精度觀測(cè)資料的最有效手段。加強(qiáng)臺(tái)風(fēng)的觀測(cè)研究，被視為提高臺(tái)風(fēng)路徑突變和強(qiáng)度變化機(jī)理認(rèn)識(shí)從而提高預(yù)報(bào)能力的關(guān)鍵和突破口，受到國(guó)際臺(tái)風(fēng)界的高度關(guān)注（IWTC-8，2015年韓國(guó)濟(jì)州）。

綜上所述，研發(fā)能搭載包括下投探空等的高空無(wú)人機(jī)、針對(duì)邊界層內(nèi)部的中低層無(wú)人機(jī)并構(gòu)成多平臺(tái)的臺(tái)風(fēng)綜合探測(cè)體系，將可以獲取臺(tái)風(fēng)內(nèi)部氣象要素（完整的）垂直廓線等精細(xì)結(jié)構(gòu)特征信息，從而揭示海上臺(tái)風(fēng)內(nèi)部（特別是近地層和出流層）精細(xì)熱力動(dòng)力結(jié)構(gòu)特征，為包括臺(tái)風(fēng)渦旋結(jié)構(gòu)初始化和物理過(guò)程參數(shù)化方案在內(nèi)的臺(tái)風(fēng)數(shù)值模式改進(jìn)及臺(tái)風(fēng)科學(xué)研究和預(yù)報(bào)能力的提高奠定基礎(chǔ)，具有重大的科學(xué)意義和可靠的應(yīng)用前景[29-31]。

需要指出的是，相對(duì)于美國(guó)颶風(fēng)飛行科學(xué)試驗(yàn)廣泛開(kāi)展，近年來(lái)包括我國(guó)臺(tái)風(fēng)飛行探測(cè)試驗(yàn)長(zhǎng)期徘徊不前。筆者基于多年臺(tái)風(fēng)科學(xué)試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為其主要原因如下：

1）空域管理體制復(fù)雜：由于種種原因，我國(guó)沿?？沼蜻h(yuǎn)比美國(guó)沿海空域管理復(fù)雜，以南海為例，臺(tái)風(fēng)生成發(fā)展關(guān)鍵區(qū)域的空域（南海中北部以及菲律賓以東、巴士海峽和巴林塘海峽等地上空）是在菲律賓、中國(guó)香港和中國(guó)臺(tái)灣控制之下。對(duì)于需要開(kāi)展真正有實(shí)際科研業(yè)務(wù)價(jià)值的臺(tái)風(fēng)飛行試驗(yàn)所需要的申請(qǐng)手續(xù)較為艱難而復(fù)雜。

圖12 南海區(qū)域飛行情報(bào)區(qū)分布Fig.12 Distribution of flight information regions in South China Sea

2）飛行器性能不足：臺(tái)風(fēng)作為一個(gè)強(qiáng)致災(zāi)性天氣系統(tǒng)，其特點(diǎn)是尺度大（水平尺度可以超過(guò)2000 km）、對(duì)流強(qiáng)（上升運(yùn)動(dòng)速度可達(dá)10 m/s，雷達(dá)回波強(qiáng)度經(jīng)常大范圍超過(guò)50 dBz）、高度高（最大超過(guò)15 km）。參照美國(guó)多年飛行探測(cè)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，需要非常經(jīng)驗(yàn)豐富的飛行員和性能非常良好的飛機(jī)。未經(jīng)合適改裝和科學(xué)指導(dǎo)下，常規(guī)有人機(jī)非常難以在搭載多類系統(tǒng)氣象觀測(cè)載荷情形下進(jìn)入臺(tái)風(fēng)內(nèi)核區(qū)域進(jìn)行科學(xué)有效的氣象探測(cè)。另外一方面，由于發(fā)動(dòng)機(jī)等原因的限制，我國(guó)類似于美國(guó)全球鷹無(wú)人機(jī)的能從平流層高度進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間巡航的航空飛行器尚未成熟和民用化。

3）臺(tái)風(fēng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，且其內(nèi)部遍布風(fēng)切變、雷擊、強(qiáng)降水等諸多不利于飛行器安全飛行的天氣因素。因此合理安全的開(kāi)展臺(tái)風(fēng)科學(xué)試驗(yàn)，需要同時(shí)兼具豐富的臺(tái)風(fēng)動(dòng)力學(xué)知識(shí)和豐富的飛行操作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的隊(duì)伍來(lái)負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)合理可行的飛行試驗(yàn)技術(shù)路線和觀測(cè)方案。雖然近年來(lái)通過(guò)“浪卡”“森拉克”等臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)的開(kāi)展，我國(guó)相關(guān)部門已經(jīng)有一些經(jīng)驗(yàn)，但是還需要進(jìn)一步鍛煉隊(duì)伍，積累經(jīng)驗(yàn)。特別是如何在有限飛機(jī)性能條件下，采集到真正科學(xué)有效的數(shù)據(jù)，最終達(dá)到提升臺(tái)風(fēng)理論和預(yù)報(bào)水平的目的，需要進(jìn)一步深入探索和持續(xù)支持。

4）另外由于飛行經(jīng)驗(yàn)，管理機(jī)制以及安全設(shè)備等原因，有人飛機(jī)對(duì)以對(duì)流強(qiáng)、范圍大為特點(diǎn)的臺(tái)風(fēng)探測(cè)具有較大的實(shí)施難度。但從美國(guó)、日本以及我國(guó)臺(tái)灣和香港地區(qū)多年臺(tái)風(fēng)探測(cè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，能搭載多類型大型設(shè)備并且能靈活機(jī)動(dòng)執(zhí)行任務(wù)的大型有人飛機(jī)很可能才是最終解決臺(tái)風(fēng)資料探測(cè)困境的最終選擇。這需要建設(shè)一支能緊密合作的兼?zhèn)浞浅ＸS富的飛行經(jīng)驗(yàn)和非常豐富的臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)知識(shí)的飛行試驗(yàn)隊(duì)伍緊密合作，科學(xué)穩(wěn)妥地開(kāi)展試驗(yàn)。

總而言之，研究認(rèn)為當(dāng)前西北太平洋臺(tái)風(fēng)結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度的主要研究和預(yù)報(bào)瓶頸并不在于理論和預(yù)報(bào)本身，而在于缺乏系統(tǒng)全面的以不同空基、地基、?；吞旎脚_(tái)協(xié)同體系，特別是缺乏利用各類飛機(jī)開(kāi)展臺(tái)風(fēng)飛行科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)。未來(lái)在更廣泛開(kāi)展臺(tái)風(fēng)飛行科學(xué)試驗(yàn)支持下，通過(guò)多部門聯(lián)合，合理確定科學(xué)可行的臺(tái)風(fēng)試驗(yàn)方案，可以期望未來(lái)我國(guó)在臺(tái)風(fēng)內(nèi)核精細(xì)結(jié)構(gòu)及云微物理特征、海氣相互作用機(jī)制以及環(huán)境引導(dǎo)流等多方面取得進(jìn)展，并將使得臺(tái)風(fēng)預(yù)報(bào)水平走向新的臺(tái)階。