Измерение враждебного океана под ураганами

Рис.1: Планер Slocum от Teledyne Webb Research, на пути к развертыванию. Предоставлено: Университет Рутгерса.

Рис.3: Планер Teledyne Slocum для мониторинга шторма. Предоставлено: Teledyne Marine.

Рис. 5: Три линии пикетов планеров Hurricane Sentinel работали в один и тот же день в 2018 году. Фото: Teledyne Marine

Рис. 6: исследование EM-APEX компании Teledyne Webb. Предоставлено: Teledyne Marine.

Previous Next

Беспилотные транспортные средства собирают данные для улучшения прогнозов штормов

Влияние условий океана и течений на среду обитания в настоящее время оценивается более широко - от климата Земли и суровых погодных условий до рыболовства и биоразнообразия. Необходимы постоянные и широко распространенные измерения, чтобы обеспечить важные подсказки для понимания океанов, для эффективного мониторинга изменений окружающей среды и для помощи в выяснении долгосрочных последствий глобального потепления.

Чтобы решить эту проблему, исследователи океана изобрели различные типы беспилотных наблюдательных платформ. Teledyne Webb Research разработала и предоставила два варианта: планеры для измерения вод в верхних слоях океана и профилирующие поплавки для наблюдения за глобальной циркуляцией. Эти платформы, которые поддерживают растущий диапазон применений, были особенно ценны для измерения сложных вод под сильными штормами.

Измерение состояния океана в штормовых следах
Глобальная обеспокоенность изменением климата Земли привлекла внимание общественности к потеплению в атмосфере и океане. В центре внимания были штормы, особенно ураганы и тайфуны. Точное прогнозирование выхода на сушу и силы шторма спасает жизни и уменьшает ненужные расходы на оборону.

Энергия, которая питает тропические штормы, исходит от тепла в верхних 50 м океана, особенно в водах, температура которых превышает 79 ° F. Исследователи установили, что значительно улучшенное прогнозирование интенсивности тропического шторма, индикатора его разрушительного воздействия, происходит благодаря точному знанию о подповерхностных температурах воды вдоль пути шторма. Основная температура воды не является статичной. Скорее воздействие шторма на океан вовлекает более глубокие воды в поверхностные слои, тем самым изменяя доступное энергоснабжение. Это смешивание может либо усиливать, либо уменьшать шторм в зависимости от температуры воды, засыпанной водой. Таким образом, знание подводных температур является важной информацией для прогнозирования шторма. Кроме того, знание течений и их сдвига на разных фазах шторма позволяет лучше понять динамику взаимодействия воздуха и моря.

Teledyne Webb Research были пионерами беспилотных технологий подводных планеров. Планеры Slocum быстро продвинулись от экспериментальных прототипов к надежным мобильным платформам, которые работают во всем мире в различных видах деятельности в верхнем океане.

Рис.2: Планер Teledyne Slocum в тропических водах. Кредит: Teledyne Marine

Slocum планеры меняют свой объем, чтобы тонуть или подниматься; прикрепленные крылья производят подъем, когда жидкость проходит по их поверхности. Чистый эффект состоит в том, чтобы преобразовать часть вертикального движения планера в горизонтальное перемещение. Моторные планеры движутся со скоростью 35 см / с и могут работать на глубине от 4 до 1000 м; опциональный гибридный двигатель обеспечивает скорость до 100 см / с.

Планеры Slocum летают волнообразным пилообразным рисунком, следуя запрограммированному разрезу, иногда в течение длительных периодов. Например, планеры Slocum совершали непрерывные пересечения основных океанических бассейнов, которым требовалось более четырехсот дней в море.
Со временем планеры Slocum были оснащены все большим количеством океанографических датчиков, включая встроенный профилировщик тока. Физические свойства, такие как температура воды и соленость, обычно измеряются. Планеры также наблюдали кислотность океана, хлорофилл, взвешенные отложения и вредоносное цветение водорослей, а также внутренние волны.

Более 45 комплектов датчиков были интегрированы на планерах Slocum, что позволяет использовать их в самых разных областях. Во время разлива нефти Macondo в 2010 году в Мексиканском заливе планеры Slocum собирали данные о недрах для поддержки работ по реагированию. Последние полезные данные включали датчики турбулентности для измерения перемешивания океана, биоакустические датчики для оценки запасов зоопланктона за пределами Антарктики и гидрофоны для мониторинга в реальном времени североатлантических правых китов у восточных берегов США и Канады. Планеры Slocum также выполняют новые функции на исследовательских участках Антарктики, особенно на краю ледниковых щитов.

Планеры штормового мониторинга
В течение последнего десятилетия планеры Slocum из Teledyne Webb Research отслеживали сложные воды, связанные с сильными штормами, отправляя отчеты даже при столкновении с волнами, высота которых превышает 10 м. Эти беспилотные транспортные средства обеспечивают рентабельный способ проведения устойчивых измерений океана с высоким пространственным разрешением. Не менее важно для мониторинга шторма, планеры имеют как полномочия контроля и выносливость, чтобы перехватить штормовой трек. Для контроля шторма планеры Slocum постоянно патрулируют определенный трансект. Планеры измеряют температуру, соленость и другие свойства, когда они спускаются и поднимаются через верхний океан. Планеры периодически всплывают, чтобы посылать свои измерения в центры прогнозирования штормов. Эти подводные данные вводятся в компьютерные модели, которые выводят прогнозы об интенсивности и траектории шторма. Точность этих компьютерных прогнозов улучшилась благодаря данным с планеров.

На самом деле, военно-морской флот США часто имеет 50 планеров, которые отправляют данные для прогнозирования погоды в океане. Десять лет назад компания Teledyne получила контракт от Программы военно-морского флота на оперативное использование планеров.

Впечатляющий пример преимущества использования планеров для мониторинга штормов можно найти в данных, собранных во время тайфуна Soulik в западной части северной части Тихого океана в 2018 году. Планер Slocum из Университета Рутгерса был развернут до шторма. Данные, полученные на месте, показали чрезвычайно быстрое изменение температуры воды в верхнем океане по прибытии шторма. Для сравнения, компьютерная модель прогнозирования показала гораздо более медленный переход в ответ на шторм, что привело к расхождению температуры воды в 6 ° C между моделью и собранными данными. Обновление модели данными почти в реальном времени позволяет улучшить прогноз шторма.

Во время недавнего сезона ураганов в США дюжина организаций развернула штормовые планеры. Планеры Slocum от Teledyne Webb Research были распространены благодаря их проверенной производительности. Принимая во внимание прогнозы погоды, исследователи направили планеры на ожидаемый путь шторма за несколько дней. Слайд-планеры были скоординированы и ориентированы так, чтобы проходить по пути шторма, покрывая средний и внешний континентальный шельф вдоль большей части восточного побережья США.

Рис. 4: Сравнение данных о температуре воды в верхнем океане в западной части северной части Тихого океана во время Тайфуна Сулика в 2018 году. Данные о верхних панелях, полученные на месте с помощью планера Slocum. Нижняя панель: выход из компьютерной модели. Рамка выделяет регион, обсуждаемый в тексте. Кредит: Университет Рутгерс

В середине Атлантического залива, который простирается от Кейп-Код, штат Массачусетс до мыса Хаттерас, Северная Каролина, континентальный шельф мелкий. Хорошо известно, что его глубокие воды в летний период намного холоднее, чем поверхностные. Учитывая океанический апвеллинг под глазом шторма, можно ожидать, что всплытие этих холодных вод ослабит проходящий ураган.

Два планера Slocum, развернутые перед ураганом «Сэнди», помогли рассказать другую историю в этом случае. Используя компьютерные модели и данные планеров, исследователи из Университета Рутгерса определили, что сильные ветры на переднем крае урагана создают циркуляцию воды вниз, что приводит к выносу холодной донной воды в море. Таким образом, не было никакой доступной холодной воды, чтобы смешаться с поверхностью и таким образом уменьшить интенсивность шторма, когда его глаз проходил по той же области; интенсивность шторма была на самом деле значительно сильнее, чем это обычно предполагалось.

Успех использования планеров Slocum для мониторинга штормов очевиден из растущего размера флота. В 2018 году более тридцати планеров дежурили для наблюдения за ураганами Флоренция, Исаак и Элен. Участвующие организации-планеры объединились из правительства, научных кругов и промышленности в совместной работе по использованию технологий для лучшей защиты прибрежных сообществ.

Измерение изменяющегося океана под ураганом Майкл
Технология профилирования поплавков изменила способ наблюдения за океаном. Этот метод был впервые применен учеными и инженерами в Научно-исследовательском институте океанографии им. Скриппа Теледина Уэбба. Международная программа Арго развернула флоты этих устройств для устойчивого и широкого исследования мирового океана. Полученные наборы данных образуют богатый ресурс для изучения климатических и океанических процессов.

Многие из этих устройств являются поплавками автономного анализатора профилей (APEX), поставляемыми Teledyne Webb Research, которая предоставила более 10000 поплавков профилирования для программы Argo - самое большое количество от одного поставщика. Поплавки APEX совершают периодические вертикальные циклы, обычно каждые 10 дней, изменяя свой объем (и, следовательно, плавучесть), чтобы подниматься и опускаться. Когда они поднимаются через толщу воды, они измеряют температуру и соленость.

Усилия по улучшению понимания и прогнозирования основных ураганов требуют сбора данных об океане и атмосфере во враждебных и сложных местах. Свойства океана, такие как скорость течения воды, температура и соленость, должны измеряться не только по всей толще воды, но и до, во время и после прохождения шторма.

Вариант поплавка APEX - поплавок электромагнитного профилирования EM-APEX, разработанный совместно с Лабораторией прикладной физики Вашингтонского университета, хорошо подходит для сбора этой важной информации. Помимо измерения свойств воды, это устройство записывает профили скорости течения воды. В измерениях EM-APEX используются электрические поля, вызванные движением, которые возникают, когда морская вода движется через магнитное поле Земли.

Для изучения состояния океана под ураганами поплавки EM-APEX должны быть развернуты в кратчайшие сроки до наступления штормов; таким образом, они сбрасываются с парашютом с самолета. Когда в октябре 2018 года ураган «Майкл» вошел в Мексиканский залив, три поплавка EM-APEX были запущены на его пути исследовательской группой во главе с профессором Ником Шей (Университет Майами). Воздушное развертывание было от самолета ВВС США WC-130J Hercules, работающего с базы ВВС Кислера; Эти самолеты модифицированы для сбора информации о погоде в ураганах. Несколько правительственных учреждений США, которые отслеживают и прогнозируют ураганы, помогли с развертыванием авиации. Teledyne Marine предоставила услуги хостинга для всех данных, передаваемых с развернутых поплавков, а также другую техническую поддержку.

Профили профилирования поплавков EM-APEX варьировались во время развертывания. За 12 часов до прибытия урагана поплавки постоянно перемещаются между поверхностью и глубиной 800 метров. После того, как ураган прибыл, поплавки переключились в режим езды на велосипеде на глубину от 30 до 300 м, что позволило избежать опасной, сильно заряженной поверхности, в то же время получая данные о верхнем океане.

После того, как ураган прошел, поплавки переместились между поверхностью и глубиной 500 метров. Эта модель разрешила почти инерционные волны, которые являются наиболее энергичной особенностью после шторма. Почти инерционные движения имеют повышенный сдвиг скорости, что делает их ключевым фактором для процессов вертикального перемешивания.

Поплавки EM-APEX были задействованы примерно за 12 часов до того, как ураган достиг их местонахождения. Во время кампании требуемые циклы профилирования на всех трех этапах были выполнены правильно, гарантируя, что ни один из поплавков EM-APEX не был поврежден яростью бури. Пока поплавок находился на поверхности, его передачи данных были получены сервером данных Teledyne. EM-APEX зарегистрировал более 600 профилей за шесть дней. Этот поток данных помог исследователям понять и предсказать характеристики крупного урагана, а также увидеть, как практически в реальном времени реагирует океан на энергетическое атмосферное воздействие.

Защита прибрежных сообществ
Предыдущие отчеты иллюстрируют замечательные достижения в области наблюдения за океаном, которые появились благодаря беспилотным наблюдательным платформам. Эти портативные мобильные устройства использовались для проведения длительных измерений в водах, которые слишком сложны для судов и слишком опасны для человека. Планеры и поплавки позволяют оценивать и сообщать в реальном времени о состоянии враждебного океана под ураганами и тайфунами. В дополнение к ценности этих данных для исследований океана, их информационное содержание обеспечивает важную социальную выгоду. Они внесли свой вклад в более точные прогнозы выхода на сушу и силы штормов, тем самым защищая прибрежные сообщества, уменьшая ненужные расходы на оборону и даже спасая жизни.

Об авторах:

Родившись на суше, доктор Питер Испан изучал физику океана в лаборатории прикладной физики Вашингтонского университета. Он работал с новыми приборами для измерения океанских течений. После постдокторантуры в Институте океанографии Скриппса Питер начал работать в RD Instruments в 1990 году. Он работал в отделе продаж и маркетинга, где прошел путь от торгового персонала до управления отделом и бизнес-подразделением. Сегодня общей темой его разнообразной деятельности является технический маркетинг.

Клейтон Джонс, старший директор по технологиям Teledyne Marine, принимал участие в создании, проектировании и разработке океанографических сенсорных платформ, включая профилирование поплавков и планеров.

Рис. 7: Воздушное развертывание поплавка EM-APEX. Предоставлено: штаб ВВС США. Джулианна М. Шоуолтер, DVIDS. Появление США
Визуальная информация Министерства обороны (DoD) не подразумевает или не является подтверждением DoD