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聪明的海滑翔机改善了海洋观测和海洋预报

美国海军研究实验室海洋科学部门的科学家正在优化远洋滑翔机的位置以及利用滑翔机数据来提高海军预测海洋状况的能力。

研究人员经常使用滑翔机-移动缓慢,使用寿命长的水下航行器-收集有关海洋状况的数据,例如温度,深度和盐度;实际上,是观察海洋的天气。

NRL海洋学家杰弗里·波克(Jeffrey Book)博士说:“预测海洋的内部天气充满挑战,但对所有在水域航行和作业的人来说,都具有重要意义。”“为帮助减轻这一问题,海洋观测界一直在开发新技术,以自动测量海洋内部并实时报告数据。”

由于海洋辽阔,有效放置相对较少数量的滑翔机来捕获动态环境的观察可能会很棘手。

最近,NRL研究人员一直在寻找优化滑翔机位置的方法,包括在团队中使用它们。

团队的好处

当前部署海洋滑翔机的范例要求将它们彼此远离以最大化其有限的空间覆盖范围。

但是,博克说,一个缓慢移动的单滑翔机本身无法分辨出静止的,长达数公里的海洋特征和在数小时内振荡的行进海洋特征之间的区别。另一方面,一组滑翔机可以一起提供空间背景,并有可能帮助解决此问题。

将滑翔机放置在团队中需要改变试验技术,从而增加了项目的复杂性。为了使滑翔机能够一起飞行,研究人员在NRL开发的现有自动驾驶工具(称为异构观测系统指南)或GHOST的基础上进行了开发。

GHOST能够根据用户定义的条件优化单滑翔机的使用。例如,用户可以指定要避开的海洋区域,GHOST将在这些限制下提供合理的路径。

Book和研究团队通过添加两个规则来调整GHOST以雇用滑翔机团队。

NRL海洋数据同化和概率预测小组负责人Charlie Barron博士说:“第一个规则是滑翔机不应太靠近,因为当前的模型不能使用彼此之间太近收集的数据。”“第二个规则是,它们之间不应相距太远。这是因为单个滑翔机移动得太慢而无法正确识别和测量大多数主要海洋特征,并且需要一组滑翔机来为模型提供足够的数据以正确初始化诸如涡流,细丝和前缘等特征。”

海洋滑翔机是海军收集海洋内部结构数据以吸收到海洋模型中的众多工具之一。滑翔机定期浮出水面以通过卫星传输数据,能够收集多种类型的数据,包括电流,温度,盐度,压力和光学器件。(美国海军研究实验室)

将滑翔机队带到野外,但是在哪里?

随着GHOST的升级,Book和团队前往现场测试团队概念。

首要的决定是地点,团队决定前往北卡罗来纳州。

Book说:“由于该地区复杂的海洋环流,因此成为测试我们观察和预测海洋环境的能力的一个有趣的地方。”“由墨西哥湾流引起的热带水沿着大陆架断裂向东北东北方向的温暖运输产生了一些复杂的结构。”

本书解释了一些海湾溪流水如何从主流中流到架子上,使其沉入沿海水面的附加动因。尽管墨西哥湾流的水温度较高,但其盐度使其比较新鲜但较冷的架子水更致密。在这些条件下,海洋滑翔机可以提供至关重要的测量结果,因为上方的较冷水掩盖了下方的较暖水。

对于许多不同类型的海军行动来说,发现和预测这种特征可能很重要。

在此示例中,温暖的咸水创建了一个地下口袋,具有非常不同的声学特性,这会产生声学阴影。

根据NRL滑翔机在2017年5月29日至30日的测量结果,红色表示北卡罗来纳州架子上的湾流水下海水被温暖咸味包裹。组成图形合成的点是滑行器下降和深度爬升时进行的各个温度测量。当滑翔机在地面上时,会出现测量间隙,将最近的测量结果传回Stennis航天中心,以用于校正该区域的预测模型。(美国海军研究实验室)

给滑翔队评分

在北卡罗莱纳州海岸外的18天中,NRL研究人员在墨西哥湾流附近以不同团队配置对六架滑翔机进行了测试。

总体而言,滑翔机收集了超过13,000个电导率,温度和深度剖面,用于两个海洋预报模型。

由于收集的滑翔机数据间隔很近,Book的团队还创建并测试了在海洋预报模型中使用数据的新方法。在模型可以开始有效地使用滑翔机团队数据之前,必须放宽或删除基于单个滑翔机收集彼此远离数据的想法的先前假设。

NRL实验开始时,卫星在北卡罗莱纳州近海测量了海面温度。深红色(28ºC/82ºF)标记了墨西哥湾流的位置,而黄色和绿色边界则标记出漩涡状的漩涡和细丝,这些漩涡和细丝使墨西哥湾流的水和较冷的沿海地表水向周围移动。黑色条纹是阻挡卫星测量的云层。(美国海军研究实验室)

Book说:“我们发现,在不改善数据同化方式的情况下使用团队几乎没有收益。”“仅改进模型的同化方法会有一些好处,但是如果我们使用滑翔机团队而不是单滑翔机,则可以大大提高这种好处。我们总体上看到的是,两者都非常重要。”Book团队观察到的总体改善幅度为9%至12%,这是对海洋天气模型准确性提高的衡量。

这项工作是通过海军研究办公室与美国国家科学基金会合作提供的基础计划资金完成的。来自NRL海洋科学部的12名研究人员和技术人员,来自ONR保护区计划的两名保护人员为气象和海洋学相关项目提供支持,以及来自博士后科学家的合作帮助,使现场工作的水平得以提高。技术人员和代表五个独立学术机构的学生。

NRL企业传播部Daniel Parry撰文

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