湯杰 趙兵科 雷小途

（1 中國氣象局上海臺風研究所，上海 200030；2 亞太臺風研究中心，上海 201306；3 上海市氣象局，上海 200030）

0 當前臺風研究業(yè)務瓶頸與臺風科學試驗必要性

熱帶氣旋（本文統(tǒng)稱臺風）是在熱帶洋面上發(fā)展起來的強對流渦旋性天氣系統(tǒng)，它產生的大風、暴雨和風暴潮等氣象災害每年都給全世界大洋沿岸居民帶來巨大的生命和財產損失。因此臺風的路徑和強度以及風雨的預測和機理研究是氣象防災減災業(yè)務和科研中的一個重要領域。近幾十年來，隨著非常規(guī)資料的廣泛使用，高分辨率數(shù)值模式的改進以及對臺風發(fā)生發(fā)展的機制深入理解，臺風路徑預報水平已經逐步提高，而與之形成鮮明對比的是，臺風強度和結構預報水平卻進步相對緩慢[1]。對于臺風強度和結構預報進步緩慢一個主要原因是熱帶氣旋主要在遠洋洋面上發(fā)展并迅速移動，人們往往缺乏對于臺風內部結構進行持續(xù)有效觀測的手段。因此近年來，國內外開展多個針對熱帶氣旋大型外場觀測試驗，如美國多年來連續(xù)開展的TCM-90和Typhoon-90試驗[2]，RAINEX（Hurricane Rainband and Intensity Change Experiment）[3]，以及近年來以美國颶風研究中心（Hurricane Research Division，HRD）為核心針對颶風強度觀測試驗HIFX（HurricaneIntensity Forecasting Experiment）試驗[4-5]。THORPEX計劃也針對西北太平洋臺風開展了兩季T-PARC（THORPEX-Pacific Asian Regional Campaign）試驗即TCS-08和TCS-10計劃[6]。我國臺灣地區(qū)從2003年開始執(zhí)行針對經過臺灣島附近區(qū)域的臺風觀測Dotstar（Dropwindsonde Observations for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region）計劃。

美國等長年的颶風（大西洋的熱帶氣旋）探測實踐表明，飛機下投探空是獲取臺風內部精細結構特征的有效手段，其中基于無人機平臺的臺風下投探空技術則已漸成發(fā)展趨勢。近年來，美國通過實施“颶風預報提高計劃（HFIP）”，針對颶風強度預報，開展規(guī)模化的颶風內部垂直精細結構的飛機下投探空觀測，并使用包括“全球鷹”在內的高空無人機加強了對颶風高層“出流層”結構等的直接觀測，極大提高了其對颶風結構影響強度變化過程的事實及機理認識，“出流層”結構的直接觀測還促進了其數(shù)值模式（HWRF）颶風高層次抽吸及級環(huán)流等相關物理過程處理方案的完善、確保了模式中颶風渦旋結構的真實準確，使其颶風強度的預報能力取得突破性進展，5年內降低誤差約20%，當前72 h的預報誤差與5年前的24 h預報相當[7]。

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

1 國內外臺風飛行試驗開展的情況

基于臺風試驗觀測的必要性，國內外開展多個主要基于飛行器平臺的大型綜合性外場觀測試驗，如美國多年來連續(xù)開展的TCM-90和Typhoon-90試驗[2]，RAINEX（Hurricane Rainband and Intensity Change Experiment）[3]，以及近年來以美國颶風研究中心（Hurricane Research Division，HRD）為核心針對颶風強度觀測試驗HIEX（Hurricane Intensity Forecasting Experiment）試驗[4-5]。THORPEX計劃也針對西北太平洋臺風開展了兩季T-PARC（THORPEX-Pacific Asian Regional Campaign）試驗即TCS-08和TCS-10計劃[6]。我國臺灣地區(qū)從2003年開始執(zhí)行針對經過臺灣島附近區(qū)域的臺風觀測DOTSTAR（Dropwindsonde Observations for Typhoon Surveillance near the Taiwan Region）計劃。我國香港則利用海事搜救飛機自2012年進行有人飛機環(huán)繞臺風的邊界層觀測試驗，并從2016年開始在臺風下探探空等方式探測。日本也于2017年開始針對颶風Lane進行了飛行探測試驗，并后續(xù)逐年開展。

進入21世紀后，我國連續(xù)多年開展臺風科學試驗（China Landfalling Typhoon Experiment，CLATEX）[9]并且后續(xù)在“臺風973”計劃資助下開展了“影響登陸熱帶氣旋強度的邊界層主要物理過程特征觀測試驗”（TLAPFEX）[10-11]以及在世界氣象組織和亞太臺風委員會指導下國際示范項目“近海臺風強度變化科學試驗”（EXOTICCA）。上海臺風研究所自2007年也分別開展了諸如遠程火箭探空，無人機探測等多元手段，我國中國氣象科學研究院、探測中心、廣州熱帶海洋氣象研究所、南京大學等多家國內單位也持續(xù)多年在廣東、海南等地針對登陸臺風進行多單位協(xié)同觀測試驗。

下面根據(jù)飛行平臺對相關試驗進行介紹：

1.1 基于大型有人機和火箭的臺風探測試驗：

美國早在“二戰(zhàn)”結束后的1950年代，即開展了有人駕駛飛機穿越臺風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試驗，飛行路線上的資料，特別是針對臺風中心附近實施的下投探空資料，成為臺風“定位”（確定臺風中心位置）和“定強”（確定臺風的強度）的重要依據(jù)。1976—1977年，美國國家海洋與大氣管理局（NOAA）成功地利用WP23D型飛機進行了2個架次的颶風下投探測試驗，此后飛機便作為其探測颶（臺）風的理想平臺，投入業(yè)務探測應用至今。隨著“冷戰(zhàn)”的結束和經費等原因，美國于1987年停止了在西北太平洋地區(qū)的臺風飛行觀測。但是，西太平洋沿岸各國和地區(qū)針對臺風預報科學問題的觀測試驗的努力并未停止。如：1990年代初，成功地實施了旨在提高臺風路徑預報的國際臺風觀測計劃（SPECTRUM），下投探空、浮標、觀測船和風廓線雷達及沿海眾多地面和高空探測等資料的獲取及其應用，明顯增進了臺風移動物理機制的認識和預報能力。SPECTRUM的成功，示范并推動了國際臺風界的臺風觀測試驗。下面舉例分別介紹近年來開展的一些著名臺風相關科學試驗：

1.1.1 CBLAST（Coupled Boundary Layer Air-Sea Transfer）

利用風雨廓線儀觀測表面風和邊界層風，在飛機上釋放GPS下投式探空儀觀測海表溫度和表面風，云成像儀和粒子多普勒儀觀測海洋飛沫，掃瞄雷達高度計觀測表面波，機載湍流儀觀測動量和感熱通量。CBLAST試驗的主要目的是通過對大西洋熱帶氣旋的觀測，提高對海氣相互作用物理過程的認識，了解強風條件下海氣交換過程機制，改進熱帶氣旋路徑和強度預報數(shù)值模式物理參數(shù)化[12-14]。

通過對熱帶氣旋邊界層通量的直接觀測初步發(fā)現(xiàn)高風速條件下拖曳系數(shù)值減小[15-16]；熱帶氣旋增強所需的焓通量不僅限于來自湍流通量[17]；邊界層中存在特征波長約為900 m的滾渦結構，它們對海氣動量交換的調整有著顯著作用[17]。這些觀測結果，已被應用于物理機制的研究和理論模型及數(shù)值模式參數(shù)化方案的評估[18]，并發(fā)展了高分辨率大氣－浪－海洋耦合模式，檢驗證明模式結果能夠明顯地提高熱帶氣旋強度和結構預報，尤其能夠較好反映海氣相互作用對氣旋強度預報的影響[14]。

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

由臺灣科學家組織實施的“DOTSTAR試驗”開始于2003年（圖1），試驗海區(qū)為西北太平洋（主要是經過臺灣島以東洋面），使用Astra SPX噴氣機投放了下投式探空儀對臺風進行溫度、濕度、氣壓和風速的垂直觀測，至2010年試驗共觀測了39個臺風，投放了846個下投式探空儀。觀測進一步促進了對臺風動力學的研究，尤其是環(huán)境場對臺風路徑突變機理的影響以及臺風邊界層物理過程的理解[19]。試驗中觀測資料實時傳輸?shù)脚_灣氣象局、NCEP、FNMOC和JMA，并同化進臺灣氣象局數(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觀測資料后NCEP的GFS模式、NOGAPS模式、JMA的GSM模式和WRF模式對臺風的路徑預報都表現(xiàn)出正效果[20]。

圖1 DOTSTAR對2014年臺風鳳凰的觀測（黑色中心標記：2014-09-19 00：00 UTC的臺風中心位置；綠色中心標記：第一枚Dropsonde落入海表時的臺風中心位置；藍色中心標記：最后一枚Dropsonde落入海表時的臺風中心位置）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 觀測試驗利用P-3、G-IV飛機以及無人機，主要通過投式探空儀、機載多普勒雷達和SFMR（Stepped-Frequency Microwave Radiometer）收集各種環(huán)境下大西洋颶風生命期各階段的觀測資料，提供改進的颶風強度、結構和環(huán)境場實時觀測，并推進對影響颶風生命期各階段強度變化的物理過程的理解[4]。以2005年為例，該試驗共在大西洋海域執(zhí)行了93次飛行任務，觀測了14個颶風，釋放了約2500個下投式探空儀（圖2）。

圖2 IFEX試驗中對2005年颶風Katrina的多平臺風場觀測（a）和地面風分析（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臺風委員會委托中國氣象局上海臺風研究所和香港天文臺，聯(lián)合牽頭組織實施旨在提高西北太平洋近海臺風強度變化預報能力的科學試驗（EXOTICCA），該試驗在南海北部布設了浮標陣、使用了搜救飛機（Surveillance flight）、研制使用了火箭彈下投探空系統(tǒng)，并結合氣象梯度觀測塔等，對2014—2016年間的10個目標臺風（1409號“威馬遜”、1415號“海鷗”、1416號“鳳凰”、1509號“燦鴻”、1513號“蘇迪羅”、1522號“彩虹”、1601號“尼伯特”、1614號“莫蘭蒂”、1617號“鲇魚”和1621號“莎莉嘉”）實施了外場協(xié)同觀測試驗，揭示了西太平洋近岸丘陵和海島特殊地形條件下的臺風近地層的風隨高度變化的垂直廓線及不同時距平均風速間的轉化關系，明顯不同于基于大西洋沿岸的平原地區(qū)。試驗還針對1522號臺風“彩虹”實施了全球首例火箭彈下投探空作業(yè)（圖3），發(fā)現(xiàn)：在臺風濃密的核心云雨區(qū)，目前廣為使用的其于衛(wèi)星反演的CIMSS AMV風場資料可能偏小約30%。

圖3 2015年10月3日23：00“彩虹”臺風云團及火箭下投探空和“追風”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 基于無人機的飛行探測試驗

近年來，包括我國在內的亞太地區(qū)在利用飛機探測臺風方面有所加快。繼我國臺灣成功實施DOSTAR試驗后，我國大陸的科學家也曾于2009年“莫拉克”和“天鵝”臺風期間首次進行了有人飛機探測臺風的科學試驗，飛機探測資料仍然對臺風路徑和強度的數(shù)值預報非常有用[21]。但出于安全管制、飛行經驗、飛機性能等多方面原因，相關有人機飛行探測臺風未能持續(xù)下去。我國香港則利用海事搜救飛機自2012年進行有人飛機環(huán)繞臺風的直接觀測試驗，其改裝中的可下投探空儀的（有人）飛機并于2016年投入試用。韓國、日本和越南等國也紛紛制定雄心勃勃的飛機探測臺風的試驗計劃，其中日本和韓國計劃于2017—2018年間進行（有人）飛機探測臺風的試驗。

面對飛機探測臺風的高風險，有人飛機探測臺風風險大，操作難度大，對飛機性能和飛行員經驗要求高，大多數(shù)國家或地區(qū)很難大規(guī)模開展臺風的有人飛機探測。相對而言，無人飛機（Unmanned Aerial Vehicles，UAV）具有安全性好、效費比高等眾多有人駕駛飛機所不具有的巨大優(yōu)勢。用無人機替代有人飛機執(zhí)行高風險作業(yè)任務，已是當今國際航空領域的一個重要發(fā)展方向。而隨著無人機巡航高度、航程、載重量以及可操控性的進一步提高，利用無人機進行臺風探測也逐漸成為可能和趨勢[22]。自本世紀開始，美國等國家已經利用多種類型的無人機開展了氣象探測的嘗試。

1.2.1 低空無人機對臺風探測

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

圖4 澳大利亞“MK-III”型無人機Fig.4 Australian’s “MK-III” UAV

美國在2001年實施的“對流與水汽科學試驗（The Convection and Moisture Experiment，CAMEX-4）”中，使用這款無人機獲取了近水面（約為300 m）的溫度、濕度和風速等氣象資料。同年，我國臺灣科學家也利用相同型號的無人機，成功地飛入了“海燕（0121號）”臺風的環(huán)流，距臺風中心最近僅為150 km，測得了氣壓、最大風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)動機飛機（全長為2 m，續(xù)航能力約為3000 km），對“桃芝（0108號）”臺風實施了無人機的探測試驗，獲取了臺風中的風向、風速、濕度和溫度等大量的觀測數(shù)據(jù)。

隨后，美國于2005年在“IFEX”試驗中，用“MK-III”無人機成功地飛入了颶風“奧菲莉亞（Ophelia）”，獲取了颶風近水面（約為300 m）的風、溫、壓、濕等觀測資料，在2007年進行的颶風“諾埃爾（Noel）”超低空飛行探測試驗中，無人機的飛行高度僅為82 m，并持續(xù)飛行了約為17.5 h。顯然，在這個高度實施有人駕駛飛機的飛行探測風險極大。

中國氣象局大氣探測中心于2008年組織國內首個無人機探測臺風比較試驗，來自國內的多家無人機研發(fā)機構和生產廠商參加在整個試驗中共完成了3次7 h的連續(xù)飛行測試、4 h大雨條件下飛行測試（圖5），完成了對“海鷗”和“森拉克”臺風的探測試驗并獲取了完整的溫濕壓、風速、風向資料[23]。

圖5 中國“晨鳥”無人機（a）及其在臺風探測的飛行軌跡（b）Fig.5 China’s “Morning Bird” UAV (a) and its flight trajectory in typhoon detection (b)

2015年上海臺風研究所也曾經利用小型無人機對臺風“燦鴻”進行探測，飛機進入臺風內部40多分鐘后，探測到最大風速超過40 m/s，但是此后失聯(lián)。

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

圖6 上海臺風研究所無人機探測“燦鴻”探測風速（a）及其在臺風探測的飛行軌跡（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為代表的高空無人機探測臺風試驗

臺風環(huán)流內相關氣象要素的垂直分布廓線，對于臺風結構的正確描述極為重要，這也正是有人駕駛飛機穿越臺風并進行下投探空的意義和價值之所在。早在1993年，Langford等就探討了用高空無人機下投探空儀開展颶風觀測的可能性。隨著軍用無人機技術的發(fā)展，如今“長航時無人偵察機”的飛行升限已達18～20 km及以上、續(xù)航可達24 h以上，并具備作為空中運載工具、攜帶和自動投放下投探空儀的能力。

2009年開始，美國NASA和NOAA合作利用兩架長航時高空無人偵察機“Global Hawk（全球鷹）”（圖7a），探索進行颶風探測方面的研究。先后開展了“颶風生成和快速增強過程（The Genesis and Rapid Intensification Processes,GRIP）科學試驗”[24]并在2012年開始與另外一架WB-57有人機（圖7b）聯(lián)合開展“颶風與強風暴哨兵計劃”（Hurricane and Severe Storm Sentinel，HS3）[25]，先后對多個颶風進行了飛行探測（圖8）。例如偵測到了颶風“Karl”在30 h內強度23～56 m/s的快速增強等過程，所獲取的大量的颶風結構及其環(huán)境場資料，已用于對颶風形成和增強機理等的研究。

圖7 參加“超強風暴哨兵（HS3）”的全球鷹（GH）無人機（a）和WB-57飛機（b）Fig.7 Global Hawk UAV (a) and WB-57 aircraft (b) participating in “Super Storm Sentinel (HS3)”

圖8 美國HS3試驗中，2012—2014年歷年全球鷹（GH）探測颶風飛行路徑圖以及2014年WB-57飛機探測颶風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颶風流出層的動力和熱力結構科學認識，特別是第一次發(fā)現(xiàn)在颶風最大流出層上方還有一個大約為2～4 m/s、厚度約為20～50 hPa的高層流入層，并認為這與平流層在臺風眼區(qū)的非絕熱干下沉有關。Christophersen等[27]認為同化全球鷹下投式探空比沒有相關資料同化的預報在路徑和強度均有不同程度的提高。這些證明針對臺風的高空下投式探空能夠有效改變模式預報能力。一系列的最新研究已經證明無人機探測臺風具有重大的科學意義和可靠的應用前景以及高度的可行性[26-27]，并且已經獲得國際臺風研究和業(yè)務人員的高度評價[25]。2020年8月中國氣象局探測中心、海南省氣象局聯(lián)合成都飛機制造公司利用翼龍-10高空無人機對臺風“森拉克”外圍進行了探測并成功收集到30多枚探空。同年10月，中國氣象局上海臺風研究所聯(lián)合四川騰盾科技公司利用TD328重型無人機等多類型無人機在臺風“浪卡”登陸前24 h實施多機多次無人機探測試驗，收集采集了大量觀測數(shù)據(jù)。

隨著無人機技術的迅猛發(fā)展，成本還將進一步降低，有效荷載和續(xù)航能力等性能還將進一步提高，更多的臺風特種觀測儀器將被搭載并充分使用。對美國現(xiàn)役的用于探測臺風的有人駕駛飛機和無人機的主要性能進行比較，不難發(fā)現(xiàn)無人機在長航時（或航程）和低空飛行方面具有明顯優(yōu)勢（圖9），基于高空下投探空和近水面飛行的無人機探測體系和協(xié)同觀測已是大勢所趨。

圖9 美國現(xiàn)役探測臺風的有人機（ER-2，WB-57，G-IV，DC-8，C-130，P-3）和無人機（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 臺風外場試驗相關展望和未來

從2009年開始，美國氣象部門通過實施“颶風預報提高計劃（HFIP）”，針對颶風強度預報，開展規(guī)?；娘Z風內部垂直精細結構的飛機下投探空觀測，并使用包括“全球鷹”在內的高空無人機加強了對颶風高層“出流層”結構等的直接觀測，極大提高了其對颶風結構影響強度變化過程的事實及機理認識，“出流層”結構的直接觀測還促進了其數(shù)值模式（HWRF）颶風高層次抽吸及級環(huán)流等相關物理過程處理方案的完善、確保了模式中颶風渦旋結構的真實準確，使其颶風強度的預報能力取得突破性進展（圖10），5年內降低誤差約20%，當前72 h的預報誤差與5年前的24 h預報相當[7]。

飛機觀測資料的使用是改進臺風模式預報能力的有效手鍛。Aberson等[8]對2008—2011年的颶風飛機觀測數(shù)據(jù)（包括航行高度上的溫壓濕風數(shù)據(jù)、步進頻率微波輻射計（SFMR）數(shù)據(jù)、下投式探空儀數(shù)據(jù)以及機載多普勒雷達數(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，通過比較同化后和未經同化的模式預報結果來量化飛機觀測數(shù)據(jù)對颶風路徑及強度模式預報結果的影響。得到結論如下：1）對于路徑預報，飛機觀測同化資料對24～60 h的預報有近20%的提高；對前24 h的預報，僅加入機載多普勒雷達的同化資料使預報改善10%；2）對于強度預報，加入飛機觀測同化資料后，使模式預報水平平均改善23%，對前24小時的預報，加入機載多普勒雷達數(shù)據(jù)使預報改善11%。Gall等[28]對2008—2010年的所有颶風觀測資料進行分析，指出對颶風內核的飛機觀測數(shù)據(jù)進行同化，可以使強度預報的36 h預報提高18%，72 h預報提高42%，平均提高20%～40%；同時，AOML利用不包括雷達數(shù)據(jù)的其余飛機觀測資料和所有飛機觀測資料進行觀測系統(tǒng)模擬試驗（OSSEs），結果表明，二者較不利用任何飛機觀測資料的運行結果都有顯著的提高，此外對于飛機觀測數(shù)據(jù)，加入雷達數(shù)據(jù)后，較未加入雷達數(shù)據(jù)有額外的10%的改善。

世界氣象組織（WMO）于2015年組織召開的第8次國際熱帶氣旋研討論會（IWTC-8）的評估表明，飛機下投探空及相應觀測資料的同化，仍是探測臺風內部結構及突破臺風模式預報瓶頸的最有效手段。最近，美國環(huán)境預報中心（NCEP）對飛機下投探空資料在提高臺風模式預報能力的貢獻進行了較系統(tǒng)的測試和評估，結果表明，全球模式在同化飛機下投探空資料后，其60 h內的臺風路徑預報誤差減小了10%～15%（圖11）。

圖11 1997—2006年間飛機下投探空資料對NCEP全球模式（GFS）和區(qū)域模式（GFDL）臺風路徑預報的改進（GFSNO和GFDLNO-未同化飛機資料的GFS和GFDL，GFSALL和GFDLALL-同化飛機資料的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

隨著我國經濟社會發(fā)展，臺風給我國造成的災害損失日益嚴重，尤其沿海地區(qū)人口密集、下墊面復雜，承災害能力相對脆弱，臺風容易對這些區(qū)域造成復合型的災害。為此，《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要（2006—2020年）》將臺風作為影響國家公共安全的重大自然災害之一，將臺風監(jiān)測、預警和應急處置關鍵技術及科學研究列入重大自然災害監(jiān)測和防御優(yōu)先主題，因此針對臺風內核結構的精確觀測越來越具有緊迫性和必要性。

另外一方面由于海上觀測站稀少，現(xiàn)階段基于衛(wèi)星遙感的大氣要素反演，受臺風濃密云雨區(qū)的嚴重“干擾”，其精度尚不能滿足路徑和強度變化研究及預報對臺風內部結構精細化程度的要求。美國對颶風探測的實踐已經表明，基于飛行器的對臺風直接觀測是當前獲取臺風結構高精度觀測資料的最有效手段。加強臺風的觀測研究，被視為提高臺風路徑突變和強度變化機理認識從而提高預報能力的關鍵和突破口，受到國際臺風界的高度關注（IWTC-8，2015年韓國濟州）。

綜上所述，研發(fā)能搭載包括下投探空等的高空無人機、針對邊界層內部的中低層無人機并構成多平臺的臺風綜合探測體系，將可以獲取臺風內部氣象要素（完整的）垂直廓線等精細結構特征信息，從而揭示海上臺風內部（特別是近地層和出流層）精細熱力動力結構特征，為包括臺風渦旋結構初始化和物理過程參數(shù)化方案在內的臺風數(shù)值模式改進及臺風科學研究和預報能力的提高奠定基礎，具有重大的科學意義和可靠的應用前景[29-31]。

需要指出的是，相對于美國颶風飛行科學試驗廣泛開展，近年來包括我國臺風飛行探測試驗長期徘徊不前。筆者基于多年臺風科學試驗經驗，認為其主要原因如下：

1）空域管理體制復雜：由于種種原因，我國沿海空域遠比美國沿?？沼蚬芾韽碗s，以南海為例，臺風生成發(fā)展關鍵區(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、中國香港和中國臺灣控制之下。對于需要開展真正有實際科研業(yè)務價值的臺風飛行試驗所需要的申請手續(xù)較為艱難而復雜。

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

2）飛行器性能不足：臺風作為一個強致災性天氣系統(tǒng)，其特點是尺度大（水平尺度可以超過2000 km）、對流強（上升運動速度可達10 m/s，雷達回波強度經常大范圍超過50 dBz）、高度高（最大超過15 km）。參照美國多年飛行探測實踐經驗，需要非常經驗豐富的飛行員和性能非常良好的飛機。未經合適改裝和科學指導下，常規(guī)有人機非常難以在搭載多類系統(tǒng)氣象觀測載荷情形下進入臺風內核區(qū)域進行科學有效的氣象探測。另外一方面，由于發(fā)動機等原因的限制，我國類似于美國全球鷹無人機的能從平流層高度進行長時間巡航的航空飛行器尚未成熟和民用化。

3）臺風內部結構復雜多變，且其內部遍布風切變、雷擊、強降水等諸多不利于飛行器安全飛行的天氣因素。因此合理安全的開展臺風科學試驗，需要同時兼具豐富的臺風動力學知識和豐富的飛行操作實踐經驗的隊伍來負責設計合理可行的飛行試驗技術路線和觀測方案。雖然近年來通過“浪卡”“森拉克”等臺風試驗的開展，我國相關部門已經有一些經驗，但是還需要進一步鍛煉隊伍，積累經驗。特別是如何在有限飛機性能條件下，采集到真正科學有效的數(shù)據(jù)，最終達到提升臺風理論和預報水平的目的，需要進一步深入探索和持續(xù)支持。

4）另外由于飛行經驗，管理機制以及安全設備等原因，有人飛機對以對流強、范圍大為特點的臺風探測具有較大的實施難度。但從美國、日本以及我國臺灣和香港地區(qū)多年臺風探測經驗來看，能搭載多類型大型設備并且能靈活機動執(zhí)行任務的大型有人飛機很可能才是最終解決臺風資料探測困境的最終選擇。這需要建設一支能緊密合作的兼?zhèn)浞浅ＸS富的飛行經驗和非常豐富的臺風結構知識的飛行試驗隊伍緊密合作，科學穩(wěn)妥地開展試驗。

總而言之，研究認為當前西北太平洋臺風結構和強度的主要研究和預報瓶頸并不在于理論和預報本身，而在于缺乏系統(tǒng)全面的以不同空基、地基、?；吞旎脚_協(xié)同體系，特別是缺乏利用各類飛機開展臺風飛行科學觀測試驗。未來在更廣泛開展臺風飛行科學試驗支持下，通過多部門聯(lián)合，合理確定科學可行的臺風試驗方案，可以期望未來我國在臺風內核精細結構及云微物理特征、海氣相互作用機制以及環(huán)境引導流等多方面取得進展，并將使得臺風預報水平走向新的臺階。