科技动态▏“黑珍珠”波浪滑翔器完成“米娜”台风期间观测，数据记录良好
自2012年以来，“黑珍珠”研究团队主持国家和省部级波浪滑翔器技术相关多项课题，围绕波浪滑翔器及其应用进行技术攻关。分机械结构设计、控制系统设计、导航算法设计、水动力计算、有限元计算、数据质量控制、卫通与监控设计等技术开发团队，相互合作，共同攻关，拥有波浪滑翔器的波浪动力转换、导航控制设计、集成拓展应用、远程岸基监控等关键核心技术的自主知识产权。
在2017年至2019年期间，“黑珍珠”波浪滑翔器完成了8次台风观测。包括2017年的13、14和15号台风“天鸽”、“帕卡”和“玛娃”，以及2019年的05、07、11、13和18号台风“丹娜丝”、“韦帕”、“白鹿”、“玲玲”和“米娜”等。如今，30余人的技术开发队伍经近7年的优化改进，完成了从工艺到技术的多次更新迭代，使“黑珍珠”波浪滑翔器的工作可靠性得以显著增强。
2019年9月至10月期间，由自然资源部第二海洋研究所、中国海洋大学、天津工业大学以及青岛海舟科技有限公司等单位联合，布设于巴士海峡东南海域的“黑珍珠”小型波浪滑翔器完成了“米娜”台风经过时的气象水文观测。“黑珍珠”波浪滑翔器经受“米娜”台风的考验，观测连续实时记录了近海面风速、风向、气温、气压以及海表水温等数据，数据记录良好、完整，达到了预期的台风观测效果。
一、“米娜”台风的风力和路径
2019年第18号台风“米娜”（强热带风暴级）的前身是热带扰动91W，它于9月25日凌晨在西北太平洋远海的密克罗尼西亚群岛北部生成，生成后便快速向西偏北方向移动。9月29日05时，“米娜”中心位于北纬17.9°，东经127.1°（距离台湾省台北市东南方向约980公里），中心附近最大风速28米/秒（10级风，强热带风暴级），中心最低气压980百帕。图1、图2分别为“米娜”台风的卫星云图和路径图。
图2 台风“米娜”路径图
二、“黑珍珠”波浪滑翔器的技术特点
此次参与“米娜”台风观测的波浪滑翔器是“黑珍珠”小型波浪滑翔器（ID为IMEI:300234066610300），如图3所示，该小型波浪滑翔器的具体性能指标参数如表1所示。
图3 “黑珍珠”小型波浪滑翔器
表1 “黑珍珠”小型波浪滑翔器技术指标
序号 | 项目 | 指标 |
1 | 平台质量 | 双体结构总质量60kg |
2 | 平台尺寸 | 水面母船：1.6m×0.5m×0.15m；水下牵引机：1.6m×1.0m×0.3m； |
3 | 运动速度 | 长期大范围平均航行速度：≥1.0Kts； |
4 | 风浪等级 | 最大可生存浪高10米； |
5 | 定位精度 | 虚拟锚泊定点误差≤200m半径概率≥50% ； |
6 | 导航精度 | 直线路径跟踪偏差≤200m偏差概率≥80%； |
7 | 发电功率 | 峰值发电功率约为90W，长期平均功率≥12W； |
8 | 负载能力 | 额外电能负载8W×12V，额外结构负载20kg×20L； |
9 | 蓄电储备 | 最大连续无光工作时间15天 |
参与此次“米娜”台风观测的波浪滑翔器于2019年8月5号在巴士海峡东南部海域布放，自然资源部第二海洋研究所、中国海洋大学、天津工业大学以及青岛海舟科技有限公司等单位共同参与了该设备的前期准备工作，包括传感器集成、航次筹备、海上布放以及实时监控等，直至今日，该设备仍在正常运行。参与“米娜”台风观测的“黑珍珠”波浪滑翔器（ID为IMEI:300234066610300）的布放位置与航行轨迹见图4和图5。
图4 “黑珍珠”小型波浪滑翔器的布放位置
图5 “黑珍珠”小型波浪滑翔器的航行轨迹
三、“米娜”台风期间的观测数据分析
⒈“米娜”台风期间的风速风向观测
在台风过境前，由于没有强对流天气发生，主要为偏南风，如图6所示，台风侵入后，风向变为东南风或者偏东风。台风过境前天气晴好，风速较小，台风外围云系入侵会导致风速加强，随着台风的逼近风速会越来越大，离中心越近风速越大。9月28日至9月29日台风“米娜”经过时主要是东北风，风速集中在4m/s至8m/s范围。9月29日台风“米娜”经过时主要是西南风，风速集中在8m/s至14m/s范围，风速有明显增强趋势。
图6 “黑珍珠”采集“米娜”风速玫瑰图
⒉“米娜”台风期间的水文数据观测
如图7所示，台风过境前气压较高，台风过境时气压开始降低，由于台风是气旋性天气系统，距离中心越近气压越大，9月29日至9月30日波浪滑翔器距离台风眼较近，气压有降低的现象。
台风形成后由于中心低气压和巨大的风应力，在海洋上下层之间引起强烈混合和流辐散。大风夹卷使混合层深度加深，同时诱导的上升流强迫表层海水重新分布，使得海表温度(Sea Surface Temperature, SST)下降。
SST变化是台风与海洋之间能量交换的关键，亦是影响台风产生以及强度变化的重要因素；台风引起的低SST会影响台风自身强度以及短期内下一个经过这个区域的台风的强度。
图7 “黑珍珠”采集气温气压水温图
四、波浪滑翔器平台数据分析
⒈波浪滑翔器的航行轨迹
2019年9月28日至2019年9月30日波浪滑翔器试航的航行轨迹如图8所示，此次海试波浪滑翔器累计航程为82km，具体累计航程如图9所示。该设备于2019年8月5号在巴士海峡东南部海域布放，直到目前仍在海上运行。
图8 “黑珍珠”航迹图
图9 “黑珍珠”航程图
⒉波浪滑翔器航行速度
图10为海试时间内波浪滑翔器航行速度图，从图中可以看出，整个海试时间的航行速度变化范围为0.1～1.4m/s。
图10 “黑珍珠”速度图
⒊波浪滑翔器的航向
图11为波浪滑翔器当前航向与期望航向的对比图，从图中可以看出在整个时间段内当前航向与期望航向的吻合程度较好，说明波浪滑翔器在台风经过的海域内仍具有航向保持的能力。
图11 “黑珍珠”航向对比图
⒋波浪滑翔器的姿态
图12为波浪滑翔器姿态图，从图中可以看出，海试过程中俯仰均值较小，接近零度；绝大多数俯仰角在20度之间波动，这表明该波浪滑翔器在海试过程中俯仰角度较小，仪器姿态较为平稳。另外，海试过程中波浪滑翔器横滚均值较小，接近零度；绝大多数横滚角在20度之间波动，这表明波浪滑翔器在海试过程中横滚角度较小，仪器姿态较为平稳。
⒌波浪滑翔器的电压
图13是本次海试过程中波浪滑翔器海试全程电压图，电压均值在16.6V左右；海试开始是电池电压较低，正常工作后，经历了先净放电后净充电的过程，随后电压呈现规律性变化，在16.4V到16.7V之间上下波动；电压值的变化显示了明显的周期性，随着日出日落，太阳辐射强度周期性变化，从而导致电压周期性变化；每天的电压充放电幅度不一致，主要是每日的太阳辐射强度不一致。综合来看，整个海试过程中，电压变化较为平稳，具有一定的规律，电池性能可靠。
图13 “黑珍珠”电压图
五、观测结论
“黑珍珠”小型波浪滑翔器完成了“米娜”台风的近距离观测（距离台风眼77.38公里），成功获取了相关气象水文数据，验证了极端海况下的生存能力和观测能力。本次观测时长2.5天，波浪滑翔器累积航程为82km，全程实际航向与期望航向差值均值为-4.45°，波浪滑翔器俯仰和横滚波动都较小，姿态平稳；台风“米娜”经过时，波浪滑翔器观测的气温、气压、风速、风向、SST数据真实有效，风速明显增强（14.11m/s），气压明显降低，形成显著降温区。观测数据表明，“黑珍珠”波浪滑翔器经受“米娜”台风考验，数据记录良好、完整，波浪滑翔器的台风观测效果十分显著。
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【作者简介】本文作者/张翰 孙秀军 桑宏强，分别来自自然资源部第二海洋研究所、中国海洋大学和天津工业大学。在此，特别感谢作者对本平台的支持与信任！
张翰，自然资源部第二海洋研究所助理研究员，物理海洋学博士，曾访问英国帝国学院和德国汉堡大学。张翰连续多年从事海洋-台风相互作用研究，具有丰富的观测数据分析经验。主持国家自然科学基金青年项目，参与国家重点研发计划等多项课题，内容涉及上层海洋对台风的响应过程和针对台风的定点及机动观测。
孙秀军，中国海洋大学教授，天津大学机械工程专业工学博士，佐治亚理工学院电气与计算机工程专业公派留学。连续多年从事波浪滑翔器、自主水下航行器、水下滑翔机、自持剖面浮标以及水面无人船等的研发工作，具有丰富的移动观测平台研发经验。自2012年以来，主持承担国家和省部级波浪滑翔器技术相关课题多项，内容涉及波浪滑翔器的工作机理研究、关键技术攻关、编队组网控制、海洋观测应用以及工程化/产业化技术等。
桑宏强，天津工业大学教授，博士生导师，天津大学机械电子工程专业工学博士学位，乔治华盛大学/国立儿童医学中心访问学者，天津市131创新型人才第二层次入选者。自2007年以来一直从事智能机器人技术研究，特别是波浪滑翔器、AUV、水下滑翔机、浮标以及水面无人船等的导航控制研发工作，主持承担多项国家和省部级课题，在导航控制、卫星通讯、数据采集、岸基监控、组网编队和路径规划方面具有较强的研发经验。
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