科技改變生活 · 科技引領(lǐng)未來(lái)
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文章來(lái)源：科學(xué)大院
隨著新冠疫情在全球范圍內(nèi)的擴(kuò)散和蔓延，截至2020年4月20日22時(shí)左右，全球累計(jì)確診病例已經(jīng)超過(guò)了240萬(wàn)。為了防控疫情，各國(guó)紛紛減少了航班數(shù)量，3月底就已經(jīng)有近60家航空公司停飛所有航班(3月26日澎湃新聞報(bào)道)，使得很多人的出行受到了影響。
但是，你知道嗎，飛機(jī)不飛了，天氣預(yù)報(bào)也會(huì)受影響哦~
飛機(jī)：我是僅次于氣象衛(wèi)星的存在
飛機(jī)跟氣象有啥關(guān)系?在21世紀(jì)，天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確程度依賴(lài)于越來(lái)越精細(xì)詳實(shí)的氣象數(shù)據(jù)，這不早就被衛(wèi)星和地面雷達(dá)兩者“拿下”了么?就算需要飛機(jī)觀測(cè)高空數(shù)據(jù)，不是有現(xiàn)成的氣象飛機(jī)么，什么時(shí)候跟商用飛機(jī)也扯上關(guān)系了?
你想得太簡(jiǎn)單啦!
其實(shí)，受到復(fù)雜地形和探測(cè)設(shè)備維護(hù)的限制，在高空、高原、沙漠、海洋等人跡罕至的地方，氣象站點(diǎn)稀少，地面雷達(dá)難以部署，氣象探測(cè)資料本就十分缺乏，更別提高空氣象探測(cè)資料了。而探空氣球、氣象火箭和氣象飛機(jī)每次出場(chǎng)都是價(jià)格不菲，更顯得獲得的資料彌足珍貴。但是，要想實(shí)現(xiàn)覆蓋范圍更廣、預(yù)報(bào)更準(zhǔn)確的天氣預(yù)報(bào)，這些數(shù)據(jù)又必不可少。怎么辦?
中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站分布(圖片來(lái)源：中國(guó)氣象局)
中國(guó)國(guó)家級(jí)地面氣象站分布(圖片來(lái)源：中國(guó)氣象局)
航空公司氣象數(shù)據(jù)的加入幫了大忙?？梢哉f(shuō)，民航飛機(jī)提供的氣象數(shù)據(jù)的重要程度，僅次于氣象衛(wèi)星。目前，絕大部分民航飛機(jī)都安裝了相當(dāng)先進(jìn)的氣象設(shè)備——機(jī)載多普勒氣象雷達(dá)(WXR)。它是飛行安全的“一把手”，是漫漫飛行路上的千里眼，順風(fēng)耳，也是氣象數(shù)據(jù)的重要來(lái)源。
飛機(jī)上的氣象雷達(dá)都能看見(jiàn)什么?
1842年，奧地利物理學(xué)家J·C·多普勒發(fā)現(xiàn)，當(dāng)波源和觀測(cè)者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者接受到的波的頻率和波源發(fā)來(lái)的頻率不同，波源和觀測(cè)者相互接近時(shí)，接受到的頻率升高;兩者相互離開(kāi)時(shí)，則降低。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。
根據(jù)多普勒效應(yīng)，電磁波遇到不同障礙物被反射回的信號(hào)強(qiáng)弱及電磁波頻率不同。正是利用了這一特性，通過(guò)調(diào)整天線(xiàn)角度，駕駛員可以把收到的信號(hào)以彩色回波圖的形式呈現(xiàn)在小小雷達(dá)顯示屏上，即使在云內(nèi)能見(jiàn)度很差的情況下也能夠從容地“觀天探地”。
不同于靜止的地面，高速移動(dòng)的飛機(jī)會(huì)遇到很多突發(fā)情況，特別是中小尺度天氣系統(tǒng)。這可是災(zāi)害性天氣研究的“熱門(mén)選手”。
顧名思義，中小尺度天氣系統(tǒng)水平范圍較小，生命周期較短，氣象要素的水平變化十分劇烈。一般把水平范圍在幾百米到幾十公里，生命期只有幾十分鐘至二、三小時(shí)的天氣系統(tǒng)，稱(chēng)為小尺度天氣系統(tǒng)，例如積雨云、龍卷等;而將水平范圍為幾十至二、三百公里，生命期約一到十幾小時(shí)的天氣系統(tǒng)，稱(chēng)為中尺度天氣系統(tǒng)，如颮線(xiàn)、雷暴等。它們?cè)诨夭▓D上都表示為“小蔥番茄蛋花湯”的顏色。
一次雷暴云的雷達(dá)回波動(dòng)畫(huà)顯示(圖片來(lái)源：中國(guó)民航網(wǎng))
一次雷暴云的雷達(dá)回波動(dòng)畫(huà)顯示(圖片來(lái)源：中國(guó)民航網(wǎng))
而飛機(jī)前方可能出現(xiàn)的降水、湍流(使飛機(jī)強(qiáng)烈顛簸)、強(qiáng)風(fēng)切變(風(fēng)切變是在很短的距離范圍內(nèi)，風(fēng)速或風(fēng)向，或兩者一起發(fā)生急劇變化)等就是中小尺度系統(tǒng)，再加上危險(xiǎn)地形，就是飛行安全的最大敵人!只有實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)探測(cè)，才能幫助機(jī)長(zhǎng)避開(kāi)一切艱難險(xiǎn)阻，順利到達(dá)終點(diǎn)。
中小尺度系統(tǒng)移動(dòng)速度快，破壞能力強(qiáng)。利用傳統(tǒng)氣象資料難以揣測(cè)它們的想法，更別說(shuō)預(yù)測(cè)它們下一秒要往哪里去。而機(jī)載多普勒雷達(dá)的出現(xiàn)提供了這樣的可能!比如影片《中國(guó)機(jī)長(zhǎng)》里的機(jī)長(zhǎng)在千鈞一發(fā)之刻，從可怕的雷暴云裂縫中成功穿越，靠得就是機(jī)載氣象雷達(dá)的幫助。
當(dāng)氣象雷達(dá)出現(xiàn)故障時(shí)，后果不堪設(shè)想。2009年5月30日，法國(guó)航空447號(hào)班機(jī)在飛往法國(guó)巴黎的途中不幸遭遇強(qiáng)風(fēng)暴，由于氣象雷達(dá)機(jī)械故障和其它原因，最終乘客216人、機(jī)組成員12人無(wú)一生還。
氣象雷達(dá)另一鮮為人知的使命，誕生于雷達(dá)接收和發(fā)射信號(hào)一體化的設(shè)計(jì)中，通過(guò)電子開(kāi)關(guān)在發(fā)射和接受狀態(tài)之間迅速切換，可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)高效輸出。
在大數(shù)據(jù)時(shí)代，借助于地面雷達(dá)的配合和通信系統(tǒng)(航空上稱(chēng)之為ADS-B系統(tǒng))配合，在自動(dòng)搜集和處理飛行中的大氣數(shù)據(jù)(例如溫度、濕度、氣壓等)后，機(jī)載氣象雷達(dá)能以報(bào)文的形式自動(dòng)傳送到地面站，及時(shí)提供給氣象部門(mén)使用。我們稱(chēng)為“飛機(jī)報(bào)”。
ADS-B系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖(圖片來(lái)源：廣州銀迅)
ADS-B系統(tǒng)的簡(jiǎn)化示意圖(圖片來(lái)源：廣州銀迅)
早在2004年，中國(guó)民航局就與氣象局簽署了空器氣象資料下傳合作協(xié)議，這些分鐘級(jí)的高時(shí)空分辨率的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，極大地豐富了我國(guó)現(xiàn)有的實(shí)時(shí)氣象資料庫(kù)，對(duì)提高氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率、氣象服務(wù)的能力和水平都做出了巨大的貢獻(xiàn)。反之，也幫助民航飛機(jī)飛得放心，飛得舒心，不可不謂是“double win”的完美局面!
這次，全球的氣象觀測(cè)可能受到重創(chuàng)
為什么說(shuō)本次疫情影響了全球的氣象工作者?
這就不得不提到一個(gè)龐大的組織——WMO，世界氣象組織。在其發(fā)起的全球觀測(cè)系統(tǒng)(193個(gè)會(huì)員國(guó)和地區(qū)向其公民提供的所有天氣與氣候服務(wù)及產(chǎn)品的支柱)中，有這么一個(gè)子系統(tǒng)——飛機(jī)氣象數(shù)據(jù)中繼計(jì)劃(AMDAR)，主要用于收集全球氣象數(shù)據(jù)并進(jìn)行應(yīng)用。每天的天氣預(yù)報(bào)，氣候監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)、災(zāi)害預(yù)警它都出了不少力。
同時(shí)，它也是歐洲中期天氣預(yù)報(bào)中心(ECMWF)的ABOs(基于飛機(jī)的大氣觀測(cè)計(jì)劃)的主要數(shù)據(jù)來(lái)源。ECMWF研究結(jié)果顯示，AMDAR是改善全球 24 小時(shí) NWP 預(yù)報(bào)的第四重要觀測(cè)數(shù)據(jù)集。在這個(gè)系統(tǒng)中客班航機(jī)做出了卓越的貢獻(xiàn)。飛機(jī)報(bào)對(duì)降低預(yù)報(bào)誤差的貢獻(xiàn)僅落后于三個(gè)從極軌衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)集，超過(guò)了 GPS 掩星資料(GPS-RO)、探空資料(TEMP)和地面天氣報(bào)告(SYNOP)!
疫情發(fā)生之前，全球每天能夠向該系統(tǒng)提供超過(guò)70萬(wàn)條高質(zhì)量數(shù)據(jù)，然而由于航班的急速減少，全球飛機(jī)報(bào)減少了40%以上，3月以來(lái) ECMWF 收到的歐洲飛機(jī)報(bào)甚至比平時(shí)減少了 65% 。這可真是愁壞了全球的預(yù)報(bào)員們。面對(duì)4月活躍的北半球風(fēng)暴，在數(shù)據(jù)減少的情況下盡量不降低模式預(yù)估的準(zhǔn)確性，幾乎是不可能的任務(wù)。
全球 AMDAR 飛機(jī)報(bào)數(shù)量在 2020 年 3 月呈現(xiàn)斷崖式下跌。數(shù)據(jù)由 EUMETNET 提供(圖片來(lái)源：WMO官網(wǎng))
全球 AMDAR 飛機(jī)報(bào)數(shù)量在 2020 年 3 月呈現(xiàn)斷崖式下跌。數(shù)據(jù)由 EUMETNET 提供(圖片來(lái)源：WMO官網(wǎng))
受影響的不止是飛機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)……
雪上加霜的是，在許多發(fā)展中國(guó)家，地基氣象觀測(cè)仍未完全自動(dòng)化，仍然依賴(lài)氣象觀測(cè)員手動(dòng)進(jìn)行的觀測(cè)，并傳輸?shù)絿?guó)際網(wǎng)絡(luò)。最近，這類(lèi)人工觀測(cè)資料也有顯著下降，WMO認(rèn)為可能部分原因是受到疫情形勢(shì)影響，而地基觀測(cè)資料的持續(xù)減少可能也會(huì)降低預(yù)報(bào)的可靠性。
“氣候變化產(chǎn)生的影響仍在持續(xù)，與天氣相關(guān)的自然災(zāi)害也在增加，而新冠疫情帶來(lái)了額外的挑戰(zhàn)，并可能使一個(gè)國(guó)家面臨多種災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)加劇。因此，盡管出現(xiàn)了新冠疫情危機(jī)，各國(guó)政府仍須重視本國(guó)的預(yù)警和天氣觀測(cè)能力。” WMO秘書(shū)長(zhǎng)佩特里·塔拉斯如此說(shuō)到。
面對(duì)這場(chǎng)席卷全球的病毒爆發(fā)，沒(méi)人能明哲保身;面對(duì)越來(lái)越頻繁出現(xiàn)的極端天氣，沒(méi)人能獨(dú)善其身。氣象人正肩負(fù)著自己的責(zé)任，默默前行。希望在全球人類(lèi)的共同努力下，我們能早日控制住病毒，也希望在同一個(gè)地球上，我們?cè)缛諏W(xué)會(huì)敬畏自然。
李同林