热带风暴“艾萨克”是一场奇特的风暴。当它今天逼近新奥尔良时——预计将于明天登陆，恰好是“卡特里娜”登陆七周年——它仍然缺乏通常在相似热带风暴中才会出现的、那种有条理的组织结构。至少，这是美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的一些顶尖研究人员今天告诉《大众科学》的内容。但“艾萨克”的奇特性并非个例。很难预测这些天气系统下一步会怎么走，这对于试图为风暴（预计）路径上的人们提供建议的预报员来说是一个 major problem。这就是为什么NOAA要派遣机器人。
负责预测特定风暴路径和强度的气象学家只能使用他们拥有的数据，而目前这些数据存在巨大的空白。像NOAA这样的机构通过几种不同的来源收集风暴数据——来自在数万英尺高空盘旋的飞机、散布在墨西哥湾各处的固定气象浮标、以及绕地球运行的卫星——这些为科学家提供了对风暴区域的绝佳视图。但几乎没有数据能从风暴内部直接传回陆地。正在形成的飓风和海面之间的空间不是久留之地。而那里却是最重要的信息所在。
随着2012年飓风季进入高峰，NOAA的研究人员正在努力改进两种不同的海上机器人，该机构希望它们能成为未来关键的风暴预测工具。第一个是Liquid Robotics公司的“浪涌滑翔机”（Wave Glider），它被设想为一种持久的侦察平台，一支海上移动监测站队伍，它们将在整个飓风季节留驻海上，等待着涌入正在形成的风暴路径。第二个是Hydronalix公司的“应急集成救生绳索”（Emergency Integrated Life Saving Lanyard），简称EMILY（曾获得2010年《大众科学》最佳新技术奖）——它将能够追踪风暴本身数天，直接将连续数据从风暴中心传回岸上的研究人员。
“我们将能够像观察‘艾萨克’离开基韦斯特，穿过墨西哥湾一样，了解它会发生什么。”这些机器人平台将为气象学家提供他们首次从风暴眼内部获得的连续数据流，以及对天气系统发展过程中，在其前方、内部和后方海面状况的全面了解。与空中（也日益机器人化）的科研飞机以及岸上超级计算机上运行的高分辨率天气模型协同工作，这种新型海上风暴追逐者将生成一幅更完整的、活体风暴的图景，而在此之前，这幅图景至少可以说是模糊不清的。
NOAA大西洋海洋和气象实验室副主任Alan Leonardi博士表示：“目前只有两三种方法可以获取此类数据。首先，风暴可能会偶然经过一个已经部署在水中的浮标，这发生的频率可能不如人们想象的那么频繁。另一种是部署一艘船在那里收集数据，但这会给船员带来危险，所以我们不会这样做。第三种方法——我们已经这样做了——是从飞机上在风暴前方部署仪器，收集风暴经过时的数据。然后我们再用船回去打捞那些浮标——如果它们能存活下来并且不沉没的话。”
Leonardi说，这些新机器人可以消除科学中的偶然性。近年来，由于收到载人飞机和无人驾驶飞机收集到的更好的大气数据，风暴路径的预测变得更加准确。但是，风暴的轨迹很大程度上受到高层风和飓风周围条件的影响，而不是其内部。强度只能从内部测量——理想情况下是从风暴眼本身——即使如此，它也可能迅速变化。要准确了解风暴在某一特定时刻的强度很困难，但它却决定了城市是否需要疏散。知道风暴是否会在新奥尔良以东或以西50英里处登陆，不如知道它是否会是1级飓风还是3级飓风更重要。
NOAA研究实验室副助理管理员兼地球系统研究实验室主任Alexander MacDonald博士说：“我们知道我们必须提高预测强风暴强度变化的能力。今天的问题是‘艾萨克’会多快加强？我们实际上在2004年佛罗里达州西部海岸的‘查理’飓风中也遇到了这种情况。它在不到一天的时间里从2级升到了4级。所以我们的想法是能够观察这些强度的变化，每半小时获取新的压力读数。因为如果你无法观察到某样东西，你就无法预测它。”
就强度而言，风暴中最具数据价值的部分是海气界面，即海平面上方和下方几十英尺的区域。而在风暴眼中，海气界面的相关性最高。飓风以下方海洋的热量为食，而热量正是通过海气界面向上传递的。监测这里的海洋和空气温度，以及眼墙积累的压力，是理解风暴现在和未来强度的关键。
NOAA的两个机器人平台是独立开发的，但它们的作用却能很好地协同工作。Liquid Robotics的“浪涌滑翔机”平台被设计成一种风暴监测哨兵——就像一个气象浮标，但研究人员可以随意移动它。“浪涌滑翔机”通过海浪本身获取推进能量，并通过太阳能为 onboard 电子设备供电。这意味着它们速度不快——在大多数情况下太慢而无法真正追赶风暴——但它们可以在海上停留数月，等待和观察。
NOAA希望在北大西洋部署一群“浪涌滑翔机”（Leonardi说，“几十个”），它们将以数百英里的广阔编队徘徊。这些滑翔机配备了空气和水温传感器（水下可达23英尺）、记录气压、湿度、风向和阵风、波浪高度和频率的仪器，以及一系列GPS导航和通信设备。就像足球比赛中的区域防守球员一样，这些机器人将涌入正在形成的风暴路径，在与风暴系统相遇的每一个地方收集数据——不仅是风暴内部的数据，还有风暴前方和后方的数据。这些额外的数据不仅有助于研究人员构建更好的模型，还将告知气象学家风暴正在吸收多少热量。
NOAA改装的EMILY将能够做到“浪涌滑翔机”无法做到的事情——追踪风暴眼本身。重新设计的EMILY配备了电池和汽油发动机，以及NOAA能够装载的最大油箱，同时还能留出空间安装一套与“浪涌滑翔机”非常相似的仪器（空气和水温传感器、气压计、风速传感器、摄像头等）。EMILY的续航时间为十天，可以被投放到风暴前的海面上，然后自行导航进入风暴中心，在移动过程中持续传输数据。
EMILY特别关注眼墙的压力——这是围绕风暴眼的强大雷暴云环。MacDonald说，大风暴中的眼墙会周期性地变化，而这些周期是判断飓风是加强还是减弱的有力指标。然而，计算机模型却无法解释这种称为“眼墙置换”的现象，因为它们没有数据来识别它。NOAA一直在努力改进模型，但没有数据，模型就毫无用处。
他说：“我们认为眼墙的变化与压力的变化有关。如果我们能在观测中看到这些变化，并将其纳入我们的模型，那将是圣杯。然后，我们将能够像观察‘艾萨克’离开基韦斯特
，穿过墨西哥湾一样，了解它将要做什么。”
Leonardi说，海气界面也是如此。我们知道动量正从海洋转移到风暴，但以前我们无法观察到这种转移是如何发生的，无法监测其进行过程，也无法将这些观测结果输入预测模型。“我们正在寻找新的、创新的、更安全的方法来从这些平台获取观测数据，”他说。而观测数据已经开始源源不断地到来。
NOAA的EMILY仍在开发中，尚未完全完成从机器人救生员到大胆的机器人气象学家的转变。但该机构已经在波多黎各北部部署了一台“浪涌滑翔机”作为测试平台，以供NOAA希望在此之后部署的数十台设备使用。“艾萨克”从波多黎各南部掠过，避开了原型机，但该机器人成功捕捉到了一些系统外围强天气的数据——这是NOAA希望其机器人舰队产生的新型飓风数据财富的开端。
这些数据将是新一代计算机模型的驱动力，有望在未来几年内将NOAA的预测准确率提高50%。这并非一个随意确定的数字；NOAA有一个名为“飓风预测改进计划”（Hurricane Prediction Improvement Program）的项目，专门为此目标而努力，研究人员对此非常认真。更准确的飓风预测直接转化为更低的经济损失、更少的财产损失，以及——正如在“卡特里娜”周年纪念日到来之际不言而喻的——挽救生命。数据将驱动模型，模型将帮助我们更好地应对强风暴。正如MacDonald所说：“模型的精度越高，我们的表现就会越好。”
