ハリケーンの下にある敵対的な海の測定

図1：展開に向かう途中のテレダイン・ウェッブ・リサーチのSlocumグライダー。クレジット：Rutgers University。

図3：ストームモニタリング用のテレダインスローカムグライダー。クレジット：Teledyne Marine

図5：ハリケーンセンチネルグライダーの3つのピケットラインは、2018年の同じ日に稼働していました。クレジット：Teledyne Marine

図6：Teledyne Webb ResearchのEM-APEXフロート。クレジット：Teledyne Marine

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無人車両がストーム予報を改善するためのデータを収集する

地球の気候や厳しい気象条件から漁業や生物多様性に至るまで、海洋環境と海流の生活環境への影響は、今では広く認識されています。海洋を理解し、環境の変化を効果的に監視し、地球温暖化の長期的な影響を明らかにするための重要な手がかりを提供するために、持続的かつ広範な測定が必要です。

この課題に対処するために、海洋研究者はさまざまな種類の無人観測プラットフォームを発明しました。 Teledyne Webb Researchが開発および提供している2つのバリアントは、全球循環を観測するための上部海洋水とプロファイリングフロートの測定用グライダーです。成長するアプリケーションの範囲をサポートするこれらのプラットフォームは、激しい嵐の下で困難な水を測定するのに特に価値があります。

ストームトラックでの海洋条件の測定
地球の気候の変化に対する世界的な懸念は、大気と海洋の温暖化傾向を世間に注目させています。嵐、特にハリケーンと台風が脚光を浴びています。嵐の着陸と強さを正確に予測することで、命を救い、不必要な防御費を削減します。

熱帯性暴風雨を供給するエネルギーは、海洋の上部50 mの熱、具体的には華氏79度よりも温かい水から得られます。研究者は、破壊的な影響の指標である熱帯性暴風雨の強度の予測の大幅な改善が、嵐の経路に沿った地下水温について。基礎となる水温は静的ではありません。むしろ、海に対する嵐の作用により、より深い水が表層に取り込まれ、それによって利用可能なエネルギー供給が変化します。この混合は、湧き上がった水の温度に応じて、嵐を強めたり弱めたりする働きをします。したがって、海底の温度を知ることは、暴風雨予報にとって重要な情報です。さらに、嵐のさまざまな段階での流れとそのせん断力を知ることで、空気/海の相互作用のダイナミクスに対する洞察を深めることができます。

Teledyne Webb Researchは、無人の海底グライダー技術の先駆者でした。 Slocumグライダーは、実験的なプロトタイプから、さまざまな上層海洋活動で世界中で運用されている信頼性の高いモバイルプラットフォームに急速に進歩しました。

図2：熱帯海域でのテレダインスローカムグライダー：テレダインマリン

スローカムグライダーは、体積を変化させて沈み込みまたは浮上します。取り付けられた翼は、流体が表面を通過するときに揚力を生成します。最終的な効果は、グライダーの垂直運動の一部を水平移動に変換することです。スローカムグライダーは35 cm / sで移動し、4 mから1000 mの深さで動作できます。オプションのハイブリッドスラスタは、100 cm / sの速度を提供します。

スローカムグライダーは、プログラムされたトランセクトに続いて、場合によっては長時間、波状の鋸歯状のパターンで飛行します。たとえば、Slocumグライダーは、海上で400日以上を必要とする主要な海盆を連続して横断しました。
時間が経つにつれて、Slocumグライダーには、統合された電流プロファイラーを含む、ますます多様な海洋学センサーが装備されてきました。水温や塩分などの物理的特性は定期的に測定されます。グライダーはまた、海洋の酸性度、クロロフィル、浮遊堆積物、有害な藻類のブルーム、および内部波も観測しています。

Slocumグライダーには45を超えるセンサースイートが統合されており、幅広いアプリケーションに対応できます。 2010年のメキシコ湾でのマコンド油流出中、スロクムグライダーは対応作業を支援するために地下データを収集しました。最近のペイロードには、海洋混合を測定するための乱流センサー、南極沖の動物プランクトン資源を評価するための生物音響センサー、および米国とカナダの東海岸沖の北大西洋セミクジラをほぼリアルタイムで監視するためのハイドロフォンが含まれています。スローカムグライダーは、南極の研究サイト、特に氷床の端でも新しい役割を果たしています。

ストームモニタリンググライダー
過去10年間、Teledyne Webb ResearchのSlocumグライダーは、激しい嵐に関連した困難な水域を監視し、高さ10 mを超える波に遭遇した場合でもレポートを送信しました。これらの無人車両は、高い空間分解能で持続的な海洋測定を行うための費用対効果の高い方法を提供します。ストームモニタリングにとっても同様に重要なグライダーは、ストームトラックをインターセプトする制御権限と耐久性の両方を備えています。暴風雨の監視のために、Slocumグライダーは指定されたトランセクトを継続的にパトロールします。グライダーは、温度、塩分、およびその他の特性を測定し、それらが海上を下降および上昇します。グライダーは定期的に浮上し、その測定値を暴風雨予報センターに送信します。この海中データは、嵐の強度と軌道に関する予測を出力するコンピューターモデルに入力されます。これらのコンピューター予測の精度は、グライダーからのデータにより改善されました。

実際、アメリカ海軍には、世界中に50機のグライダーが配備されており、海洋気象予報用のデータを送信しています。 10年前、テレダインはグライダーの運用上の使用に関する海軍の記録プログラム契約を授与されました。

ストームモニタリンググライダーを使用するメリットの印象的な例は、2018年に西北太平洋で発生した台風Soulikの間に収集されたデータです。ラトガーズ大学のSlocumグライダーがストームの前に配備されていました。現場データは、暴風雨の到来により海洋上部の水温が非常に急速に変化することを示しました。それに比べて、コンピューターベースの予測モデルでは、嵐に対する応答が非常に遅く、モデルと収集されたデータの間で水温の変化に6℃の不一致が生じました。ほぼリアルタイムのデータでモデルを更新すると、より良い嵐予報が可能になります。

米国の最近のハリケーンシーズン中に、12の組織がストームグライダーを展開しました。 Teledyne Webb ResearchのSlocumグライダーは、実績のある性能のため普及していました。気象予報を考慮して、研究者は数日前に嵐の予想される経路にグライダーを向けました。グライダーのトランセクトは、米国東海岸の大部分に沿って、大陸棚の中央から外側を覆う嵐の経路を横切るように調整され、方向付けられました。

図4：2018年の台風Soulik期間中の北太平洋西部の上部海洋からの水温データの比較。Slocumグライダーで観測された上部ペインの現場データ。下パネル：コンピューターモデルからの出力。テキストで説明されている領域をボックスで強調表示します。クレジット：Rutgers University

マサチューセッツ州ケープコッドからノースカロライナ州ハッテラス岬まで伸びる大西洋中部では、大陸棚が浅い。その深層水は、夏季の地表水よりもはるかに冷たいことがよく文書化されています。嵐の目の下の海洋の湧昇を考慮すると、これらの冷たい水が浮上することで、通過するハリケーンが弱くなることが予想されます。

ハリケーンサンディの前に配備された2つのSlocumグライダーは、その場合に別の話をするのに役立ちました。コンピューターモデルとグライダーからのデータを使用して、ラトガーズ大学の研究者は、ハリケーンの前縁の強風が、海底に冷たい海底水を運ぶ下降流循環をセットアップしたと判断しました。したがって、表面に混合するために利用できる冷水がなく、それにより、目が同じ領域を通過したときの嵐の強度が減少しました。嵐の強さは、実際には、従来予測されていたよりもかなり強かった。

暴風雨の監視にSlocumグライダーを使用することの成功は、フリートの規模の拡大から明らかです。 2018年には、30人以上のグライダーがハリケーンフローレンス、アイザック、およびヘレネを観測するために勤務していました。参加しているグライダー組織は、政府、学界、産業界からチームを組み、テクノロジーを使用して沿岸コミュニティをよりよく保護しようと努力しました。

ハリケーンマイケルの下で変化する海の測定
フロート技術のプロファイリングは、海洋の観察方法を変えました。この方法は、Teledyne Webb ResearchおよびScripps Institution of Oceanographyの科学者およびエンジニアによって開拓されました。国際的なArgoプログラムは、これらのデバイスの艦隊を展開して、世界の海洋の持続的かつ広範囲な探査を行っています。結果のデータセットは、気候と海洋のプロセスを研究するための豊富なリソースを形成します。

これらのデバイスの多くは、Teledyne Webb Researchが提供するAutonomous Profiling Explorer（APEX）フロートで、10,000を超えるプロファイリングフロートをArgoプログラムに配信しました。 APEXフロートは、ボリューム（および浮力）を変化させて上昇および沈下させることにより、通常10日ごとに周期的な垂直サイクルを作成します。彼らは水柱を通って上昇すると、温度と塩分を測定します。

主要なハリケーンの理解と予測を改善するには、敵対的で困難な場所で海洋および大気のデータを収集する必要があります。水流速度、温度、塩分などの海洋特性は、水柱全体だけでなく、嵐の通過前、通過中、および通過後に測定する必要があります。

ワシントン大学の応用物理学研究所で開発されたAPEXフロートのバリエーションである電磁プロファイリングフロート、EM-APEXは、この重要な情報の収集に適しています。水の特性の測定に加えて、このデバイスは水流速度のプロファイルを記録します。 EM-APEX測定は、海水が地球の磁場を通過するときに発生する、運動により誘導された電場を利用します。

ハリケーンの下の海洋条件を調査するには、移動する嵐の前にEM-APEXフロートを予告なしに展開する必要があります。したがって、彼らは航空機からパラシュートで空中投下されます。ハリケーンマイケルが2018年10月にメキシコ湾に進入したとき、ニックシェイ教授（マイアミ大学）が率いる研究チームによって、3つのEM-APEXフロートがその進路に打ち上げられました。空軍の配備は、キースラー空軍基地で運用されているUSAF WC-130J Hercules航空機からでした。これらの飛行機は、ハリケーンの気象情報を収集するために修正されています。ハリケーンを監視および予測するいくつかの米国政府機関は、航空配備を支援しました。 Teledyne Marineは、展開されたフロートから送信されるすべてのデータのホスティングサービスと、その他の技術サポートを提供しました。

EM-APEXフロートのプロファイリングパターンは、展開中に変化しました。ハリケーンが到着する前の12時間、フロートは水面と800 mの深さの間を継続的に循環します。ハリケーンが到着すると、フロートは深さ30 mから300 mの間でサイクリングに切り替わり、上部海洋データを取得しながら危険な高エネルギーの表面領域を回避しました。

ハリケーンが通過した後、フロートは表面と深さ500 mの間を循環しました。このパターンは、嵐の航跡で最もエネルギッシュな特徴である慣性に近い波を解決しました。慣性に近い動きは速度せん断を強化し、垂直ミキシングプロセスの主要なドライバーになります。

EM-APEXフロートは、ハリケーンがその場所に到着する約12時間前に展開されました。キャンペーン中、3つのフェーズすべてで必要なプロファイリングサイクルが正しく実行され、EM-APEXフロートが嵐の激怒によって損傷を受けないことが保証されました。フロートが浮上している間、そのデータ送信はテレダインデータサーバーによって受信されました。 EM-APEXフロートは、6日間で600以上のプロファイルを記録しました。このデータストリームは、研究者が主要なハリケーンの特性を理解および予測するのに役立つだけでなく、海洋がエネルギーの強い大気強制力にどのように反応したかをほぼリアルタイムで確認するのに役立ちました。

沿岸コミュニティの保護
前述の説明は、無人の観測プラットフォームから来た海洋観測能力の顕著な進歩を例示しています。これらの携帯型モバイルデバイスは、船舶にとっては難しすぎ、人間にとっては危険すぎる水中での長時間の測定に使用されてきました。グライダーとプロファイリングフロートにより、ハリケーンと台風の下の敵対的な海洋条件をほぼリアルタイムで評価および報告できます。海洋研究のためのこれらのデータの価値に加えて、それらの情報コンテンツは重要な社会的利益をもたらします。彼らは、暴風雨の上陸と強さのより正確な予測に貢献し、それによって沿岸コミュニティを保護し、不必要な防衛費を削減し、さらには命を救いました。

著者について：

ピーター・スペイン博士は、土地から降りて、ワシントン大学の応用物理学研究所で海洋物理学を学びました。彼は海流を測定するための新しい機器を使用しました。 Scripps Institute of Oceanographyのポスドクの後、ピーターは1990年にRD Instrumentsに入社しました。セールス＆マーケティングで働いており、営業スタッフから部門および事業部門の管理に進みました。今日、彼の多様な活動の共通テーマはテクニカルマーケティングです。

Teledyne MarineのシニアテクノロジーディレクターであるClayton Jonesは、プロファイリングフロートやグライダーなどの海洋センサープラットフォームの作成、設計、開発に携わってきました。

図7：EM-APEXフロートの空中展開。クレジット：US Air Force Staff Sgt。 Julianne M. Showalter、DVIDS。米国の外観
国防総省（DoD）の視覚情報は、DoDの承認を暗示したり構成するものではありません