毛文軍

(溫嶺市氣象局，浙江 溫嶺 317500)

無人機在氣象服務(wù)中的應(yīng)用

毛文軍

(溫嶺市氣象局，浙江 溫嶺 317500)

對氣象的準確預報離不開大量的觀測數(shù)據(jù)，觀測數(shù)據(jù)越多越全面，時效性和準確性越高，預報的準確性也會越高。按傳統(tǒng)的探測區(qū)域劃分，氣象探測主要包括地面觀測和高空探測。地面自動氣象站和氣象應(yīng)急保障車等設(shè)施覆蓋地面氣象探測，人造衛(wèi)星影像和高空探測氣球等技術(shù)覆蓋高空探測領(lǐng)域。而對1 km高度范圍內(nèi)的低空氣象探測還處于發(fā)展階段。觀測方法、觀測技術(shù)的進步緊隨現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展。近年來低空飛行設(shè)備技術(shù)的不斷成熟給氣象觀測、氣象服務(wù)能力的提高帶來了機遇。本文探討了將氣象探測設(shè)備和無人機相結(jié)合，利用無人機機動性強，不受地域限制和成本優(yōu)勢，更好地應(yīng)用于現(xiàn)代氣象服務(wù)。

氣象探測技術(shù)，氣象服務(wù)，無人機

0 引 言

氣象與民生、國家安全有著不可分割的聯(lián)系。提高氣象對國家公共安全、軍事安全、生態(tài)安全、資源安全等各方面的服務(wù)水平，必須加強氣象及相關(guān)災害的監(jiān)測，及時獲得更加準確的氣象資料。氣象觀測業(yè)務(wù)提供的大量觀測資料可以直接為國家安全各部門服務(wù)，是國家安全保障的依據(jù)，天氣雷達、地基遙感探測可以直接為軍事安全提供服務(wù)，地基氣象觀測能夠為防災減災決策和實施保障國家安全的措施提供有力支持。

按傳統(tǒng)的探測區(qū)域劃分，氣象探測主要包括地面觀測和高空探測。其中，地面氣象觀測是根據(jù)所調(diào)查地面氣象觀測站的類別，并遵循先基準站、次基本站、后一般站的原則，收集每日實際逐次觀測資料。觀測資料的常規(guī)調(diào)查項目包括：時間(年、月、日、時)、風向(以角度或按16個方位表示)、風速、干濕球溫度、低云量、總云量。根據(jù)不同評價等級預測精度要求及預測因子特征，可選擇調(diào)查的觀測資料的內(nèi)容：濕球溫度、露點溫度、相對濕度、降水量、降水類型、海平面氣壓、觀測站地面氣壓、云底高度、水平能見度等。高空氣象探測則借助于高空氣象觀測借助儀器對自由大氣中各高度的氣象狀況進行觀察和測定。觀測項目有空氣溫度、濕度、氣壓和風等，還有一些特殊項目，如大氣成分、臭氧、輻射等。

氣象探測的發(fā)展離不開氣象探測技術(shù)的進步。現(xiàn)代氣象測量方式多種多樣，各種測風雷達、無線電經(jīng)緯儀、激光雷達、微波輻射計、風廓線雷達及其地基、空基遙感和導航衛(wèi)星信號反演大氣參數(shù)的技術(shù)發(fā)展迅速，大大擴展了高空探測的領(lǐng)域。氣象探測的發(fā)展更離不開承載這些探測儀器的運載工具或平臺。氣象預報的進步主要是圍繞著空間范圍的拓展，時空分辨率和準確度的提高展開的。其中觀測空間范圍的拓展能夠顯著提高氣象觀測的準確性和觀測維度，同時也對氣象儀器設(shè)備進入觀測空間有很高的要求。最原始的移動氣象臺一般由通信指揮和車載雷達兩部分組成，在防御氣象災害和突發(fā)氣象事件應(yīng)急處理方面提供著重要的氣象支持?；诂F(xiàn)代科學技術(shù)的移動氣象探測技術(shù)包括氣象氣球，氣象飛機、氣象火箭、以及氣象衛(wèi)星等。

1 氣象探測技術(shù)的發(fā)展

1941—1942年，出現(xiàn)了專門的云雨雷達。1960年4月，美國發(fā)射了第一顆氣象衛(wèi)星泰羅斯-1號。上世紀60年代以來，聲雷達、激光雷達、風廓線雷達、微波輻射計的研制與試驗成功，拓展了獲取高空三維空間氣象信息的手段。國際先進的高空氣象探測裝備包括氣象無人機、無線電經(jīng)緯儀、下投式探空測風系統(tǒng)、外軍氣象雷達、GPS 探空測風系統(tǒng)以及掩星大氣探測系統(tǒng)等。由于具有全天候、不受天氣變化的影響，GPS系統(tǒng)在氣象上的應(yīng)用成為當前研究的熱點。GPS即全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System)具有在海陸空進行全方位實時三維導航與定位的新一代衛(wèi)星系統(tǒng)。傳統(tǒng)的采集氣象數(shù)據(jù)來測量大氣水汽的手段主要包括無線電氣象探空儀、微波輻射計(microwave radiometer)和氣象衛(wèi)星。由于各方面的限制，已不能滿足當今各種天氣和氣候應(yīng)用的需要。GPS氣象學包括兩個方面的內(nèi)容，一方面是利用GPS系統(tǒng)定位衛(wèi)星所發(fā)出的電磁波在空中收水汽等折射所造成的延遲來遙測大氣氣象要素，包括溫度和濕度的垂直分布，典型的應(yīng)用包括GPS-LEO掩星大氣探測系統(tǒng)；另一方面是GPS探空設(shè)備，GPS在氣象探空中主要是提供探空氣球的高精度三維位置信息，推算出不同高度的風速和風向，實現(xiàn)高空測風。結(jié)合溫度、濕度和壓力傳感器，能夠得到不同高度層的溫度、濕度數(shù)據(jù)和不同等壓面的風速和風向，實現(xiàn)氣象探空。

為了觀測大氣層各高度上的氣壓、溫度、濕度、風等要素，傳統(tǒng)的方法是將觀測儀器配置無動力升空設(shè)施，通常是氣象氣球，用橡膠或聚脂薄膜材料制成球皮，充以比空氣密度小的氫氣或氦氣，用以攜帶儀器升空，進行高空氣象觀測的平臺。用橡膠或塑料等材料制成球皮，充以氫、氦等比空氣輕的氣體，攜帶儀器升空，進行高空氣象觀測的觀測平臺。它具有廉價無動力升高的特點。將無線電探空儀隨氫氣球升入高空，并將所測的各高度上的氣象要素通過儀器上的無線電發(fā)報機將氣象要素信息傳回地面，由地面收報機接收，從而獲得高空氣象資料的一種裝置。它體積小巧，觀測簡便，探測結(jié)果可靠，探測高度一般達到10～15 km，因而很快成為高空氣象觀測普遍使用的工具。后來進一步發(fā)展到用定高氣球、飛機、氣象火箭下投降落氣象儀器。

用飛機攜載氣象儀器對大氣進行探測可為日常天氣分析預報和各種規(guī)模的氣象試驗活動提供大量探測數(shù)據(jù)，尤其是在海洋或地面臺站稀少地區(qū)。氣象飛機的機種要根據(jù)任務(wù)性質(zhì)來選擇。遠程大中型機適用于探測臺風、強風暴等天氣系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；中小型機、裝甲機和直升飛機等適用于中小尺度天氣系統(tǒng)和云霧物理的探測；民航飛機可兼作航線氣象觀測；U-2型等高空偵察機可用于高層大氣的探測。

氣象火箭探測的應(yīng)用，可以將探測高度擴展到100 km。美國于1960年4月1日發(fā)射的第一顆氣象衛(wèi)星TRISO-1，并且在90年代建立了由極軌氣象衛(wèi)星和靜止氣象衛(wèi)星組成的全球觀測網(wǎng)，氣象衛(wèi)星在觀測技術(shù)、業(yè)務(wù)化和應(yīng)用等方面取得了長足的進步。

2 低空無人機的發(fā)展和應(yīng)用

盡管我們?nèi)祟愐呀?jīng)掌握了各種科技手段來觀測地球，包括在太空有超過一千顆工作中的人造衛(wèi)星，但是對于氣象、地質(zhì)、航空、海洋等掌握的數(shù)據(jù)仍然十分有限。無人機的物料成本以及發(fā)射和運營成本遠低于衛(wèi)星，訊號失聯(lián)較少，運載量較高，具備持續(xù)動力，可執(zhí)行多種任務(wù)。得益于技術(shù)進步和資本推動，近年來消費級無人機呈現(xiàn)出前所未有的發(fā)展，中國深圳的大疆占據(jù)著全球消費級無人機市場70%的份額，在航拍、貨物遞送、戶外急救等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。然而，由于電池續(xù)航瓶頸約束，當前無人機在空中停留時間在15～20 min，限制了其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。由光啟研發(fā)的U-1懸浮站在多個功能上都有無人機有重疊，U-1的核心設(shè)計理念集中體現(xiàn)在其超長的駐空懸停時間和超強的載荷搭載能力，其有效航時可長達10 h，產(chǎn)品尺寸在5～15 m之間實現(xiàn)定制化設(shè)計，可搭載10～100 kg載荷。U-1在設(shè)計上極其強調(diào)平臺的應(yīng)用適配性，能夠在眾多領(lǐng)域提供全方位、多元化服務(wù)，包括邊境巡邏、海上應(yīng)用、森林防護、自動化放牧、賽事直播、交通檢測、巡邏等專業(yè)化等行業(yè)應(yīng)用。

使用無人機進行氣象探測需要無人機和地面站進行有效配合。無人機有以下幾個必要參數(shù)：1)無人機飛行平臺包括機體、動力和操縱控制系統(tǒng)，用于產(chǎn)生無人機飛行所需的升力、推力和保障飛行的其他機載設(shè)備；2)無人機導航，正確的引導無人機沿著預定的航線，以要求的精度，在指定的時間內(nèi)將其引導至目的地?，F(xiàn)已使用的衛(wèi)星導航系統(tǒng)有美國的GPS系統(tǒng)，俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)和我國的北斗二代衛(wèi)星導航系統(tǒng)；3)任務(wù)載荷設(shè)備系統(tǒng)是指無人機用來執(zhí)行指定任務(wù)使用的各種設(shè)備，是真正完成指定任務(wù)必須依托無人機上的任務(wù)設(shè)備系統(tǒng)；4)機載通信設(shè)備和地面站組成的數(shù)據(jù)鏈路系統(tǒng)，按照數(shù)據(jù)傳輸方向的不同，可以分為上行鏈路和下行鏈路。上行鏈路主要完成地面站至無人機的遙控指令的發(fā)送和接收；下行鏈路主要完成無人機至地面終端的遙測數(shù)據(jù)以及載荷數(shù)據(jù)的傳輸。地面站系統(tǒng)是整個無人機系統(tǒng)的控制部分，負責整個無人機系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，包括1)任務(wù)的規(guī)劃功能。制定飛行計劃，圍繞飛行計劃利用導航和定位功能對無人機的飛行航跡進行有效規(guī)劃；2)在飛行過程中對無人機進行操作，在飛行過程中向無人機傳遞航線數(shù)據(jù)、監(jiān)視無人機的位置、控制無人機的姿態(tài)、控制有效載荷的工作等。

3 無人機在氣象服務(wù)中的應(yīng)用

國外利用氣象無人機已經(jīng)有十多年的歷史，但集中于研究探索領(lǐng)域，和大規(guī)模的氣象服務(wù)相去甚遠。美國能源部、國家科學基金會和科羅拉多大小于1999—2005年期間多次進行北極地區(qū)氣象和生物觀測。為了調(diào)查東太平洋熱帶氣旋生成源地,2005年美國國家航空航天局與哥斯達黎加合作,開展熱帶云系生產(chǎn)過程研究,完善熱帶氣旋生成模式。美國海洋大氣局大西洋氣象實驗室用氣象無人機對Ophelia颶風進行了長時間的觀測飛行。Aerosonde無人機公司與日本氣象廳合作利用無人機在日本南部開展鋒面降水系統(tǒng)研究，驗證和改進非流體靜力模型。

近年來，國內(nèi)的低空氣象服務(wù)開始得到人們的關(guān)注，并且開始嘗試改造和利用無人機服務(wù)于氣象現(xiàn)象的觀測。由沈陽航天新光集團和裝備指揮技術(shù)學院共同研制的TF-1無人機氣象探測系統(tǒng)實現(xiàn)飛行區(qū)域內(nèi)的溫度、相對濕度、氣壓、風向、風速等氣象參數(shù)的測量任務(wù)[1]。森林火災是世界性的林業(yè)重要災害之一，將無人機部署到人、車無法到達的偏遠地區(qū)，這樣可以及時發(fā)現(xiàn)森林火情，迅速掌握林火態(tài)勢和各種需要的信息。無人機顯示出有人機無法比擬的優(yōu)越性，在森林防火監(jiān)測中必將被廣泛應(yīng)用[2]。將無人機搭載紅外熱像儀就能利用紅外熱像儀無需光源就生成鮮明的圖像、可穿透薄霧和煙霧的特點，全天候不間斷遠程監(jiān)控森林火災隱情。上海交大從2011年至今使用無人機進行城市霧霾三維分布的濃度探測。國內(nèi)當前對大氣污染的檢測主要集中在地面，屬定點探測，一方面無法了解高空霧霾分布，另一方面難以獲知外地霧霾輸送情況。如果使用過載人飛機、探空氣球、衛(wèi)星遙感等非常規(guī)觀測手段，然而成本高、可控性弱，未能廣泛使用。將便攜式的檢測設(shè)備裝載在無人機上能以較低的成本實現(xiàn)從地面到高空、從此地到彼地的全方位檢測。利用此方法獲取的霧霾觀測數(shù)據(jù)能解釋周邊城市污染物是如何輸送至某一地點的、為何不同時間段大氣污染程度不一、大氣污染物的來源、不同城區(qū)之間的大氣污染程度為何會有差異等問題，最終為城市治霾策略提供更精準的科學依據(jù)。

良好的飛行氣象服務(wù)通過各種氣象產(chǎn)品的發(fā)布，使用戶準確理解和運用氣象信息，從而達到用戶經(jīng)濟效益最大化和資源配置有效化。然而由于我國低空空域仍處于管制階段，通航發(fā)展受到了較大局限。從通航運營的現(xiàn)有數(shù)據(jù)上看，航空器與企業(yè)數(shù)量的增長高于飛行時間，說明有大量的生產(chǎn)資料不能投入運營。同時，產(chǎn)業(yè)主要構(gòu)成要素仍然缺失：空域資源使用受限；基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后；專業(yè)技術(shù)以及經(jīng)營管理人員缺乏；保障體系；飛機的引進注冊維修等受實際限制。為了明確了低空空域管理改革的具體措施，國務(wù)院、中央軍委印發(fā)了《關(guān)于深化我國低空空域管理改革的意見》。

4 結(jié) 語

無人機低空探測系統(tǒng)對于沙漠、山區(qū)、海洋等傳統(tǒng)手段難以獲取相應(yīng)氣象數(shù)據(jù)的地區(qū)，在大區(qū)域、長時間測量氣象參數(shù)時，使用無人機氣象探測更節(jié)約經(jīng)濟。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，氣象無人機將向低成本、多功能、長航時、模塊化、通用化、智能化的方向發(fā)展。經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展對氣象預報提出了更高的要求，氣象觀測是氣象預報服務(wù)的基礎(chǔ)，利用無人機氣象系統(tǒng)進行氣象觀測必將對社會公共服務(wù)產(chǎn)生深遠的影響。

[1] 沈懷榮，邵瓊玲，王盛軍，等，飛行器氣象探測技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2010.

[2] 崔新宇，劉艷萍.《關(guān)于無人機在森林防火監(jiān)測方面的探究》[J].科技與創(chuàng)新，2014(7)：128-130.

2016-04-11