徐家平 趙天良 陳燕 白永清 孫曉蕓 王淞 曹暢

(1.江蘇省氣候中心，江蘇 南京210009; 2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044;3.中國氣象局武漢暴雨研究所，湖北 武漢430205; 4.南京市氣象局，江蘇 南京210019; 5.南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境中心，江蘇 南京210044)

引言

大氣邊界層的垂直觀測，不僅是天氣預(yù)報模式、地氣交換等理論研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，還在空氣污染防治、生態(tài)環(huán)境保護、城市規(guī)劃等實際應(yīng)用上，具有重要的參考價值，涉及當(dāng)下我國較為突出的民生問題、環(huán)境問題[1]?；谛頍o人機的邊界層氣象環(huán)境觀測，能夠在不同下墊面、不同天氣條件下開展準(zhǔn)垂直觀測，具有更高的時空分辨率(觀測每小時1次、傳感器采樣頻率1—10 Hz，垂直升降速度0.5—4 m·s-1)，能顯著提升大氣邊界層廓線各觀測要素的解析力[2-4]，在特性層判定(逆溫層、穿云起止高度、急流等)、大氣結(jié)構(gòu)常數(shù)(折射率、溫度等)的精細(xì)解算、模式預(yù)報技巧的改善、大氣污染監(jiān)測等方面都有重要的研究意義及應(yīng)用價值。

近年來，一系列小型化、輕量化的氣象環(huán)境觀測儀器的成功研發(fā)，為基于旋翼無人機平臺的大氣邊界層廓線觀測提供了新的契機[5]，與傳統(tǒng)人工及自動化觀測手段相比，可呈現(xiàn)諸多優(yōu)勢[6-13](表1)。從觀測物理量上已涵蓋氣象常規(guī)要素(溫濕風(fēng)壓)[14-15]、輻射量(總輻射、四分量輻射、PAR(光合有效輻射)、紫外輻射等)、主要痕量氣體及污染物[16](SO2、CO、NO2、O3、PM2.5、PM10、VOC等)。得益于旋翼無人機的機動性和較強的搭載能力，諸如交通PM2.5排放源的三維擴散結(jié)構(gòu)[17]、高時空分辨率(垂直分辨率為2 m、時間分別率為小時級)的溫濕廓線等觀測研究已有開展[18]。相關(guān)研究進一步從500 m以下的近地層拓展到1000 m以上的大氣邊界層，例如邊界層與污染物的相互作用、大氣污染物傳輸過程、邊界層頂?shù)膴A卷效應(yīng)等都得到了更精細(xì)的解析[19-21]；并逐步在生態(tài)環(huán)境[22-24]、農(nóng)學(xué)植保[25]、光學(xué)遙感[26-27]、地質(zhì)勘探[28]、空氣污染[18-19]等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

表1 旋翼無人機在大氣邊界層觀測中的優(yōu)勢

然而，現(xiàn)有基于旋翼無人機的大氣環(huán)境觀測通常采用商業(yè)化無人機與觀測儀器的簡單搭載來實現(xiàn)[29-30]，相關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究的缺乏已成為制約科學(xué)研究及業(yè)務(wù)應(yīng)用的突出問題[18,31]。這一問題的解決需要綜合考慮傳感器的選型與搭載位置、旋翼無人機對環(huán)境傳感器的觀測影響(例如旋翼產(chǎn)生的下洗氣流對觀測要素的時滯效應(yīng)及擾動影響、無人機運動過程中產(chǎn)生的傾角及旋轉(zhuǎn)對風(fēng)速風(fēng)向觀測的影響等)，并建立考慮旋翼無人機影響的探空數(shù)據(jù)訂正方法，明晰以上問題有助于低層大氣物理化學(xué)機制研究的深入理解。并且，由于需要申請空域，500 m以上的大氣邊界層垂直觀測仍不多見，本研究可為相關(guān)科研應(yīng)用提供技術(shù)可行、數(shù)據(jù)可靠的觀測手段。

1 資料與方法

1.1 基于旋翼無人機的大氣邊界層環(huán)境氣象觀測系統(tǒng)

1.1.1 旋翼無人機環(huán)境氣象觀測平臺

研究表明[32]，旋翼無人機的飛行姿態(tài)(翻滾角、俯仰角、偏航角、位移、海拔高度)、旋翼的氣流干擾、觀測儀器性能及搭載位置等諸多因素都會對氣象環(huán)境的觀測產(chǎn)生顯著影響?？捎绊懓貪穸萚16,33-34]、風(fēng)速風(fēng)向[35]，還涉及PM2.5[16,36]、痕量氣體[34,37]等大氣環(huán)境要素的觀測，所產(chǎn)生的誤差都可能超過世界氣象組織WMO的高空觀測要求[38]。

本研究基于同類機型的氣動仿真實驗及文獻調(diào)研[16,39]，充分考慮旋翼擾流對氣象環(huán)境傳感器的影響，依據(jù)邊界層探空實際需求自主設(shè)計研發(fā)了邊界層探測無人機(圖1)，風(fēng)桿距離旋翼垂直高度為60 cm，中心下部半球為環(huán)境氣象觀測艙，約高出無人機旋翼水平面20 cm，可放置溫濕度儀、大氣顆粒物及污染物傳感器等儀器。

圖1 大氣邊界層旋翼無人機的外觀圖

表2詳細(xì)列出了旋翼無人機開展邊界層觀測應(yīng)具備的基礎(chǔ)性能參數(shù)。作為邊界層探空的搭載平臺，旋翼無人機的升限、載荷、滯空時間以及適用的工作環(huán)境(如抗風(fēng)能力、防水能力等)已充分考慮了大氣邊界層內(nèi)典型的氣象環(huán)境；系統(tǒng)性能(升降速率、GPS定位精度、飛行姿態(tài)等)和安全系統(tǒng)(自動返航機制、避障等)依循相關(guān)法律規(guī)范并符合大氣邊界層探測過程中實際的風(fēng)險預(yù)估；所搭載的傳感器性能(探測頻率、靈敏度、穩(wěn)定度等)能滿足相關(guān)業(yè)務(wù)或科研的目標(biāo)需求。

表2 邊界層旋翼無人機開展應(yīng)具備的基礎(chǔ)性能參數(shù)

1.1.2 氣象環(huán)境傳感器的選型

溫濕壓傳感器應(yīng)具備反應(yīng)速率快、熱滯效應(yīng)小、系統(tǒng)誤差小等特點[40]，還應(yīng)充分考慮溫度傳感器的輻射效應(yīng)、濕度傳感器的高濕響應(yīng)及穿云前后的性能差異。溫濕壓傳感器的選型可充分參考探空氣球的設(shè)計方案[29-30]，并兼顧可長期反復(fù)使用的需求。

旋翼無人機的風(fēng)速風(fēng)向是通過傳感器原位觀測所得，這與傳統(tǒng)探空氣球基于位移法方法顯著不同。由于受到旋翼無人機擾流、空中飛行姿態(tài)、GPS定位精度等影響，風(fēng)傳感器的選型及準(zhǔn)確測量是基于旋翼無人機開展大氣邊界層廓線觀測的難點[41]。風(fēng)傳感器主要包括皮托管、風(fēng)杯風(fēng)標(biāo)、超聲、熱線式和壓力式風(fēng)傳感器等。其中熱線式風(fēng)傳感器不能觀測風(fēng)向并且易損；皮托管則無法在垂直升降的情況下準(zhǔn)確測量水平風(fēng)；一體式風(fēng)速風(fēng)向計存在體積較大，風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向旋轉(zhuǎn)會產(chǎn)生額外機械應(yīng)力等安全隱患；壓力式風(fēng)傳感器則受制于壓力檢測下限，對1.5 m·s-1以下的風(fēng)速并不能有效表征。相較而言，超聲風(fēng)傳感器具備牢固耐用、機械體積小、對高頻風(fēng)信號較為敏感等特點，是理想的選擇。需特別指出的是，由于旋翼無人機運動時會產(chǎn)生下洗氣流和擾流，其風(fēng)速可達大氣邊界層典型垂直風(fēng)(±0.5 m·s-1)的10倍以上，不利于開展垂直風(fēng)的觀測及訂正，因此一般采用二維超聲風(fēng)傳感器即可。

對于大氣顆粒物及污染物，輕型化的儀器多基于激光散射和電化學(xué)反應(yīng)池，可實現(xiàn)多粒徑段、多污染物的觀測。雖然無人機的垂直移動(氣壓相關(guān))及震動會影響傳感器可靠性，但在低速條件下(≤2 m·s-1)仍能較好地呈現(xiàn)水平分布和廓線特征。

綜上，本研究集成搭載了iMet-XF溫濕壓傳感器(International Met Systems)，分別采用負(fù)溫電阻、薄膜電容和硅壓阻電橋探測元器件，時間分辨率為1 s；FT-205二維超聲風(fēng)速儀(FT Technologies Ltd.)，時間分辨率為1—10 Hz可選；Lighthouse HandHeld 3016 IAQ多粒徑段顆粒物傳感器(Lighthouse worldwide Solutions)，采用激光散射法，時間分辨率為5 s；Sniffer 4D V2環(huán)境6要素(SO2、CO、NO2、O3、PM2.5和PM10)(深圳市可飛科技有限公司)，采用電化學(xué)反應(yīng)池及激光散射原理，時間分辨率為1 s。

1.2 大氣邊界層環(huán)境氣象觀測和對比實驗

基于前述自主研發(fā)的邊界層旋翼無人機，于2018年1月18日14時，在南京信息工程大學(xué)氣象樓北側(cè)草坪，開展了溫濕壓傳感器與GPS-BL探空氣球系統(tǒng)[42]的溫濕度對比觀測。實驗期間為多云，氣溫8 ℃，東北風(fēng)2級。并于2020年4月30日10時進一步開展了溫濕壓傳感器搭載于旋翼無人機不同位置的觀測影響和差異。實驗期間為晴天，西南風(fēng)3—4級。

對于風(fēng)傳感器，于2019年4月15日15時，在安徽官渡大氣環(huán)境實驗基地與梯度鐵塔數(shù)據(jù)開展了風(fēng)傳感器的對比觀測。實驗開展階段為晴天，氣溫21 ℃，西南風(fēng)3級。用于對比的風(fēng)傳感器是EC150三維超聲風(fēng)速儀(Campbell Scientific Inc.)，位于鐵塔70 m處。

本研究在湖北荊州定量農(nóng)場進一步開展了針對冬季重污染天氣的0—1000 m的邊界層垂直觀測實驗，搭載了溫濕壓及污染物傳感器。本文所用數(shù)據(jù)為2020年12月20日20時的邊界層探測數(shù)據(jù)，為了驗證基于旋翼無人機狀態(tài)數(shù)據(jù)的訂正方法以及邊界層氣象環(huán)境觀測數(shù)據(jù)可靠性。實驗時段天氣為晴天，北風(fēng)2級，氣溫7—8 ℃，相對濕度高于85%，為重污染天氣。

實驗中高于500 m的實驗均向中國民航管理局備案申請，并由執(zhí)照飛手操作。

2 結(jié)果分析

2.1 旋翼無人機對氣象環(huán)境傳感器觀測的影響

2.1.1 旋翼無人機對溫濕度觀測的影響

圖2和圖3展示了溫濕壓傳感器搭載于旋翼無人機不同位置的觀測影響和差異。實驗時間為2020年4月30日上午，2套iMet-XF溫濕傳感器分別搭載于無人機機身中央上方和機身中央下方。實驗開展了2次廓線探測，第一次上升速度為2 m·s-1，降落速度為2 m·s-1，飛行垂直高度為0—150 m(圖2)。第二次上升速度為4 m·s-1，降落速度為2 m·s-1，飛行垂直高度為0—200 m(圖3)。在無輻射罩的情況下，當(dāng)溫濕度傳感器處于旋翼無人機下方時，容易受到旋翼葉片下洗氣流的嚴(yán)重影響，廓線數(shù)據(jù)在形態(tài)上有明顯的抖動，呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)；溫濕度傳感器的中心上方則是受旋翼氣流影響最小的區(qū)域[41]，觀測波動亦較小(表3和表4)，這與已有文獻結(jié)果一致[16]。同時，實驗還表明，溫濕度觀測應(yīng)有防輻射處理；傳感器的時滯現(xiàn)象和無人機氣流可引起上下行廓線的相位差，可通過最大協(xié)方差方法匹配予以消除；氣壓傳感器的測量基本不受無人機飛行狀態(tài)和搭載位置的影響。

表4 2020年4月30日上午南京地區(qū)大氣垂直廓線觀測實驗2中各實驗設(shè)計的誤差統(tǒng)計量

圖2 2020年4月30日上午南京地區(qū)大氣氣溫(a)、相對濕度(b)和氣壓(c)垂直廓線觀測(實驗1)

圖3 2020年4月30日上午南京地區(qū)大氣氣溫(a)、相對濕度(b)和氣壓(c)垂直廓線觀測(實驗2)

表3 2020年4月30日上午在南京地區(qū)垂直廓線觀測實驗1中各實驗設(shè)計的誤差統(tǒng)計量

圖4則展示了旋翼無人機觀測系統(tǒng)與GPS-BL探空氣球系統(tǒng)的0—1500 m的溫濕壓對比觀測。旋翼無人機觀測系統(tǒng)搭載iMet-XF，置于無人機中心正上方20 cm。從溫濕廓線看，總體上旋翼無人機與探空氣球觀測的溫濕廓線都有很好的一致性，其中上行數(shù)據(jù)的一致性更好。無人機上行數(shù)據(jù)、下行數(shù)據(jù)和探空氣球在10—1000 m的平均氣溫分別為4.8 ℃、5.0 ℃和4.9 ℃，平均濕度分別為82.7%、83.1%和77.3%。相較探空數(shù)據(jù)，下行數(shù)據(jù)有明顯的時滯的現(xiàn)象。顆粒物在760 m處明顯有夾卷層，1000 m可降至27 μg·m3，但上下行差異較大，在840 m高度，兩者差異可達117.6 μg·m3，這一誤差不僅來自于旋翼擾流，還具有一定濕度依賴性[20]。

圖4 2018年1月18日14時在南京地區(qū)旋翼無人機與探空氣球的0—1500 m的氣溫(a)、相對濕度(b)和PM2.5(c)對比觀測

2.1.2 旋翼無人機對風(fēng)速風(fēng)向的影響

圖5為安徽官渡大氣環(huán)境實驗基地旋翼無人機懸停與70 m梯度鐵塔三維超聲風(fēng)數(shù)據(jù)的對比觀測，水平距離保持在20 m左右(圖1),結(jié)果證明兩者的風(fēng)速和風(fēng)向有很好的一致性，相關(guān)性分別可達0.84和0.91。旋翼無人機所觀測的風(fēng)速比鐵塔高出1.5 m·s-1，這與旋翼的氣流擾動有關(guān)，旋翼一般會帶來2 m·s-1左右的風(fēng)速增量[41]；風(fēng)向的差異則維持在15°左右，這是因為無人機及風(fēng)傳感器羅盤的共同誤差，并且當(dāng)無人機處于懸停狀態(tài)下，GPS位置鎖定和姿態(tài)自穩(wěn)功能會導(dǎo)致無人機產(chǎn)生輕微的傾角和自轉(zhuǎn)，這種動平衡狀態(tài)所造成的位移和拖曳力會給風(fēng)向帶來一定不確定性。這一結(jié)果與Schiano等[15]基于風(fēng)洞實驗獲取的氣動結(jié)果相一致。Villa等[16]研究了大疆S600六軸旋翼無人機工作狀態(tài)下的三維風(fēng)場，在無人機中心上方60—80 cm處下沉氣流速度不再有明顯減小的趨勢，這也是本研究將風(fēng)桿高度設(shè)置在60 cm的主要因素。

圖5 2019年4月15日15時在安徽全椒縣旋翼無人機與高塔風(fēng)速(a)和風(fēng)向(b)數(shù)據(jù)的對比

2.2 旋翼無人機對氣象環(huán)境觀測的訂正方法

基于旋翼無人機的氣象環(huán)境廓線觀測屬于探空數(shù)據(jù)的一種，需根據(jù)或充分參考常規(guī)高空氣象觀測業(yè)務(wù)規(guī)范進行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，如要素間一致性檢查、時間一致性檢查、持續(xù)性檢查等步驟對旋翼無人機數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制都有較好的可復(fù)制性[30,43-44]。從方法上包括，明顯錯誤值剔除、最小二乘法多項式擬合平滑、歷史資料趨勢對比、儀器系統(tǒng)誤差訂正等。取決于傳感器的類型及搭載方式，必要時還應(yīng)對溫濕度進行輻射訂正、并根據(jù)無人機姿態(tài)數(shù)據(jù)(升降速度)對各型氣象環(huán)境傳感器進行時滯訂正及誤差訂正。

2.2.1 風(fēng)速、風(fēng)向的觀測與訂正方法

針對旋翼無人機風(fēng)的觀測，Riccardi[45]和屈耀紅等[46]基于風(fēng)洞和氣動仿真實驗各自給出了基于旋翼無人機姿態(tài)的大氣風(fēng)速風(fēng)向解算方法，為風(fēng)訂正提出了可行方法。Javier[35]則研發(fā)了僅根據(jù)四軸旋翼無人機空中姿態(tài)直接計算風(fēng)速風(fēng)向。該方法認(rèn)為風(fēng)的曳力是導(dǎo)致旋翼無人機傾斜的主因，而無人機飛行控制處理器會通過改變旋翼旋轉(zhuǎn)速度并產(chǎn)生相應(yīng)推力來平衡風(fēng)的拖曳力來確保無人機的平衡。因此，高空風(fēng)速風(fēng)向可以通過建立無人機姿態(tài)、拖曳力、風(fēng)速風(fēng)向三者之間關(guān)系，并采用力解平衡關(guān)系、線性關(guān)系或卡爾曼濾波的方法進行反算。但在小風(fēng)情況下，無人機處于動態(tài)微調(diào)的自平衡狀態(tài)，因此對大氣靜穩(wěn)條件下風(fēng)速風(fēng)向的反演存在不足。一些研究人員[47-50]以及沈懷榮等[50]則采用不同俯仰角、翻滾角、偏航角和水平風(fēng)速為因子開展固定翼氣象無人機的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制誤差訂正，并開展了與風(fēng)廓線儀、探空小球等傳統(tǒng)方法的對比觀測實驗，為旋翼無人機的數(shù)據(jù)訂正方法控制提供了重要參考。

但對于無法開展風(fēng)洞和仿真實驗的科研或業(yè)務(wù)探測，風(fēng)數(shù)據(jù)適宜先采用數(shù)理模型進行訂正。本研究開發(fā)了一套基于無人機空中姿態(tài)的訂正方法[51]，通過無人機移動補償、三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣訂正，并結(jié)合上下行數(shù)據(jù)識別匹配(最大協(xié)方差法)、高空探測數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、垂直剖面格點化等步驟。方法可應(yīng)用于訂正由于無人機空中姿態(tài)導(dǎo)致的風(fēng)速風(fēng)向的觀測誤差，并對于仍存在的風(fēng)速誤差，進一步尋找其他無人機狀態(tài)數(shù)據(jù)等外部環(huán)境因子(旋翼轉(zhuǎn)速、傳感器在無人機的位置等)與觀測差異之間的關(guān)系，擬合各未知待定參數(shù)，確定訂正方程，提升對邊界層風(fēng)速風(fēng)向觀測的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

ΔWS=f(Power,Dx,Dy,E)

(1)

式(1)中，△WS為仍存在的風(fēng)速誤差；Power為旋翼轉(zhuǎn)速；用于表征旋翼風(fēng)帶來的可能影響；Dx和Dy分別為傳感器離無人機中心點x軸和y軸的距離；E為殘差項，表征系統(tǒng)誤差。

2.2.2 溫、濕度及大氣成分的觀測與訂正方法

對于溫濕度和大氣成分的觀測訂正，溫濕度誤差訂正可進一步考慮訂正后的風(fēng)速(WScali)和本身觀測的溫濕度(Traw和RHraw)作為主要因子并進行篩選，建立相應(yīng)的擬合方程，具體如下：

ΔT=f(Power,DS,Dx,Dy,WScali,Traw,RHraw,E)

(2)

ΔRH=f(Power,DS,Dx,Dy,WScali,Traw,RHraw,E)

(3)

對于大氣顆粒物及大氣污染氣體，其觀測誤差主要和儀器擺放位置有關(guān)[32]。在正常的工作環(huán)境下，光學(xué)顆粒物檢測儀(內(nèi)部控溫控壓)顆粒污染物和痕量氣體的觀測誤差可以表征為傳感器離無人機中心所處位置的線性函數(shù)。

ΔPM2.5=f(Dx,Dy,E)

(4)

此外，在實驗中發(fā)現(xiàn)，大氣成分的觀測還存在比較明顯的時滯效應(yīng)(圖3)。時滯效應(yīng)與氣路長度、進樣流速、傳感器光腔或化學(xué)反應(yīng)池的響應(yīng)時間等有關(guān)，可據(jù)此進行數(shù)據(jù)的高度訂正?；谛頍o人機的大氣成分觀測還會存在以下問題：現(xiàn)有可搭載于無人機的大氣成分傳感器大多并不適用于高濕環(huán)境(濕度大于95%)；化學(xué)反應(yīng)池在無人機高度及氣壓變化太快時(垂直方向速度>2 m·s-1)數(shù)據(jù)失真；部分光學(xué)傳感器對無人機的震動較為敏感。

2.2.3 邊界層氣象環(huán)境旋翼無人機觀測

2020年12月10日20時，湖北荊州處于重污染天氣，本研究在湖北荊州近郊定量農(nóng)場開展了0—1000 m的邊界層探空實驗，圖6和圖7為旋翼無人機廓線觀測訂正前后的上升階段數(shù)據(jù)。實驗中無人機以2 m·s-1保持勻速上升，可獲取10 m垂直分辨率的顆粒物數(shù)據(jù)和2 m垂直分辨率的溫濕風(fēng)壓及污染氣體數(shù)據(jù)。需要指出的是，為保證地面人員安全，旋翼無人機從50 m垂直爬升至100 m的過程中，同時在水平方向上向西南側(cè)的空地方向飛行了100 m。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，地面至100 m有顯著的接地逆溫層，逆溫梯度可達0.79 ℃·100 m-1；伴隨逆溫層，顆粒物在100 m下有明顯的堆積現(xiàn)象。350—450 m，風(fēng)向逐步從西南轉(zhuǎn)向東北風(fēng)，風(fēng)速從3 m·s-1增加到5 m·s-1，相對濕度也隨上層氣流快速降低；顆粒物濃度通過垂直及水平輸送迅速降低，夾卷層厚度可達80 m(332—412 m)。此外，在穩(wěn)定邊界層SO2和CO同樣呈現(xiàn)出一定的判別邊界層穩(wěn)定層結(jié)及邊界層高度的能力[19]，可為灰霾污染條件下大氣邊界層結(jié)構(gòu)的判定及對污染物垂直分布的影響提供技術(shù)支撐。

圖6 2020年12月20日20時湖北荊州基于旋翼無人機0—1000 m的氣溫(a)、相對濕度(b)、風(fēng)速(c)、風(fēng)向(d)和氣壓(e)廓線觀測

通過對比觀測數(shù)據(jù)和訂正結(jié)果表明,基于旋翼無人機姿態(tài)及GPS信息數(shù)據(jù)，可以有效訂正無人機在50—100 m高度由于水平移動造成的風(fēng)速風(fēng)向誤差。但由于無人機水平移動過程中各個旋翼轉(zhuǎn)速不同、并且無人機相對空氣的正負(fù)加速度所產(chǎn)生機械亂流，因此訂正后在水平移動開始和結(jié)束后的時段仍會出現(xiàn)少量野點。此處未進一步剔除野點，主要是為顯示這一現(xiàn)象的存在。同時，較快的水平移動對氣溫和大氣顆粒物的觀測也有一定波動影響，該效應(yīng)可顯見于50—100 m高度的氣溫廓線上，這需要通過臨近數(shù)據(jù)進行平滑校準(zhǔn)。還值得注意的是，當(dāng)無人機以2 m·s-1勻速上升時，基于激光原理的大氣顆粒物傳感器能較好地表征邊界層廓線，各粒徑段有很好的一致性；但對于基于化學(xué)反應(yīng)池原理的大氣污染物傳感器，在氣壓快速變化條件下(高度變化所致)，傳感器內(nèi)部的化學(xué)溶液不能快速達到新的電平衡狀態(tài)，從而無法準(zhǔn)確刻畫廓線特征，這一現(xiàn)象在500 m以上CO的廓線表現(xiàn)得尤為明顯(圖7)。從原理上，想實現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)池的準(zhǔn)確響應(yīng)，無人機的垂直速度應(yīng)控制在0.5 m·s-1以下或分高度層開展懸停觀測，但這對邊界層旋翼無人機的探測高度有較大影響，需依據(jù)實驗?zāi)繕?biāo)有所取舍。

圖7 2020年12月20日20時湖北荊州基于旋翼無人機0—1000 m PM0.5 (a)、PM1.0 (b)、PM2.5 (c)、PM5 (d)、PM10 (e)、SO2 (f)和CO (g)廓線觀測

3 結(jié)論與討論

(1)旋翼無人機性能和儀器搭載方式是精細(xì)捕捉氣象環(huán)境邊界層廓線特征的關(guān)鍵。旋翼可導(dǎo)致器測風(fēng)速變大和風(fēng)向偏轉(zhuǎn)，溫濕度及污染物產(chǎn)生時滯效應(yīng)和一定抖動。綜合而言，環(huán)境傳感器適宜搭載于旋翼無人機的正上方，其中風(fēng)傳感器應(yīng)置于旋翼無人機正上方60 cm及以上，以最大可能減少旋翼擾流影響。觀測中垂直移動速度在0.5—2.0 m·s-1為宜，其中上行數(shù)據(jù)更具代表性。實驗中還應(yīng)充分考慮法律政策及當(dāng)?shù)氐脑S可認(rèn)證[43,52-53]。

(2)本研究自主研發(fā)的邊界層無人機及訂正方法，能較好地捕捉氣象環(huán)境邊界層廓線特征。同時各型傳感器采樣頻率及響應(yīng)能力不一致的問題、無人機高速移動及震動對光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)池類型傳感器可靠性的影響等技術(shù)瓶頸仍然有待解決。

(3)基于對比實驗和數(shù)理方法的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制已廣泛應(yīng)用于探空數(shù)據(jù)訂正[54-56]。旋翼無人機的邊界層觀測數(shù)據(jù)可綜合考慮氣象環(huán)境要素等主要因子，并將更多旋翼無人機狀態(tài)參數(shù)納入訂正方法[57-59]，可有效提升數(shù)據(jù)可靠性、拓展觀測應(yīng)用范圍[29,60]。但以旋翼無人機開展邊界層氣象環(huán)境精細(xì)觀測的仍不多見，有待進一步加強研究。

(致謝：感謝南京信息工程大學(xué)朱彬、王成剛和嚴(yán)佳德老師提供觀測儀器及技術(shù)指導(dǎo))