常 越 陳洪濱 施紅蓉 黃曉松朱偉鋒 朱彥良2） 王普才2） 劉 潔

1）（中國(guó)科學(xué)院中層大氣和全球環(huán)境探測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100029）

2）（中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

3）（成都信息工程大學(xué)，成都 610225）

4）（中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081）

引 言

無(wú)人機(jī)作為搭載多種低空及高空大氣探測(cè)設(shè)備的飛行平臺(tái)，具有多方面的氣象探測(cè)優(yōu)勢(shì)，能彌補(bǔ)其他探測(cè)手段在時(shí)空分辨率和覆蓋率上的不足。高空大型無(wú)人機(jī)（如全球鷹）具有巡航距離遠(yuǎn)、載荷量大和可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，而微小型氣象探測(cè)無(wú)人飛行器具有作業(yè)低成本、低速和機(jī)動(dòng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多的科技人員利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行氣象與環(huán)境探測(cè)或業(yè)務(wù)化運(yùn)行試驗(yàn)［1-16］。用無(wú)人機(jī)替代有人駕駛飛機(jī)執(zhí)行高風(fēng)險(xiǎn)作業(yè)任務(wù)，已是當(dāng)今氣象與環(huán)境探測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向［17-21］。無(wú)人機(jī)在臺(tái)風(fēng)監(jiān)測(cè)和氣象災(zāi)害探測(cè)中發(fā)揮著重要作用［22-25］。同時(shí)，氣象要素空間分布不均勻和日變化大，利用新型探測(cè)設(shè)備開(kāi)展精細(xì)探測(cè)對(duì)于改進(jìn)天氣和空氣質(zhì)量預(yù)報(bào)至關(guān)重要［26-27］。因此，需要發(fā)展和充分利用各種新型氣象探測(cè)手段，以實(shí)現(xiàn)對(duì)大氣多要素高時(shí)空分辨率的探測(cè)［28］。目前利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行大氣探測(cè)存在數(shù)據(jù)比對(duì)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)質(zhì)量控制等諸多問(wèn)題，包括機(jī)載傳感器的選型、安裝位置以及飛行過(guò)程對(duì)傳感器觀測(cè)造成的影響，產(chǎn)生的誤差均可能超過(guò)WMO 的高空觀測(cè)要求［29-32］，成為制約無(wú)人機(jī)進(jìn)行科研和業(yè)務(wù)應(yīng)用的主要因素。

在我國(guó)平坦開(kāi)闊和天氣多變地區(qū)，如何充分發(fā)揮無(wú)人機(jī)機(jī)動(dòng)靈活的優(yōu)勢(shì)構(gòu)建高低空無(wú)人機(jī)組合的協(xié)同觀測(cè)系統(tǒng)，探索不同飛行方式對(duì)資料獲取的有效性、經(jīng)濟(jì)性，驗(yàn)證其觀測(cè)資料的準(zhǔn)確性、代表性、可用性及未來(lái)業(yè)務(wù)應(yīng)用前景，仍是值得深入開(kāi)展的研究課題。目前大氣探測(cè)采用固定翼和多旋翼兩種無(wú)人機(jī)平臺(tái)，固定翼無(wú)人機(jī)具有航程遠(yuǎn)和載荷量大等優(yōu)點(diǎn)，但起降需要平坦開(kāi)闊的場(chǎng)地；多旋翼無(wú)人機(jī)具有垂直起降和空中定點(diǎn)懸浮等功能［33］，缺點(diǎn)是巡航速度慢、續(xù)航時(shí)間短。為了綜合利用兩類(lèi)無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，克服其主要缺點(diǎn)，中國(guó)科學(xué)院大氣物理研究所自主研發(fā)了一款旋翼和固定翼組合的新型無(wú)人機(jī)（unmanned aerial vehicle，UAV）（簡(jiǎn)稱(chēng)無(wú)人機(jī)）。

為驗(yàn)證該無(wú)人機(jī)氣象探測(cè)能力，同時(shí)檢驗(yàn)無(wú)人機(jī)加載自動(dòng)氣象站（automatic weather station，AWS）（簡(jiǎn)稱(chēng)自動(dòng)站）的探測(cè)可靠性，技術(shù)研發(fā)團(tuán)隊(duì)在內(nèi)蒙古自治區(qū)正鑲白旗無(wú)人機(jī)綜合驗(yàn)證基地，開(kāi)展了不同傳感器大氣溫度和濕度探測(cè)的比對(duì)試驗(yàn)。

1 儀器與試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)儀器

在內(nèi)蒙古自治區(qū)正鑲白旗兩期綜合野外試驗(yàn)中使用了GPS探空系統(tǒng)、自動(dòng)站和維薩拉溫度、濕度探頭（維薩拉溫濕探頭），3種溫濕傳感器主要性能參數(shù)見(jiàn)表1。其中GPS探空系統(tǒng)由GPS探空儀及多通道接收機(jī)等組成，探測(cè)要素為氣壓、溫度、濕度和風(fēng)向、風(fēng)速。

表1 3種溫濕傳感器性能參數(shù)Table 1 Specifications of temperature and humidity of 3 sensors

GPS探空儀由航天科工集團(tuán)23研究所研發(fā)提供，該型探空儀參加了2008年世界氣象組織（WMO）組織的廣東陽(yáng)江探空比對(duì)試驗(yàn)，各要素探測(cè)范圍和精度得到驗(yàn)證［34］。

自主研發(fā)的無(wú)人機(jī)飛行速度為90～130 km·h-1，載荷為3 kg，航程可達(dá)400 km。該無(wú)人機(jī)結(jié)合了旋翼機(jī)和固定翼無(wú)人機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：起飛和降落階段采用電動(dòng)多旋翼機(jī)方式垂直起降，對(duì)起降場(chǎng)地條件要求低；在飛行作業(yè)階段采用固定翼方式由汽油發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)。比常規(guī)旋翼機(jī)航時(shí)長(zhǎng)、速度快、飛行高度高，能獲得更長(zhǎng)時(shí)間和更大空間范圍的探測(cè)資料。

為實(shí)現(xiàn)氣壓、溫度、相對(duì)濕度的同步飛行測(cè)量，在無(wú)人機(jī)前頂部裝載自動(dòng)站，該型自動(dòng)站已進(jìn)行多次地面車(chē)載和船載探測(cè)試驗(yàn)，驗(yàn)證其在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下氣象要素的探測(cè)能力。無(wú)人機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)和螺旋槳后置，避免了飛機(jī)飛行時(shí)對(duì)溫度、濕度和氣壓測(cè)量的影響。

2020年試驗(yàn)期間，無(wú)人機(jī)前機(jī)身下部外掛1只GPS探空儀，地面接收機(jī)接收探空儀數(shù)據(jù)；2021年GPS探空儀溫濕傳感器和發(fā)射天線外置，而探空儀盒置于機(jī)身內(nèi)，以減小飛行阻力。2021年無(wú)人機(jī)還加掛1只維薩拉溫濕探頭。

由于受飛行空域管控的制約，飛行高度限制在距地面900 m 高度以下，因此，試驗(yàn)中無(wú)人機(jī)僅能在近地面大氣層進(jìn)行探測(cè)，雖然其最大飛行高度可達(dá)6000 m，航時(shí)可達(dá)4 h。

1.2 試驗(yàn)概況

為了對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載自動(dòng)站和GPS探空儀探測(cè)近地面大氣層的性能進(jìn)行檢驗(yàn)與比對(duì)評(píng)估，2020年7月28日—8月6日及2021年8月1—6日開(kāi)展了兩期試驗(yàn)。

試驗(yàn)地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)正鑲白旗新河水庫(kù)庫(kù)邊，飛行試驗(yàn)點(diǎn)的水庫(kù)中心有積水（面積約20 m×30 m）；北部和東部為緩坡草地，西部為堤壩，南部和西北部為小山丘，水庫(kù)底部距山丘頂高度小于40 m。GPS探空氣球釋放點(diǎn)位于水庫(kù)西北山丘的西南坡下，海拔高度為1280 m。無(wú)人機(jī)起降點(diǎn)位于四周開(kāi)闊的水庫(kù)東北部草地上，海拔高度為1262 m。

2020年的飛行試驗(yàn)中，飛機(jī)上同時(shí)搭載1個(gè)自動(dòng)站和1只GPS探空儀，兩者所測(cè)的溫度和濕度可直接進(jìn)行比較。2021年無(wú)人機(jī)同時(shí)搭載兩種儀器（即自動(dòng)站和GPS探空儀、自動(dòng)站和維薩拉溫濕探頭），可對(duì)3種儀器的測(cè)量?jī)蓛蛇M(jìn)行比較。

1.3 無(wú)人機(jī)飛行情況及地基GPS探空數(shù)據(jù)分析

由于受空域管制制約，為獲取良好的試驗(yàn)效果，飛行探測(cè)方案不斷調(diào)整。無(wú)人機(jī)先垂直上升至約30 m 地面高度懸停，然后爬升或平飛?？罩锌傦w行時(shí)間為1.0～2.5 h。通常在無(wú)人機(jī)飛行探測(cè)階段或前后，釋放1～2只GPS氣球探空。表2給出用于對(duì)比分析的無(wú)人機(jī)5次飛行信息（包括時(shí)間、時(shí)長(zhǎng)和天氣狀況），文中時(shí)間均為北京時(shí)，下同。

表2 無(wú)人機(jī)飛行探測(cè)時(shí)間及時(shí)長(zhǎng)Table 2 Time and duration of UAV-borne AWS and GPS radiosonde

圖1分別為2020年8月2，4，5日GPS探空儀探測(cè)的低對(duì)流層位溫、相對(duì)濕度和風(fēng)速、風(fēng)向廓線，對(duì)應(yīng)施放氣球時(shí)間分別為8月2日10：10，8月4日13：55，8月5日12：08，雖然與無(wú)人機(jī)飛行時(shí)間并非完全一致，但可獲得飛行時(shí)段或前后的近地面大氣層氣象背景情況。由圖1可見(jiàn)，試驗(yàn)期間中午前后近地面大氣層內(nèi)（距地面700 m 高度以下）位溫遞減率接近（0.6 K·（100 m）-1），但位溫差異顯著；近地面大氣層內(nèi)相對(duì)濕度隨高度增加，8月4日的相對(duì)濕度最高，對(duì)應(yīng)當(dāng)日溫度較低；2020 年8 月2日的風(fēng)速較大，從地面的3 m·s-1增加到11 m·s-1（海拔高度1650 m，6級(jí)）；3 d中風(fēng)向隨高度的變化范圍不大。

圖1 2020年8月2，4，5日地基GPS探空測(cè)得的位溫、相對(duì)濕度及風(fēng)速、風(fēng)向廓線Fig.1 Temperature，relative humidity，wind speed，and wind direction measured by ground-based GPS radiosonde on 2 Aug，4 Aug，5 Aug in 2020

圖2a和圖2b分別為2020年8月2日無(wú)人機(jī)飛行路線上測(cè)得的溫度和相對(duì)濕度。由于飛行時(shí)間歷時(shí)超過(guò)0.5 h，在無(wú)人機(jī)上升和下降段溫濕數(shù)據(jù)差異明顯，反映了氣象要素的時(shí)空變化。近地面大氣層內(nèi)上下溫度差異明顯，在同一層平飛段溫度變化較??；但從相對(duì)濕度看，即便在同一層歷時(shí)幾分鐘內(nèi)的飛行測(cè)量（水平長(zhǎng)邊飛行距離為5 km）也表現(xiàn)出較顯著的變化。

圖2 2020年8月2日10：10—11：14無(wú)人機(jī)機(jī)載自動(dòng)站飛行探測(cè)的溫度（a）和相對(duì)濕度（b）Fig.2 Temperature（a）and relative humidity（b）measured along the flight trajectory UAV-borne AWS during 1010 BT-1114 BT on 2 Aug 2020

圖3為2020年8月2日無(wú)人機(jī)機(jī)載自動(dòng)站在1次飛行過(guò)程中飛行姿態(tài)的變化以及溫度、相對(duì)濕度的時(shí)間序列。由圖3 可見(jiàn)，此次飛行軌跡在約10：55 之前呈階梯式上升，從飛機(jī)俯仰角（pitch，即機(jī)體軸與地平面之間的夾角）上難以看出轉(zhuǎn)彎乃至上升過(guò)程；從滾轉(zhuǎn)角（roll，即無(wú)人機(jī)繞前后軸轉(zhuǎn)動(dòng)的角度）和偏航角（yaw，即實(shí)際航向與計(jì)劃航向之間的夾角）可以清楚地分辨每個(gè)轉(zhuǎn)彎和平飛過(guò)程，視滾轉(zhuǎn)角的變化（大于20°）定義為“轉(zhuǎn)彎過(guò)程”。圖3顯示在無(wú)人機(jī)同一個(gè)高度上水平轉(zhuǎn)彎的飛行過(guò)程中溫度和相對(duì)濕度變化較小，溫度變化為0.1～0.2℃，相對(duì)濕度變化為0.1%～2%，溫度（相對(duì)濕度）僅隨飛行高度的增加（降低）而減小（增大），且不隨無(wú)人機(jī)姿態(tài)角的變化顯著變化。通過(guò)比較分析該次飛行過(guò)程中自動(dòng)站和GPS探空儀所測(cè)數(shù)據(jù)，得到不同高度水平飛行的溫度相關(guān)系數(shù)為0.98，絕對(duì)偏差為1.83℃；相對(duì)濕度的相關(guān)系數(shù)為0.75，絕對(duì)偏差為4.77%；總飛行過(guò)程中溫度相關(guān)系數(shù)為0.97，絕對(duì)偏差為2.05℃，相對(duì)濕度相關(guān)系數(shù)為0.52，絕對(duì)偏差為4.93%?？梢?jiàn)，無(wú)人機(jī)在上升和下降過(guò)程中兩種儀器所測(cè)的溫度和相對(duì)濕度差異稍大，因此以GPS探空儀的測(cè)量為參考，對(duì)平飛過(guò)程自動(dòng)站的溫度絕對(duì)偏差進(jìn)行訂正，結(jié)果與探空儀所測(cè)溫度的一致性更好。

由圖3可見(jiàn)，部分相對(duì)濕度絕對(duì)偏差較大的情況主要發(fā)生在相對(duì)濕度變化較大的時(shí)段，原因在于兩種濕度傳感器的響應(yīng)時(shí)間不同；在相對(duì)濕度空間分布均勻處，兩者所測(cè)的相對(duì)濕度更為一致。10：55后兩種濕度測(cè)量絕對(duì)偏差反相，這是由于無(wú)人機(jī)快速下降時(shí)，濕度隨高度變化較大，兩種傳感器響應(yīng)快慢不同所致。

圖3 2020年8月2日10：10—11：10無(wú)人機(jī)飛行海拔高度、姿態(tài)角、溫度、相對(duì)濕度的變化Fig.3 Time series of the UAV flight height，attitude angles as well as the measured temperature and relative humidity in the flight during 1010BT-1110BT on 2 Aug 2020

2021年夏季試驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)同時(shí)搭載1只GPS探空儀、自動(dòng)站和維薩拉溫濕探頭，圖4 顯示2021年8月1日下午GPS探空儀和維薩拉溫濕探頭測(cè)量的時(shí)間序列結(jié)果。由圖4可見(jiàn)，兩者趨勢(shì)的一致性較好，溫度平均絕對(duì)偏差為1.44℃，相對(duì)濕度平均絕對(duì)偏差為5.73%。14：48后溫濕度均出現(xiàn)絕對(duì)偏差反相，原因是隨著飛機(jī)較快速的下降，溫度和濕度變化大，而維薩拉溫濕探頭的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)量相對(duì)滯后。因此，該型溫濕度傳感器適合低飛行速度 條件下（如旋翼機(jī)）的測(cè)量。

圖4 2021年8月1日飛行高度、維薩拉溫濕探頭及GPS探空儀的溫度和相對(duì)濕度時(shí)間序列Fig.4 Time series of flight height，temperature and relative humidity measured by UAV-borne Vaisala temperature and humidity probe and GPS radiosonde on 1 Aug 2021

續(xù)圖4

2 對(duì)比分析

2.1 無(wú)人機(jī)探空數(shù)據(jù)匹配與比較方法

2020年無(wú)人機(jī)搭載自動(dòng)站和GPS 探空儀，2021年無(wú)人機(jī)同時(shí)搭載自動(dòng)站、GPS探空儀、維薩拉溫濕探頭。以GPS探空儀的氣象要素測(cè)量值為參考（已通過(guò)WMO 比對(duì)試驗(yàn)驗(yàn)證），對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩兩比對(duì)，統(tǒng)計(jì)分析前剔除個(gè)別異常數(shù)據(jù)。下面分別計(jì)算和分析溫度和相對(duì)濕度數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)（以下顯著性水平均為0.05）、絕對(duì)偏差和均方差。

2.2 溫度探測(cè)比較

圖5為兩次試驗(yàn)期間無(wú)人機(jī)機(jī)載不同傳感器獲得的可比溫度散點(diǎn)圖，2020年有3組（圖5a）；2021年由于多雨，可飛行的試驗(yàn)時(shí)間少，兩種傳感器同時(shí)觀測(cè)數(shù)據(jù)各僅有1組。

圖5 無(wú)人機(jī)機(jī)載不同傳感器溫度散點(diǎn)圖（a）2020年8月2，4，5日自動(dòng)站與GPS探空儀，（b）2021年8月1日維薩拉溫濕探頭與GPS探空儀，（c）2021年8月3日自動(dòng)站與GPS探空儀，（d）2021年8月5日維薩拉溫濕探頭與自動(dòng)站Fig.5 Scatter plots of the temperature measurements by UAV-borne sensors（a）AWS and GPS radiosonde on 2 Aug，4 Aug，5 Aug in 2020，（b）Vaisala temperature and humidity probe and GPS radiosonde on 1 Aug 2021，（c）AWS and GPS radiosonde on 3 Aug 2021，（d）AWS and Vaisala temperature and humidity probe on 5 Aug 2021

續(xù)圖5

圖5a為2020年夏季兩次無(wú)人機(jī)機(jī)載自動(dòng)站與GPS探空儀所測(cè)溫度的對(duì)比，計(jì)算可得其相關(guān)系數(shù)為0.99，絕對(duì)偏差為1.74℃，均方差為1.76℃。平飛時(shí)段兩者相關(guān)系數(shù)為0.99，絕對(duì)偏差為1.78℃，均方差為1.81℃。由2020年與2021年溫度的比較結(jié)果可見(jiàn)，雖然自動(dòng)站與GPS探空儀測(cè)得的溫度間有絕對(duì)偏差，但兩者具有較高相關(guān)性，且絕對(duì)偏差大小相對(duì)固定在2.00～2.35℃范圍內(nèi)。

2021年夏季，無(wú)人機(jī)機(jī)載自動(dòng)站、GPS探空儀及維薩拉溫濕探頭測(cè)得的溫度比較分析結(jié)果如下：自動(dòng)站與GPS 探空儀溫度的相關(guān)系數(shù)為0.98，絕對(duì)偏差為2.34℃，均方差為2.35℃，平飛過(guò)程的相關(guān)系數(shù)為0.99，絕對(duì)偏差為2.35℃，均方差為2.36℃；維薩拉溫濕探頭與GPS探空儀平飛過(guò)程溫度的相關(guān)系數(shù)為0.96，絕對(duì)偏差為1.41℃，均方差為1.70℃；維薩拉溫濕探頭與自動(dòng)站溫度的相關(guān)系數(shù)為0.98，絕對(duì)偏差為4.13℃，均方差為4.25℃，平飛過(guò)程的相關(guān)系數(shù)為0.99，絕對(duì)偏差為4.49℃，均方差為4.53℃。

從兩期試驗(yàn)結(jié)果的絕對(duì)偏差看，自動(dòng)站與GPS探空儀的溫度測(cè)量絕對(duì)偏差相對(duì)固定，如果以此絕對(duì)偏差對(duì)無(wú)人機(jī)機(jī)載自動(dòng)站的溫度進(jìn)行訂正，則無(wú)人機(jī)機(jī)載自動(dòng)站探測(cè)可得到近地面大氣層水平方向與垂直方向的溫度變化信息。維薩拉溫濕探頭與GPS探空儀所測(cè)溫度數(shù)據(jù)一致性，還需要更多試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證。

需要說(shuō)明的是，GPS探空儀上溫度探測(cè)的珠狀熱敏電阻器在白天進(jìn)行探測(cè)業(yè)務(wù)時(shí)會(huì)受到輻射加熱而升溫幾度（相對(duì)環(huán)境溫度）［35］，自動(dòng)站可在地面進(jìn)行測(cè)量試驗(yàn)，而GPS探空儀因無(wú)附加的防輻射裝置且可能受電池發(fā)熱影響，故不能在地面進(jìn)行兩者近距離的對(duì)比測(cè)試，相對(duì)濕度的測(cè)量也存在類(lèi)似問(wèn)題。

2.3 相對(duì)濕度探測(cè)比較

比較2020年夏季無(wú)人機(jī)機(jī)載自動(dòng)站與GPS探空儀的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)，可分析的數(shù)據(jù)組與溫度相同，并比較分析2021年夏季不同傳感器之間的相對(duì)濕度數(shù)據(jù)（圖6）。

圖6a是2021年夏季3 次自動(dòng)站與GPS 探空儀所測(cè)相對(duì)濕度的對(duì)比，計(jì)算可得其相關(guān)系數(shù)為0.84，絕對(duì)偏差為4.28%，均方差為5.05%；平飛過(guò)程的相關(guān)系數(shù)為0.83，絕對(duì)偏差為4.94%，均方差為5.50%。

圖6 同圖5，但為相對(duì)濕度Fig.6 The same as in Fig.6，but for relative humidity

2021年夏季自動(dòng)站與GPS 探空儀、維薩拉溫濕探頭與GPS探空儀、維薩拉溫濕探頭與自動(dòng)站測(cè)得的相對(duì)濕度比較分析結(jié)果如下：自動(dòng)站與GPS探空儀濕度的相關(guān)系數(shù)為0.71，絕對(duì)偏差為3.83%，均方差為4.48%，平飛過(guò)程的相關(guān)系數(shù)為0.91，絕對(duì)偏差為4.85%，均方差為5.72%；維薩拉溫濕探頭與GPS 探空儀濕度的相關(guān)系數(shù)為0.82，絕對(duì)偏差為5.73%，均方差為7.00%，平飛過(guò)程的相關(guān)系數(shù)為0.92，絕對(duì)偏差為6.07%，均方差為7.43%；維薩拉溫濕探頭與自動(dòng)站濕度的相關(guān)系數(shù)為0.78，絕對(duì)偏差為6.92%，均方差為8.82%，平飛過(guò)程的相關(guān)系數(shù)為0.84，絕對(duì)偏差為4.88%，均方差為5.75%。

總體上，自動(dòng)站與探空儀所測(cè)相對(duì)濕度的絕對(duì)偏差小于5%（位于WMO［36］誤差范圍內(nèi)），而標(biāo)稱(chēng)精度相對(duì)較高的維薩拉溫濕探頭所測(cè)數(shù)據(jù)與其他兩種傳感器測(cè)值之間的絕對(duì)偏差相對(duì)較大，原因是其傳感器的響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，測(cè)量結(jié)果相對(duì)滯后，因此無(wú)人機(jī)搭載傳感器應(yīng)盡量采用響應(yīng)速度快的，才能滿(mǎn)足高時(shí)間和空間分辨率探測(cè)的要求。

2.4 無(wú)人機(jī)平飛探測(cè)數(shù)據(jù)分析

考察2020年8月2日10：17—10：22無(wú)人機(jī)平飛以及爬升過(guò)程中飛行姿態(tài)對(duì)氣象數(shù)據(jù)測(cè)量的影響，圖7顯示該時(shí)段無(wú)人機(jī)從海拔高度1525 m 爬升到1578 m 且在1578 m 平飛及轉(zhuǎn)彎時(shí)高度、3個(gè)姿態(tài)角、溫度、相對(duì)濕度的變化情況。

圖7顯示在1578 m 海拔高度有較長(zhǎng)水平飛行，中間有3次轉(zhuǎn)彎（見(jiàn)圖7的滾轉(zhuǎn)角）。由平飛過(guò)程溫度的變化可見(jiàn)，自動(dòng)站溫度最大偏差為0.5℃，一般變化幅度為±0.2℃，探空儀溫度的最大變化幅度為0.6℃，一般變化幅度為±0.2℃。兩種傳感器所測(cè)溫度均與無(wú)人機(jī)姿態(tài)角變化無(wú)對(duì)應(yīng)關(guān)系。由平飛過(guò)程相對(duì)濕度的變化可知，自動(dòng)站和探空儀所測(cè)相對(duì)濕度變化幅度均為3%，同樣不隨無(wú)人機(jī)的姿態(tài)角變化?？梢?jiàn)溫度和相對(duì)濕度測(cè)量受飛行姿態(tài)影響很小，因此利用無(wú)人機(jī)進(jìn)行溫濕度探測(cè)可以反映不同高度層的變化，均可保留使用。

無(wú)人機(jī)平飛過(guò)程中對(duì)應(yīng)的飛行時(shí)間長(zhǎng)度為4～5 mins（對(duì)應(yīng)順風(fēng)和逆風(fēng)），水平距離為5000 m，溫度隨高度降低，且在各個(gè)高度層均有一定變化，變化幅度明顯大于因飛行高度變化引起的溫度遞減值（0.6℃·（100 m）-1），在距地面300 m 高度的平飛過(guò)程短時(shí)間（距離）內(nèi)出現(xiàn)了0.6℃的變化，考慮航跡下地形與覆蓋因素，此種現(xiàn)象應(yīng)為對(duì)應(yīng)山丘地形的熱泡現(xiàn)象，該現(xiàn)象尚需進(jìn)一步探測(cè)驗(yàn)證。

此外，由圖7可見(jiàn)，相對(duì)濕度在相同高度層起伏變化較大，該趨勢(shì)在圖2b也有反映，表明無(wú)人機(jī)能探測(cè)到各高度層相對(duì)濕度的水平分布不均勻量值，為了能更準(zhǔn)確探測(cè)相對(duì)濕度在空間結(jié)構(gòu)上的差異，采用具有能進(jìn)行垂直和水平飛行觀測(cè)能力的復(fù)合翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行探測(cè)。

圖8為2020年8月2日飛行觀測(cè)溫度和相對(duì)濕度在多高度平飛段的均方差分布。由圖8a可見(jiàn)，自動(dòng)站和GPS探空儀的溫度均方差均較小，大多分布在0～0.2℃，0.2～0.4℃各出現(xiàn)兩次，進(jìn)一步說(shuō)明無(wú)人機(jī)水平飛行過(guò)程溫度測(cè)量的一致性；由圖8b可見(jiàn)，自動(dòng)站和GPS探空儀相對(duì)濕度的均方差大多分布在0～4%，4%～8% GPS探空儀出現(xiàn)兩次；相對(duì)濕度水平分布均方差隨高度有增大趨勢(shì)，可能對(duì)應(yīng)增大的水平不均勻性。

圖8 2020年8月2日無(wú)人機(jī)在13個(gè)高度平飛過(guò)程中溫度（a）和相對(duì)濕度（b）均方差Fig.8 Mean square error of air temperature（a）and relative humidity（b）measured by the UAV during the constant level flights on 2 Aug 2020

3 結(jié)論與討論

為驗(yàn)證長(zhǎng)航時(shí)無(wú)人機(jī)的飛行能力及機(jī)載自動(dòng)站的可用性，在內(nèi)蒙古自治區(qū)正鑲白旗開(kāi)展了兩期綜合觀測(cè)試驗(yàn)。該型無(wú)人機(jī)機(jī)載自動(dòng)站、GPS探空儀和維薩拉溫濕探頭，進(jìn)行多高度層往返水平飛行，獲得溫度和濕度的探測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)3種探測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與比較，主要結(jié)論如下：

1）兩期無(wú)人機(jī)飛行探測(cè)試驗(yàn)表明，該新型無(wú)人機(jī)上搭載自動(dòng)站進(jìn)行溫度和相對(duì)濕度的探測(cè)。2020年夏季試驗(yàn)中，無(wú)人機(jī)同時(shí)搭載自動(dòng)站與GPS探空儀，二者的測(cè)量一致性很好，雖然兩者所測(cè)溫度存在2.00℃～2.35℃的絕對(duì)偏差，但其變化趨勢(shì)一致，同時(shí)自動(dòng)站所測(cè)溫度數(shù)據(jù)與GPS探空儀的絕對(duì)偏差與儀器的誤差范圍基本符合，且絕對(duì)偏差相對(duì)固定，偏差訂正后的測(cè)量數(shù)據(jù)可在業(yè)務(wù)上使用。

2）2020年試驗(yàn)無(wú)人機(jī)搭載自動(dòng)站和GPS探空儀測(cè)量的相對(duì)濕度絕對(duì)偏差范圍在4.5%以?xún)?nèi)，能夠滿(mǎn)足WMO 對(duì)相對(duì)濕度測(cè)量比對(duì)要求；2021年夏季試驗(yàn)無(wú)人機(jī)搭載GPS探空儀與維薩拉溫濕探頭所測(cè)的溫濕度數(shù)據(jù)也有良好的一致性，但維薩拉溫濕度傳感器表現(xiàn)出響應(yīng)時(shí)間明顯滯后，而響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的傳感器不適合應(yīng)用于復(fù)合翼機(jī)上的探測(cè)。

3）無(wú)人機(jī)機(jī)載自動(dòng)站在上升和下降階段可獲得近地面大氣層溫濕廓線資料，但過(guò)快的下降速度造成溫濕傳感器時(shí)滯效應(yīng)明顯，不適合飛行速度較快的探測(cè)；無(wú)人機(jī)在平飛過(guò)程的飛行姿態(tài)變化及轉(zhuǎn)彎對(duì)溫度和濕度測(cè)量的影響可以忽略，平飛段溫濕變化反映邊界層大氣水平不均勻性，為了能更準(zhǔn)確探測(cè)溫濕在空間結(jié)構(gòu)上的差異性，采用具有在大氣近地面層中進(jìn)行垂直和水平飛行觀測(cè)能力的無(wú)人機(jī)進(jìn)行探測(cè)具有一定優(yōu)勢(shì)。

兩期飛行探測(cè)試驗(yàn)初步表明，復(fù)合翼無(wú)人機(jī)是一種探測(cè)近地面大氣層的實(shí)用飛行平臺(tái)。但由于空域限制，飛行試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)量較少，同時(shí)溫濕傳感器的時(shí)滯效應(yīng)對(duì)測(cè)量的準(zhǔn)確性造成影響，目前還不足以對(duì)多種近地面大氣層結(jié)構(gòu)特征和變化規(guī)律的研究提供支撐，今后將進(jìn)行加密探測(cè)試驗(yàn)，搭載更多類(lèi)型適宜于復(fù)合翼無(wú)人機(jī)類(lèi)型的氣象要素傳感器，尤其是搭載具備測(cè)風(fēng)能力的微型自動(dòng)站，解決無(wú)人機(jī)測(cè)風(fēng)問(wèn)題；通過(guò)觀測(cè)數(shù)據(jù)的比較，優(yōu)化確定機(jī)載傳感器和相應(yīng)飛行方式（即不同上升、下降和水平飛行模式），以便更好地對(duì)近地面大氣層開(kāi)展無(wú)人機(jī)探測(cè)，提升無(wú)人機(jī)大氣探測(cè)技術(shù)水平。此外，應(yīng)增加部署其他地基大氣廓線探測(cè)設(shè)備，如風(fēng)廓線雷達(dá)和激光測(cè)溫測(cè)風(fēng)等，開(kāi)展多源探測(cè)數(shù)據(jù)的比較與融合分析。