无人机飞行气象条件（无人机在气象中的应用）

147小编 2023-08-08

2022年11月8日，第十四届中国国际航空航天博览会在广东珠海拉开帷幕。谈及对此次航展的印象，不少媒体以“目中无人”来概括——各式各样的无人机琳琅满目，其规模堪称历届航展之最。其中，首款气象大型无人机——“气探Ⅱ型”也在本届航展中完成了惊艳亮相（图1）。

图1 2022年珠海航展中的首款气象大型无人机（图片来源https://mp.weixin.qq.com/s/UJEyhwFRo2XUIuKr6VviKQ）目前，高空气象探测主要依托卫星、雷达、飞机以及探空气球等设备，但是这些设备均存在一定的局限性。对于雷达和卫星而言，他们主要通过发射或者接收电磁波的方式来捕捉当前的大气特征，但并不能直接测量温度、气压、全风场等气象要素。此外，卫星通过反演得到的自上而下的观测廓线，往往会包含整层大气的信号，无法简单地在垂直方向上分离。尽管探空气球能够在空中直接“搭脉”气象环境，但其在升空过程中容易受到环境气流的干扰，并且也无法完成气球的回收再利用。而飞机观测价格昂贵，并且在强天气过程的探测中往往给飞行员带来很大的生命风险。例如1989年的飓风“雨果”，NOAA的探测飞机在边界层高度穿越眼墙时就受到了湍流的袭击，导致其中一台发动机熄火停车。气象无人机的亮相，正好可以弥补传统高空气象探测的不足。一方面，它可以像探空气球一样，升到空中直接观测各种气象要素；另一方面，他又具有灵活、机动性强等特点，能够快速到达指定的垂直高度或者水平位置。特别是，气象无人机可以被派遣到环境恶劣或者人难以到达的地方，进行持续工作。一个完整的气象无人机系统主要由以下四个部分组成：无人机平台、气象观测荷载、低空通信模块以及地面站系统（图2）。其中, 无人机平台用来完成观测航线的飞行任务；气象载荷是无人机上搭载的采集气象要素的各种传感设备,是整个系统最核心的部分；地空通信模块通过无线信道传递飞控指令以及收集传感器采集的各类气象数据；地面站是无人机的后勤保障屋，安置着各类控制和通讯等设备，此外还提供了无人机的起飞和着陆平台。

图2 气象观测无人机系统组成部分（引自胡鹏等2019）那么，气象无人机是如何获取气象数据的呢？对于一些小型旋翼无人机，其搭载的风速风向检测模块可同时监测温度、湿度、气压、风速、风向与多项大气污染物（图3）。而对于载重更大的大型无人机，除了能够搭载常规气象要素的探测设备之外，甚至可以携带机载雷达和下投式探空仪。例如，中国气象局2018年启动的 “海燕计划”，就利用大型无人机下投探空仪，与机载毫米波雷达一起，完成了对台风“森拉克”（2020）外围云系的立体扫描。去年9月份，在“海燕计划”的支持下，大型无人机的首次高原气象观测试验也成功完成（图4）。此外，无人机携带的摄像机可以直接获取天气系统内部的图像资料（图5），这也为科学研究提供了十分宝贵的信息。

图3 一款旋翼无人机搭载风速风向检测模块，可同时监测温度、湿度、气压、风速、风向与多项大气污染物。（图片来源https://mp.weixin.qq.com/s/HopvHQDXI8nhSqvfUR7RUA）

图4 高空大型无人机在首次高原气象观测试验中下投探空仪（图片来源https://mp.weixin.qq.com/s/bzAccTS5Q7XqIRT_dEgWgA）

图5 无人机拍摄的台风“浪卡”（2020）内部云系结构（https://mp.weixin.qq.com/s/efWBUbtT4b7tLck-kva_QA）

回顾气象无人机的历史，其实只有短短的二十余年。1997年，澳大利亚Aerosonde公司研发了世界上第一款气象无人机——Aerosonde(气象侦察兵)。到如今，越来越多的公司参与到气象无人机的研发当中，不但丰富了无人机探测的气象要素类型，而且设计了更加牢固机身结构，以应对更加极端的天气状况。事实上，目前气象无人机不仅仅只是应用于高空气象探测，在人工影响天气领域，无人机也已经能够在云层中播撒催化剂完成人工增雨(雪)作业（图6）。相信在未来，无人机在大气探测、灾害监测、人工影响天气等领域会发挥着更加重要的作用。