无人机在气象服务中的应用

毛文军

(温岭市气象局，浙江 温岭 317500)

无人机在气象服务中的应用

毛文军

(温岭市气象局，浙江 温岭 317500)

对气象的准确预报离不开大量的观测数据，观测数据越多越全面，时效性和准确性越高，预报的准确性也会越高。按传统的探测区域划分，气象探测主要包括地面观测和高空探测。地面自动气象站和气象应急保障车等设施覆盖地面气象探测，人造卫星影像和高空探测气球等技术覆盖高空探测领域。而对1 km高度范围内的低空气象探测还处于发展阶段。观测方法、观测技术的进步紧随现代技术发展。近年来低空飞行设备技术的不断成熟给气象观测、气象服务能力的提高带来了机遇。本文探讨了将气象探测设备和无人机相结合，利用无人机机动性强，不受地域限制和成本优势，更好地应用于现代气象服务。

气象探测技术，气象服务，无人机

0 引 言

气象与民生、国家安全有着不可分割的联系。提高气象对国家公共安全、军事安全、生态安全、资源安全等各方面的服务水平，必须加强气象及相关灾害的监测，及时获得更加准确的气象资料。气象观测业务提供的大量观测资料可以直接为国家安全各部门服务，是国家安全保障的依据，天气雷达、地基遥感探测可以直接为军事安全提供服务，地基气象观测能够为防灾减灾决策和实施保障国家安全的措施提供有力支持。

按传统的探测区域划分，气象探测主要包括地面观测和高空探测。其中，地面气象观测是根据所调查地面气象观测站的类别，并遵循先基准站、次基本站、后一般站的原则，收集每日实际逐次观测资料。观测资料的常规调查项目包括：时间(年、月、日、时)、风向(以角度或按16个方位表示)、风速、干湿球温度、低云量、总云量。根据不同评价等级预测精度要求及预测因子特征，可选择调查的观测资料的内容：湿球温度、露点温度、相对湿度、降水量、降水类型、海平面气压、观测站地面气压、云底高度、水平能见度等。高空气象探测则借助于高空气象观测借助仪器对自由大气中各高度的气象状况进行观察和测定。观测项目有空气温度、湿度、气压和风等，还有一些特殊项目，如大气成分、臭氧、辐射等。

气象探测的发展离不开气象探测技术的进步。现代气象测量方式多种多样，各种测风雷达、无线电经纬仪、激光雷达、微波辐射计、风廓线雷达及其地基、空基遥感和导航卫星信号反演大气参数的技术发展迅速，大大扩展了高空探测的领域。气象探测的发展更离不开承载这些探测仪器的运载工具或平台。气象预报的进步主要是围绕着空间范围的拓展，时空分辨率和准确度的提高展开的。其中观测空间范围的拓展能够显著提高气象观测的准确性和观测维度，同时也对气象仪器设备进入观测空间有很高的要求。最原始的移动气象台一般由通信指挥和车载雷达两部分组成，在防御气象灾害和突发气象事件应急处理方面提供着重要的气象支持。基于现代科学技术的移动气象探测技术包括气象气球，气象飞机、气象火箭、以及气象卫星等。

1 气象探测技术的发展

1941—1942年，出现了专门的云雨雷达。1960年4月，美国发射了第一颗气象卫星泰罗斯-1号。上世纪60年代以来，声雷达、激光雷达、风廓线雷达、微波辐射计的研制与试验成功，拓展了获取高空三维空间气象信息的手段。国际先进的高空气象探测装备包括气象无人机、无线电经纬仪、下投式探空测风系统、外军气象雷达、GPS 探空测风系统以及掩星大气探测系统等。由于具有全天候、不受天气变化的影响，GPS系统在气象上的应用成为当前研究的热点。GPS即全球定位系统(Global Positioning System)具有在海陆空进行全方位实时三维导航与定位的新一代卫星系统。传统的采集气象数据来测量大气水汽的手段主要包括无线电气象探空仪、微波辐射计(microwave radiometer)和气象卫星。由于各方面的限制，已不能满足当今各种天气和气候应用的需要。GPS气象学包括两个方面的内容，一方面是利用GPS系统定位卫星所发出的电磁波在空中收水汽等折射所造成的延迟来遥测大气气象要素，包括温度和湿度的垂直分布，典型的应用包括GPS-LEO掩星大气探测系统；另一方面是GPS探空设备，GPS在气象探空中主要是提供探空气球的高精度三维位置信息，推算出不同高度的风速和风向，实现高空测风。结合温度、湿度和压力传感器，能够得到不同高度层的温度、湿度数据和不同等压面的风速和风向，实现气象探空。

为了观测大气层各高度上的气压、温度、湿度、风等要素，传统的方法是将观测仪器配置无动力升空设施，通常是气象气球，用橡胶或聚脂薄膜材料制成球皮，充以比空气密度小的氢气或氦气，用以携带仪器升空，进行高空气象观测的平台。用橡胶或塑料等材料制成球皮，充以氢、氦等比空气轻的气体，携带仪器升空，进行高空气象观测的观测平台。它具有廉价无动力升高的特点。将无线电探空仪随氢气球升入高空，并将所测的各高度上的气象要素通过仪器上的无线电发报机将气象要素信息传回地面，由地面收报机接收，从而获得高空气象资料的一种装置。它体积小巧，观测简便，探测结果可靠，探测高度一般达到10～15 km，因而很快成为高空气象观测普遍使用的工具。后来进一步发展到用定高气球、飞机、气象火箭下投降落气象仪器。

用飞机携载气象仪器对大气进行探测可为日常天气分析预报和各种规模的气象试验活动提供大量探测数据，尤其是在海洋或地面台站稀少地区。气象飞机的机种要根据任务性质来选择。远程大中型机适用于探测台风、强风暴等天气系统的内部结构；中小型机、装甲机和直升飞机等适用于中小尺度天气系统和云雾物理的探测；民航飞机可兼作航线气象观测；U-2型等高空侦察机可用于高层大气的探测。

气象火箭探测的应用，可以将探测高度扩展到100 km。美国于1960年4月1日发射的第一颗气象卫星TRISO-1，并且在90年代建立了由极轨气象卫星和静止气象卫星组成的全球观测网，气象卫星在观测技术、业务化和应用等方面取得了长足的进步。

2 低空无人机的发展和应用

尽管我们人类已经掌握了各种科技手段来观测地球，包括在太空有超过一千颗工作中的人造卫星，但是对于气象、地质、航空、海洋等掌握的数据仍然十分有限。无人机的物料成本以及发射和运营成本远低于卫星，讯号失联较少，运载量较高，具备持续动力，可执行多种任务。得益于技术进步和资本推动，近年来消费级无人机呈现出前所未有的发展，中国深圳的大疆占据着全球消费级无人机市场70%的份额，在航拍、货物递送、户外急救等领域得到了应用。然而，由于电池续航瓶颈约束，当前无人机在空中停留时间在15～20 min，限制了其在更广泛领域的应用。由光启研发的U-1悬浮站在多个功能上都有无人机有重叠，U-1的核心设计理念集中体现在其超长的驻空悬停时间和超强的载荷搭载能力，其有效航时可长达10 h，产品尺寸在5～15 m之间实现定制化设计，可搭载10～100 kg载荷。U-1在设计上极其强调平台的应用适配性，能够在众多领域提供全方位、多元化服务，包括边境巡逻、海上应用、森林防护、自动化放牧、赛事直播、交通检测、巡逻等专业化等行业应用。

使用无人机进行气象探测需要无人机和地面站进行有效配合。无人机有以下几个必要参数：1)无人机飞行平台包括机体、动力和操纵控制系统，用于产生无人机飞行所需的升力、推力和保障飞行的其他机载设备；2)无人机导航，正确的引导无人机沿着预定的航线，以要求的精度，在指定的时间内将其引导至目的地。现已使用的卫星导航系统有美国的GPS系统，俄罗斯的GLONASS系统和我国的北斗二代卫星导航系统；3)任务载荷设备系统是指无人机用来执行指定任务使用的各种设备，是真正完成指定任务必须依托无人机上的任务设备系统；4)机载通信设备和地面站组成的数据链路系统，按照数据传输方向的不同，可以分为上行链路和下行链路。上行链路主要完成地面站至无人机的遥控指令的发送和接收；下行链路主要完成无人机至地面终端的遥测数据以及载荷数据的传输。地面站系统是整个无人机系统的控制部分，负责整个无人机系统的协调工作，包括1)任务的规划功能。制定飞行计划，围绕飞行计划利用导航和定位功能对无人机的飞行航迹进行有效规划；2)在飞行过程中对无人机进行操作，在飞行过程中向无人机传递航线数据、监视无人机的位置、控制无人机的姿态、控制有效载荷的工作等。

3 无人机在气象服务中的应用

国外利用气象无人机已经有十多年的历史，但集中于研究探索领域，和大规模的气象服务相去甚远。美国能源部、国家科学基金会和科罗拉多大小于1999—2005年期间多次进行北极地区气象和生物观测。为了调查东太平洋热带气旋生成源地,2005年美国国家航空航天局与哥斯达黎加合作,开展热带云系生产过程研究,完善热带气旋生成模式。美国海洋大气局大西洋气象实验室用气象无人机对Ophelia飓风进行了长时间的观测飞行。Aerosonde无人机公司与日本气象厅合作利用无人机在日本南部开展锋面降水系统研究，验证和改进非流体静力模型。

近年来，国内的低空气象服务开始得到人们的关注，并且开始尝试改造和利用无人机服务于气象现象的观测。由沈阳航天新光集团和装备指挥技术学院共同研制的TF-1无人机气象探测系统实现飞行区域内的温度、相对湿度、气压、风向、风速等气象参数的测量任务[1]。森林火灾是世界性的林业重要灾害之一，将无人机部署到人、车无法到达的偏远地区，这样可以及时发现森林火情，迅速掌握林火态势和各种需要的信息。无人机显示出有人机无法比拟的优越性，在森林防火监测中必将被广泛应用[2]。将无人机搭载红外热像仪就能利用红外热像仪无需光源就生成鲜明的图像、可穿透薄雾和烟雾的特点，全天候不间断远程监控森林火灾隐情。上海交大从2011年至今使用无人机进行城市雾霾三维分布的浓度探测。国内当前对大气污染的检测主要集中在地面，属定点探测，一方面无法了解高空雾霾分布，另一方面难以获知外地雾霾输送情况。如果使用过载人飞机、探空气球、卫星遥感等非常规观测手段，然而成本高、可控性弱，未能广泛使用。将便携式的检测设备装载在无人机上能以较低的成本实现从地面到高空、从此地到彼地的全方位检测。利用此方法获取的雾霾观测数据能解释周边城市污染物是如何输送至某一地点的、为何不同时间段大气污染程度不一、大气污染物的来源、不同城区之间的大气污染程度为何会有差异等问题，最终为城市治霾策略提供更精准的科学依据。

良好的飞行气象服务通过各种气象产品的发布，使用户准确理解和运用气象信息，从而达到用户经济效益最大化和资源配置有效化。然而由于我国低空空域仍处于管制阶段，通航发展受到了较大局限。从通航运营的现有数据上看，航空器与企业数量的增长高于飞行时间，说明有大量的生产资料不能投入运营。同时，产业主要构成要素仍然缺失：空域资源使用受限；基础设施建设滞后；专业技术以及经营管理人员缺乏；保障体系；飞机的引进注册维修等受实际限制。为了明确了低空空域管理改革的具体措施，国务院、中央军委印发了《关于深化我国低空空域管理改革的意见》。

4 结 语

无人机低空探测系统对于沙漠、山区、海洋等传统手段难以获取相应气象数据的地区，在大区域、长时间测量气象参数时，使用无人机气象探测更节约经济。随着科学技术的发展，气象无人机将向低成本、多功能、长航时、模块化、通用化、智能化的方向发展。经济社会的不断发展对气象预报提出了更高的要求，气象观测是气象预报服务的基础，利用无人机气象系统进行气象观测必将对社会公共服务产生深远的影响。

[1] 沈怀荣，邵琼玲，王盛军，等，飞行器气象探测技术[M].北京：清华大学出版社，2010.

[2] 崔新宇，刘艳萍.《关于无人机在森林防火监测方面的探究》[J].科技与创新，2014(7)：128-130.

2016-04-11