人工影响天气探测作业无人机系统发展与挑战

康锐

【摘 要】高空探测在气象观测过程中具有十分重要的必要性，但其极易受复杂天气影响，比如自然降雨､雨雪天气和雷电天气等复杂的气象变化，都有可能会导致探测结果出现偏差｡所谓复杂天气和气象变化本质上就是大气中气压､温度､湿度以及降水等自然环境的变化，会对高空探测仪器造成直接影响｡为了保证高空探测的精准度和安全性，我们需要从多个角度､多个方面对复杂天气中存在的影响因素进行分析，尽可能减少因气象变化而对高空探测造成的影响｡文章主要通过以雨雪天气为例来对在特殊天气情况下高空探测工作进行分析，并针对存在的影响移速提出科学､可行具有针对性的防范对策，以期对我国未来气象观测中高空探测的不断发展和完善提供参考依据｡

【关键词】人工；天气探测；无人机系统；挑战

中图分类号：TP391.4文献标识码：A

1､复杂天气对高空探测工作造成的影响

1.1､雷暴高空探测工作

雷暴天气往往属于一种具有较强的破坏性气象，对地面设备､应答器等各项设施都造成破坏，导致高空探空仪无法接受信号，故而无论释放时间如何计划，在强雷暴天气或雷暴即将当空时都必须禁止施放｡針对这种现象，大可以借助积雨云去向和高空风来向等因素来对雷暴的移动方向进行预判，在探空前要对雷暴气象的动态变化､波动幅度进行实时监测，尽可能减少气球施放后在雷暴区域受到雷击破坏的不良状况发生｡

1.2､雨雪天气高空探测工作

（1）气球投放时机：针对探空气球的投放时机有着明确的规定，规定了许多探空气球的禁放环境，比如基测不合格､探空仪器失灵，值得强调的是在雨雪天气等特殊情况下规定的是延迟施放，也就是要对投放时机进行更为严格的把控｡如果强行进行探空气球的投放，将会直接降低探测所得的数据准确度｡（2）气球投放高度：在雨雪天气中，云层会较平时产生厚度增加的变化，对气球的上升产生一定的阻力，致使探空气球无法上升到既定的､适宜的高度｡除云层厚度影响之外，更为严重的是可能会与降水结晶体撞击而导致气球破损｡

1.3､强对流天气对高空气象探测的影响

由于强对流天气会出现短期的强雷暴､冰雹､强降水以及龙卷风现象，因而又被人们称为灾害性天气｡同时，强对流天气具有水平尺度小､影响强度大､发生期较短等特点，当出现雷暴､闪电等现象时，会引发传感器变性；当出现强降水时，会导致出现接收记录的异常现象；当出现大风时，极易使探测仪器与风向阻碍物发生碰撞｡因此，在高空气象探测工作中，应根据实际的探测情况，发送高空气象情报报文｡并不断完善探测系统，引进先进的探测设备，提高探测人员的工作热情，以提升高空气象探测质量，降低强对高空气象探测工作所带来的负面影响，推动高空气象探测工作的顺利开展｡

2､多旋翼无人飞行器在气象业务活动中的主要应用

2.1､边界层科学研究

美国国家海洋和大气局自2015年10月以来，在橡树岭的诺克斯无线电控制模型飞行场（KCRC）进行了18次多旋翼无人飞行器大气边界层探测技术测试和可行性评估，验证由多旋翼无人飞行器获取的测量数据能否更好地用于了解边界层，特别是在暴风雨形成期间的边界层演变；能否用于测量中尺度大气模式；以及如何运用飞行器，使其作为风暴/龙卷风评估和实验预测的气象诊断工具｡项目使用DJIS-1000多旋翼无人飞行器作为载荷平台，配备了4套iMet-XQ国际气象系统（包括温度､湿度和压力传感器），以及FLIR红外摄像机和GoPro可见光摄像机，有多个波长通道用以记录飞行器下的地表气象情况｡飞行场内架设有量值可 追 溯 到 国 家 标 准 与 技 术 研 究 所（NIST，National Institute of Standards and Technology）的气象塔，用于数据比对｡测试时数据存储在飞行器上并在飞行后下载分析｡测试结果表明，在多种条件下，飞行器均可以在垂直､水平和悬停飞行时进行气象要素探测和反演，证明了多旋翼无人飞行器进行大气研究的潜力和可行性｡

2.2､多旋翼无人飞行器用于人工影响天气作业

无人机以其独特的优势逐渐成为人工影响天气的新手段｡2016年，美国内华达州的气象研发团队启动了利用无人机开展人工影响天气的研究｡此项研究由美国内华达州沙漠研究所､“无人机美国”（DroneAmerica）公司以及“航空视野”（AviSight）空域数据服务公司合作开展，目标是制造能够承载云催化设备的无人机用于人工降雨，改善干旱地区的降雨状况｡目前，该团队已经研发出首个自主云种散播平台DAx8型无人机，如图1所示｡该无人机在2016年01月底成功完成了测试飞行，确认可以装载云催化剂，通过向云层播撒碘化银微粒，可增加15%的降水量｡

2.3､大气成分分析研究

多旋翼无人飞行器也可用于收集关于大气成分和气体浓度垂直分布｡欧洲SAL引擎公司与意大利博洛尼亚大学合作，利用多旋翼无人飞行器对火山气体的浓度和分布进行分析，通过对飞行器收集的火山喷发柱和羽流数据与机载的卫星数据比较，改进单纯依赖卫星数据的火山爆发羽流模型，使用实时数据建立火山灰云的准确图像｡这将减小火山爆发期间需要关闭的空域面积，带来航空经济效益｡项目使用ESAFLYA2500多旋翼飞行器，如图2所示，该飞行器使用碳纤维部件改善刚性和重量，直径100cm，高度30cm｡它由两个电池组（每个5000mAh）供电，自主飞行时间为15～20min｡有效载荷为1.7kg，最大飞行高度200m（但由于意大利航空规定，限制为70m）｡装备有热成像相机3600AS（TE3600AS），用于微波辐射测量，由多组30μm间距探测器组成，光谱响应范围为7～14μm，热灵敏度小于50mK，饱和温度为600℃，具有25Hz的实时帧速率，并产生PAL视频输出｡该实验于2012年06月进行，绘制了两个区域｡一个对应于通常由原位测量映射的区域，另一个是以前从未映射的区域｡该第二区域用于交叉验证由6旋翼飞行器获取的图像与由地面FLIR相机获取的图｡

结束语

综上所述，复杂天气对高空探测的影响方面较多且较为严重，因此，我们必须加强对这一方面的重视程度，通过对复杂天气中对高空探测造成影响的因素进行分析，并结合实际情况提出具有针对性的对策方案，并严格按照计划执行，确保在人员和设备安全的前提下，不断提升探测资料正确性和完整性｡

参考文献：

[1]马舒庆，陈洪滨，王国荣，甄小琼，许晓平，李思腾.阵列天气雷达设计与初步实现[J].应用气象学报，2019，30（01）：1-12.

[2]梁雪莲，王燕玲，张靖彬，梁艳芳，孙晓文，段树海.复杂天气对高空探测的影响与防范对策探究[J].科技创新与应用，2019（01）：128-129.

[3]马伊清.民航机场天气雷达现状及应用需求分析[J].电子世界，2019（01）：96+98.

[4]孔秀琴.强对流天气对高空气象探测的影响及应对措施[J].科技经济导刊，2019，27（01）：111.

（作者单位：德州市气象局）