陜西小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)應(yīng)用體系構(gòu)建與觀測(cè)試驗(yàn)

孟 珍，毛 峰，夏江峰，李 偉，楊 艷

(1.陜西省大氣探測(cè)技術(shù)保障中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態(tài)環(huán)境氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710016)

隨著公眾對(duì)氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)服務(wù)需求的提高，氣象部門對(duì)新的觀測(cè)手段和方法的需求也呈持續(xù)增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)[1]，各類新型氣象觀測(cè)設(shè)備不斷投入業(yè)務(wù)應(yīng)用。小型多旋翼無(wú)人機(jī)已在國(guó)內(nèi)外多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，如公共安全、應(yīng)急搜救、農(nóng)林、環(huán)保、交通、電力、影視航拍等。采用小型多旋翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行觀測(cè)是目前氣象觀測(cè)領(lǐng)域的研究趨勢(shì)之一，小型多旋翼無(wú)人機(jī)在機(jī)動(dòng)性、靈活性、前沿性等方面的優(yōu)勢(shì)也使得其在氣象觀測(cè)領(lǐng)域有了廣泛應(yīng)用的空間。國(guó)外氣象愛(ài)好者2000年左右就曾將小型多旋翼無(wú)人機(jī)應(yīng)用于氣象觀測(cè)，國(guó)內(nèi)江蘇、天津、廣東、四川等地氣象部門也嘗試?yán)眯⌒投嘈頍o(wú)人機(jī)進(jìn)行氣象觀測(cè)，但因觀測(cè)方法等不統(tǒng)一數(shù)據(jù)應(yīng)用受限。中國(guó)氣象局《綜合氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)發(fā)展規(guī)劃(2016—2020年)》中指出“飛機(jī)氣象觀測(cè)是空基氣象觀測(cè)的重要組成部分，要與衛(wèi)星大尺度遙感、地基定點(diǎn)觀測(cè)一起構(gòu)成多尺度、無(wú)縫隙的立體觀測(cè)格局”，陜西省氣象局在經(jīng)年業(yè)務(wù)積累的基礎(chǔ)上，開(kāi)展小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)應(yīng)用研究，探索小型多旋翼無(wú)人機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用[2-5]，完成了小型多旋翼無(wú)人機(jī)及機(jī)載傳感器選型、觀測(cè)示范站建設(shè)、標(biāo)準(zhǔn)化觀測(cè)業(yè)務(wù)流程建設(shè)等，在全國(guó)較早的建立小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)示范網(wǎng)并開(kāi)展業(yè)務(wù)試運(yùn)行。

1 小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)體系概述

2019年，陜西省氣象局完成了氣象標(biāo)準(zhǔn)預(yù)研究項(xiàng)目“小型無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)規(guī)范”的編寫并向全國(guó)氣象儀器與觀測(cè)方法標(biāo)委會(huì)提出和歸口。規(guī)范主要包括小型多旋翼無(wú)人機(jī)選型、機(jī)載傳感器選型、小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象探測(cè)系統(tǒng)集成、小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)場(chǎng)、觀測(cè)員、觀測(cè)業(yè)務(wù)流程、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等，從小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象探測(cè)系統(tǒng)、觀測(cè)示范站建設(shè)和小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)等三個(gè)主要部分論述無(wú)人機(jī)觀測(cè)，以及陜西省開(kāi)展的試驗(yàn)應(yīng)用情況，旨在提供一套科學(xué)實(shí)用、可操作性和可借鑒性較強(qiáng)的小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)程。

1.1 小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象探測(cè)系統(tǒng)

小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象探測(cè)系統(tǒng)包括無(wú)人機(jī)、機(jī)載傳感器、采集器、地面數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)、小型多旋翼無(wú)人機(jī)地面控制系統(tǒng)和電源系統(tǒng)6部分。該系統(tǒng)須至少按照觀測(cè)方式完成一個(gè)完整觀測(cè)過(guò)程，并提供秒級(jí)觀測(cè)數(shù)據(jù)。小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象探測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)包括氣象要素觀測(cè)數(shù)據(jù)和無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)數(shù)據(jù)。加載實(shí)景監(jiān)測(cè)設(shè)備時(shí)，還包括圖像視頻數(shù)據(jù)[6-8]。

1.2 觀測(cè)示范站建設(shè)

示范站建設(shè)包括無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)建設(shè)、飛行人員培訓(xùn)。起降場(chǎng)一般選在地面氣象觀測(cè)站院內(nèi)、地面觀測(cè)場(chǎng)以外的區(qū)域。野外等特殊情況觀測(cè)時(shí)，方圓50 m范圍內(nèi)無(wú)遮擋的地方均可作為小型多旋翼無(wú)人機(jī)起降場(chǎng)。以起降場(chǎng)中心坐標(biāo)、氣壓傳感器感應(yīng)部分的拔海高度作為小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)站經(jīng)度、緯度和拔海高度。小型多旋翼無(wú)人機(jī)觀測(cè)設(shè)備在起降場(chǎng)擺放位置、朝向等，要同時(shí)滿足氣象觀測(cè)和無(wú)人機(jī)操作要求。飛行人員須參加專業(yè)機(jī)構(gòu)培訓(xùn)，并取得Ⅲ類無(wú)人飛行器的機(jī)長(zhǎng)或飛手執(zhí)照。

1.3 無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)

小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)分為常態(tài)化業(yè)務(wù)觀測(cè)和特殊情況觀測(cè)。將在固定地點(diǎn)、固定時(shí)間或時(shí)間段開(kāi)展的觀測(cè)稱為常態(tài)化業(yè)務(wù)觀測(cè)。將在非固定地點(diǎn)、非固定時(shí)間或時(shí)間段開(kāi)展的觀測(cè)稱為特殊情況觀測(cè)。

常態(tài)化業(yè)務(wù)觀測(cè)時(shí)，以垂直非懸停觀測(cè)為主。海拔高度低于2 500 m的觀測(cè)站，飛行高度(真高)不低于1 500 m；海拔高度高于2 500 m的觀測(cè)站，飛行高度(真高)為小型氣象無(wú)人機(jī)最大實(shí)際飛行真高。特殊情況觀測(cè)時(shí)，除按照常態(tài)化業(yè)務(wù)觀測(cè)方式開(kāi)展觀測(cè)外，也可根據(jù)需要開(kāi)展指定高度的懸停觀測(cè)、水平觀測(cè)等。

2 陜西省小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)試驗(yàn)

陜西省氣象局通過(guò)開(kāi)展小型多旋翼無(wú)人機(jī)及機(jī)載觀測(cè)設(shè)備選型、4個(gè)觀測(cè)示范站基礎(chǔ)建設(shè)、飛行人員培訓(xùn)、觀測(cè)業(yè)務(wù)流程編制，以及開(kāi)展無(wú)人機(jī)觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)用研究，在全國(guó)率先建立小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)示范網(wǎng)。并通過(guò)開(kāi)展小型多旋翼無(wú)人機(jī)低空綜合氣象觀測(cè)試驗(yàn)，積極探索無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)在氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)中的應(yīng)用，開(kāi)辟了氣象探測(cè)新領(lǐng)域。在近100個(gè)架次的垂直氣象觀測(cè)試驗(yàn)中，不僅實(shí)現(xiàn)了地面到最高距地3 000 m高空的氣溫、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速、大氣成分垂直觀測(cè)，獲得各觀測(cè)要素秒級(jí)數(shù)據(jù)，形成小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)網(wǎng)，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象應(yīng)急觀測(cè)(含實(shí)景)、霧霾觀測(cè)及與其他垂直探測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比。試驗(yàn)獲得的數(shù)據(jù)一方面融入到冬季污染物擴(kuò)散氣象條件預(yù)報(bào)服務(wù)、大霧天氣時(shí)近地層氣象研究中；另一方面用于與現(xiàn)有新型遙感式垂直氣象探測(cè)設(shè)備進(jìn)行同步對(duì)比觀測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)新型遙感設(shè)備的機(jī)外標(biāo)校，提升觀測(cè)準(zhǔn)確性。試驗(yàn)過(guò)程還培養(yǎng)和鍛煉出了一支滿足觀測(cè)業(yè)務(wù)需要的小型多旋翼無(wú)人機(jī)觀測(cè)員隊(duì)伍，對(duì)小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)流程和規(guī)范進(jìn)行了驗(yàn)證實(shí)踐和完善。

2.1 小型多旋翼無(wú)人機(jī)與探空站對(duì)比觀測(cè)

圖1為2018年11月20日07時(shí)，在陜西漢中勉縣開(kāi)展的小型多旋翼無(wú)人機(jī)與探空站對(duì)比觀測(cè)的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速等氣象要素。

圖1 2018-11-20T07小型多旋翼無(wú)人機(jī)(勉縣)和空基探空雷達(dá)(漢中)對(duì)比觀測(cè)的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向風(fēng)速

小型多旋翼無(wú)人機(jī)觀測(cè)點(diǎn)為勉縣氣象觀測(cè)場(chǎng)，探空數(shù)據(jù)來(lái)源為漢中探空站，兩站間距40 km，觀測(cè)場(chǎng)拔海高度相差40 m。比對(duì)結(jié)果顯示：邊界層結(jié)構(gòu)中，兩地既有一致性，也有差異性。800 m(真高)以內(nèi)，溫度具有顯著的一致性，低空逆溫厚度、強(qiáng)度基本相同；濕度、風(fēng)向、風(fēng)速差異明顯，此三要素受局地環(huán)境、下墊面性質(zhì)影響顯著。勉縣三面環(huán)山，站場(chǎng)環(huán)境為鄉(xiāng)村，與漢中站的城市環(huán)境相比，風(fēng)速偏大、濕度較高符合一般性規(guī)律。800 m以上，風(fēng)向、風(fēng)速趨向一致，原因是邊界層以上受下墊面影響減弱，自由大氣趨向均一，而溫度出現(xiàn)一個(gè)弱逆溫層，與之配合，風(fēng)場(chǎng)的出現(xiàn)顯著變化，由東北轉(zhuǎn)為西風(fēng)。但是，漢中站探空測(cè)得的風(fēng)為順時(shí)針轉(zhuǎn)，而勉縣測(cè)得的是逆時(shí)針轉(zhuǎn)，這種差異與800 m左右的逆溫層有關(guān)，也顯示出在地形較復(fù)雜地區(qū)邊界層內(nèi)氣象要素分布代表性差、局地性強(qiáng)的特點(diǎn)?？梢钥闯?，小型多旋翼無(wú)人機(jī)觀測(cè)的溫度、相對(duì)濕度廓線與探空觀測(cè)具有較好的一致性，風(fēng)向和風(fēng)速數(shù)據(jù)有誤差但存在一致性，需要更多實(shí)驗(yàn)及校對(duì)測(cè)試。

2.2 小型多旋翼無(wú)人機(jī)觀測(cè)大氣成分

圖2分析了小型多旋翼無(wú)人機(jī)飛行過(guò)程中大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)隨高度和時(shí)間的變化規(guī)律。時(shí)間為2019年6月14日，測(cè)試地點(diǎn)為陜西漢中漢臺(tái)區(qū)，觀測(cè)的大氣成分為CO、SO2、NO2、O3以及顆粒物PM2.5、PM10。從本次小型多旋翼無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)在大氣環(huán)境環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用中可以看出，觀測(cè)結(jié)果與實(shí)況吻合，定量趨勢(shì)一致，定性等級(jí)一致。在無(wú)人機(jī)觀測(cè)高度為0～1 500 m的垂直探測(cè)中，對(duì)大氣成分的監(jiān)測(cè)可以補(bǔ)充環(huán)保空中觀測(cè)資料，同時(shí)若進(jìn)行高頻的連續(xù)觀測(cè)則可以為當(dāng)次環(huán)境氣象服務(wù)提供重要的數(shù)據(jù)參考。

通過(guò)在陜西漢中開(kāi)展對(duì)比觀測(cè)的檢驗(yàn)，校驗(yàn)了小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)的觀測(cè)系統(tǒng)，完成了示范站標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，制定小型多旋翼無(wú)人機(jī)觀測(cè)各類氣象要素的觀測(cè)流程和方法等。2018年至今，陜西進(jìn)行的小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)試驗(yàn)均按照上述規(guī)范開(kāi)展，在2019年11月的全國(guó)氣象觀測(cè)會(huì)上進(jìn)行的小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)現(xiàn)場(chǎng)試飛演示，也是完全按照規(guī)范相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行，得到了全國(guó)同行的肯定。通過(guò)系統(tǒng)性建設(shè)，可以使小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)資料具有代表性、準(zhǔn)確性、比較性和連續(xù)性，便于資料的共享和使用[9]。

圖2 2019-06-14陜西漢中大氣成分?jǐn)?shù)據(jù)隨小型多旋翼無(wú)人機(jī)飛行高度和時(shí)間變化對(duì)比圖

3 結(jié)語(yǔ)

目前我國(guó)1.5 km高度范圍內(nèi)的低空氣象探測(cè)還處于發(fā)展階段。針對(duì)氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)中小型旋翼無(wú)人機(jī)實(shí)施補(bǔ)充觀測(cè)的需要，陜西省研制出一套流程科學(xué)規(guī)范、系統(tǒng)可操作性強(qiáng)、可以自動(dòng)化控制飛行，并且自主完成多氣象要素觀測(cè)的小型旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)示范體系建設(shè)和試驗(yàn)規(guī)程，將小型多旋翼無(wú)人機(jī)作為觀測(cè)平臺(tái)，搭載集成度高、觀測(cè)能力強(qiáng)、準(zhǔn)確度高的機(jī)載氣象探測(cè)設(shè)備，并將小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)規(guī)范化、流程化，是適應(yīng)智慧氣象發(fā)展、有效提高近地面氣象觀測(cè)能力、進(jìn)一步發(fā)展氣象應(yīng)急保障服務(wù)的強(qiáng)有力手段和方法，具有廣闊的應(yīng)用業(yè)務(wù)前景。該小型多旋翼無(wú)人機(jī)氣象觀測(cè)示范體系的研發(fā)，對(duì)引入創(chuàng)新性技術(shù)、完成數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)比對(duì)、提高觀測(cè)效率、保證氣象觀測(cè)網(wǎng)安全、穩(wěn)定、可靠運(yùn)行具有關(guān)鍵的研究?jī)r(jià)值。經(jīng)過(guò)在陜西漢中試驗(yàn)基地的試驗(yàn)，證實(shí)可以通過(guò)逐步進(jìn)行業(yè)務(wù)化運(yùn)行，開(kāi)展小型多旋翼無(wú)人機(jī)定期或非定期氣象觀測(cè)，有效獲取邊界層內(nèi)部大氣氣象要素的垂直廓線，彌補(bǔ)近地面大氣探測(cè)資料的不足，對(duì)災(zāi)害性天氣監(jiān)測(cè)預(yù)警、霧霾精準(zhǔn)治理有著重要的意義。