基于旋翼無(wú)人機(jī)的大氣邊界層環(huán)境氣象垂直觀測(cè)及訂正方法的研究

徐家平 趙天良 陳燕 白永清 孫曉蕓 王淞 曹暢

(1.江蘇省氣候中心，江蘇 南京210009; 2.南京信息工程大學(xué)大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044;3.中國(guó)氣象局武漢暴雨研究所，湖北 武漢430205; 4.南京市氣象局，江蘇 南京210019; 5.南京信息工程大學(xué)大氣環(huán)境中心，江蘇 南京210044)

引言

大氣邊界層的垂直觀測(cè)，不僅是天氣預(yù)報(bào)模式、地氣交換等理論研究的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，還在空氣污染防治、生態(tài)環(huán)境保護(hù)、城市規(guī)劃等實(shí)際應(yīng)用上，具有重要的參考價(jià)值，涉及當(dāng)下我國(guó)較為突出的民生問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題[1]。基于旋翼無(wú)人機(jī)的邊界層氣象環(huán)境觀測(cè)，能夠在不同下墊面、不同天氣條件下開(kāi)展準(zhǔn)垂直觀測(cè)，具有更高的時(shí)空分辨率(觀測(cè)每小時(shí)1次、傳感器采樣頻率1—10 Hz，垂直升降速度0.5—4 m·s-1)，能顯著提升大氣邊界層廓線各觀測(cè)要素的解析力[2-4]，在特性層判定(逆溫層、穿云起止高度、急流等)、大氣結(jié)構(gòu)常數(shù)(折射率、溫度等)的精細(xì)解算、模式預(yù)報(bào)技巧的改善、大氣污染監(jiān)測(cè)等方面都有重要的研究意義及應(yīng)用價(jià)值。

近年來(lái)，一系列小型化、輕量化的氣象環(huán)境觀測(cè)儀器的成功研發(fā)，為基于旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)的大氣邊界層廓線觀測(cè)提供了新的契機(jī)[5]，與傳統(tǒng)人工及自動(dòng)化觀測(cè)手段相比，可呈現(xiàn)諸多優(yōu)勢(shì)[6-13](表1)。從觀測(cè)物理量上已涵蓋氣象常規(guī)要素(溫濕風(fēng)壓)[14-15]、輻射量(總輻射、四分量輻射、PAR(光合有效輻射)、紫外輻射等)、主要痕量氣體及污染物[16](SO2、CO、NO2、O3、PM2.5、PM10、VOC等)。得益于旋翼無(wú)人機(jī)的機(jī)動(dòng)性和較強(qiáng)的搭載能力，諸如交通PM2.5排放源的三維擴(kuò)散結(jié)構(gòu)[17]、高時(shí)空分辨率(垂直分辨率為2 m、時(shí)間分別率為小時(shí)級(jí))的溫濕廓線等觀測(cè)研究已有開(kāi)展[18]。相關(guān)研究進(jìn)一步從500 m以下的近地層拓展到1000 m以上的大氣邊界層，例如邊界層與污染物的相互作用、大氣污染物傳輸過(guò)程、邊界層頂?shù)膴A卷效應(yīng)等都得到了更精細(xì)的解析[19-21]；并逐步在生態(tài)環(huán)境[22-24]、農(nóng)學(xué)植保[25]、光學(xué)遙感[26-27]、地質(zhì)勘探[28]、空氣污染[18-19]等領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

表1 旋翼無(wú)人機(jī)在大氣邊界層觀測(cè)中的優(yōu)勢(shì)

然而，現(xiàn)有基于旋翼無(wú)人機(jī)的大氣環(huán)境觀測(cè)通常采用商業(yè)化無(wú)人機(jī)與觀測(cè)儀器的簡(jiǎn)單搭載來(lái)實(shí)現(xiàn)[29-30]，相關(guān)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制研究的缺乏已成為制約科學(xué)研究及業(yè)務(wù)應(yīng)用的突出問(wèn)題[18,31]。這一問(wèn)題的解決需要綜合考慮傳感器的選型與搭載位置、旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)環(huán)境傳感器的觀測(cè)影響(例如旋翼產(chǎn)生的下洗氣流對(duì)觀測(cè)要素的時(shí)滯效應(yīng)及擾動(dòng)影響、無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的傾角及旋轉(zhuǎn)對(duì)風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)的影響等)，并建立考慮旋翼無(wú)人機(jī)影響的探空數(shù)據(jù)訂正方法，明晰以上問(wèn)題有助于低層大氣物理化學(xué)機(jī)制研究的深入理解。并且，由于需要申請(qǐng)空域，500 m以上的大氣邊界層垂直觀測(cè)仍不多見(jiàn)，本研究可為相關(guān)科研應(yīng)用提供技術(shù)可行、數(shù)據(jù)可靠的觀測(cè)手段。

1 資料與方法

1.1 基于旋翼無(wú)人機(jī)的大氣邊界層環(huán)境氣象觀測(cè)系統(tǒng)

1.1.1 旋翼無(wú)人機(jī)環(huán)境氣象觀測(cè)平臺(tái)

研究表明[32]，旋翼無(wú)人機(jī)的飛行姿態(tài)(翻滾角、俯仰角、偏航角、位移、海拔高度)、旋翼的氣流干擾、觀測(cè)儀器性能及搭載位置等諸多因素都會(huì)對(duì)氣象環(huán)境的觀測(cè)產(chǎn)生顯著影響?？捎绊懓貪穸萚16,33-34]、風(fēng)速風(fēng)向[35]，還涉及PM2.5[16,36]、痕量氣體[34,37]等大氣環(huán)境要素的觀測(cè)，所產(chǎn)生的誤差都可能超過(guò)世界氣象組織WMO的高空觀測(cè)要求[38]。

本研究基于同類機(jī)型的氣動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)及文獻(xiàn)調(diào)研[16,39]，充分考慮旋翼擾流對(duì)氣象環(huán)境傳感器的影響，依據(jù)邊界層探空實(shí)際需求自主設(shè)計(jì)研發(fā)了邊界層探測(cè)無(wú)人機(jī)(圖1)，風(fēng)桿距離旋翼垂直高度為60 cm，中心下部半球?yàn)榄h(huán)境氣象觀測(cè)艙，約高出無(wú)人機(jī)旋翼水平面20 cm，可放置溫濕度儀、大氣顆粒物及污染物傳感器等儀器。

圖1 大氣邊界層旋翼無(wú)人機(jī)的外觀圖

表2詳細(xì)列出了旋翼無(wú)人機(jī)開(kāi)展邊界層觀測(cè)應(yīng)具備的基礎(chǔ)性能參數(shù)。作為邊界層探空的搭載平臺(tái)，旋翼無(wú)人機(jī)的升限、載荷、滯空時(shí)間以及適用的工作環(huán)境(如抗風(fēng)能力、防水能力等)已充分考慮了大氣邊界層內(nèi)典型的氣象環(huán)境；系統(tǒng)性能(升降速率、GPS定位精度、飛行姿態(tài)等)和安全系統(tǒng)(自動(dòng)返航機(jī)制、避障等)依循相關(guān)法律規(guī)范并符合大氣邊界層探測(cè)過(guò)程中實(shí)際的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)估；所搭載的傳感器性能(探測(cè)頻率、靈敏度、穩(wěn)定度等)能滿足相關(guān)業(yè)務(wù)或科研的目標(biāo)需求。

表2 邊界層旋翼無(wú)人機(jī)開(kāi)展應(yīng)具備的基礎(chǔ)性能參數(shù)

1.1.2 氣象環(huán)境傳感器的選型

溫濕壓傳感器應(yīng)具備反應(yīng)速率快、熱滯效應(yīng)小、系統(tǒng)誤差小等特點(diǎn)[40]，還應(yīng)充分考慮溫度傳感器的輻射效應(yīng)、濕度傳感器的高濕響應(yīng)及穿云前后的性能差異。溫濕壓傳感器的選型可充分參考探空氣球的設(shè)計(jì)方案[29-30]，并兼顧可長(zhǎng)期反復(fù)使用的需求。

旋翼無(wú)人機(jī)的風(fēng)速風(fēng)向是通過(guò)傳感器原位觀測(cè)所得，這與傳統(tǒng)探空氣球基于位移法方法顯著不同。由于受到旋翼無(wú)人機(jī)擾流、空中飛行姿態(tài)、GPS定位精度等影響，風(fēng)傳感器的選型及準(zhǔn)確測(cè)量是基于旋翼無(wú)人機(jī)開(kāi)展大氣邊界層廓線觀測(cè)的難點(diǎn)[41]。風(fēng)傳感器主要包括皮托管、風(fēng)杯風(fēng)標(biāo)、超聲、熱線式和壓力式風(fēng)傳感器等。其中熱線式風(fēng)傳感器不能觀測(cè)風(fēng)向并且易損；皮托管則無(wú)法在垂直升降的情況下準(zhǔn)確測(cè)量水平風(fēng)；一體式風(fēng)速風(fēng)向計(jì)存在體積較大，風(fēng)標(biāo)隨風(fēng)向旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生額外機(jī)械應(yīng)力等安全隱患；壓力式風(fēng)傳感器則受制于壓力檢測(cè)下限，對(duì)1.5 m·s-1以下的風(fēng)速并不能有效表征。相較而言，超聲風(fēng)傳感器具備牢固耐用、機(jī)械體積小、對(duì)高頻風(fēng)信號(hào)較為敏感等特點(diǎn)，是理想的選擇。需特別指出的是，由于旋翼無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生下洗氣流和擾流，其風(fēng)速可達(dá)大氣邊界層典型垂直風(fēng)(±0.5 m·s-1)的10倍以上，不利于開(kāi)展垂直風(fēng)的觀測(cè)及訂正，因此一般采用二維超聲風(fēng)傳感器即可。

對(duì)于大氣顆粒物及污染物，輕型化的儀器多基于激光散射和電化學(xué)反應(yīng)池，可實(shí)現(xiàn)多粒徑段、多污染物的觀測(cè)。雖然無(wú)人機(jī)的垂直移動(dòng)(氣壓相關(guān))及震動(dòng)會(huì)影響傳感器可靠性，但在低速條件下(≤2 m·s-1)仍能較好地呈現(xiàn)水平分布和廓線特征。

綜上，本研究集成搭載了iMet-XF溫濕壓傳感器(International Met Systems)，分別采用負(fù)溫電阻、薄膜電容和硅壓阻電橋探測(cè)元器件，時(shí)間分辨率為1 s；FT-205二維超聲風(fēng)速儀(FT Technologies Ltd.)，時(shí)間分辨率為1—10 Hz可選；Lighthouse HandHeld 3016 IAQ多粒徑段顆粒物傳感器(Lighthouse worldwide Solutions)，采用激光散射法，時(shí)間分辨率為5 s；Sniffer 4D V2環(huán)境6要素(SO2、CO、NO2、O3、PM2.5和PM10)(深圳市可飛科技有限公司)，采用電化學(xué)反應(yīng)池及激光散射原理，時(shí)間分辨率為1 s。

1.2 大氣邊界層環(huán)境氣象觀測(cè)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)

基于前述自主研發(fā)的邊界層旋翼無(wú)人機(jī)，于2018年1月18日14時(shí)，在南京信息工程大學(xué)氣象樓北側(cè)草坪，開(kāi)展了溫濕壓傳感器與GPS-BL探空氣球系統(tǒng)[42]的溫濕度對(duì)比觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)期間為多云，氣溫8 ℃，東北風(fēng)2級(jí)。并于2020年4月30日10時(shí)進(jìn)一步開(kāi)展了溫濕壓傳感器搭載于旋翼無(wú)人機(jī)不同位置的觀測(cè)影響和差異。實(shí)驗(yàn)期間為晴天，西南風(fēng)3—4級(jí)。

對(duì)于風(fēng)傳感器，于2019年4月15日15時(shí)，在安徽官渡大氣環(huán)境實(shí)驗(yàn)基地與梯度鐵塔數(shù)據(jù)開(kāi)展了風(fēng)傳感器的對(duì)比觀測(cè)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)展階段為晴天，氣溫21 ℃，西南風(fēng)3級(jí)。用于對(duì)比的風(fēng)傳感器是EC150三維超聲風(fēng)速儀(Campbell Scientific Inc.)，位于鐵塔70 m處。

本研究在湖北荊州定量農(nóng)場(chǎng)進(jìn)一步開(kāi)展了針對(duì)冬季重污染天氣的0—1000 m的邊界層垂直觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，搭載了溫濕壓及污染物傳感器。本文所用數(shù)據(jù)為2020年12月20日20時(shí)的邊界層探測(cè)數(shù)據(jù)，為了驗(yàn)證基于旋翼無(wú)人機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的訂正方法以及邊界層氣象環(huán)境觀測(cè)數(shù)據(jù)可靠性。實(shí)驗(yàn)時(shí)段天氣為晴天，北風(fēng)2級(jí)，氣溫7—8 ℃，相對(duì)濕度高于85%，為重污染天氣。

實(shí)驗(yàn)中高于500 m的實(shí)驗(yàn)均向中國(guó)民航管理局備案申請(qǐng)，并由執(zhí)照飛手操作。

2 結(jié)果分析

2.1 旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)氣象環(huán)境傳感器觀測(cè)的影響

2.1.1 旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)溫濕度觀測(cè)的影響

圖2和圖3展示了溫濕壓傳感器搭載于旋翼無(wú)人機(jī)不同位置的觀測(cè)影響和差異。實(shí)驗(yàn)時(shí)間為2020年4月30日上午，2套iMet-XF溫濕傳感器分別搭載于無(wú)人機(jī)機(jī)身中央上方和機(jī)身中央下方。實(shí)驗(yàn)開(kāi)展了2次廓線探測(cè)，第一次上升速度為2 m·s-1，降落速度為2 m·s-1，飛行垂直高度為0—150 m(圖2)。第二次上升速度為4 m·s-1，降落速度為2 m·s-1，飛行垂直高度為0—200 m(圖3)。在無(wú)輻射罩的情況下，當(dāng)溫濕度傳感器處于旋翼無(wú)人機(jī)下方時(shí)，容易受到旋翼葉片下洗氣流的嚴(yán)重影響，廓線數(shù)據(jù)在形態(tài)上有明顯的抖動(dòng)，呈現(xiàn)不穩(wěn)定狀態(tài)；溫濕度傳感器的中心上方則是受旋翼氣流影響最小的區(qū)域[41]，觀測(cè)波動(dòng)亦較小(表3和表4)，這與已有文獻(xiàn)結(jié)果一致[16]。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)還表明，溫濕度觀測(cè)應(yīng)有防輻射處理；傳感器的時(shí)滯現(xiàn)象和無(wú)人機(jī)氣流可引起上下行廓線的相位差，可通過(guò)最大協(xié)方差方法匹配予以消除；氣壓傳感器的測(cè)量基本不受無(wú)人機(jī)飛行狀態(tài)和搭載位置的影響。

表4 2020年4月30日上午南京地區(qū)大氣垂直廓線觀測(cè)實(shí)驗(yàn)2中各實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的誤差統(tǒng)計(jì)量

圖2 2020年4月30日上午南京地區(qū)大氣氣溫(a)、相對(duì)濕度(b)和氣壓(c)垂直廓線觀測(cè)(實(shí)驗(yàn)1)

圖3 2020年4月30日上午南京地區(qū)大氣氣溫(a)、相對(duì)濕度(b)和氣壓(c)垂直廓線觀測(cè)(實(shí)驗(yàn)2)

表3 2020年4月30日上午在南京地區(qū)垂直廓線觀測(cè)實(shí)驗(yàn)1中各實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的誤差統(tǒng)計(jì)量

圖4則展示了旋翼無(wú)人機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)與GPS-BL探空氣球系統(tǒng)的0—1500 m的溫濕壓對(duì)比觀測(cè)。旋翼無(wú)人機(jī)觀測(cè)系統(tǒng)搭載iMet-XF，置于無(wú)人機(jī)中心正上方20 cm。從溫濕廓線看，總體上旋翼無(wú)人機(jī)與探空氣球觀測(cè)的溫濕廓線都有很好的一致性，其中上行數(shù)據(jù)的一致性更好。無(wú)人機(jī)上行數(shù)據(jù)、下行數(shù)據(jù)和探空氣球在10—1000 m的平均氣溫分別為4.8 ℃、5.0 ℃和4.9 ℃，平均濕度分別為82.7%、83.1%和77.3%。相較探空數(shù)據(jù)，下行數(shù)據(jù)有明顯的時(shí)滯的現(xiàn)象。顆粒物在760 m處明顯有夾卷層，1000 m可降至27 μg·m3，但上下行差異較大，在840 m高度，兩者差異可達(dá)117.6 μg·m3，這一誤差不僅來(lái)自于旋翼擾流，還具有一定濕度依賴性[20]。

圖4 2018年1月18日14時(shí)在南京地區(qū)旋翼無(wú)人機(jī)與探空氣球的0—1500 m的氣溫(a)、相對(duì)濕度(b)和PM2.5(c)對(duì)比觀測(cè)

2.1.2 旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)風(fēng)速風(fēng)向的影響

圖5為安徽官渡大氣環(huán)境實(shí)驗(yàn)基地旋翼無(wú)人機(jī)懸停與70 m梯度鐵塔三維超聲風(fēng)數(shù)據(jù)的對(duì)比觀測(cè)，水平距離保持在20 m左右(圖1),結(jié)果證明兩者的風(fēng)速和風(fēng)向有很好的一致性，相關(guān)性分別可達(dá)0.84和0.91。旋翼無(wú)人機(jī)所觀測(cè)的風(fēng)速比鐵塔高出1.5 m·s-1，這與旋翼的氣流擾動(dòng)有關(guān)，旋翼一般會(huì)帶來(lái)2 m·s-1左右的風(fēng)速增量[41]；風(fēng)向的差異則維持在15°左右，這是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)及風(fēng)傳感器羅盤的共同誤差，并且當(dāng)無(wú)人機(jī)處于懸停狀態(tài)下，GPS位置鎖定和姿態(tài)自穩(wěn)功能會(huì)導(dǎo)致無(wú)人機(jī)產(chǎn)生輕微的傾角和自轉(zhuǎn)，這種動(dòng)平衡狀態(tài)所造成的位移和拖曳力會(huì)給風(fēng)向帶來(lái)一定不確定性。這一結(jié)果與Schiano等[15]基于風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)獲取的氣動(dòng)結(jié)果相一致。Villa等[16]研究了大疆S600六軸旋翼無(wú)人機(jī)工作狀態(tài)下的三維風(fēng)場(chǎng)，在無(wú)人機(jī)中心上方60—80 cm處下沉氣流速度不再有明顯減小的趨勢(shì)，這也是本研究將風(fēng)桿高度設(shè)置在60 cm的主要因素。

圖5 2019年4月15日15時(shí)在安徽全椒縣旋翼無(wú)人機(jī)與高塔風(fēng)速(a)和風(fēng)向(b)數(shù)據(jù)的對(duì)比

2.2 旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)氣象環(huán)境觀測(cè)的訂正方法

基于旋翼無(wú)人機(jī)的氣象環(huán)境廓線觀測(cè)屬于探空數(shù)據(jù)的一種，需根據(jù)或充分參考常規(guī)高空氣象觀測(cè)業(yè)務(wù)規(guī)范進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，如要素間一致性檢查、時(shí)間一致性檢查、持續(xù)性檢查等步驟對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制都有較好的可復(fù)制性[30,43-44]。從方法上包括，明顯錯(cuò)誤值剔除、最小二乘法多項(xiàng)式擬合平滑、歷史資料趨勢(shì)對(duì)比、儀器系統(tǒng)誤差訂正等。取決于傳感器的類型及搭載方式，必要時(shí)還應(yīng)對(duì)溫濕度進(jìn)行輻射訂正、并根據(jù)無(wú)人機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)(升降速度)對(duì)各型氣象環(huán)境傳感器進(jìn)行時(shí)滯訂正及誤差訂正。

2.2.1 風(fēng)速、風(fēng)向的觀測(cè)與訂正方法

針對(duì)旋翼無(wú)人機(jī)風(fēng)的觀測(cè)，Riccardi[45]和屈耀紅等[46]基于風(fēng)洞和氣動(dòng)仿真實(shí)驗(yàn)各自給出了基于旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)的大氣風(fēng)速風(fēng)向解算方法，為風(fēng)訂正提出了可行方法。Javier[35]則研發(fā)了僅根據(jù)四軸旋翼無(wú)人機(jī)空中姿態(tài)直接計(jì)算風(fēng)速風(fēng)向。該方法認(rèn)為風(fēng)的曳力是導(dǎo)致旋翼無(wú)人機(jī)傾斜的主因，而無(wú)人機(jī)飛行控制處理器會(huì)通過(guò)改變旋翼旋轉(zhuǎn)速度并產(chǎn)生相應(yīng)推力來(lái)平衡風(fēng)的拖曳力來(lái)確保無(wú)人機(jī)的平衡。因此，高空風(fēng)速風(fēng)向可以通過(guò)建立無(wú)人機(jī)姿態(tài)、拖曳力、風(fēng)速風(fēng)向三者之間關(guān)系，并采用力解平衡關(guān)系、線性關(guān)系或卡爾曼濾波的方法進(jìn)行反算。但在小風(fēng)情況下，無(wú)人機(jī)處于動(dòng)態(tài)微調(diào)的自平衡狀態(tài)，因此對(duì)大氣靜穩(wěn)條件下風(fēng)速風(fēng)向的反演存在不足。一些研究人員[47-50]以及沈懷榮等[50]則采用不同俯仰角、翻滾角、偏航角和水平風(fēng)速為因子開(kāi)展固定翼氣象無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制誤差訂正，并開(kāi)展了與風(fēng)廓線儀、探空小球等傳統(tǒng)方法的對(duì)比觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，為旋翼無(wú)人機(jī)的數(shù)據(jù)訂正方法控制提供了重要參考。

但對(duì)于無(wú)法開(kāi)展風(fēng)洞和仿真實(shí)驗(yàn)的科研或業(yè)務(wù)探測(cè)，風(fēng)數(shù)據(jù)適宜先采用數(shù)理模型進(jìn)行訂正。本研究開(kāi)發(fā)了一套基于無(wú)人機(jī)空中姿態(tài)的訂正方法[51]，通過(guò)無(wú)人機(jī)移動(dòng)補(bǔ)償、三維坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)矩陣訂正，并結(jié)合上下行數(shù)據(jù)識(shí)別匹配(最大協(xié)方差法)、高空探測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制、垂直剖面格點(diǎn)化等步驟。方法可應(yīng)用于訂正由于無(wú)人機(jī)空中姿態(tài)導(dǎo)致的風(fēng)速風(fēng)向的觀測(cè)誤差，并對(duì)于仍存在的風(fēng)速誤差，進(jìn)一步尋找其他無(wú)人機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)等外部環(huán)境因子(旋翼轉(zhuǎn)速、傳感器在無(wú)人機(jī)的位置等)與觀測(cè)差異之間的關(guān)系，擬合各未知待定參數(shù)，確定訂正方程，提升對(duì)邊界層風(fēng)速風(fēng)向觀測(cè)的數(shù)據(jù)質(zhì)量。

ΔWS=f(Power,Dx,Dy,E)

(1)

式(1)中，△WS為仍存在的風(fēng)速誤差；Power為旋翼轉(zhuǎn)速；用于表征旋翼風(fēng)帶來(lái)的可能影響；Dx和Dy分別為傳感器離無(wú)人機(jī)中心點(diǎn)x軸和y軸的距離；E為殘差項(xiàng)，表征系統(tǒng)誤差。

2.2.2 溫、濕度及大氣成分的觀測(cè)與訂正方法

對(duì)于溫濕度和大氣成分的觀測(cè)訂正，溫濕度誤差訂正可進(jìn)一步考慮訂正后的風(fēng)速(WScali)和本身觀測(cè)的溫濕度(Traw和RHraw)作為主要因子并進(jìn)行篩選，建立相應(yīng)的擬合方程，具體如下：

ΔT=f(Power,DS,Dx,Dy,WScali,Traw,RHraw,E)

(2)

ΔRH=f(Power,DS,Dx,Dy,WScali,Traw,RHraw,E)

(3)

對(duì)于大氣顆粒物及大氣污染氣體，其觀測(cè)誤差主要和儀器擺放位置有關(guān)[32]。在正常的工作環(huán)境下，光學(xué)顆粒物檢測(cè)儀(內(nèi)部控溫控壓)顆粒污染物和痕量氣體的觀測(cè)誤差可以表征為傳感器離無(wú)人機(jī)中心所處位置的線性函數(shù)。

ΔPM2.5=f(Dx,Dy,E)

(4)

此外，在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，大氣成分的觀測(cè)還存在比較明顯的時(shí)滯效應(yīng)(圖3)。時(shí)滯效應(yīng)與氣路長(zhǎng)度、進(jìn)樣流速、傳感器光腔或化學(xué)反應(yīng)池的響應(yīng)時(shí)間等有關(guān)，可據(jù)此進(jìn)行數(shù)據(jù)的高度訂正?；谛頍o(wú)人機(jī)的大氣成分觀測(cè)還會(huì)存在以下問(wèn)題：現(xiàn)有可搭載于無(wú)人機(jī)的大氣成分傳感器大多并不適用于高濕環(huán)境(濕度大于95%)；化學(xué)反應(yīng)池在無(wú)人機(jī)高度及氣壓變化太快時(shí)(垂直方向速度>2 m·s-1)數(shù)據(jù)失真；部分光學(xué)傳感器對(duì)無(wú)人機(jī)的震動(dòng)較為敏感。

2.2.3 邊界層氣象環(huán)境旋翼無(wú)人機(jī)觀測(cè)

2020年12月10日20時(shí)，湖北荊州處于重污染天氣，本研究在湖北荊州近郊定量農(nóng)場(chǎng)開(kāi)展了0—1000 m的邊界層探空實(shí)驗(yàn)，圖6和圖7為旋翼無(wú)人機(jī)廓線觀測(cè)訂正前后的上升階段數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)中無(wú)人機(jī)以2 m·s-1保持勻速上升，可獲取10 m垂直分辨率的顆粒物數(shù)據(jù)和2 m垂直分辨率的溫濕風(fēng)壓及污染氣體數(shù)據(jù)。需要指出的是，為保證地面人員安全，旋翼無(wú)人機(jī)從50 m垂直爬升至100 m的過(guò)程中，同時(shí)在水平方向上向西南側(cè)的空地方向飛行了100 m。由圖6可以發(fā)現(xiàn)，地面至100 m有顯著的接地逆溫層，逆溫梯度可達(dá)0.79 ℃·100 m-1；伴隨逆溫層，顆粒物在100 m下有明顯的堆積現(xiàn)象。350—450 m，風(fēng)向逐步從西南轉(zhuǎn)向東北風(fēng)，風(fēng)速?gòu)? m·s-1增加到5 m·s-1，相對(duì)濕度也隨上層氣流快速降低；顆粒物濃度通過(guò)垂直及水平輸送迅速降低，夾卷層厚度可達(dá)80 m(332—412 m)。此外，在穩(wěn)定邊界層SO2和CO同樣呈現(xiàn)出一定的判別邊界層穩(wěn)定層結(jié)及邊界層高度的能力[19]，可為灰霾污染條件下大氣邊界層結(jié)構(gòu)的判定及對(duì)污染物垂直分布的影響提供技術(shù)支撐。

圖6 2020年12月20日20時(shí)湖北荊州基于旋翼無(wú)人機(jī)0—1000 m的氣溫(a)、相對(duì)濕度(b)、風(fēng)速(c)、風(fēng)向(d)和氣壓(e)廓線觀測(cè)

通過(guò)對(duì)比觀測(cè)數(shù)據(jù)和訂正結(jié)果表明,基于旋翼無(wú)人機(jī)姿態(tài)及GPS信息數(shù)據(jù)，可以有效訂正無(wú)人機(jī)在50—100 m高度由于水平移動(dòng)造成的風(fēng)速風(fēng)向誤差。但由于無(wú)人機(jī)水平移動(dòng)過(guò)程中各個(gè)旋翼轉(zhuǎn)速不同、并且無(wú)人機(jī)相對(duì)空氣的正負(fù)加速度所產(chǎn)生機(jī)械亂流，因此訂正后在水平移動(dòng)開(kāi)始和結(jié)束后的時(shí)段仍會(huì)出現(xiàn)少量野點(diǎn)。此處未進(jìn)一步剔除野點(diǎn)，主要是為顯示這一現(xiàn)象的存在。同時(shí)，較快的水平移動(dòng)對(duì)氣溫和大氣顆粒物的觀測(cè)也有一定波動(dòng)影響，該效應(yīng)可顯見(jiàn)于50—100 m高度的氣溫廓線上，這需要通過(guò)臨近數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑校準(zhǔn)。還值得注意的是，當(dāng)無(wú)人機(jī)以2 m·s-1勻速上升時(shí)，基于激光原理的大氣顆粒物傳感器能較好地表征邊界層廓線，各粒徑段有很好的一致性；但對(duì)于基于化學(xué)反應(yīng)池原理的大氣污染物傳感器，在氣壓快速變化條件下(高度變化所致)，傳感器內(nèi)部的化學(xué)溶液不能快速達(dá)到新的電平衡狀態(tài)，從而無(wú)法準(zhǔn)確刻畫(huà)廓線特征，這一現(xiàn)象在500 m以上CO的廓線表現(xiàn)得尤為明顯(圖7)。從原理上，想實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)池的準(zhǔn)確響應(yīng)，無(wú)人機(jī)的垂直速度應(yīng)控制在0.5 m·s-1以下或分高度層開(kāi)展懸停觀測(cè)，但這對(duì)邊界層旋翼無(wú)人機(jī)的探測(cè)高度有較大影響，需依據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)有所取舍。

圖7 2020年12月20日20時(shí)湖北荊州基于旋翼無(wú)人機(jī)0—1000 m PM0.5 (a)、PM1.0 (b)、PM2.5 (c)、PM5 (d)、PM10 (e)、SO2 (f)和CO (g)廓線觀測(cè)

3 結(jié)論與討論

(1)旋翼無(wú)人機(jī)性能和儀器搭載方式是精細(xì)捕捉氣象環(huán)境邊界層廓線特征的關(guān)鍵。旋翼可導(dǎo)致器測(cè)風(fēng)速變大和風(fēng)向偏轉(zhuǎn)，溫濕度及污染物產(chǎn)生時(shí)滯效應(yīng)和一定抖動(dòng)。綜合而言，環(huán)境傳感器適宜搭載于旋翼無(wú)人機(jī)的正上方，其中風(fēng)傳感器應(yīng)置于旋翼無(wú)人機(jī)正上方60 cm及以上，以最大可能減少旋翼擾流影響。觀測(cè)中垂直移動(dòng)速度在0.5—2.0 m·s-1為宜，其中上行數(shù)據(jù)更具代表性。實(shí)驗(yàn)中還應(yīng)充分考慮法律政策及當(dāng)?shù)氐脑S可認(rèn)證[43,52-53]。

(2)本研究自主研發(fā)的邊界層無(wú)人機(jī)及訂正方法，能較好地捕捉氣象環(huán)境邊界層廓線特征。同時(shí)各型傳感器采樣頻率及響應(yīng)能力不一致的問(wèn)題、無(wú)人機(jī)高速移動(dòng)及震動(dòng)對(duì)光學(xué)和化學(xué)反應(yīng)池類型傳感器可靠性的影響等技術(shù)瓶頸仍然有待解決。

(3)基于對(duì)比實(shí)驗(yàn)和數(shù)理方法的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制已廣泛應(yīng)用于探空數(shù)據(jù)訂正[54-56]。旋翼無(wú)人機(jī)的邊界層觀測(cè)數(shù)據(jù)可綜合考慮氣象環(huán)境要素等主要因子，并將更多旋翼無(wú)人機(jī)狀態(tài)參數(shù)納入訂正方法[57-59]，可有效提升數(shù)據(jù)可靠性、拓展觀測(cè)應(yīng)用范圍[29,60]。但以旋翼無(wú)人機(jī)開(kāi)展邊界層氣象環(huán)境精細(xì)觀測(cè)的仍不多見(jiàn)，有待進(jìn)一步加強(qiáng)研究。

(致謝：感謝南京信息工程大學(xué)朱彬、王成剛和嚴(yán)佳德老師提供觀測(cè)儀器及技術(shù)指導(dǎo))