人工影響天氣探測(cè)作業(yè)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)發(fā)展與挑戰(zhàn)

康銳

【摘 要】高空探測(cè)在氣象觀測(cè)過(guò)程中具有十分重要的必要性，但其極易受復(fù)雜天氣影響，比如自然降雨?雨雪天氣和雷電天氣等復(fù)雜的氣象變化，都有可能會(huì)導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果出現(xiàn)偏差?所謂復(fù)雜天氣和氣象變化本質(zhì)上就是大氣中氣壓?溫度?濕度以及降水等自然環(huán)境的變化，會(huì)對(duì)高空探測(cè)儀器造成直接影響?為了保證高空探測(cè)的精準(zhǔn)度和安全性，我們需要從多個(gè)角度?多個(gè)方面對(duì)復(fù)雜天氣中存在的影響因素進(jìn)行分析，盡可能減少因氣象變化而對(duì)高空探測(cè)造成的影響?文章主要通過(guò)以雨雪天氣為例來(lái)對(duì)在特殊天氣情況下高空探測(cè)工作進(jìn)行分析，并針對(duì)存在的影響移速提出科學(xué)?可行具有針對(duì)性的防范對(duì)策，以期對(duì)我國(guó)未來(lái)氣象觀測(cè)中高空探測(cè)的不斷發(fā)展和完善提供參考依據(jù)?

【關(guān)鍵詞】人工；天氣探測(cè)；無(wú)人機(jī)系統(tǒng)；挑戰(zhàn)

中圖分類號(hào)：TP391.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1?復(fù)雜天氣對(duì)高空探測(cè)工作造成的影響

1.1?雷暴高空探測(cè)工作

雷暴天氣往往屬于一種具有較強(qiáng)的破壞性氣象，對(duì)地面設(shè)備?應(yīng)答器等各項(xiàng)設(shè)施都造成破壞，導(dǎo)致高空探空儀無(wú)法接受信號(hào)，故而無(wú)論釋放時(shí)間如何計(jì)劃，在強(qiáng)雷暴天氣或雷暴即將當(dāng)空時(shí)都必須禁止施放?針對(duì)這種現(xiàn)象，大可以借助積雨云去向和高空風(fēng)來(lái)向等因素來(lái)對(duì)雷暴的移動(dòng)方向進(jìn)行預(yù)判，在探空前要對(duì)雷暴氣象的動(dòng)態(tài)變化?波動(dòng)幅度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，盡可能減少氣球施放后在雷暴區(qū)域受到雷擊破壞的不良狀況發(fā)生?

1.2?雨雪天氣高空探測(cè)工作

（1）氣球投放時(shí)機(jī)：針對(duì)探空氣球的投放時(shí)機(jī)有著明確的規(guī)定，規(guī)定了許多探空氣球的禁放環(huán)境，比如基測(cè)不合格?探空儀器失靈，值得強(qiáng)調(diào)的是在雨雪天氣等特殊情況下規(guī)定的是延遲施放，也就是要對(duì)投放時(shí)機(jī)進(jìn)行更為嚴(yán)格的把控?如果強(qiáng)行進(jìn)行探空氣球的投放，將會(huì)直接降低探測(cè)所得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度?（2）氣球投放高度：在雨雪天氣中，云層會(huì)較平時(shí)產(chǎn)生厚度增加的變化，對(duì)氣球的上升產(chǎn)生一定的阻力，致使探空氣球無(wú)法上升到既定的?適宜的高度?除云層厚度影響之外，更為嚴(yán)重的是可能會(huì)與降水結(jié)晶體撞擊而導(dǎo)致氣球破損?

1.3?強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)高空氣象探測(cè)的影響

由于強(qiáng)對(duì)流天氣會(huì)出現(xiàn)短期的強(qiáng)雷暴?冰雹?強(qiáng)降水以及龍卷風(fēng)現(xiàn)象，因而又被人們稱為災(zāi)害性天氣?同時(shí)，強(qiáng)對(duì)流天氣具有水平尺度小?影響強(qiáng)度大?發(fā)生期較短等特點(diǎn)，當(dāng)出現(xiàn)雷暴?閃電等現(xiàn)象時(shí)，會(huì)引發(fā)傳感器變性；當(dāng)出現(xiàn)強(qiáng)降水時(shí)，會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)接收記錄的異常現(xiàn)象；當(dāng)出現(xiàn)大風(fēng)時(shí)，極易使探測(cè)儀器與風(fēng)向阻礙物發(fā)生碰撞?因此，在高空氣象探測(cè)工作中，應(yīng)根據(jù)實(shí)際的探測(cè)情況，發(fā)送高空氣象情報(bào)報(bào)文?并不斷完善探測(cè)系統(tǒng)，引進(jìn)先進(jìn)的探測(cè)設(shè)備，提高探測(cè)人員的工作熱情，以提升高空氣象探測(cè)質(zhì)量，降低強(qiáng)對(duì)高空氣象探測(cè)工作所帶來(lái)的負(fù)面影響，推動(dòng)高空氣象探測(cè)工作的順利開展?

2?多旋翼無(wú)人飛行器在氣象業(yè)務(wù)活動(dòng)中的主要應(yīng)用

2.1?邊界層科學(xué)研究

美國(guó)國(guó)家海洋和大氣局自2015年10月以來(lái)，在橡樹嶺的諾克斯無(wú)線電控制模型飛行場(chǎng)（KCRC）進(jìn)行了18次多旋翼無(wú)人飛行器大氣邊界層探測(cè)技術(shù)測(cè)試和可行性評(píng)估，驗(yàn)證由多旋翼無(wú)人飛行器獲取的測(cè)量數(shù)據(jù)能否更好地用于了解邊界層，特別是在暴風(fēng)雨形成期間的邊界層演變；能否用于測(cè)量中尺度大氣模式；以及如何運(yùn)用飛行器，使其作為風(fēng)暴/龍卷風(fēng)評(píng)估和實(shí)驗(yàn)預(yù)測(cè)的氣象診斷工具?項(xiàng)目使用DJIS-1000多旋翼無(wú)人飛行器作為載荷平臺(tái)，配備了4套iMet-XQ國(guó)際氣象系統(tǒng)（包括溫度?濕度和壓力傳感器），以及FLIR紅外攝像機(jī)和GoPro可見(jiàn)光攝像機(jī)，有多個(gè)波長(zhǎng)通道用以記錄飛行器下的地表氣象情況?飛行場(chǎng)內(nèi)架設(shè)有量值可 追 溯 到 國(guó) 家 標(biāo) 準(zhǔn) 與 技 術(shù) 研 究 所（NIST，National Institute of Standards and Technology）的氣象塔，用于數(shù)據(jù)比對(duì)?測(cè)試時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在飛行器上并在飛行后下載分析?測(cè)試結(jié)果表明，在多種條件下，飛行器均可以在垂直?水平和懸停飛行時(shí)進(jìn)行氣象要素探測(cè)和反演，證明了多旋翼無(wú)人飛行器進(jìn)行大氣研究的潛力和可行性?

2.2?多旋翼無(wú)人飛行器用于人工影響天氣作業(yè)

無(wú)人機(jī)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)逐漸成為人工影響天氣的新手段?2016年，美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的氣象研發(fā)團(tuán)隊(duì)啟動(dòng)了利用無(wú)人機(jī)開展人工影響天氣的研究?此項(xiàng)研究由美國(guó)內(nèi)華達(dá)州沙漠研究所?“無(wú)人機(jī)美國(guó)”（DroneAmerica）公司以及“航空視野”（AviSight）空域數(shù)據(jù)服務(wù)公司合作開展，目標(biāo)是制造能夠承載云催化設(shè)備的無(wú)人機(jī)用于人工降雨，改善干旱地區(qū)的降雨?duì)顩r?目前，該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)研發(fā)出首個(gè)自主云種散播平臺(tái)DAx8型無(wú)人機(jī)，如圖1所示?該無(wú)人機(jī)在2016年01月底成功完成了測(cè)試飛行，確認(rèn)可以裝載云催化劑，通過(guò)向云層播撒碘化銀微粒，可增加15%的降水量?

2.3?大氣成分分析研究

多旋翼無(wú)人飛行器也可用于收集關(guān)于大氣成分和氣體濃度垂直分布?歐洲SAL引擎公司與意大利博洛尼亞大學(xué)合作，利用多旋翼無(wú)人飛行器對(duì)火山氣體的濃度和分布進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)飛行器收集的火山噴發(fā)柱和羽流數(shù)據(jù)與機(jī)載的衛(wèi)星數(shù)據(jù)比較，改進(jìn)單純依賴衛(wèi)星數(shù)據(jù)的火山爆發(fā)羽流模型，使用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)建立火山灰云的準(zhǔn)確圖像?這將減小火山爆發(fā)期間需要關(guān)閉的空域面積，帶來(lái)航空經(jīng)濟(jì)效益?項(xiàng)目使用ESAFLYA2500多旋翼飛行器，如圖2所示，該飛行器使用碳纖維部件改善剛性和重量，直徑100cm，高度30cm?它由兩個(gè)電池組（每個(gè)5000mAh）供電，自主飛行時(shí)間為15～20min?有效載荷為1.7kg，最大飛行高度200m（但由于意大利航空規(guī)定，限制為70m）?裝備有熱成像相機(jī)3600AS（TE3600AS），用于微波輻射測(cè)量，由多組30μm間距探測(cè)器組成，光譜響應(yīng)范圍為7～14μm，熱靈敏度小于50mK，飽和溫度為600℃，具有25Hz的實(shí)時(shí)幀速率，并產(chǎn)生PAL視頻輸出?該實(shí)驗(yàn)于2012年06月進(jìn)行，繪制了兩個(gè)區(qū)域?一個(gè)對(duì)應(yīng)于通常由原位測(cè)量映射的區(qū)域，另一個(gè)是以前從未映射的區(qū)域?該第二區(qū)域用于交叉驗(yàn)證由6旋翼飛行器獲取的圖像與由地面FLIR相機(jī)獲取的圖?

結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，復(fù)雜天氣對(duì)高空探測(cè)的影響方面較多且較為嚴(yán)重，因此，我們必須加強(qiáng)對(duì)這一方面的重視程度，通過(guò)對(duì)復(fù)雜天氣中對(duì)高空探測(cè)造成影響的因素進(jìn)行分析，并結(jié)合實(shí)際情況提出具有針對(duì)性的對(duì)策方案，并嚴(yán)格按照計(jì)劃執(zhí)行，確保在人員和設(shè)備安全的前提下，不斷提升探測(cè)資料正確性和完整性?

參考文獻(xiàn)：

[1]馬舒慶，陳洪濱，王國(guó)榮，甄小瓊，許曉平，李思騰.陣列天氣雷達(dá)設(shè)計(jì)與初步實(shí)現(xiàn)[J].應(yīng)用氣象學(xué)報(bào)，2019，30（01）：1-12.

[2]梁雪蓮，王燕玲，張靖彬，梁艷芳，孫曉文，段樹海.復(fù)雜天氣對(duì)高空探測(cè)的影響與防范對(duì)策探究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2019（01）：128-129.

[3]馬伊清.民航機(jī)場(chǎng)天氣雷達(dá)現(xiàn)狀及應(yīng)用需求分析[J].電子世界，2019（01）：96+98.

[4]孔秀琴.強(qiáng)對(duì)流天氣對(duì)高空氣象探測(cè)的影響及應(yīng)對(duì)措施[J].科技經(jīng)濟(jì)導(dǎo)刊，2019，27（01）：111.

（作者單位：德州市氣象局）