陜西小型多旋翼無人機氣象觀測應用體系構建與觀測試驗

孟 珍，毛 峰，夏江峰，李 偉，楊 艷

(1.陜西省大氣探測技術保障中心，西安 710014；2.陜西省氣象局秦嶺和黃土高原生態環境氣象重點實驗室，西安 710016)

隨著公眾對氣象預報預測服務需求的提高，氣象部門對新的觀測手段和方法的需求也呈持續增長態勢[1]，各類新型氣象觀測設備不斷投入業務應用。小型多旋翼無人機已在國內外多個領域得到應用，如公共安全、應急搜救、農林、環保、交通、電力、影視航拍等。采用小型多旋翼無人機進行觀測是目前氣象觀測領域的研究趨勢之一，小型多旋翼無人機在機動性、靈活性、前沿性等方面的優勢也使得其在氣象觀測領域有了廣泛應用的空間。國外氣象愛好者2000年左右就曾將小型多旋翼無人機應用于氣象觀測，國內江蘇、天津、廣東、四川等地氣象部門也嘗試利用小型多旋翼無人機進行氣象觀測，但因觀測方法等不統一數據應用受限。中國氣象局《綜合氣象觀測業務發展規劃(2016—2020年)》中指出“飛機氣象觀測是空基氣象觀測的重要組成部分，要與衛星大尺度遙感、地基定點觀測一起構成多尺度、無縫隙的立體觀測格局”，陜西省氣象局在經年業務積累的基礎上，開展小型多旋翼無人機氣象觀測業務應用研究，探索小型多旋翼無人機觀測數據應用[2-5]，完成了小型多旋翼無人機及機載傳感器選型、觀測示范站建設、標準化觀測業務流程建設等，在全國較早的建立小型多旋翼無人機氣象觀測示范網并開展業務試運行。

1 小型多旋翼無人機氣象觀測體系概述

2019年，陜西省氣象局完成了氣象標準預研究項目“小型無人機氣象觀測規范”的編寫并向全國氣象儀器與觀測方法標委會提出和歸口。規范主要包括小型多旋翼無人機選型、機載傳感器選型、小型多旋翼無人機氣象探測系統集成、小型多旋翼無人機氣象觀測場、觀測員、觀測業務流程、數據傳輸、數據存儲等，從小型多旋翼無人機氣象探測系統、觀測示范站建設和小型多旋翼無人機氣象觀測等三個主要部分論述無人機觀測，以及陜西省開展的試驗應用情況，旨在提供一套科學實用、可操作性和可借鑒性較強的小型多旋翼無人機氣象觀測業務規程。

1.1 小型多旋翼無人機氣象探測系統

小型多旋翼無人機氣象探測系統包括無人機、機載傳感器、采集器、地面數據采集處理系統、小型多旋翼無人機地面控制系統和電源系統6部分。該系統須至少按照觀測方式完成一個完整觀測過程，并提供秒級觀測數據。小型多旋翼無人機氣象探測系統數據包括氣象要素觀測數據和無人機飛行狀態數據。加載實景監測設備時，還包括圖像視頻數據[6-8]。

1.2 觀測示范站建設

示范站建設包括無人機起降場建設、飛行人員培訓。起降場一般選在地面氣象觀測站院內、地面觀測場以外的區域。野外等特殊情況觀測時，方圓50 m范圍內無遮擋的地方均可作為小型多旋翼無人機起降場。以起降場中心坐標、氣壓傳感器感應部分的拔海高度作為小型多旋翼無人機氣象觀測站經度、緯度和拔海高度。小型多旋翼無人機觀測設備在起降場擺放位置、朝向等，要同時滿足氣象觀測和無人機操作要求。飛行人員須參加專業機構培訓，并取得Ⅲ類無人飛行器的機長或飛手執照。

1.3 無人機氣象觀測

小型多旋翼無人機氣象觀測分為常態化業務觀測和特殊情況觀測。將在固定地點、固定時間或時間段開展的觀測稱為常態化業務觀測。將在非固定地點、非固定時間或時間段開展的觀測稱為特殊情況觀測。

常態化業務觀測時，以垂直非懸停觀測為主。海拔高度低于2 500 m的觀測站，飛行高度(真高)不低于1 500 m；海拔高度高于2 500 m的觀測站，飛行高度(真高)為小型氣象無人機最大實際飛行真高。特殊情況觀測時，除按照常態化業務觀測方式開展觀測外，也可根據需要開展指定高度的懸停觀測、水平觀測等。

2 陜西省小型多旋翼無人機氣象觀測試驗

陜西省氣象局通過開展小型多旋翼無人機及機載觀測設備選型、4個觀測示范站基礎建設、飛行人員培訓、觀測業務流程編制，以及開展無人機觀測數據應用研究，在全國率先建立小型多旋翼無人機氣象觀測示范網。并通過開展小型多旋翼無人機低空綜合氣象觀測試驗，積極探索無人機氣象觀測在氣象觀測業務中的應用，開辟了氣象探測新領域。在近100個架次的垂直氣象觀測試驗中，不僅實現了地面到最高距地3 000 m高空的氣溫、濕度、氣壓、風向、風速、大氣成分垂直觀測，獲得各觀測要素秒級數據，形成小型多旋翼無人機氣象觀測網，同時還實現了小型多旋翼無人機氣象應急觀測(含實景)、霧霾觀測及與其他垂直探測數據的對比。試驗獲得的數據一方面融入到冬季污染物擴散氣象條件預報服務、大霧天氣時近地層氣象研究中；另一方面用于與現有新型遙感式垂直氣象探測設備進行同步對比觀測，實現對新型遙感設備的機外標校，提升觀測準確性。試驗過程還培養和鍛煉出了一支滿足觀測業務需要的小型多旋翼無人機觀測員隊伍，對小型多旋翼無人機氣象觀測業務流程和規范進行了驗證實踐和完善。

2.1 小型多旋翼無人機與探空站對比觀測

圖1為2018年11月20日07時，在陜西漢中勉縣開展的小型多旋翼無人機與探空站對比觀測的溫度、濕度、氣壓、風向風速等氣象要素。

圖1 2018-11-20T07小型多旋翼無人機(勉縣)和空基探空雷達(漢中)對比觀測的溫度、濕度、氣壓、風向風速

小型多旋翼無人機觀測點為勉縣氣象觀測場，探空數據來源為漢中探空站，兩站間距40 km，觀測場拔海高度相差40 m。比對結果顯示：邊界層結構中，兩地既有一致性，也有差異性。800 m(真高)以內，溫度具有顯著的一致性，低空逆溫厚度、強度基本相同；濕度、風向、風速差異明顯，此三要素受局地環境、下墊面性質影響顯著。勉縣三面環山，站場環境為鄉村，與漢中站的城市環境相比，風速偏大、濕度較高符合一般性規律。800 m以上，風向、風速趨向一致，原因是邊界層以上受下墊面影響減弱，自由大氣趨向均一，而溫度出現一個弱逆溫層，與之配合，風場的出現顯著變化，由東北轉為西風。但是，漢中站探空測得的風為順時針轉，而勉縣測得的是逆時針轉，這種差異與800 m左右的逆溫層有關，也顯示出在地形較復雜地區邊界層內氣象要素分布代表性差、局地性強的特點?？梢钥闯觯⌒投嘈頍o人機觀測的溫度、相對濕度廓線與探空觀測具有較好的一致性，風向和風速數據有誤差但存在一致性，需要更多實驗及校對測試。

2.2 小型多旋翼無人機觀測大氣成分

圖2分析了小型多旋翼無人機飛行過程中大氣成分數據隨高度和時間的變化規律。時間為2019年6月14日，測試地點為陜西漢中漢臺區，觀測的大氣成分為CO、SO2、NO2、O3以及顆粒物PM2.5、PM10。從本次小型多旋翼無人機遙感技術在大氣環境環境監測中的應用中可以看出，觀測結果與實況吻合，定量趨勢一致，定性等級一致。在無人機觀測高度為0～1 500 m的垂直探測中，對大氣成分的監測可以補充環?？罩杏^測資料，同時若進行高頻的連續觀測則可以為當次環境氣象服務提供重要的數據參考。

通過在陜西漢中開展對比觀測的檢驗，校驗了小型多旋翼無人機氣象觀測的觀測系統，完成了示范站標準建設，制定小型多旋翼無人機觀測各類氣象要素的觀測流程和方法等。2018年至今，陜西進行的小型多旋翼無人機氣象觀測試驗均按照上述規范開展，在2019年11月的全國氣象觀測會上進行的小型多旋翼無人機氣象觀測現場試飛演示，也是完全按照規范相關內容進行，得到了全國同行的肯定。通過系統性建設，可以使小型多旋翼無人機氣象觀測資料具有代表性、準確性、比較性和連續性，便于資料的共享和使用[9]。

圖2 2019-06-14陜西漢中大氣成分數據隨小型多旋翼無人機飛行高度和時間變化對比圖

3 結語

目前我國1.5 km高度范圍內的低空氣象探測還處于發展階段。針對氣象觀測業務中小型旋翼無人機實施補充觀測的需要，陜西省研制出一套流程科學規范、系統可操作性強、可以自動化控制飛行，并且自主完成多氣象要素觀測的小型旋翼無人機氣象觀測示范體系建設和試驗規程，將小型多旋翼無人機作為觀測平臺，搭載集成度高、觀測能力強、準確度高的機載氣象探測設備，并將小型多旋翼無人機氣象觀測規范化、流程化，是適應智慧氣象發展、有效提高近地面氣象觀測能力、進一步發展氣象應急保障服務的強有力手段和方法，具有廣闊的應用業務前景。該小型多旋翼無人機氣象觀測示范體系的研發，對引入創新性技術、完成數據實時比對、提高觀測效率、保證氣象觀測網安全、穩定、可靠運行具有關鍵的研究價值。經過在陜西漢中試驗基地的試驗，證實可以通過逐步進行業務化運行，開展小型多旋翼無人機定期或非定期氣象觀測，有效獲取邊界層內部大氣氣象要素的垂直廓線，彌補近地面大氣探測資料的不足，對災害性天氣監測預警、霧霾精準治理有著重要的意義。