无人机气象监测

众所周知, 低空（近地/水面）气象观测对于台风边界层特征（特别是台风条件下的海— 气相互作用）及其机理的认识, 不可或缺, 并有助于台风数值模式边界层物理过程参数化的改进及模式性能的提高。同时, 鉴于有人驾驶飞机在低空（特别是在台风条件下）飞行的高风险性, 低空气象无人机因而受到广泛关注。

澳大利亚较早研发气象无人机, 代表机型是“ Aerosonde（航空探测器, 或称气象侦察兵）” 及其改进型“ MK-II” 和“ MK-III” 。该序列无人机由澳大利亚Aerosonde公司自1991年开始研发, 1997年“ Aerosonde” 投入使用, 1999年和2001年先后推出改进型“ MK-II” 和“ MK-III” 。“ MK-III” 翼展2.7 m、起飞重量13.6 kg（有效荷载2.2 kg）、升限5.5 km、能以110 km/h的速度巡航30 h, 且由全球定位系统自动导航。由于比较轻便, 该机可从车辆顶部发射, 已被澳大利亚气象局、美国NOAA和NASA、日本和韩国气象厅、世界卫生组织等多个国家的科研部门和国际组织使用。

美国为了降低有人飞机探测飓风（台风）的成本和低空飞行的风险, 在2001年实施的“ 对流与水汽科学试验（The Convection and Moisture Experiment, CAMEX-4）” 中, 于8月19日— 9月9日, 使用澳大利亚产的“ Aerosonde” 进行了无人机低空气象探测的尝试, 获取了近水面（约300 m）的温度、湿度和风速等气象资料, 可惜无人机并未飞入飓风环流。同年, 我国***大学科学家也利用相同型号的“ Aerosonde” 无人机, 成功地飞入了“ 海燕（0121号）” 台风的环流圈内, 距台风中心最近仅150 km, 测得了气压、最大风速和温度等气象要素[8]。日本气象厅也于2001年, 以冲绳为基地, 使用螺旋桨式单发动机飞机（全长2 m, 续航能力约为3 000 km）, 对“ 桃芝（0108号）” 台风实施了无人机的探测试验, 获取了台风中的风向、风速、湿度和温度等大量的观测数据。美国曾于2003年计划在太平洋地区（关岛、阿拉斯加、冲绳和韩国等地）部署15~20架能探测台风的气象无人机。

2005年9月16日, 在“ 改进热带气旋强度预报的试验（the Intensity Forecasting Experiment, IFEX）” 中, 美国用“ MK-III” 无人机首次成功地飞入了“ 奥菲莉亚（Ophelia）” 飓风, 获取了飓风在近水面（约300 m）的风、温、压、湿等气象观测资料[8, 9]。2007年美国在对飓风“ 诺埃尔（Noel)” 进行了超低空飞行探测, 无人机的飞行高度仅为82 m, 并持续飞行了约17.5 h[9]。显然, 在这个高度实施有人驾驶飞机的飞行探测风险极大。首例利用无人机成功穿越台风中心的飞行是由我国***科学家在2005年完成的。2005年10月1日, 我国***科学家利用澳大利亚产的“ MK-III” 无人机成功地穿越了“ 龙王（0519）” 的台风眼， 在台风核心区域持续飞行了近10个小时, 并获取了飞行高度（3 km）处台风云墙内的最大风速等的观测资料, 测得的10 min和1 min平均风速分别达58.6 m/s和62 m/s。

中国气象局（气象探测中心）于2008年组织国内首个无人机探测台风比较试验, 来自国内的“ 星光” 、“ 东恒宇” 、“ 西工大” 、“ 海鹰” 、“ 贝思” 和“ 恒利华” 等多家无人机研发机构和生产厂商参加。6月24~25日对“ 风神（0806号）” 台风进行了演练性的探测, 7月18日、9月15日分别对“ 海鸥（0807号）” 和“ 森拉克（0813号）” 台风进行了探测试验。在7月18日实施的“ 试验” 中, 由“ 东恒宇” 公司研制的“ 晨鸟” 无人机成功地飞入“ 海鸥” 台风（距台风中心最近约108 km）, 并在台风环流内持续飞行了4小时, 获取了台风近水面（约500 m）的温度、气压、相对湿度、风速/风向及海拔高度等观测资料, 而且飞机安全回收。在整个试验中共完成了3次7小时的连续飞行测试、4小时大雨条件下飞行测试, 完成了对“ 海鸥” 和“ 森拉克” 台风的探测试验并获取了完整的温湿压、风速/风向资料。

相对于路径, 台风强度变化的机理仍不很清楚, （数值）预报能力仍十分有限且进步缓慢。鉴于台风结构与强度变化的密切关系, 获取更多的台风全生命史的内部结构特征的直接观测资料, 被认为是提高台风生成和强度变化机制认识的必由之路, 也是改善台风数值模式涡旋初始化技术、海— 气模式耦合及台风边界层物理过程参数化等方案的重要基础。

美国长达半个多世纪的实践表明, 飞机观测无疑是当前台风直接观测最有效的手段。然而, 有人驾驶飞机穿越台风的观测成本太高、人员伤亡等的风险太大（特别是低空飞行时）, 而无人机的相对低成本和无伤亡等优势较好地规避了有人飞机的风险。而且, 随着无人机技术的迅猛发展, 有效荷载和续航能力等性能还将进一步提高。对美国现役的用于探测台风的有人驾驶飞机和无人机的主要性能进行比较, 不难发现无人机的性能并不弱, 特别是在长航时（或航程）和低空飞行方面具有明显优势。

从各国已开展的相关科学试验来看, 无人机探测台风大有可为。而且, 随着无人机技术的迅猛发展, 成本还将进一步降低, 有效荷载和续航能力等性能还将进一步提高, 更多的台风特种观测仪器将被搭载并充分使用, 高空下投探空和近水面飞行的无人机体系和协同观测已是大势所趋。

相对于台风的尺度, 无人机的飞行观测和下投探空等仍然是非常“ 有限” 的观测。研究表明, 不同区域（水平和垂直）、不同要素以及不同时间节点上的观测资料, 对于（数值模式）预报性能的贡献有时会显著的不同。Yamaguchi等[15]对“ DOTSTAR” 试验的飞机下投探空资料研究发现, 台风“ 康森（0404号）” 中心以东（绿色圈内）的3个下投探空资料, 对数值模式的台风路径预报至关重要, 而中心以西（青蓝色圈内）6个下投探空资料, 作用相对很小。

基于敏感性的目标观测, 是世界气象组织（WMO）为了提高观测的有效性从而改进天气预报性能, 组织实施的为期10年的“ 观测系统研究与可预报性试验（The Observing System Research and Predictability Experiment, THORPEX）” 的核心, 其实质就是在对预报性能提高“ 最敏感” 的地方（区域、时间和要素）实施“ 有限” 的观测。项目自实施以来, 取得了显著进展, 基于敏感性的目标观测的理念广为接受, 并已成为实施“ 有限” 观测、达到预报性能最大改进预期的基础[16]。

此外, 无人机的探测作为卫星、雷达和气象业务观测网的重要补充, 若能与近年来发展较快的近海浮标、梯度观测塔及车载追风观测等仪器协同使用, 将在台风观测研究和数值模式发展及防台减灾中发挥更大的作用。中国气象局（上海台风研究所）依托科技部公益性行业（气象）专项, 与相关部门合作, 于2014— 2018年组织实施“ 近海台风强度变化观测研究科学试验” , 低空无人飞机将与新近研制成功的“ 火箭抛撒” 下投探空及车载追风观测等设备协同观测。

20世纪60年代以后, 美国已逐步建立了“ 上有人造气象卫星, 中有飞机侦察, 下有气象雷达、浮标和船舶” 等组成的飓风立体探测网络, 为其飓风理论及数值模式等预报关键技术的研究提供了强有力的资料保障。与之相比较, 我国的地面气象探测网建设较快, 特别是地面自动气象站已非常密集（达3~5 km）, FY气象卫星也具备6分钟区域加密观测能力, 沿岸的气象雷达也基本“ 全覆盖” , 不少地区已在“ 双雷达” 或“ 多雷达” 的描扫区内, 浮标和船舶的布设也逐渐加快, 唯有飞机探测进展缓慢。纵观世界各国无人机探测台风的实践, 展望其未来发展趋势, 建立我国“ 高低空无人机协同、火箭抛撒相结合” 的台风一体化探测体系的条件已基本成熟。

此外, 东海和南海周边国家甚多, 进行无人机或“ 火箭抛撒” 探测台风的作业时, 由于仪器或系统故障等原因, 客观上存在“ 越境” 或误入误伤等情况的风险。为规避此类不必要的国际纠纷和风险, 利用ESCAP/WMO亚太台风委员会等国际合作组织, 在试验阶段策划相应的国际合作项目, 不失为规避上述风险的较适宜的选择。