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无人机在气象监测领域中的应用

(一)需求分析

随着气象测量传感器、无人机制造、飞行控制及数据处理等技术的发展,无人机气象探测技术得到长足的发展,逐渐成熟并走向应用。这种大区域、长时间、连续气象探测方法在航天器发射与返回、重要武器试验、战场气象测量、恶劣天气监测、龙卷风近距环境探测监视等应用中具有独特的作用和优势。


(二)解决方案

运用无人机的特点我们能获得下列气象数据:温度、气压、湿度、风、真高度、各种图像(数据)、云形成类型和大小、能见度、湍流发生和大小、积冰。气象传感器如图11-1所示。

图11-1气象传感器

基本的气象观测准确度要求如下:能见度:±20%(≥0.1km,≤10km);云覆盖(最底层):±1/8;

云底高:±30m(0~300m),±10%(>300);

垂直风剖面:±10°,±2.5m/s;

云顶高:±150m(≤1000m),±20%(>1000m);

地面风:±10°,±2.5m/s;

地面温度:±1°;

垂直剖面温度:±1°;

地面相对湿度:±5%;垂直剖面湿度:±5%;气压:±2%。

为了进行天气预报,世界气象组织(WorldMeteorologicalOrganization,WMO)规定了气象观测要素,其中一些要素可以直接测量,另一些要素由主观估测。主观估测用可见光、红外线和微波成像仪进行探测,所有设备必须适合系统选择的无人机,如重量、体积。无人机拍摄雾霾覆盖面积(一角)(见图11-2)。

图11-2无人机拍摄雾霾覆盖面积

1.直接测量。将无人机挂载常规气象传感器,对气象参数直接测量,主要是指温、湿、压等参数。无人机自身平飞。垂直飞行和低飞,可测量到各层面的气象参数。水平飞行时飞机常保持一定的气压高度。为了对地面气象数据测量更准确,无人机必须降至150米高度低空飞行。

2.遥感测量。随着遥感技术的发展,无人机将以遥感测量为主。主要设备有宽波段红外辐射计、宽波段微波被动辐射仪、宽波段太阳被动辐射仪、能见度仪和多普勒雷达等。红外探测分辨率高,可以探测温度和水汽分布,但它是不能透过云层。获得降雨信息最好的设备室是带微波辐射计,它可测量各种云图。

3.空投探空仪和数据中继。无人接挂载十个空投探空仪,在50*50平方千米的面积上均匀散布,下降时间一般为几分钟,测量的数据一般有无人机中继。

图11-3无人机气象监测流程

(三)应用案例

2020年,封面新闻记者获悉,四川一家科技企业派出的大型双发长航时双尾蝎无人机携带包括气象雷达、激光测风雷达、光电侦察吊舱和温湿压探测器等多种气象探测设备,完成了台风“浪卡”海上观测作业。台风中心位置距离海南省万宁市偏东方向约740公里,强度等级为热带风暴,最大风力8级18米/秒(约65公里/小时),中心气压998百帕。双尾蝎无人机接到指令从海南博鳌机场起飞,跑道风速达到6级12m/s。起飞后无人机直奔台风“浪卡”,对台风路径前侧的内部环流开展风场结构以及洋面风浪高分辨率观测。

本次飞行在国内首次实现了大型无人机在台风路径前侧长时间的内部观测,通过机载激光雷达,实现了台风7级风圈内的高精度连续风场测量,这在亚太地区尚属首次。通过无人机与海面浮标协同,在国内首次实现了台风内部浪场的空海一体化观测。

图11-4台风路径预报图



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