飓风行动：当前正在进行的气象探测活动

2023-07-23 理论教育版权反馈

【摘要】：无人机气象探测技术的应用价值在实践中得到验证。美国是一个多飓风灾害的国家。这是我国气象局首次用无人机探测气象，并安全回收的成功案例。无人机气象探测系统由飞行平台、有效载荷和地面系统组成。在本节开篇提到的飓风“马修”气象探测活动中，NASA和NDAA采用的就是两种不同的方案，分别是“全球鹰”和小型无人机“丛林狼”。

2016年10月4日，大西洋近10年来最强飓风“马修”登陆海地，用狂风暴雨横扫加勒比海地区后，又一路推进向美国发起攻击，全程造成近900人死亡，数百万人口受灾。灾情发生后，美国国家航空航天局（NASA）及美国国家海洋和大气管理局（NOAA）派出无人机上阵，扛起了气象探测的重任。无人机气象探测技术的应用价值在实践中得到验证。

美国是一个多飓风灾害的国家。1990年，由于气象预报能力的不成熟，一场强烈的飓风袭击了美国得克萨斯州加尔维斯顿市，造成了至少6000人死亡，这也是美国史上造成死亡人数最多的一次飓风。为了保障人民的生命财产安全，第二次世界大战前后，美国空军开始重视对飓风的探测工作，当1943年一场飓风重创得克萨斯州休斯敦市，布莱恩空军基地两名飞行员驾驶一架T-6“得克萨斯人”教练机，强行飞入风眼并安全返回时，航空侦察热带风暴拉开了序幕。

不久后，侦查飓风就成了一项具体任务，由特定部队来执行，“飓风猎人（Hurricane Hunters）”这个气象领域响当当的名字就是从那时来的。“飓风猎人”是指飞入热带气旋执行气象侦察任务的美国空军预备役司令部气象侦察第53中队与美国国家海洋和大气管理局的飞机机组空勤人员。为了收集数据，他们要冒着被摧毁的风险，穿越飓风气旋中的倾盆暴雨和湍流，并寻找风眼，研究人员随后可以根据风速和气压等数据预测风暴的走向及强度的增减。

经历了数十年的有人驾驶冒险后，20世纪70年代，气象无人机技术开始登上舞台，1973年美国航空航天局着手研制系列小型无人机，用于边远地区的气象探测。此后，国内外纷纷展开了探索研究，气象无人机技术得到不断改良，实战经验愈加丰富。

气象无人机是一种将无人机平台与气象探测技术结合起来的技术成果，主要为边远地区、战区、海洋环境及不利天气条件研制，具有机动性强、灵活、易部署、安全和经济等特点。40多年的演变历程中，美国、澳大利亚、法国、中国等国先后展开了气象无人机的研制工作，并拥有了属于自己的机型。

从空间类型上，气象探测无人机可分为低空和高空两种。由不同手段组成的气象观测系统，能观测从地面到高层，从局地到整体的气象变化。

因为有人驾驶飞机在低空，尤其是在恶劣的环境下具有较高的风险性，利用无人机进行低空探测一直颇受关注。20世纪末～21世纪初，中国、美国、日本等国家均进行了无人机低空探测的尝试，为后来的技术发展积累了宝贵经验。1997年澳大利亚一款名为“气象侦察兵（Aerosonde）”的无人机投入台风试验，引起了国际社会的广泛关注。Aerosonde有两个改进型“MK-Ⅱ”和MK-Ⅲ”，后者翼展为2.7米，升限为5.5千米，体型轻便，可从运载车辆发射，已被多个国家的气象机构和科研部门使用。2005年美国利用澳大利亚生产的无人机，获取了飓风“奥菲莉亚”在近水面约300米的气象数据。2008年，我国开展的台风“海鸥”探测工作中，由本土公司研制的无人机进行了近4小时的数据采集工作，探测高度最高为626米，最终获取了温、湿、压、风向、风速等气象数据。这是我国气象局首次用无人机探测气象，并安全回收的成功案例。

与此同时，高空长航时无人机技术的愈发成熟，让气象无人机不仅局限于低空领域，以“全球鹰”为代表的无人机的应用，使无人机不仅能通过自身搭载的传感器进行长航时高空气象探测，也能够通过下投探空仪的方式，获取台风环流内气象要素的垂直分布廓线，这种高空技术的应用对于掌握台风结构尤为重要。例如，2010年“全球鹰”无人机在探测飓风“弗兰克”的工作中，在飓风中心的上空18千米处，来回飞行近4000千米，测得了飓风的最大风速。同年“全球鹰”还完成了其他四个飓风的探测，所获取的飓风结构和风场资料，被用于研究飓风成因和增强机理。此后，在NASA、NOAA与军工集团的合作下，“全球鹰”的改良版“超强风暴哨兵（Hurricane and Severe Storm Sentinel，HS3）”问世，有效载荷680千克，升限超过20千米，续航超过30小时，不仅具备温度、湿度、气压、风向、风速等参数的测量仪器，还配有雷达、飓风成像辐射仪、能够探测云层结构和悬浮颗粒物等参数的激光测量仪器，以及下投式探空仪等。该机已经展开了多次高空长航时试验，甚至还穿越了飓风“纳丁”飓风眼。

总体来说，无人机在气象探测领域的作业方式可以分为以下三种：

直接测量。无人机气象探测系统由飞行平台、有效载荷和地面系统组成。依据测量对象的不同，有效载荷又分为温、湿、压、风探测仪等。这种类型的无人机可以对气象参数进行直接测量。小型无人机的低空气象探测较常采用的就是这种方法。

空投探空仪。下投探空仪主要由测量仪器、数据收发系统和信号处理软件部分组成，一般由飞机、火箭或运载气球投放，从而获得下投位置到地面（或者海面）的大气廓线资料。和无人机气象探测技术一样，下投探空技术也有40多年的历史，但是两者相结合发生在21世纪以后。随着无人驾驶技术的成熟，探空仪开始由无人机投放，就像一台飞行的发报机，随时将探测到的所在高度的气象资料传送到地面。无人机空投探空仪，在下降过程中收集温度、气压和湿度等气象参数，再将数据实时发送至飓风研究中心。

遥感测量。遥感已经成为无人机的重要应用之一。遥感器是无人机遥感系统的核心，可以是相机、多谱段扫描仪、微波辐射计或合成孔径雷达等，从而探测温度和水汽分布、测量各种云图等。无人机遥感技术也可在气象领域发挥重要作用。

在本节开篇提到的飓风“马修”气象探测活动中，NASA和NDAA采用的就是两种不同的方案，分别是“全球鹰”和小型无人机“丛林狼”。前者通过投放探空仪来收集气象数据；后者由自身来亲自执行数据收集的任务。

除了极端灾害天气外，无人机还可用于研究PM2.5、氮氧化物、臭氧、黑炭等环境污染的时空分布及传播规律。例如，上海交通大学的研究团队在长三角地区使用无人机搭载便携式检测设备，进行了长期大气污染跟踪监测试验，获取了这一区域PM2.5等典型大气污染物浓度的三维分布数据，为雾霾预报和防治工作提供了信息资料。

获取气象信息是经济发展的需要，是民用和军事领域的重要支撑。在战场上，气象条件较大地影响着精确制导技术、隐形技术及夜视技术等现代军事技术的实战效果；在航天领域，气象条件是航天器发射与回收必须考虑的重要因素；在民生方面，通过气象探测能够十分及时地发布龙卷、强风暴和台风等灾害性天气警报，从而减轻自然灾害的影响，降低损失。

气象探测和研究是掌握自然规律和降低灾害影响的重要手段，无人机凭借自己的优势，得以与其他地基、空基和天基气象探测系统形成互补、相辅相成。美国内华达州的科研团队还曾尝试用无人机进行人工降雪，通过无人机向空中播撒微粒催化物质，改善当地干燥的环境。无人机在气象领域一直没有停下前进的脚步，通过不断的探索和创新，无人机将被赋予更多重任。

飓风行动：当前正在进行的气象探测活动

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