無人機探測臺風的優勢在哪兒?

業界 | 2020-08-11 08:26:14
時間:2020-08-11 08:26:14   /   來源: 中國青年報      /   點擊數:()

8月2日,一架高空氣象探測無人機從海南博鰲機場騰空而起。伴隨著一組組臺風外圍云系的溫度、濕度、氣壓、風向、風速等數據實時傳回,這意味著我國首次高空大型無人機海洋、臺風綜合觀測試驗取得圓滿成功。

中國氣象局中央氣象臺臺風與海洋氣象預報中心主任錢傳海告訴記者,這一試驗填補了我國基于高空大型無人機海洋綜合觀測的空白,標志著中國在這一領域取得了重大突破,對臺風探測及預報預警具有重大意義。無人機在臺風預測領域的出色表現,也獲得了業內人士的高度認可和積極評價。

隨之而來的疑問是,我們發射了那么多顆氣象衛星,地面也有不少氣象雷達,這些都可以對臺風進行觀測,為何還要派高空無人機去臺風中心實地走一遭?無人機探測臺風的優勢在哪兒,又有哪些實現難度,記者就此采訪了相關專家。

最有效的臺風直接觀測手段

錢傳海說,近年來,我國臺風路徑預報誤差改進明顯,但是,臺風的精細監測預報預警能力仍然無法滿足防臺風減災的實際需求。這不僅是我國面臨的困難,全球所有受到臺風影響的國家和地區都如此。

“特別是弱臺風的準確定位、近海臺風的快速增強、登陸臺風的精細降水和大風預報、多臺風相互作用造成的異常路徑等一直是臺風業務中面臨的巨大挑戰。”錢傳海說,臺風在海上生成,海上觀測資料稀少,甚至是觀測盲區,現有天基觀測手段——比如衛星無法對臺風進行精細的“直接”探測,預報員有時無法準確知道臺風中心到底在哪里,數值模式也無法準確描述臺風渦旋結構,從而造成預報誤差偏大。

相比之下,海上觀測資料就顯得極其珍貴。

上世紀50年代初,美國開展了帶有準業務性質的臺風飛機觀測。研究結果表明,增加飛機觀測后,臺風路徑預報誤差減少10%-30%,強度預報誤差降低20%-40%。在嘗到飛機直接觀測的甜頭后,美國不斷改進、升級觀測儀器,近年來已嘗試開展無人機探測颶風業務。

國際多種數值模式結果證明,飛機下投探空能明顯改進臺風預報。實際上,早期模式中刻畫臺風結構也有飛機觀測的貢獻。

中國氣象局氣象探測中心副總工張雪芬說,飛機觀測是岸基觀測的延伸,是對臺風直接觀測的最有效手段。搭載下投探空系統、云雷達等機載設備的高空無人機,可獲取臺風內部精細結構特征和垂直結構信息,幫助預報員更準確地分析臺風位置、強度及結構等信息。

在錢傳??磥?,預報員利用臺風直接探測資料開展臺風位置、結構和強度分析,只是資料應用的一部分。更為重要的,這些珍貴的觀測資料應用于數值預報模式,從而提高臺風路徑、強度和風雨預報精準度。

因此,利用大型無人機對臺風開展直接觀測,是破解臺風強度預報難題、提高路徑預報準確率的重要手段。

一個全新的課題

利用無人機平臺開展臺風探測試驗,這是一個全新的課題,國內沒有可以參考和借鑒的范例;這也是一個龐大而系統的工程。

2018年,中國氣象局啟動了無人機氣象觀測布局設計及科研試驗工作。由中國氣象局氣象探測中心聯合航空工業集團、國家氣象中心、海南省氣象局、中國氣象科學研究院、國家衛星氣象中心等12個單位和企業開展大型觀測試驗。在飛機選型上,最終選用翼龍-10無人機。

當時,國際上下投探空系統基本被芬蘭壟斷,價格高昂。“聯合國內企業研制,搞自主知識產權的下投探空系統。”項目負責人張雪芬當機立斷,不僅如此,探測中心還協調飛機平臺和載荷設計單位,結合翼龍-10無人機研制了與之匹配的特有的載荷掛裝技術。

在載荷研發方面,探測中心組織完成了下投探空系統掛接的標準化設計與研發、載荷綜合管理控制系統、航電系統的改造,無數次對載荷安全性氣動特性仿真、數字投放安全仿真、風洞投放安全試驗。

航空工業成飛翼龍-10副總設計師張志堅說,盡管飛機本身是成熟的,但是,加掛氣象載荷開展海洋高空探測還屬于國內先例。為適應氣象探測需求,試驗組研制了專用的探空吊艙,以實現安全可靠投放探空儀,并對無人機加掛載荷進行適應性改造和大量安全測試,涉及載荷的標準化掛裝及操控系統改進、多載荷通信及集成技術改進、飛機控制系統及與氣象保障系統的連接改進等。

如何讓飛機安全飛進探測目標區域,載荷發揮最大效益?在這些問題上,試驗組組織了臺風預報、飛機研發設計、探測載荷研制等多個領域專家,召開了幾十次的論證會,對機載毫米波雷達、探空儀等載荷進行了地面和空中各種環境下的安全仿真試驗,并用“莫拉克”臺風資料進行了仿真試驗。

“這是一個系統工程,需要各個單位協作起來。除了飛機、載荷等環節,機場的保障、試驗天氣保障等,都很重要。”張雪芬說。

2016年,《海洋氣象發展規劃(2016-2025年)》出臺,明確了發展海洋空基氣象觀測、推進臺風探測的任務。2018年,高空無人機下投探空試驗工作啟動。以高性能大型無人機為主體的空基觀測體系建設,開啟了我國邁向海洋氣象強國的新征程。

眼下的高空氣象探測無人機探測臺風中心,只是一個開始。

根據規劃部署,中國氣象局還將在東海等海域初步形成下投探空和機載遙感探測能力,定期、定點獲取三維大氣觀測資料和洋面氣象資料,持續推進后續大型無人機海洋氣象觀測試驗,完善飛機選型、載荷研發、地面氣象保障系統等環節,為我國大型無人機海洋氣象觀測納入業務化做好支撐。

中國氣象局氣象探測中心主任李良序告訴記者,開展高空無人機海洋綜合探測,通過試驗建立大型無人機臺風探測業務系統,打通觀測到業務應用環節,對于我國建設海洋強國、海洋戰略發展具有重大戰略意義。(邱晨輝 簡菊芳)

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