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以海燕计划为新突破口,瞄准大型无人机多场景应用——
探索建立应急机动观测机制

发布时间:2022年09月22日 来源:中国气象报社

9月17日14时许,随着一组组三江源重点区域云系分布、大气垂直廓线以及下垫面探测数据等资料传回地面指挥部,在填补青藏高原三江源、冰川等地区垂直资料空白以及开展应急机动和空基多场景观测方面,海燕计划高空大型无人机高原气象观测迈出坚实步伐。

从海洋到高原

青藏高原是北半球气候变化的调节器,其东部、西南部地区是我国东部及长江中下游地区灾害性天气系统的上游关键区,也是我国重要的天气气候系统敏感区。掌握其大气三维热力、动力状况的年、季、日变化,对于了解我国季风涌、南亚高压、高原涡等天气气候系统演变以及低纬海洋水汽通道建立,至关重要。

“海燕计划利用高空大型无人机机动观测的优势,对青藏高原重点生态区、冰川区进行直接有效探测,与正在进行的青藏高原科学考察目标结合,获取定点和更大范围的垂直观测资料,这无疑是打破重点区域资料空白的一个重大突破。“9月17日,中国工程院院士、试验总顾问徐祥德表示。

数据显示,近年来,高原地区冰川退化呈现“南部快北部慢”的特征。在此背景下,了解冰川退化区域大气垂直结构、温度、水循环特征、云水资源状况等,将对研究冰川退化与气候变化之间关系以及开展青藏高原人工增雨等决策和行动提供强有力支撑。

中国气象局综合观测司司长曹晓钟告诉记者,结合青藏高原科学考察和高原气候变化研究及应对需求,中国气象局启动2022年海燕计划高原气象观测试验,利用高空大型无人机平台优势,搭载有效探测手段,对人员和仪器装备无法到达的重点区域开展垂直观测,可有效弥补高原区域部分观测资料不足。

实际上,2020年海燕计划中高空大型无人机在海洋上空的垂直观测资料,已应用于中国气象局全球同化预报系统评估应用,为台风预报的模式性能改进和台风监测提供了基础支撑。

“国际上高空大型无人机的资料应用已经取得成效,希望建立相应的业务流程,阶段性开展无人机高原观测,加深对气候变化背景下冰川冻土、生态环境,尤其对三江源地区和冰川之乡-波密等大气垂直探测与水分循环三维结构、水补给的新认知,将成为气候变化背景下青藏高原水资源与生态安全保障决策的重要依据。”徐祥德建议。

图为无人机结束滑行,离地起飞 中国气象局气象探测中心供图

来自高原的考验

在搭载下投探空系统的基础上,此次高原观测试验新增机载合成孔径雷达、大气微波综合廓线仪和Ka波段多普勒散射计。

其中,机载合成孔径雷达可以获取下垫面生态分类、冰川面积等信息,相当于为探测区域拍摄一幅“巨型画”,为高原区域生态状况评估以及生态区域修复提供精准信息;Ka波段多普勒散射计可以观测下垫面风场,实现非晴空天气条件下大气风场和云、降水的探测;大气微波综合廓线仪能够连续观测三江源地区从飞行高度到地面大气环境中温度、湿度等的大气垂直廓线资料。

而高原高空大气气溶胶、云和降水、对流层-平流层大气物理/化学交换等观测资料对于改进模式云物理参数化过程,服务重大科学试验与专项服务保障,开展高原云降水变化和灾害天气的机理和发展趋势研究等都显得极为迫切。

然而,获取这些资料绝非容易。“已经记不清多少个日日夜夜,试验现场团队人员在高寒缺氧的红原机场对新设备进行反复调试和匹配试验,一步步解决装备和无人机的‘磨合’问题。”中国气象局气象探测中心(以下简称“探测中心”)、试验现场载荷测试组负责人郭然说。

“新载荷在高原环境下应用,可为其下一步在气象卫星的应用奠定基础。”探测中心正研级高工郭启云表示,此次试验还利用新型载荷开展卫星-无人驾驶航空器-地面系统真实性检验,支撑风云卫星大气微波综合廓线仪、Ka波段多普勒散射计等载荷定标精度验证以及质量检验。

实际上,高原上恶劣的气候和地理环境对飞行器的考验同样不小。四川省阿坝藏族羌族自治州红原机场海拔3500多米,空气稀薄,飞机滑行产生同样的升力需要更高的速度,即需要更长的跑道让飞机滑行加速到所需升力。因此,今年海燕计划选用的翼龙-2,是针对我国全疆域应用需求研制的高性能中空长航时无人机。

瞄准未来多场景应用

研究发现,近年来,青藏高原整体生态呈好转趋势,其中降水补给增多是高原生态向好的重要因素。此次试验对三江源水源涵养区、冰川变化关键和重点区域开展下垫面植被分布、水循环、植被生长变化等开展观测,其数据可为相关区域减缓冰川退化、应对气候变化等提供依据。

此外,此次无人机还可以在云水资源需求区连续探测云内微物理特征,实时采样大气气溶胶和云降水粒子谱、云降水粒子相态、云液水含量等环境气象要素,为下一步科学开发利用空中云水资源、检验人工影响天气效果提供支撑。

“瞄准重大天气过程、重要应急救灾时刻‘靶向式’加密观测需求,打破探空站加密空间限制,践行‘人民至上、生命至上’理念,不断完善和建立机动观测流程,为大型无人机多场景应用奠定基础。”探测中心副主任、试验副总指挥张雪芬介绍,在“无人移动”时代,无人机的机动观测和执行任务能力将得到更广泛的应用。

首飞任务完成后,海燕计划还将在高原地区开展一系列观测、人工影响天气试验,为高原云降水变化、灾害天气机理和发展趋势研究,提高高原地区的天气、气候模式预报预测能力,开发水资源、保障生态安全提供直观观测资料。

“未来,作为弥补青藏高原无人区、台风、山洪、山火等场景常规观测不足的重要手段,大型无人机应用场景将越来越广泛。气象部门将利用海燕计划,不断实践海洋、高原等更多探测模式,探索建立国家级机动观测业务流程,为精密监测和气象防灾减灾第一道防线打牢基础。”探测中心主任、试验总指挥李良序表示。

(作者:简菊芳 安涛 责任编辑:张林)

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