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(fēng)外圍云系的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)向、風(fēng)速等數(shù)據(jù)實時傳回，這意味著我國首次高空大型無人機海洋、臺風(fēng)綜合觀測試驗取得圓滿成功。
中國氣象局中央氣象臺臺風(fēng)與海洋氣象預(yù)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(biāo)志著中國在這一領(lǐng)域取得了重大突破，對臺風(fēng)探測及預(yù)報預(yù)警具有重大意義。無人機在臺風(fēng)預(yù)測領(lǐng)域的出色表現(xiàn)，也獲得了業(yè)內(nèi)人士的高度認可和積極評價。
隨之而來的疑問是，我們發(fā)射了那么多顆氣象衛(wèi)星，地面也有不少氣象雷達，這些都可以對臺風(fēng)進行觀測，為何還要派高空無人機去臺風(fēng)中心實地走一遭?無人機探測臺風(fēng)的優(yōu)勢在哪兒，又有哪些實現(xiàn)難度，記者就此采訪了相關(guān)專家。
最有效的臺風(fēng)直接觀測手段
錢傳海說，近年來，我國臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差改進明顯，但是，臺風(fēng)的精細監(jiān)測預(yù)報預(yù)警能力仍然無法滿足防臺風(fēng)減災(zāi)的實際需求。這不僅是我國面臨的困難，全球所有受到臺風(fēng)影響的國家和地區(qū)都如此。
“特別是弱臺風(fēng)的準(zhǔn)確定位、近海臺風(fēng)的快速增強、登陸臺風(fēng)的精細降水和大風(fēng)預(yù)報、多臺風(fēng)相互作用造成的異常路徑等一直是臺風(fēng)業(yè)務(wù)中面臨的巨大挑戰(zhàn)。”錢傳海說，臺風(fēng)在海上生成，海上觀測資料稀少，甚至是觀測盲區(qū)，現(xiàn)有天基觀測手段——比如衛(wèi)星無法對臺風(fēng)進行精細的“直接”探測，預(yù)報員有時無法準(zhǔn)確知道臺風(fēng)中心到底在哪里，數(shù)值模式也無法準(zhǔn)確描述臺風(fēng)渦旋結(jié)構(gòu)，從而造成預(yù)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(jì)50年代初，美國開展了帶有準(zhǔn)業(yè)務(wù)性質(zhì)的臺風(fēng)飛機觀測。研究結(jié)果表明，增加飛機觀測后，臺風(fēng)路徑預(yù)報誤差減少10%-30%，強度預(yù)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(fēng)業(yè)務(wù)。
國際多種數(shù)值模式結(jié)果證明，飛機下投探空能明顯改進臺風(fēng)預(yù)報。實際上，早期模式中刻畫臺風(fēng)結(jié)構(gòu)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(fēng)直接觀測的最有效手段。搭載下投探空系統(tǒng)、云雷達等機載設(shè)備的高空無人機，可獲取臺風(fēng)內(nèi)部精細結(jié)構(gòu)特征和垂直結(jié)構(gòu)信息，幫助預(yù)報員更準(zhǔn)確地分析臺風(fēng)位置、強度及結(jié)構(gòu)等信息。
在錢傳?？磥?，預(yù)報員利用臺風(fēng)直接探測資料開展臺風(fēng)位置、結(jié)構(gòu)和強度分析，只是資料應(yīng)用的一部分。更為重要的，這些珍貴的觀測資料應(yīng)用于數(shù)值預(yù)報模式，從而提高臺風(fēng)路徑、強度和風(fēng)雨預(yù)報精準(zhǔn)度。
因此，利用大型無人機對臺風(fēng)開展直接觀測，是破解臺風(fēng)強度預(yù)報難題、提高路徑預(yù)報準(zhǔn)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(fēng)探測試驗，這是一個全新的課題，國內(nèi)沒有可以參考和借鑒的范例;這也是一個龐大而系統(tǒng)的工程。
2018年，中國氣象局啟動了無人機氣象觀測布局設(shè)計及科研試驗工作。由中國氣象局氣象探測中心聯(lián)合航空工業(yè)集團、國家氣象中心、海南省氣象局、中國氣象科學(xué)研究院、國家衛(wèi)星氣象中心等12個單位和企業(yè)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(dāng)時，國際上下投探空系統(tǒng)基本被芬蘭壟斷，價格高昂。“聯(lián)合國內(nèi)企業(yè)研制，搞自主知識產(chǎn)權(quán)的下投探空系統(tǒng)。”項目負責(zé)人張雪芬當(dāng)機立斷，不僅如此，探測中心還協(xié)調(diào)飛機平臺和載荷設(shè)計單位，結(jié)合翼龍-10無人機研制了與之匹配的特有的載荷掛裝技術(shù)。
在載荷研發(fā)方面，探測中心組織完成了下投探空系統(tǒng)掛接的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計與研發(fā)、載荷綜合管理控制系統(tǒng)、航電系統(tǒng)的改造，無數(shù)次對載荷安全性氣動特性仿真、數(shù)字投放安全仿真、風(fēng)洞投放安全試驗。
航空工業(yè)成飛翼龍-10副總設(shè)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(nèi)先例。為適應(yīng)氣象探測需求，試驗組研制了專用的探空吊艙，以實現(xiàn)安全可靠投放探空儀，并對無人機加掛載荷進行適應(yīng)性改造和大量安全測試，涉及載荷的標(biāo)準(zhǔn)化掛裝及操控系統(tǒng)改進、多載荷通信及集成技術(shù)改進、飛機控制系統(tǒng)及與氣象保障系統(tǒng)的連接改進等。
如何讓飛機安全飛進探測目標(biāo)區(qū)域，載荷發(fā)揮最大效益?在這些問題上，試驗組組織了臺風(fēng)預(yù)報、飛機研發(fā)設(shè)計、探測載荷研制等多個領(lǐng)域?qū)＜?，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(huán)境下的安全仿真試驗，并用“莫拉克”臺風(fēng)資料進行了仿真試驗。
“這是一個系統(tǒng)工程，需要各個單位協(xié)作起來。除了飛機、載荷等環(huán)節(jié)，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(fā)展規(guī)劃(2016-2025年)》出臺，明確了發(fā)展海洋空基氣象觀測、推進臺風(fēng)探測的任務(wù)。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(shè)，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(fēng)中心，只是一個開始。
根據(jù)規(guī)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(xù)推進后續(xù)大型無人機海洋氣象觀測試驗，完善飛機選型、載荷研發(fā)、地面氣象保障系統(tǒng)等環(huán)節(jié)，為我國大型無人機海洋氣象觀測納入業(yè)務(wù)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(fēng)探測業(yè)務(wù)系統(tǒng)，打通觀測到業(yè)務(wù)應(yīng)用環(huán)節(jié)，對于我國建設(shè)海洋強國、海洋戰(zhàn)略發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。
