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江苏探索边界层探测解决方案

发布日期:2021-06-03 14:14    

从无人机到探测载荷全部自主研发,实现精准边界层气象探测,为高原、盆地等复杂地形丰富气象探测手段——

5月31日,在江苏省金坛国家综合气象观测专项试验外场(交通气象),一架旋翼式无人机缓缓上升,搭载着气象探测传感器,对边界层气象环境进行探测。

这是江苏省气象科学研究所(以下简称省气科所) 自主研发的边界层气象探测无人机,选用了轻型化、小型化,符合边界层气象探测高分辨率、高灵敏度、高准确度要求的集成气象传感器,不仅适用于交通气象观测领域,还可以根据不同的观测需求“定制”不同的飞行模式。

省气科所高级工程师吴泓介绍,利用无人机进行边界层探测可以“无视”风的影响,实现真正的垂直探测,确保采集的数据更加精准。

江苏的无人机气象观测始于2016年。此前开展气球探测时,需确保多地同一时间施放,人工操作导致的误差使得实验结果难以满足实际需求。于是,吴泓产生了“把传感器放在无人机上,通过联网操控确保起飞时间一致”的想法。在通过可行性研究后,省气科所迅速组建研究团队开始技术研发。

很快,研究团队自主研发的无人机边界层气象探测系统经过设计、研发、飞行试验以及风洞实验和气动仿真实验等技术攻关,完成定型。与此同时,一个顶着尖尖脑袋(传感器),形似六爪蜘蛛 (飞行旋翼) 的大型无人机系统也研制成功。

在研发设计以及应用过程中,无人机的功能不断完善,团队研制了兼具高灵敏度和高准确度的无人机边界层气象探测专用传感器;无人机平台实现了飞行高度大于3000米的设计目标,不仅满足平原地区边界层探测使用,还可以在高原地区使用,且飞行高度可达2000米。多次探测飞行试验证明,无人机的水平定位精度进入0.5米范畴,空载续航时间超过70分钟,抗风等级大于等于15米/秒。

全新的气象观测无人机能够应对多种复杂气象环境,丰富了气象观测数据的应用场景,提升了探测数据的使用价值。正因如此,2020年夏天,作为解决四川地区高原与盆地复杂地形探测难题的手段之一,该无人机在四川进行了针对性探测试飞,为四川气象观测提供了优化方案。

针对实际应用过程中,无人机旋翼转动产生的风对精确测风有较大影响,研究团队通过大量风洞试验、流场仿真等手段,获得了针对无人机的传感器架设高度以及此高度上流场影响定量分析结果,使系统结构设计和修正方法有了大量数据支撑;结合不同风传感器自身特性,融合实时无人机姿态数据,以流场仿真结果为基础,建立了修正算法模型。

兼职网站平台牵头在盐城地区建设了以射阳、大丰、建湖、阜宁、滨海等地气象局为主的无人机边界层气象观测探测基地,并于2018年和2019年开展探测示范应用。其中,2019年7月还启动了集中组网观测试验,获取了无人机、载荷等性能数据和边界层探测数据。

经过长达数月、每日5次的连续业务运行实践,江苏气象部门自主研发的无人机边界层探测装备验证了多点组网、协同作业的工作模式,实现了省级中心控制、异地多站点组网同时观测作业,数据集中处理、存储与共享,从而保证了数据的可比性,这也为推动全国无人机气象探测业务化奠定了可行性基础。

当前,该无人机已经在兼职网站平台气象探测中心、兼职网站平台成都高原气象科学研究所、陕西省气象探测中心、江苏省气象探测中心等单位开展延伸科学试验应用。

(来源:中国气象报2021年6月3日第三版?作者:孙啸)