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設備與工具中央氣象臺臺風與海洋氣象預報中心主任 錢傳海
中國氣象局綜合觀測司站網(wǎng)管理處副調(diào)研員 楊曉武
航空工業(yè)成飛翼龍10副總設計師 張志堅
中國氣象報記者 簡菊芳 王亮
無人機探測臺風，優(yōu)勢在哪兒？
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(jiān)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（熱帶氣旋）影響的國家和地區(qū)都如此。
錢傳海表示，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(yè)務中面臨的巨大挑戰(zhàn)。臺風在海上生成，海上觀測資料稀疏，甚至是觀測盲區(qū)，現(xiàn)有天基觀測手段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(shù)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。
我國首次高空無人機臺風綜合探測試驗成功
海上觀測資料極其珍貴。上世紀50年代初，美國開展了帶有準業(yè)務性質(zhì)的臺風/颶風飛機觀測。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(yè)務。
國際多種數(shù)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。
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。張雪芬表示，搭載下投探空系統(tǒng)、云雷達等機載設備的高空無人機，可獲取臺風內(nèi)部精細結構特征和垂直結構信息，幫助預報員更準確分析臺風位置、強度及結構等信息。
在錢傳海看來，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(shù)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。
無人機探測臺風，需要做哪些工作？
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(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計及科研試驗工作。由中國氣象局氣象探測中心（以下簡稱探測中心）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，探測中心對國內(nèi)各大型無人機生產(chǎn)企業(yè)進行了廣泛調(diào)研，最終與實力雄厚的成飛公司簽訂了戰(zhàn)略合作協(xié)議，選用翼龍-10無人機。
當時，國際上下投探空系統(tǒng)基本為芬蘭所壟斷，價格高昂?！奥?lián)合國內(nèi)企業(yè)研制，搞自主知識產(chǎn)權的下投探空系統(tǒng)?！表椖控撠熑藦堁┓耶敊C立斷，不僅如此，探測中心還協(xié)調(diào)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(fā)方面，探測中心組織完成了下投探空系統(tǒng)掛接的標準化設計與研發(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、風洞投放安全試驗。
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(tǒng)改進、多載荷通信及集成技術改進、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，試驗組組織了臺風預報、飛機研發(fā)設計、探測載荷研制等多個領域?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)以外，機場的保障、試驗天氣保障等，都很重要?！睆堁┓铱偨Y。
建設海洋強國，無人機能做什么？
我國有1.8萬公里大陸海岸線和300萬平方公里管轄海域。
服務國家海洋強國戰(zhàn)略、做好海洋防災減災是氣象部門的重要使命和任務。楊曉武介紹，長期以來，中國氣象局高度重視海洋氣象觀測工作，對標“監(jiān)測精密、預報精準、服務精細”，通過一系列重大工程項目，構建岸基、?；⒖栈?、天基一體化的海洋氣象綜合觀測系統(tǒng)和相應的配套保障體系。
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、推進臺風探測的任務。2018年，高空無人機下投探空試驗工作啟動。在海洋氣象規(guī)劃和海洋氣象保障工程中，加快以高性能大型無人機為主體的空基觀測體系建設成為開啟邁向海洋氣象強國的征程。
此外，經(jīng)過海洋氣象保障一期工程建設，截至今年6月，我國海洋浮標、平臺站點超過60個，涉及遼寧、天津、山東、上海、浙江、廣東、廣西、海南等8個省（自治區(qū)、直轄市）。
據(jù)探測中心主任李良序研究員介紹，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(yè)務系統(tǒng)，打通觀測到業(yè)務應用環(huán)節(jié)，為實現(xiàn)“監(jiān)測精密、預報精準、服務精細”奠定基礎，對于我國建設海洋強國、海洋戰(zhàn)略發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義，為全球氣象服務提供全新精準的技術手段。
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。將持續(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)，進一步檢驗裝備性能，實現(xiàn)制度完善、流程優(yōu)化、調(diào)度科學，為大型無人機海洋氣象觀測納入業(yè)務化做好支撐。
聯(lián)合國亞太經(jīng)社會/世界氣象組織臺風委員會秘書長喻紀新表示，未來，希望中國可以利用項目開展無人機臺風探測的業(yè)務化實踐，為提高臺風預報精度和防災減災作出中國貢獻，這將是很有意義的工作。
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