眾所周知, 低空（近地/水面）氣象觀測對于臺風(fēng)邊界層特征（特別是臺風(fēng)條件下的海— 氣相互作用）及其機(jī)理的認(rèn)識, 不可或缺, 并有助于臺風(fēng)數(shù)值模式邊界層物理過程參數(shù)化的改進(jìn)及模式性能的提高。同時, 鑒于有人駕駛飛機(jī)在低空（特別是在臺風(fēng)條件下）飛行的高風(fēng)險性, 低空氣象無人機(jī)因而受到廣泛關(guān)注。

澳大利亞較早研發(fā)氣象無人機(jī), 代表機(jī)型是“ Aerosonde（航空探測器, 或稱氣象偵察兵）” 及其改進(jìn)型“ MK-II” 和“ MK-III” 。該序列無人機(jī)由澳大利亞Aerosonde公司自1991年開始研發(fā), 1997年“ Aerosonde” 投入使用, 1999年和2001年先后推出改進(jìn)型“ MK-II” 和“ MK-III” 。“ MK-III” 翼展2.7 m、起飛重量13.6 kg（有效荷載2.2 kg）、升限5.5 km、能以110 km/h的速度巡航30 h, 且由全球定位系統(tǒng)自動導(dǎo)航。由于比較輕便, 該機(jī)可從車輛頂部發(fā)射, 已被澳大利亞氣象局、美國NOAA和NASA、日本和韓國氣象廳、世界衛(wèi)生組織等多個國家的科研部門和國際組織使用。

美國為了降低有人飛機(jī)探測颶風(fēng)（臺風(fēng)）的成本和低空飛行的風(fēng)險, 在2001年實(shí)施的“ 對流與水汽科學(xué)試驗(yàn)（The Convection and Moisture Experiment, CAMEX-4）” 中, 于8月19日— 9月9日, 使用澳大利亞產(chǎn)的“ Aerosonde” 進(jìn)行了無人機(jī)低空氣象探測的嘗試, 獲取了近水面（約300 m）的溫度、濕度和風(fēng)速等氣象資料, 可惜無人機(jī)并未飛入颶風(fēng)環(huán)流。同年, 我國***大學(xué)科學(xué)家也利用相同型號的“ Aerosonde” 無人機(jī), 成功地飛入了“ 海燕（0121號）” 臺風(fēng)的環(huán)流圈內(nèi), 距臺風(fēng)中心最近僅150 km, 測得了氣壓、最大風(fēng)速和溫度等氣象要素[8]。日本氣象廳也于2001年, 以沖繩為基地, 使用螺旋槳式單發(fā)動機(jī)飛機(jī)（全長2 m, 續(xù)航能力約為3 000 km）, 對“ 桃芝（0108號）” 臺風(fēng)實(shí)施了無人機(jī)的探測試驗(yàn), 獲取了臺風(fēng)中的風(fēng)向、風(fēng)速、濕度和溫度等大量的觀測數(shù)據(jù)。美國曾于2003年計劃在太平洋地區(qū)（關(guān)島、阿拉斯加、沖繩和韓國等地）部署15~20架能探測臺風(fēng)的氣象無人機(jī)。

2005年9月16日, 在“ 改進(jìn)熱帶氣旋強(qiáng)度預(yù)報的試驗(yàn)（the Intensity Forecasting Experiment, IFEX）” 中, 美國用“ MK-III” 無人機(jī)首次成功地飛入了“ 奧菲莉亞（Ophelia）” 颶風(fēng), 獲取了颶風(fēng)在近水面（約300 m）的風(fēng)、溫、壓、濕等氣象觀測資料[8,?9]。2007年美國在對颶風(fēng)“ 諾埃爾（Noel)” 進(jìn)行了超低空飛行探測, 無人機(jī)的飛行高度僅為82 m, 并持續(xù)飛行了約17.5 h[9]。顯然, 在這個高度實(shí)施有人駕駛飛機(jī)的飛行探測風(fēng)險極大。首例利用無人機(jī)成功穿越臺風(fēng)中心的飛行是由我國***科學(xué)家在2005年完成的。2005年10月1日, 我國***科學(xué)家利用澳大利亞產(chǎn)的“ MK-III” 無人機(jī)成功地穿越了“ 龍王（0519）” 的臺風(fēng)眼，?在臺風(fēng)核心區(qū)域持續(xù)飛行了近10個小時, 并獲取了飛行高度（3 km）處臺風(fēng)云墻內(nèi)的最大風(fēng)速等的觀測資料, 測得的10 min和1 min平均風(fēng)速分別達(dá)58.6 m/s和62 m/s。

中國氣象局（氣象探測中心）于2008年組織國內(nèi)首個無人機(jī)探測臺風(fēng)比較試驗(yàn), 來自國內(nèi)的“ 星光” 、“ 東恒宇” 、“ 西工大” 、“ 海鷹” 、“ 貝思” 和“ 恒利華” 等多家無人機(jī)研發(fā)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)廠商參加。6月24~25日對“ 風(fēng)神（0806號）” 臺風(fēng)進(jìn)行了演練性的探測, 7月18日、9月15日分別對“ 海鷗（0807號）” 和“ 森拉克（0813號）” 臺風(fēng)進(jìn)行了探測試驗(yàn)。在7月18日實(shí)施的“ 試驗(yàn)” 中, 由“ 東恒宇” 公司研制的“ 晨鳥” 無人機(jī)成功地飛入“ 海鷗” 臺風(fēng)（距臺風(fēng)中心最近約108 km）, 并在臺風(fēng)環(huán)流內(nèi)持續(xù)飛行了4小時, 獲取了臺風(fēng)近水面（約500 m）的溫度、氣壓、相對濕度、風(fēng)速/風(fēng)向及海拔高度等觀測資料, 而且飛機(jī)安全回收。在整個試驗(yàn)中共完成了3次7小時的連續(xù)飛行測試、4小時大雨條件下飛行測試, 完成了對“ 海鷗” 和“ 森拉克” 臺風(fēng)的探測試驗(yàn)并獲取了完整的溫濕壓、風(fēng)速/風(fēng)向資料。

相對于路徑, 臺風(fēng)強(qiáng)度變化的機(jī)理仍不很清楚, （數(shù)值）預(yù)報能力仍十分有限且進(jìn)步緩慢。鑒于臺風(fēng)結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度變化的密切關(guān)系, 獲取更多的臺風(fēng)全生命史的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征的直接觀測資料, 被認(rèn)為是提高臺風(fēng)生成和強(qiáng)度變化機(jī)制認(rèn)識的必由之路, 也是改善臺風(fēng)數(shù)值模式渦旋初始化技術(shù)、海— 氣模式耦合及臺風(fēng)邊界層物理過程參數(shù)化等方案的重要基礎(chǔ)。

美國長達(dá)半個多世紀(jì)的實(shí)踐表明, 飛機(jī)觀測無疑是當(dāng)前臺風(fēng)直接觀測最有效的手段。然而, 有人駕駛飛機(jī)穿越臺風(fēng)的觀測成本太高、人員傷亡等的風(fēng)險太大（特別是低空飛行時）, 而無人機(jī)的相對低成本和無傷亡等優(yōu)勢較好地規(guī)避了有人飛機(jī)的風(fēng)險。而且, 隨著無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展, 有效荷載和續(xù)航能力等性能還將進(jìn)一步提高。對美國現(xiàn)役的用于探測臺風(fēng)的有人駕駛飛機(jī)和無人機(jī)的主要性能進(jìn)行比較, 不難發(fā)現(xiàn)無人機(jī)的性能并不弱, 特別是在長航時（或航程）和低空飛行方面具有明顯優(yōu)勢。

從各國已開展的相關(guān)科學(xué)試驗(yàn)來看, 無人機(jī)探測臺風(fēng)大有可為。而且, 隨著無人機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展, 成本還將進(jìn)一步降低, 有效荷載和續(xù)航能力等性能還將進(jìn)一步提高, 更多的臺風(fēng)特種觀測儀器將被搭載并充分使用, 高空下投探空和近水面飛行的無人機(jī)體系和協(xié)同觀測已是大勢所趨。

相對于臺風(fēng)的尺度, 無人機(jī)的飛行觀測和下投探空等仍然是非常“ 有限” 的觀測。研究表明, 不同區(qū)域（水平和垂直）、不同要素以及不同時間節(jié)點(diǎn)上的觀測資料, 對于（數(shù)值模式）預(yù)報性能的貢獻(xiàn)有時會顯著的不同。Yamaguchi等[15]對“ DOTSTAR” 試驗(yàn)的飛機(jī)下投探空資料研究發(fā)現(xiàn), 臺風(fēng)“ 康森（0404號）” 中心以東（綠色圈內(nèi)）的3個下投探空資料, 對數(shù)值模式的臺風(fēng)路徑預(yù)報至關(guān)重要, 而中心以西（青藍(lán)色圈內(nèi)）6個下投探空資料, 作用相對很小。

基于敏感性的目標(biāo)觀測, 是世界氣象組織（WMO）為了提高觀測的有效性從而改進(jìn)天氣預(yù)報性能, 組織實(shí)施的為期10年的“ 觀測系統(tǒng)研究與可預(yù)報性試驗(yàn)（The Observing System Research and Predictability Experiment, THORPEX）” 的核心, 其實(shí)質(zhì)就是在對預(yù)報性能提高“ 最敏感” 的地方（區(qū)域、時間和要素）實(shí)施“ 有限” 的觀測。項目自實(shí)施以來, 取得了顯著進(jìn)展, 基于敏感性的目標(biāo)觀測的理念廣為接受, 并已成為實(shí)施“ 有限” 觀測、達(dá)到預(yù)報性能最大改進(jìn)預(yù)期的基礎(chǔ)[16]。

此外, 無人機(jī)的探測作為衛(wèi)星、雷達(dá)和氣象業(yè)務(wù)觀測網(wǎng)的重要補(bǔ)充, 若能與近年來發(fā)展較快的近海浮標(biāo)、梯度觀測塔及車載追風(fēng)觀測等儀器協(xié)同使用, 將在臺風(fēng)觀測研究和數(shù)值模式發(fā)展及防臺減災(zāi)中發(fā)揮更大的作用。中國氣象局（上海臺風(fēng)研究所）依托科技部公益性行業(yè)（氣象）專項, 與相關(guān)部門合作, 于2014— 2018年組織實(shí)施“ 近海臺風(fēng)強(qiáng)度變化觀測研究科學(xué)試驗(yàn)” , 低空無人飛機(jī)將與新近研制成功的“ 火箭拋撒” 下投探空及車載追風(fēng)觀測等設(shè)備協(xié)同觀測。

20世紀(jì)60年代以后, 美國已逐步建立了“ 上有人造氣象衛(wèi)星, 中有飛機(jī)偵察, 下有氣象雷達(dá)、浮標(biāo)和船舶” 等組成的颶風(fēng)立體探測網(wǎng)絡(luò), 為其颶風(fēng)理論及數(shù)值模式等預(yù)報關(guān)鍵技術(shù)的研究提供了強(qiáng)有力的資料保障。與之相比較, 我國的地面氣象探測網(wǎng)建設(shè)較快, 特別是地面自動氣象站已非常密集（達(dá)3~5 km）, FY氣象衛(wèi)星也具備6分鐘區(qū)域加密觀測能力, 沿岸的氣象雷達(dá)也基本“ 全覆蓋” , 不少地區(qū)已在“ 雙雷達(dá)” 或“ 多雷達(dá)” 的描掃區(qū)內(nèi), 浮標(biāo)和船舶的布設(shè)也逐漸加快, 唯有飛機(jī)探測進(jìn)展緩慢。縱觀世界各國無人機(jī)探測臺風(fēng)的實(shí)踐, 展望其未來發(fā)展趨勢, 建立我國“ 高低空無人機(jī)協(xié)同、火箭拋撒相結(jié)合” 的臺風(fēng)一體化探測體系的條件已基本成熟。

此外, 東海和南海周邊國家甚多, 進(jìn)行無人機(jī)或“ 火箭拋撒” 探測臺風(fēng)的作業(yè)時, 由于儀器或系統(tǒng)故障等原因, 客觀上存在“ 越境” 或誤入誤傷等情況的風(fēng)險。為規(guī)避此類不必要的國際糾紛和風(fēng)險, 利用ESCAP/WMO亞太臺風(fēng)委員會等國際合作組織, 在試驗(yàn)階段策劃相應(yīng)的國際合作項目, 不失為規(guī)避上述風(fēng)險的較適宜的選擇。

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