【环球时报报道 记者 陈子帅 林小艺】号称今年最强台风的“红霞”于26日在广东省登陆，沿途影响到湖南等地。在此期间，中国气象科研人员首次采用蜂群无人机观测方式，针对台风登陆前后全过程开展高频率、多维度观测试验。这也是我国首次将蜂群无人机技术应用于台风过境前后全过程低空风暴环境观测。这场飞入台风的试验，突破了哪些技术难题？蜂群无人机如何帮助人类进一步看清风暴内部？未来，这项技术又将如何服务气象预报、防灾减灾？《环球时报》记者独家专访了此次试验的负责人、中国气象科学研究院研究员郭建平。
蜂群无人机进行台风观测的效果图
给台风做立体CT扫描，“飞到哪测到哪”
7月25日傍晚，广东沿海，台风“红霞”正在逼近。在位于深圳市大鹏半岛的中国气象局粤港澳大湾区低空经济无人航空气象保障野外科学试验基地，这场特殊的观测试验正在进行。“25日18时50分，‘红霞’登陆广东前，现场风力已达每秒17米，是参与本次试验的无人机飞行过程中环境最恶劣、风险最高的时段。团队全员实时监控每一架无人机的飞行状态、编队阵型、数据传输情况。”郭建平向《环球时报》记者还原了当时观测试验的情况。他说，峰值风场多次引发无人机剧烈震荡、航迹偏移，团队动态调控编队姿态与航线，完整获取极端条件下的飞行安全气象边界条件，保障观测数据连续完整，精准捕捉到台风登陆前关键时段的低空热动力廓线数据。
试验前，团队正在调试无人机。
这是一次“迎风而上”的观测。我国此前观测台风更多是在外围“看”它：卫星从高空俯瞰云系，雷达捕捉降水回波，大型飞机穿越台风螺旋云系，浮标记录海面变化。但台风最复杂、最活跃的区域之一——近海云下低空边界层，却长期缺少连续、精细的直接观测。这一次，中国气象科研人员尝试让无人机群飞进台风低空区域，用蜂群无人机组成一张移动的“空中气象网”。
“我们现有的风云卫星、气象雷达组成的观测网络只能看见台风的‘屋顶’，而蜂群无人机作为由多架搭载高精度气象载荷的无人机组成的协同观测阵列，可以钻进‘房间内部’，可按照预设空域、高度分层、点位布局协同飞行，能够实现‘飞到哪测到哪’。”郭建平告诉《环球时报》记者，蜂群无人机可多点、多层、同步捕捉台风低空区域的温、湿、风、湍流等核心气象数据，并实时记录飞行姿态与能耗波动，相当于在空中织就一张立体、动态的“气象感知网”，给台风影响的近海云下低层大气做全方位动态CT扫描。
郭建平告诉《环球时报》记者，此次试验中，4架无人机组成观测蜂群（若条件允许，可同时实现40甚至400架无人机编队飞行），同时每3架无人机通过三角形布局构成低空关键动力参数观测组网，实现对低空大气动力廓线的精细探测。不过科研的过程并非一帆风顺，他透露，此前在试验阶段，无人机“炸机”的事也常有发生。
值得注意的是，这还是我国蜂群无人机首次实现覆盖台风过境全程的低空风暴环境立体观测。郭建平表示，所谓“立体观测”是指突破传统二维平面观测局限，构建台风近海低空大气三维空间、全时序、全覆盖的观测体系。“我们可以全程追踪台风逼近、衰减、消散过程，高频率连续采样，实现对台风影响的低空大气垂直结构的全方位立体透视。”
据介绍，此次观测试验取得了不少成果。除了补齐上述台风低空观测的盲区外，还系统获取了台风过境前后无人机在复杂气象条件下的实际运行数据。郭建平告诉记者：“我们记录了台风过境全过程无人机航迹偏移、机身震荡、电量功耗等参数，有助于揭示风暴环境对不同机型无人机飞行姿态、航迹和能耗的影响规律，量化极端天气下低空安全飞行的气象边界条件，为低空经济气象相关技术标准的建立提供科学数据支撑。”
搭载向下测风激光雷达的无人机
如何在狂风暴雨中稳住无人机
很多人看到无人机蜂群，可能会想到城市上空的灯光表演。数百架无人机按照提前设定好的程序，在晴朗夜空中组成各种图案。但低空蜂群无人机面对的是快速演变的风暴环境，需要实时判断和调整飞行参数，以保证其在强风、湍流等条件下稳定运行。郭建平告诉《环球时报》记者，实测得出，团队使用的机型可承受的极限风速为每秒20米。
郭建平称，在无人机和气象载荷等硬件上，“我们对无人机进行了极端环境适配改造，强化机身抗风雨、抗震动、防积水能力，优化动力续航系统，适配大风、强湍流等恶劣工况。同时摒弃通用载荷，搭载气象专用高精度探测模块，可实时捕捉微米级气象参数变化，兼顾轻量化、稳定性与精准性，实现作业与探测一体化。”
在算法上，科研团队优化了飞控的风扰抑制算法，能够实时感知外界风速风向扰动，动态调整电机输出功率，抑制或削弱抵消阵风带来的姿态波动。还增设了阵风识别逻辑，遇到突发大风无人机能够自动修正航线。
此外，无人机执行的不是固定航线，而是搭载实时风场感知载荷，根据原位观测到的风力大小动态调整飞行速度、高度。针对无人机蜂群，建立了集群信息互通，单架无人机感知强风扰动后信息共享，整群同步调整队形，避免编队碰撞、解体。“本次蜂群无人机可在台风登陆前的极端工况下稳定作业。”郭建平说。
更精准判断台风过境全过程风暴环境
试验结束后，留在科研人员手中的是一套过去难以获取的台风过境全过程低空热动力条件观测资料。对于气象科研人员而言，这些数据能够帮助他们进一步认识台风内部结构，认识流体运动规律，助力台风精准预报。
“蜂群无人机获取的三维立体实测数据，可为数值天气模式提供更加准确的边界层温湿风廓线资料。”郭建平介绍说，数值预报模型需要大量观测数据作为初始条件。观测越精细，对天气系统状态的描述就越准确。此次试验获得的低空风场、温湿度以及湍流资料，可以用于改进台风低层大气结构模拟。这意味着未来结合强抗风能力的大型机，气象部门能更精准地判断台风的登陆地点、路径以及强度演变等。
郭建平认为，未来，蜂群无人机技术不仅可以服务大型气象灾害监测，也可能改变城市精细化天气预报方式。“目前天气预报能预测一个城市和地区的灾害天气，但具体到每个街道或社区，可能不太精准。未来蜂群无人机可帮助提高城市街区尺度天气预报能力，让天气感知和预报预警更精细。”
在台风、暴雨、强对流等灾害天气过程中，这种高机动、高密度观测能力尤其具有价值。相比固定气象站，无人机最大的优势在于“机动”。哪里需要加强观测，就可以快速部署到哪里。天气系统在哪里变化，就可以跟随哪里。这意味着，未来气象观测体系可能不再完全依赖固定站网，而是形成“固定站网+机动观测”的新模式。郭建平认为，这标志着气象观测能力正在从“固定站网为主”，向“固定站网与按需机动加密相结合”转变。
普及应用还有挑战
《环球时报》记者了解到，用无人机观测台风在国际上并不是新事，使用固定翼或多旋翼无人机开展海上边界层观测此前有过先例，但以单机为主。
早在多年前，中国就开始探索无人机在气象领域的应用。中国气象局自2018年起，已探索性地开展了以大型无人机为主的气象观测试验——“海燕计划”。2020至2022年成功组织实施了针对海洋台风、青藏高原大气与冰雪的高时空分辨率垂直探测，并显著提高台风影响区域预报评分。如今“多机型异构蜂群、定点分层同步组网、覆盖台风登陆前后全过程”，是创新性的首次立体观测。
“蜂群无人机的价值不在于比谁飞得更高更远，而在于提供了一套低成本、可复制、可常态化的近海低空观测方案。对台风影响严重、海岸线漫长的国家和地区来说，这一点更有参考意义。”郭建平也直言，短期来看，距离无人机观测台风的普及应用，还存在一定挑战，例如台风观测蜂群对硬件精度、协同算法、环境适配能力、作业保障体系要求极高，研发与运维成本高，且需要专业试验基地、科研团队支撑。“更可能的路径是，采用以观测预报互动为主要特征的适应性观测模式，在影响台风路径和强度演变的敏感区，尤其是我国东南沿海地区，构建‘大型通航飞机+蜂群小型无人机’（子母机）观测体系，开展机动观测。同时与现有低空气象探测基础设施共建共用，而不是像自动气象站那样铺满全国。”
在专家看来，长期来看，这项技术落地普及潜力巨大。“这种观测方式具有极强的通用性——它同样适用于海洋气象灾害监测预警、海上风电场风资源开发利用、海洋牧场气象保障等更多领域。随着技术持续迭代、成本逐步降低、标准化体系完善，适配常规复杂气象场景的小型蜂群观测系统，将逐步实现行业规模化应用，构建完善的低空精细化气象保障体系。”