山東省首屆無人機大賽氣象條件及服務技巧分析

李玉華，褚 希，楊秋彥，趙西軍

(1.山東省氣象服務中心，濟南 250031；2.山東省民生改革與發展研究中心，濟南 250100)

無人機(Unmanned Aerial Vehicle)是利用無線遙控和程序控制來執行特定航空任務的飛行器，已廣泛應用于公共安全、建筑、基礎設施建設、能源、農業、林業、影視等多個領域[1-2]。此外，在氣象探測、人工影響天氣、臺風災情監測、臺風探測等氣象領域，無人機以其獨特的優勢也獲得了相關應用[3-4]。2019年12月14—15日，由山東省無人機技術與應用協會主辦的2019年山東省“技能興魯”職業技能大賽——山東首屆無人機技術與應用競賽總決賽在山東省淄博市淄川區舉行。而恰巧比賽期間有一次降水天氣過程，由于氣象條件對無人機飛行操控有較大影響，為此，主辦方提前一周開始向氣象部門咨詢大賽期間的天氣情況。接到任務后，氣象部門積極協調省、市、縣三級氣象臺為這次大賽提供氣象服務保障，并啟動了精細氣象服務流程，逐日向組委會提供賽時專題氣象服務信息，在無人機飛行表演當天啟動短時臨近訂正氣象服務，精準把握住了15日淄川賽場的降水間歇期。大賽組委會根據氣象信息及建議及時調整了飛行表演計劃，確保了無人機編隊飛行表演取得成功。這次天氣過程淄川站降水量達16.6 mm，由于氣象服務精準，大賽的各項活動取得了圓滿成功，組委會對本次氣象服務保障工作給予了充分肯定。

1 賽事氣象服務需求及天氣背景

1.1 賽事對氣象條件的基本要求

無人機飛行受氣象因素的影響較大，氣象因素是決定無人機飛行成敗的關鍵影響因素，對無人機飛行影響較為直接的氣象因素有：風、溫度、濕度、能見度、降水等[5-8]。風影響著無人機的穩定性、續航時間、相對地面的運動軌跡、速度和航向；高溫天氣電機容易過熱，易造成零部件和線纜損壞，低溫天氣會降低電池的效率，縮短續航時間；空氣濕度大，會使無人機的金屬部分產生腐蝕，增大機身阻力；低能見度容易導致超視距飛行，影響飛行安全；雨雪天氣會帶來能見度低、濕度大等多重問題，給無人機的控制帶來較大困難。因此，在安排無人機飛行計劃前，需要對天氣情況進行充分了解。

大賽組委會對氣象條件提出的要求是：風力在4～5級以下，無降水或降水量不大(過程降水為小雨量級)，能見度好，不影響無人機飛行表演的視覺效果。

此次無人機大賽，使用的無人機型號大多為御Mavic 2行業版和經緯M200 V2系列。御Mavic 2行業版無人機，屬小型飛行平臺，機身輕，質量小于1 kg，屬旋翼無人機。經緯M200 V2系列，屬中型旋翼飛行平臺，質量一般在4～5 kg，可搭配云臺相機，具有圖傳系統和圖傳鏈路加密，飛行時長在33 min內，最大飛行速度為73 km/h，在-20～50 ℃的溫度內均可工作。無人機表演編隊采用的屬于中、小型旋翼無人機。大賽時，無人機的主要操作為倒飛“8”字、障礙飛行、定點取景三個競賽科目，飛行高度基本都在30 m以內。無人機編隊表演飛行高度在150 m以內，飛行面積在淄川體育公園內，不涉及高空飛行，因此，此次無人機飛行的氣象環境可視同為地面氣象環境。

1.2 比賽前期及比賽期間的天氣背景

根據氣象資料分析，比賽首日12月14日08時，從500 hPa高空形勢場(圖1a)中可以看出，山東省上空以偏西北風為主，700 hPa(圖1b)和850 hPa為一致的西北氣流，地面為閉合高壓系統，環流形勢穩定，天氣晴好利于無人機飛行，滿足比賽條件。對于大賽首日的天氣預報，各級臺站結論一致，因此氣象服務的壓力小，易于決策。

隨著天氣形勢的演變，12月14日20時500 hPa轉為平直西風，高空中低層轉為脊后槽前西南氣流，高空槽逐漸東移，850 hPa(圖2a)西南風與東北風切變線開始向北推進，預示著很快會有一次降水天氣過程影響賽區。15日08時，山東位于高空槽前，魯西南和魯西北西部開始受到西南氣流影響，從850 hPa(圖2b)高空形勢場可以看出，受西南暖濕氣流影響，充足的水汽不斷輸入山東境內，動力和水汽條件較好，山東西部開始出現降水。

圖1 2019-12-14T08高空形勢場(a 500 hPa；b 700 hPa)

圖2 850 hPa高空形勢場(a 2019-12-14T20；b 2019-12-15T08)

隨著系統不斷東移，15日上午11：50淄川區開始出現降水，其中12：00—13：50及15：30—17：30出現了兩段近2小時的降水間歇期(圖3)。從淄川區逐10分鐘的降水量圖看，隨著西南暖濕氣流與北風冷槽的結合，18時以后降水量開始增大，將對無人機飛行表演造成較大影響。

圖3 淄川區氣象站2019-12-15T11—19實況降水量

2 賽事氣象服務的關鍵點和難點

本次大賽的賽程為：12月14日09：30開幕式，14日10：00—15日12：00無人機技能比賽，15日14：00室內座談會、頒獎，15日18：00無人機編隊飛行表演。氣象服務主要有兩個關鍵節點：一是無人機操控比賽階段，為14日10：00—15日12：00；二是15日晚間無人機編隊飛行表演階段，由于表演要以夜幕為背景借助無人機自帶的燈光，所以需在天黑后進行，當日淄川區日落時間為16：46，天黑時間為17：22，因此組委會把表演時間定為18：00。

根據氣象資料分析，比賽首日天氣晴好，風力2級左右，溫度適宜，完全滿足比賽氣象條件要求，因此，氣象服務簡單明了。比賽次日，有一次明顯降水過程影響賽區。省、市氣象臺首次預報賽區15日早晨開始出現小雨，并持續到16日。經與大賽組委會溝通后，認為小雨對賽事關鍵點之一的無人機操控比賽影響不大，因為比賽用無人機在小雨天氣可以飛行，降雨雖然會對選手的發揮造成影響，但也更加考驗選手的心態和操控能力，更能賽出水平。大賽組委會比較關心的是賽事關鍵點之二，即小雨對無人機編隊表演的影響。如果能夠找到降雨的空窗期，利用降雨間歇進行無人機表演，才能更好的呈現出無人機表演和觀賞效果，這是氣象服務重點和難點。

3 氣象服務技巧初探

3.1 服務過程綜述

在大賽開始的7天前，氣象服務人員便開始關注大賽舉辦地淄川區的天氣，于12月8日給出了預報結論，并根據最新氣象資料進行逐日訂正。表1是12月8—13日逐日給出的淄川賽區14—15日的天氣預報結論。即：大賽舉辦期間會有小雨天氣，可能會對大賽造成一定的影響，15日的天氣需要重點關注是否會出現降雨過程。期間，12月10日上午，大賽組委會與氣象服務人員探討了如果15日的降雨影響太大，無人機飛行表演改為14日晚上進行的可行性。

表1 2019年12月8—13日所作淄川區14、15日天氣預報結論

13日氣象資料顯示，從12月14日20時開始，天氣形勢向有利于降水的方向轉變，預測12月15日08時開始，淄川將出現降水，量級為小雨。氣象服務人員再次對接了大賽組委會，給出了氣象預報指導建議，即14—15日，溫度、風，這兩個氣象要素不會給賽事和無人機編隊表演帶來影響，但降雨是關鍵點。鑒于賽時的天氣條件，降水對無人機賽場的影響較小，甚至可以忽略；但對大賽后的無人機編隊表演，會造成一定的影響，且降水會帶來霧氣，低能見度會影響視覺效果。因此，氣象服務關注的重點是降水和能見度。難點轉變為尋找15日晚間的降水間歇時間段。

15日11：40淄川開始降水，氣象服務人員及時啟動了臨近預報流程，借助氣象部門自主研發的“齊魯風云”手機APP，查看天氣形勢，利用雷達拼圖等觀測資料，進行降水間歇期的預測，最終找到降水空窗期為15日的15：30—17：30。結合無人機編隊飛行表演需要在天黑后借助燈光表演的特點，于15日15時向大賽組委會提出：建議無人機編隊飛行表演提前1小時進行，時間段改為17：00—17：30，既可以兼顧天黑滿足燈光效果，又可以避免在雨中飛行。同時，這一建議也滿足無人機飛行表演提前2個小時準備的條件，因此，組委會采納了氣象服務人員的建議，提前開始了準備工作。

表2給出了淄川區12月14日、15日兩天的天氣實況，由此可以看出，這兩天的氣象服務準確、及時、有效，也得到了大賽組委會和參賽選手的充分肯定。

表2 2019年12月14、15日淄川區天氣實況

3.2 氣象服務技巧分析

氣象服務不僅僅是把預報結論告訴用戶，更要從用戶的角度把氣象信息的作用發揮到極致；因此，氣象服務人員必須充分掌握用戶信息和準確的氣象信息，站在用戶的角度提出氣象服務產品使用建議。

(1)掌握用戶心理，用技術與經驗為用戶決策提供支持。本次氣象服務特點是，氣象服務人員成為了大賽組委會成員，充分掌握了組委會的決策心理。針對12月10日組委會決策層提出的無人機飛行表演提前一天進行的可能性，在充分征求有經驗的預報員意見，掌握天氣變化規律的情況下，提出了維持原計劃不變的建議被組委會采納，且最后結果讓各方滿意。主要依據是：從氣象角度，本次天氣過程是南支槽與北支槽結合的降水，開始是西南暖濕氣流下的降水，后期是西南暖濕氣流與北支槽結合的冷鋒降水。如果15日早上開始下雨，到傍晚已有10多個小時，山東冬初的降水維持10個小時的概率小，即使降水持續，雨勢也應該減弱；如果午后開始降水，西南氣流與北方冷空氣結合前一定會有間歇期。從舉辦方考慮，如果無人機飛行表演改期，考慮賽事參與人員特別是有關領導蒞臨指導的時間，14日進行飛行表演會改變賽事活動舉辦方的部分初衷，大大削弱活動的社會影響力。

(2)讓有經驗的預報員參與決策，為氣象服務成功護航。現今預報員面臨氣象數據爆發式增長，面對用戶需求，往往是按照預報的技術流程，參考數值預報模式，來確定預報結論，但這種客觀的預報方法，在進行重大活動，特別是賽事活動服務時，局限性很大。如果給組委會提供的預報結論太籠統，往往讓賽事組委會無法進行決策；因此，氣象服務人員必須主客觀融合，以用戶需求為出發點進行精細氣象服務，特別是要充分發揮預報員的經驗，去嘗試并探索利用不斷更新的實時探測資料，去推測和尋找降水預報過程中可能出現的間歇期，讓氣象服務真正能幫助用戶進行決策。重大活動氣象服務保障過程中，預報員的經驗豐富與否非常關鍵，直接影響到整個氣象服務的成敗。

(3)重視短時臨近氣象服務訂正，往往能夠提升用戶滿意度。多普勒天氣雷達是探測降水系統的主要手段之一，也是短時臨近預報訂正的主要手段。本次大賽降水間歇期的準確推斷主要是利用多普勒天氣雷達來實現的。通過把握雷達回波的移動速度、方向和落區，可以對預報地點給出準確率較高的降水強度、時間、落區的臨近預報，由此可見多普勒天氣雷達資料在短時臨近預報中作用是至關重要的。氣象服務人員通過及時向組委會提供雷達回波信息，促成組委會下決心提前1小時進行無人機飛行表演，避免了降水對飛行的影響，取得了滿意的效果。

(4)氣象服務心理學幫助用戶走進氣象，提升氣象服務成效。好的氣象服務是以技術為基礎，打造用心服務的過程。氣象服務的過程涉及多方面的人員心理活動，包括天氣預報員的心理、用戶的心理和氣象服務人員的心理。預報員關心的是預報的降水實際發生即成功，用戶的心理是關鍵節點不下雨即成功，氣象服務人員的心理是為用戶預測的降水間歇期不下雨即成功。三者的心理訴求是不同的，氣象服務人員作為一個紐帶和橋梁，連接著預報員和用戶，既要權衡預報員、用戶兩者的心理，又要將不同的訴求融為一體綜合分析再去服務，因此，在氣象服務的整個過程中，服務人員在克服自身服務壓力的情況下，還需去化解預報員和用戶的心理壓力，盡心提供優質服務保障，才能給用戶全新的氣象服務體驗。在氣象服務的過程中，所有參與者的體會和心里獲得感，都是一次次的心理活動過程，特別是用戶的心理活動會影響到最后的服務效果；因此，氣象服務心理學貫穿了整個氣象服務的始終[9-12]，氣象服務更要側重考慮用戶的困惑、疑慮和壓力，做好服務、釋疑、解釋工作，才能獲得用戶更高的服務認可。

4 結語

氣象服務工作比較艱辛，需要艱難抉擇，但只要認真分析用戶需求，抓住氣象服務關鍵節點，利用氣象服務技巧，合理剖析用戶心理訴求，就能成功實現精細氣象服務并獲得用戶認可。山東省首屆無人機大賽決賽組委會氣象服務的成功案例，為如何更好的開展氣象服務工作積累了經驗。準確的氣象預報產品是氣象服務精細化的基礎，努力提升氣象預報準確率是氣象部門永恒的主題。百分之百準確的氣象預報很難實現，但百分之百的精細氣象服務是很有可能做到的，氣象服務者需要真正融入到用戶之中，從用戶角度看氣象服務。氣象服務人員的服務心理與氣象用戶的消費心理是不同的，氣象服務技巧與氣象服務心理學關系密切。