京津冀地區無人機低空航路氣象環境模擬研究

鐘若嵋 廖小罕 徐晨晨 文小航

（1 成都信息工程大學 高原大氣與環境四川省重點實驗室，成都 610200；2 中國科學院地理科學與資源研究所 資源環境與地理信息國家重點實驗室，北京 100101；3 中國科學院無人機應用與管控研究中心，北京 100101；4 天津中科無人機應用研究院，天津 301800）

0 引言

近年來，民用無人機產業持續高速發展，據統計，截至2019年底，獲得民用無人機經營許可的企業達7149家，全行業實名登記無人機共39.2萬架[1]，2020年產值將達到600億元[2]。一般情況下低空空域指高度1000 m以下的空域，是無人機活動的主要區域。隨著我國低空空域范圍的陸續開放以及軍民融合上升至國家戰略層面，低空飛行安全氣象保障體系是目前一個重要的研究方向[3]。我國低空環境復雜多變，低空飛行氣象保障體系和無人機飛行安全的氣象保障工作越來越被重視。隨著無人機商業化應用的飛速發展，無人機運輸、航拍、救援等飛行活動呈現爆發式增長，使得原本低空空域無人機數量龐大、航路復雜、易受環境和地形影響等問題變得更加棘手。與這些問題對應的卻是我國的低空飛行安全氣象保障技術發展呈現出一定的滯后性，低空飛行的安全性無法得到保障，飛行事故出現的概率較高[4]。為緩解或解決此類情況，進行高質量的低空航路安全氣象保障的研究是非常有必要的。

影響無人機飛行的氣象因素主要有大風、雷暴、能見度、氣溫、氣壓和濕度等[5]。飛行過程中，無人機會受到風的干擾。當靜風或者風速較小時，無人機自身飛行控制系統能夠抵抗風的干擾，保證其相對平穩的飛行。但當風速或者風力較大時，特別是風速超過無人機最大飛行速度、產生低空風切變時[6]，會導致其無法正常飛行，甚至炸機。目前國內的民用無人機，以大疆（DJ-Innovations，簡稱DJI）為例，Phantom 3、Spark、M600、Mavic Mini系列的抗風等級為四級風（風速5.5～7.9 m/s），Phantom 4、Mavic Pro、Mavic Air、Mavic 2、Inspire、M200、M100、S1000系列的抗風等級為五級風（風速8.0～10.7 m/s），少數抗風等級為六級風（風速10.8～13.8 m/s），如FPV系列，極少數甚至達到七級風（風速13.9～17.1 m/s）。因此在風速的研究中將風速5.5 m/s作為無人機可否飛行的判斷標準。無人機是以鋰電池為動力，無人機飛行過程中，氣溫過高或者過低都可能影響無人機的一些功能組件，導致降低飛行效率，影響飛行穩定。目前國內無人機工作的環境溫度大多數在0～40 ℃，個別高性能無人機工作溫度可低至-10 ℃，原則上超過這個范圍就會對無人機電池的壽命和容量產生影響。在高溫環境中飛行，無人機的電機在運轉產生升力的時候，也會連帶產生大量的熱量，電機非常容易過熱[7]，在一些極端情況下甚至可能會融化一些零部件和線纜。在低溫環境中工作，無人機鋰離子電池低溫放電容量會降低，雖經過常溫充放電后可以恢復，是可逆的容量損失，但是低溫充電會造成析鋰，是永久性的容量損失[8]。空氣濕度也是一項能影響無人機正常工作的氣象因子，濕度較高時（相對濕度90%以上）極有可能產生霧天雨天，造成能見度降低，影響無人機飛行。當空氣濕度的數值接近100%時，即使不下雨，無人機的表面也會凝結非常多的水汽。對于無人機這類精密的電子產品，水汽一旦慎入內部，非?？赡芨g內部電子元器件。

如今數值模擬研究是科學研究的熱門領域，精細化高分辨率的數值天氣預報，如MM5、WRF、SWAN、WW3、POM等[9]也被越來越多的科研人員應用到科研與業務應用中。Passner等[10]通過WRF模式研究小尺度晴空顛簸，為無人機提供晴空顛簸的預報服務。Chen等[11-12]為了構建數字化船舶導航系統，使用WRF和NCEP-FNL資料模擬了日本大阪灣和東海的天氣和海洋，實驗表明高分辨率WRF模式可提供風的分布，從而使船舶導航具有更高的精確度。Lu等[13]利用GPV數據集和WRF模式重點研究了南半球的三種海面航行，以試圖選擇用于船舶航行的適當天氣。Vladimir Zalesny等[14]利用海洋環流數值模型為船舶提供最優航路。Evans等[15]利用WRF模式模擬了南北半球的風場，并通過船上觀測評估了模擬的結果，提供了船舶天氣路線的建議。Chen等[16]從最優航路角度看WRF模型仿真的結果。匈牙利政府為規避復雜的天氣帶來的損失，研制了綜合航空氣象預報系統（IAWPS），針對九種典型的天氣情況，對模型系統的不同參數化進行了研究，從天氣危害角度分析了它們對航空安全的影響[17]。我國對于航路的安全氣象保障研究多以飛機航路和船舶航路為主，飛機航路主要針對晴空顛簸進行研究，船舶航路主要針對大風。針對低空空域航路的研究目前最新技術手段為基于地面氣象探測，低空雷達監測，風云系列氣象衛星和北斗導航衛星的陸—空—天一體化低空飛行安全氣象保障系統，且以統計預報[18]和經驗預報[19]居多，對于數值模擬研究應用較少。此外，現有技術對于航路氣象安全保障也存在一些短板：無人機航路附近的自動氣象站數量稀少，自動氣象站只能對無人機航路上的氣象信息進行實時監測，不能夠進行預報預警；風云系列氣象衛星檢測范圍大，分辨率較高，但衛星過境時間不連續，有云的影響時，對地監測效果很差等。

無人機航路作為一種新興航路，目前沒有無人機航路上的歷史氣象狀況，而自動氣象站由于站點稀少，遠遠達不到無人機飛行所需的覆蓋密度，由此，本文基于高分辨率的WRF模式，對京津冀航路上過去5年的氣象場進行模擬，以期得到京津冀地區無人機航路上的氣象要素年平均分布場和空間區域內氣象要素的垂直分布，通過分析低空850 hPa（1500 m）以下和北部山區各個季節的氣象要素，得到無人機航路上溫度、濕度、和風速的分布情況和時間變化規律，對該地區無人機低空航路的飛行安全提供建議。

1 資料和方法

本文采用二重嵌套網格，試驗參數見表1，模擬時間段為2015年1月1日 08：00—2020 年1月1日08：00（北京時，下同），每隔1 h輸出一次結果.模式使用的FNL再分析資料為初始場數據，空間分辨率為 1°×1°。WRF模式采用地形追隨質量η坐標，垂直層面采用35層，模式頂大氣壓為50 hPa。模擬試驗參數化方案選擇如下：選用Lin等的微物理方案[20]，長波輻射方案選用RRTM方案[21]，短波輻射方案選用Dudhi方案[22]，陸面過程方案選用Noah Land Surface Model[23]，行星邊界層方案選用Mellor-Yamada Janjic scheme[24]，積云參數化方案選用Kain-Fritsch方案[25]。將模擬出的風速、溫度，濕度，降雨等氣象要素結合無人機飛行條件限制因素進行分析比較，從而篩選出無人機最佳的飛行季節和月份。

表1 模擬區域嵌套網格參數Table 1 Simulation area nested grid parameters

對于模式模擬結果的可靠性分析，實況資料選用從中國氣象局國家氣象科學數據共享服務平臺（http://data.cma.cn/site/index.html）獲取，取自其中國地面氣候資料日值數據集（V3.0），在研究區域選取六個氣象臺站（2個山地地區，4個平原地區），采用標準化平均偏差（NMB）、均方根誤差（RMSE）與IOA（一致性指數）評估模擬結果。

其中：Cm為模擬值，C0為實況值，為實況值平均值，NMB、RMSE越接近于0，IOA越接近于1，模式性能越好。

2 研究區域概況

京津冀地區是中國自主創新、高端服務、現代制造的核心區域，在加快中國工業化、信息化進程中擔負著科技引領、產業支撐的重要使命[26]。近些年隨著無人機產業興起和關鍵技術突破，無人機商業應用飛速發展，而京津冀地區對于無人機產業發展的政策環境友好，具備良好的無人機臨場飛行試驗和空域條件，其無人機行業發展也在國內領先[27]，根據廖小罕等[28]基于蟻群算法，考慮地形、城市建筑群等要素，對無人機低空公共航路的定義和四級架構劃分，將航路劃分為全國骨干、區域主干、支線和末端航路四個級別，如圖1所示。但此航路劃分沒有考慮到氣象要素對無人機飛行的影響，因此本文以京津冀地區航路網為例，對無人機低空航路氣象要素進行分析。

圖1 京津冀地區航路網（紅色：骨干航路；黃色：主干航路；藍色：支線航路）Fig.1 The route network of the Beijing-Tianjin-Hebei region (red:backbone route,yellow:main route,blue:branch route)

3 結果分析

3.1 模擬結果可靠性分析

選取研究區域六個氣象臺站，其中北京、天津、石家莊、保定為平原地區臺站，蔚縣、懷來為山地地區臺站，采用標準化平均偏差（NMB）、均方根誤差（RMSE）與IOA（一致性指數）評估模擬結果。

3.1.1 風速

據表2分析，無論是位于山地地區臺站還是平原的臺站，風速的模擬結果好壞與季節無關，具有不穩定性。此外，NMB指數均大于零，表明模擬值相較于實況值偏大。但總體顯示平原地區臺站風速模擬結果的NMB、RMSE指數比山地地區臺站小，IOA指數比山地地區臺站更接近于1，模擬結果明顯優于山地地區臺站。

表2 10 m風速模擬結果可靠性分析Table 2 Reliability analysis of 10 m wind speed simulation results

3.1.2 溫度

據表3分析，無論山區還是平原地區，溫度模擬結果的NMB指數大小可忽略不計，IOA指數均在0.9以上，都顯示出較好的效果，與季節關系不大。與風速模擬結果類似，平原地區臺站溫度模擬效果略優于山地地區臺站。

表3 2 m溫度模擬結果可靠性分析Table 3 Reliability analysis of 2 m temperature simulation results

結合表2、表3分析，溫度模擬結果的可靠性明顯優于風速模擬結果，前者模擬效果的準確性比后者更具有穩定性。

3.2 風速的分布特征

如圖2a所示，年平均風速5.5 m/s以上主要集中在39.5°—40.5°N，114.3°—116°E太行山最北端白石山至東靈山狹長的山區地帶中，這個區域帶對無人機飛行尤為重要，區域內涉及到的航路應該尤為關注，以到達安全飛行的目的。華北平原地區被3～4 m/s的風速所覆蓋，成西南—東北走向，處于西北方向的山區除白石山至東靈山則被4～5 m/s的風速所覆蓋。因此，京津冀地區內平原地帶和絕大部分山區均適合無人機進行低空作業。

從季節平均風速的分布來看，月均風速5.5 m/s及以上主要出現在冬季（圖2b）、春季（圖2c）以及秋季（圖2e）的山地區域，覆蓋范圍秋季最小，春季次之，冬季最廣。隨著冬季風的到來，月均風速5.5 m/s及以上的區域逐漸擴大，影響范圍可達研究區域最北側，8 m/s以上的大風區域全季均存在，面積范圍也相應增加，但還是集中在白石山至東靈山西南——東北向的狹長區域帶內。在春季，京津冀地區風速在3.5～5.5 m/s，北京中部，河北省中部風速在3.5～4 m/s。在夏季，由于夏季風的到來，風力逐漸減小，京津冀地區風速主要在3～4 m/s，風速最大的地方仍是白石山至東靈山一帶。秋季，夏季風減退，冬季風加強，山區風速明顯開始加強，并出現風速5.5 m/s的區域。因此，在冬季、春季以及秋季，特別是山區應加強對無人機飛行的安全監測。

圖2 2015—2019年10 m風速分布特征（單位：m/s）（a）年均；（b）冬季；（c）春季；（d）夏季；（e）秋季Fig.2 The distribution of 10 m average wind speed from 2015 to 2019 (unit:m/s)(a) average,(b) winter,(c) spring,(d) summer,(e) autumn

3.3 溫度的分布特征

如圖3 a 所示，為2015—2019 年年均溫度分布。39°—41°N，114°—116°E范圍內的山區年均溫度明顯低于華北平原地區，山區年均溫度絕大部分為6～9 ℃，其中白石山至靈山一帶年均溫度在－2～4 ℃，平原地區年均溫度12～14 ℃，北京市、天津市中部以及石家莊年均溫度可達16 ℃。無人機由平原進入山區作業時，需特別注意溫度變化，防止無人機電池受損。

圖3 2015—2019年2 m溫度分布特征（單位：℃）（a）年均；（b）冬季；（c）春季；（d）夏季；（e）秋季Fig.3 The Distribution characteristics of 2 m temperature from 2015 to 2019（Unit：℃）

從季節平均溫度的分布來看，低溫天氣主要出現在冬季（圖3b）、春季（圖3c）以及秋季（圖3e），冬季低溫影響范圍最廣，強度最大，秋末次之，春初最小。冬季全區月均溫度均在0 ℃及0 ℃以下，華北平原地區－4～0 ℃，山區地區－4 ℃以下，白石山至東靈山一帶達－10 ℃以下，且隨著冬季風的加強，0 ℃以下區域逐漸擴大，由此京津冀地區整個冬季期間內不適合進行無人機進行低空作業。春季，隨著時間推移，月均溫度逐漸上升，平原地區為11～16 ℃，北京中部、石家莊市上升至17 ℃，白石山至東靈山一帶也由0 ℃以下上升至9 ℃以上。夏季（圖3d），溫度上升進一步加強，平原地區穩定在23～28 ℃，除白石山至靈山一帶，山區地區也在20 ℃以上。秋季期間，隨著副高南退，夏季風減弱，冬季風加強，月均溫度逐漸下降，平原地區下降至11～14 ℃，山區地區為5～8 ℃，秋季從山區開始出現低溫天氣，全區范圍內溫度條件逐漸對無人機作業產生影響。

3.4 降水的分布特征

如圖4a所示，年降水量山區高于平原地區，降水量最高的地方為白石山至東靈山，年降雨量在800 mm以上，可達1000 mm以上，平原地區年降雨量為300～500 mm，年降雨量最低的地區為天津市中部和石家莊，年降雨量在300 mm以下。

圖4 2015—2019年降水量分布特征（單位：mm）（a）年降水量；（b）冬季；（c）春季；（d）夏季；（e）秋季Fig.4 Distribution characteristics of precipitation from 2015 to 2019 (unit:mm)(a) annual precipitation,(b) Winter,(c) Spring,(d) Summer,(e) Autumn

季節降水量最低值出現在冬季（圖4b），可達10 mm以下，最高值出現在夏季（圖4d），可達800 mm。冬季期間，京津冀地區受干冷空氣影響，除白石山至東靈山可達110 mm，全區季節累計降水在10～20 mm，降水量極為稀少。春季（圖4c）降水量增加，平原地區為50～70 mm，山區在80 mm以上，白石山至東靈山可達140 mm以上。夏季，由于溫度升高，夏季風帶來海洋充沛水汽等因素，降水量在全區范圍內顯著增加，白石山至東靈山一帶可達到600 mm，其余山區降水量在450 mm以上；華北平原內陸地區為200～400 mm，石家莊夏季降雨量最低。秋季（圖4e），受冬季風影響，降雨量逐漸減小，山區降雨量高于華北平原，山區降雨量在95 mm以上，華北平原降雨量在50～85 mm。由于夏季降水量大，無人機在夏季飛行時應注意強降水等惡劣天氣。

3.5 氣象要素垂直分布特征

根據圖1京津冀地區航路網顯示，39°N既是研究區域的中心緯度，每一級航路也均涉及此，因此沿39°N緯線方向做垂直剖面圖，分析氣象要素平均垂直分布特征。由于無人機活動的主要區域為1000 m以下的低空空域，且按照常識 1000 hPa平均海拔高度為地面0 m，850 hPa平均海拔高度約為1500 m，以此為依據進行分析。

3.5.1 風速垂直分布特征

如圖5所示，在冬季、春季以及秋季，由于亞歐大陸冷高壓和阿留申低壓的共同作用，海陸熱力性質差異大，京津冀地區受冬季風控制，風向由大陸吹向海洋，低空空域的風速均在6 m/s。夏季京津冀地區由夏季風影響，但由于夏季海陸熱力性質差異低于冬季，因此夏季低空空域的風速小于冬季，維持在4 m/s?？癸L等級在四級風（風速5.5～7.9 m/s）的無人機在冬季、春季以及秋季飛行時應當注意風速大小，謹慎飛行；夏季低空空域風速對無人機安全飛行不產生影響。

圖5 風速垂直分布（單位：m/s）（a）冬季，（b）春季，（c）夏季，（d）秋季Fig.5 Vertical distribution of wind speed (unit:m/s)(a) winter,(b) spring,(c) summer,(d) autumn

3.5.2 溫度垂直分布特征

如圖6所示，冬季受來自亞歐大陸北方寒冷空氣影響，且京津冀地區緯度較高，太陽輻射較弱，使得低空空域溫度均在0 ℃以下，在此溫度下飛行會對無人機電池造成傷害，因此冬季不適合無人機飛行。春季、夏季盛行風由冬季風轉變為夏季風，地面接收的太陽輻射值增加，低空空域溫度增至10～20 ℃，秋季低空空域溫度雖較春、夏兩季下降，但依然維持在均在5 ℃以上，在春、夏、秋三季期間溫度不是限制無人機飛行的因素。

圖6 溫度垂直分布（單位：℃）（a）冬季，（b）春季，（c）夏季，（d）秋季Fig.6 Vertical distribution of temperature (unit:℃)(a) winter,(b) spring,(c) summer,(d) autumn

3.6 骨干航路氣象要素對比

骨干航路是京津冀航路網中連接首都與各省、自治區、直轄市首府的航路，連接各大經濟中心、港站樞紐、商品生產基地和戰略要地的航路[24]，是航路網中最重要，寬度最寬，飛行流量最大的航路，因此骨干航路途徑區域氣象因子需著重考慮。對航路途經的格點氣象要素進行平均（圖7），兩條骨干航路除冬季氣溫氣溫低于0 ℃不適合飛行、夏季降雨量多應注意強降雨天氣以外，其余氣象要素均符合無人機飛行條件。

圖7 骨干航路氣象要素（a）風速，（b）溫度，（c）濕度，（d）降水Fig.7 Meteorological elements of backbone routes(a) wind speed,(b) temperature,(c) humidity,(d) precipitation

4 結論

對京津冀地區無人機航路氣象要素平均分布和平均垂直分布進行分析，結論如下：

1）溫度模擬結果的可靠性明顯優于風速模擬結果，前者準確性更高；平原地區模擬結果準確性高于山地地區。

2）在京津冀地區平均風速的分析中，風速5.5 m/s及以上主要出現在冬季、春季以及秋季，并在此時間段內白石山至東靈山一帶出現8 m/s的大風區域，不適合無人機進行低空作業。在京津冀地區的平均溫度分析中，山區年均溫度明顯低于華北平原地區。冬季低溫影響范圍最廣，強度最大，秋末次之，春初最??；冬季全區平均溫度均在0 ℃及0 ℃以下，春季以及秋季的山區也維持在0 ℃左右，這個時間段不適合無人機飛行。年降水量山區高于平原地區，年降雨量最低的地區為天津市中部和石家莊。降水量最低值出現在冬季，可達10 mm以下，最高值出現在夏季，可達800 mm。

3）從氣象要素垂直分布來看，冬季、春季以及秋季低空空域的風速均在6 m/s，無人機飛行應注意風速變化，冬季低空空域溫度均在0 ℃以下，不適合無人機飛行。

隨著我國低空空域改革的不斷推進，低空飛行流量也在逐年穩步增加[29]，全球天氣預報正朝著數值模擬方向發展[30]，未來無人機低空航路氣象保障也必將與數值模擬相結合，提供更精確的氣象服務，保障低空飛行的高效性和安全性。