鐘若嵋 廖小罕 徐晨晨 文小航

（1 成都信息工程大學(xué) 高原大氣與環(huán)境四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610200；2 中國(guó)科學(xué)院地理科學(xué)與資源研究所 資源環(huán)境與地理信息國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101；3 中國(guó)科學(xué)院無人機(jī)應(yīng)用與管控研究中心，北京 100101；4 天津中科無人機(jī)應(yīng)用研究院，天津 301800）

0 引言

近年來，民用無人機(jī)產(chǎn)業(yè)持續(xù)高速發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年底，獲得民用無人機(jī)經(jīng)營(yíng)許可的企業(yè)達(dá)7149家，全行業(yè)實(shí)名登記無人機(jī)共39.2萬架[1]，2020年產(chǎn)值將達(dá)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(jī)活動(dòng)的主要區(qū)域。隨著我國(guó)低空空域范圍的陸續(xù)開放以及軍民融合上升至國(guó)家戰(zhàn)略層面，低空飛行安全氣象保障體系是目前一個(gè)重要的研究方向[3]。我國(guó)低空環(huán)境復(fù)雜多變，低空飛行氣象保障體系和無人機(jī)飛行安全的氣象保障工作越來越被重視。隨著無人機(jī)商業(yè)化應(yīng)用的飛速發(fā)展，無人機(jī)運(yùn)輸、航拍、救援等飛行活動(dòng)呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，使得原本低空空域無人機(jī)數(shù)量龐大、航路復(fù)雜、易受環(huán)境和地形影響等問題變得更加棘手。與這些問題對(duì)應(yīng)的卻是我國(guó)的低空飛行安全氣象保障技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)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(xiàn)的概率較高[4]。為緩解或解決此類情況，進(jìn)行高質(zhì)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(jī)飛行的氣象因素主要有大風(fēng)、雷暴、能見度、氣溫、氣壓和濕度等[5]。飛行過程中，無人機(jī)會(huì)受到風(fēng)的干擾。當(dāng)靜風(fēng)或者風(fēng)速較小時(shí)，無人機(jī)自身飛行控制系統(tǒng)能夠抵抗風(fēng)的干擾，保證其相對(duì)平穩(wěn)的飛行。但當(dāng)風(fēng)速或者風(fēng)力較大時(shí)，特別是風(fēng)速超過無人機(jī)最大飛行速度、產(chǎn)生低空風(fēng)切變時(shí)[6]，會(huì)導(dǎo)致其無法正常飛行，甚至炸機(jī)。目前國(guó)內(nèi)的民用無人機(jī)，以大疆（DJ-Innovations，簡(jiǎn)稱DJI）為例，Phantom 3、Spark、M600、Mavic Mini系列的抗風(fēng)等級(jí)為四級(jí)風(fēng)（風(fēng)速5.5～7.9 m/s），Phantom 4、Mavic Pro、Mavic Air、Mavic 2、Inspire、M200、M100、S1000系列的抗風(fēng)等級(jí)為五級(jí)風(fēng)（風(fēng)速8.0～10.7 m/s），少數(shù)抗風(fēng)等級(jí)為六級(jí)風(fēng)（風(fēng)速10.8～13.8 m/s），如FPV系列，極少數(shù)甚至達(dá)到七級(jí)風(fēng)（風(fēng)速13.9～17.1 m/s）。因此在風(fēng)速的研究中將風(fēng)速5.5 m/s作為無人機(jī)可否飛行的判斷標(biāo)準(zhǔn)。無人機(jī)是以鋰電池為動(dòng)力，無人機(jī)飛行過程中，氣溫過高或者過低都可能影響無人機(jī)的一些功能組件，導(dǎo)致降低飛行效率，影響飛行穩(wěn)定。目前國(guó)內(nèi)無人機(jī)工作的環(huán)境溫度大多數(shù)在0～40 ℃，個(gè)別高性能無人機(jī)工作溫度可低至-10 ℃，原則上超過這個(gè)范圍就會(huì)對(duì)無人機(jī)電池的壽命和容量產(chǎn)生影響。在高溫環(huán)境中飛行，無人機(jī)的電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生升力的時(shí)候，也會(huì)連帶產(chǎn)生大量的熱量，電機(jī)非常容易過熱[7]，在一些極端情況下甚至可能會(huì)融化一些零部件和線纜。在低溫環(huán)境中工作，無人機(jī)鋰離子電池低溫放電容量會(huì)降低，雖經(jīng)過常溫充放電后可以恢復(fù)，是可逆的容量損失，但是低溫充電會(huì)造成析鋰，是永久性的容量損失[8]?？諝鉂穸纫彩且豁?xiàng)能影響無人機(jī)正常工作的氣象因子，濕度較高時(shí)（相對(duì)濕度90%以上）極有可能產(chǎn)生霧天雨天，造成能見度降低，影響無人機(jī)飛行。當(dāng)空氣濕度的數(shù)值接近100%時(shí)，即使不下雨，無人機(jī)的表面也會(huì)凝結(jié)非常多的水汽。對(duì)于無人機(jī)這類精密的電子產(chǎn)品，水汽一旦慎入內(nèi)部，非?？赡芨g內(nèi)部電子元器件。

如今數(shù)值模擬研究是科學(xué)研究的熱門領(lǐng)域，精細(xì)化高分辨率的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)，如MM5、WRF、SWAN、WW3、POM等[9]也被越來越多的科研人員應(yīng)用到科研與業(yè)務(wù)應(yīng)用中。Passner等[10]通過WRF模式研究小尺度晴空顛簸，為無人機(jī)提供晴空顛簸的預(yù)報(bào)服務(wù)。Chen等[11-12]為了構(gòu)建數(shù)字化船舶導(dǎo)航系統(tǒng)，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(shí)驗(yàn)表明高分辨率WRF模式可提供風(fēng)的分布，從而使船舶導(dǎo)航具有更高的精確度。Lu等[13]利用GPV數(shù)據(jù)集和WRF模式重點(diǎn)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(dāng)天氣。Vladimir Zalesny等[14]利用海洋環(huán)流數(shù)值模型為船舶提供最優(yōu)航路。Evans等[15]利用WRF模式模擬了南北半球的風(fēng)場(chǎng)，并通過船上觀測(cè)評(píng)估了模擬的結(jié)果，提供了船舶天氣路線的建議。Chen等[16]從最優(yōu)航路角度看WRF模型仿真的結(jié)果。匈牙利政府為規(guī)避復(fù)雜的天氣帶來的損失，研制了綜合航空氣象預(yù)報(bào)系統(tǒng)（IAWPS），針對(duì)九種典型的天氣情況，對(duì)模型系統(tǒng)的不同參數(shù)化進(jìn)行了研究，從天氣危害角度分析了它們對(duì)航空安全的影響[17]。我國(guó)對(duì)于航路的安全氣象保障研究多以飛機(jī)航路和船舶航路為主，飛機(jī)航路主要針對(duì)晴空顛簸進(jìn)行研究，船舶航路主要針對(duì)大風(fēng)。針對(duì)低空空域航路的研究目前最新技術(shù)手段為基于地面氣象探測(cè)，低空雷達(dá)監(jiān)測(cè)，風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星和北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的陸—空—天一體化低空飛行安全氣象保障系統(tǒng)，且以統(tǒng)計(jì)預(yù)報(bào)[18]和經(jīng)驗(yàn)預(yù)報(bào)[19]居多，對(duì)于數(shù)值模擬研究應(yīng)用較少。此外，現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于航路氣象安全保障也存在一些短板：無人機(jī)航路附近的自動(dòng)氣象站數(shù)量稀少，自動(dòng)氣象站只能對(duì)無人機(jī)航路上的氣象信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，不能夠進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警；風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星檢測(cè)范圍大，分辨率較高，但衛(wèi)星過境時(shí)間不連續(xù)，有云的影響時(shí)，對(duì)地監(jiān)測(cè)效果很差等。

無人機(jī)航路作為一種新興航路，目前沒有無人機(jī)航路上的歷史氣象狀況，而自動(dòng)氣象站由于站點(diǎn)稀少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到無人機(jī)飛行所需的覆蓋密度，由此，本文基于高分辨率的WRF模式，對(duì)京津冀航路上過去5年的氣象場(chǎng)進(jìn)行模擬，以期得到京津冀地區(qū)無人機(jī)航路上的氣象要素年平均分布場(chǎng)和空間區(qū)域內(nèi)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(qū)各個(gè)季節(jié)的氣象要素，得到無人機(jī)航路上溫度、濕度、和風(fēng)速的分布情況和時(shí)間變化規(guī)律，對(duì)該地區(qū)無人機(jī)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(wǎng)格，試驗(yàn)參數(shù)見表1，模擬時(shí)間段為2015年1月1日 08：00—2020 年1月1日08：00（北京時(shí)，下同），每隔1 h輸出一次結(jié)果.模式使用的FNL再分析資料為初始場(chǎng)數(shù)據(jù)，空間分辨率為 1°×1°。WRF模式采用地形追隨質(zhì)量η坐標(biāo)，垂直層面采用35層，模式頂大氣壓為50 hPa。模擬試驗(yàn)參數(shù)化方案選擇如下：選用Lin等的微物理方案[20]，長(zhǎng)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(shù)化方案選用Kain-Fritsch方案[25]。將模擬出的風(fēng)速、溫度，濕度，降雨等氣象要素結(jié)合無人機(jī)飛行條件限制因素進(jìn)行分析比較，從而篩選出無人機(jī)最佳的飛行季節(jié)和月份。

表1 模擬區(qū)域嵌套網(wǎng)格參數(shù)Table 1 Simulation area nested grid parameters

對(duì)于模式模擬結(jié)果的可靠性分析，實(shí)況資料選用從中國(guó)氣象局國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)（http://data.cma.cn/site/index.html）獲取，取自其中國(guó)地面氣候資料日值數(shù)據(jù)集（V3.0），在研究區(qū)域選取六個(gè)氣象臺(tái)站（2個(gè)山地地區(qū)，4個(gè)平原地區(qū)），采用標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差（NMB）、均方根誤差（RMSE）與IOA（一致性指數(shù)）評(píng)估模擬結(jié)果。

其中：Cm為模擬值，C0為實(shí)況值，為實(shí)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(qū)域概況

京津冀地區(qū)是中國(guó)自主創(chuàng)新、高端服務(wù)、現(xiàn)代制造的核心區(qū)域，在加快中國(guó)工業(yè)化、信息化進(jìn)程中擔(dān)負(fù)著科技引領(lǐng)、產(chǎn)業(yè)支撐的重要使命[26]。近些年隨著無人機(jī)產(chǎn)業(yè)興起和關(guān)鍵技術(shù)突破，無人機(jī)商業(yè)應(yīng)用飛速發(fā)展，而京津冀地區(qū)對(duì)于無人機(jī)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策環(huán)境友好，具備良好的無人機(jī)臨場(chǎng)飛行試驗(yàn)和空域條件，其無人機(jī)行業(yè)發(fā)展也在國(guó)內(nèi)領(lǐng)先[27]，根據(jù)廖小罕等[28]基于蟻群算法，考慮地形、城市建筑群等要素，對(duì)無人機(jī)低空公共航路的定義和四級(jí)架構(gòu)劃分，將航路劃分為全國(guó)骨干、區(qū)域主干、支線和末端航路四個(gè)級(jí)別，如圖1所示。但此航路劃分沒有考慮到氣象要素對(duì)無人機(jī)飛行的影響，因此本文以京津冀地區(qū)航路網(wǎng)為例，對(duì)無人機(jī)低空航路氣象要素進(jìn)行分析。

圖1 京津冀地區(qū)航路網(wǎng)（紅色：骨干航路；黃色：主干航路；藍(lán)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(jié)果分析

3.1 模擬結(jié)果可靠性分析

選取研究區(qū)域六個(gè)氣象臺(tái)站，其中北京、天津、石家莊、保定為平原地區(qū)臺(tái)站，蔚縣、懷來為山地地區(qū)臺(tái)站，采用標(biāo)準(zhǔn)化平均偏差（NMB）、均方根誤差（RMSE）與IOA（一致性指數(shù)）評(píng)估模擬結(jié)果。

3.1.1 風(fēng)速

據(jù)表2分析，無論是位于山地地區(qū)臺(tái)站還是平原的臺(tái)站，風(fēng)速的模擬結(jié)果好壞與季節(jié)無關(guān)，具有不穩(wěn)定性。此外，NMB指數(shù)均大于零，表明模擬值相較于實(shí)況值偏大。但總體顯示平原地區(qū)臺(tái)站風(fēng)速模擬結(jié)果的NMB、RMSE指數(shù)比山地地區(qū)臺(tái)站小，IOA指數(shù)比山地地區(qū)臺(tái)站更接近于1，模擬結(jié)果明顯優(yōu)于山地地區(qū)臺(tái)站。

表2 10 m風(fēng)速模擬結(jié)果可靠性分析Table 2 Reliability analysis of 10 m wind speed simulation results

3.1.2 溫度

據(jù)表3分析，無論山區(qū)還是平原地區(qū)，溫度模擬結(jié)果的NMB指數(shù)大小可忽略不計(jì)，IOA指數(shù)均在0.9以上，都顯示出較好的效果，與季節(jié)關(guān)系不大。與風(fēng)速模擬結(jié)果類似，平原地區(qū)臺(tái)站溫度模擬效果略優(yōu)于山地地區(qū)臺(tái)站。

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

結(jié)合表2、表3分析，溫度模擬結(jié)果的可靠性明顯優(yōu)于風(fēng)速模擬結(jié)果，前者模擬效果的準(zhǔn)確性比后者更具有穩(wěn)定性。

3.2 風(fēng)速的分布特征

如圖2a所示，年平均風(fēng)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(zhǎng)的山區(qū)地帶中，這個(gè)區(qū)域帶對(duì)無人機(jī)飛行尤為重要，區(qū)域內(nèi)涉及到的航路應(yīng)該尤為關(guān)注，以到達(dá)安全飛行的目的。華北平原地區(qū)被3～4 m/s的風(fēng)速所覆蓋，成西南—東北走向，處于西北方向的山區(qū)除白石山至東靈山則被4～5 m/s的風(fēng)速所覆蓋。因此，京津冀地區(qū)內(nèi)平原地帶和絕大部分山區(qū)均適合無人機(jī)進(jìn)行低空作業(yè)。

從季節(jié)平均風(fēng)速的分布來看，月均風(fēng)速5.5 m/s及以上主要出現(xiàn)在冬季（圖2b）、春季（圖2c）以及秋季（圖2e）的山地區(qū)域，覆蓋范圍秋季最小，春季次之，冬季最廣。隨著冬季風(fēng)的到來，月均風(fēng)速5.5 m/s及以上的區(qū)域逐漸擴(kuò)大，影響范圍可達(dá)研究區(qū)域最北側(cè)，8 m/s以上的大風(fēng)區(qū)域全季均存在，面積范圍也相應(yīng)增加，但還是集中在白石山至東靈山西南——東北向的狹長(zhǎng)區(qū)域帶內(nèi)。在春季，京津冀地區(qū)風(fēng)速在3.5～5.5 m/s，北京中部，河北省中部風(fēng)速在3.5～4 m/s。在夏季，由于夏季風(fēng)的到來，風(fēng)力逐漸減小，京津冀地區(qū)風(fēng)速主要在3～4 m/s，風(fēng)速最大的地方仍是白石山至東靈山一帶。秋季，夏季風(fēng)減退，冬季風(fēng)加強(qiáng)，山區(qū)風(fēng)速明顯開始加強(qiáng)，并出現(xiàn)風(fēng)速5.5 m/s的區(qū)域。因此，在冬季、春季以及秋季，特別是山區(qū)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)無人機(jī)飛行的安全監(jiān)測(cè)。

圖2 2015—2019年10 m風(fēng)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(nèi)的山區(qū)年均溫度明顯低于華北平原地區(qū)，山區(qū)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(qū)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(dá)16 ℃。無人機(jī)由平原進(jìn)入山區(qū)作業(yè)時(shí)，需特別注意溫度變化，防止無人機(jī)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(jié)平均溫度的分布來看，低溫天氣主要出現(xiàn)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(qiáng)度最大，秋末次之，春初最小。冬季全區(qū)月均溫度均在0 ℃及0 ℃以下，華北平原地區(qū)－4～0 ℃，山區(qū)地區(qū)－4 ℃以下，白石山至東靈山一帶達(dá)－10 ℃以下，且隨著冬季風(fēng)的加強(qiáng)，0 ℃以下區(qū)域逐漸擴(kuò)大，由此京津冀地區(qū)整個(gè)冬季期間內(nèi)不適合進(jìn)行無人機(jī)進(jìn)行低空作業(yè)。春季，隨著時(shí)間推移，月均溫度逐漸上升，平原地區(qū)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(jìn)一步加強(qiáng)，平原地區(qū)穩(wěn)定在23～28 ℃，除白石山至靈山一帶，山區(qū)地區(qū)也在20 ℃以上。秋季期間，隨著副高南退，夏季風(fēng)減弱，冬季風(fēng)加強(qiáng)，月均溫度逐漸下降，平原地區(qū)下降至11～14 ℃，山區(qū)地區(qū)為5～8 ℃，秋季從山區(qū)開始出現(xiàn)低溫天氣，全區(qū)范圍內(nèi)溫度條件逐漸對(duì)無人機(jī)作業(yè)產(chǎn)生影響。

3.4 降水的分布特征

如圖4a所示，年降水量山區(qū)高于平原地區(qū)，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(dá)1000 mm以上，平原地區(qū)年降雨量為300～500 mm，年降雨量最低的地區(qū)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(jié)降水量最低值出現(xiàn)在冬季（圖4b），可達(dá)10 mm以下，最高值出現(xiàn)在夏季（圖4d），可達(dá)800 mm。冬季期間，京津冀地區(qū)受干冷空氣影響，除白石山至東靈山可達(dá)110 mm，全區(qū)季節(jié)累計(jì)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(qū)為50～70 mm，山區(qū)在80 mm以上，白石山至東靈山可達(dá)140 mm以上。夏季，由于溫度升高，夏季風(fēng)帶來海洋充沛水汽等因素，降水量在全區(qū)范圍內(nèi)顯著增加，白石山至東靈山一帶可達(dá)到600 mm，其余山區(qū)降水量在450 mm以上；華北平原內(nèi)陸地區(qū)為200～400 mm，石家莊夏季降雨量最低。秋季（圖4e），受冬季風(fēng)影響，降雨量逐漸減小，山區(qū)降雨量高于華北平原，山區(qū)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(jī)在夏季飛行時(shí)應(yīng)注意強(qiáng)降水等惡劣天氣。

3.5 氣象要素垂直分布特征

根據(jù)圖1京津冀地區(qū)航路網(wǎng)顯示，39°N既是研究區(qū)域的中心緯度，每一級(jí)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(jī)活動(dòng)的主要區(qū)域?yàn)?000 m以下的低空空域，且按照常識(shí) 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(jù)進(jìn)行分析。

3.5.1 風(fēng)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(zhì)差異大，京津冀地區(qū)受冬季風(fēng)控制，風(fēng)向由大陸吹向海洋，低空空域的風(fēng)速均在6 m/s。夏季京津冀地區(qū)由夏季風(fēng)影響，但由于夏季海陸熱力性質(zhì)差異低于冬季，因此夏季低空空域的風(fēng)速小于冬季，維持在4 m/s。抗風(fēng)等級(jí)在四級(jí)風(fēng)（風(fēng)速5.5～7.9 m/s）的無人機(jī)在冬季、春季以及秋季飛行時(shí)應(yīng)當(dāng)注意風(fēng)速大小，謹(jǐn)慎飛行；夏季低空空域風(fēng)速對(duì)無人機(jī)安全飛行不產(chǎn)生影響。

圖5 風(fēng)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(qū)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(huì)對(duì)無人機(jī)電池造成傷害，因此冬季不適合無人機(jī)飛行。春季、夏季盛行風(fēng)由冬季風(fēng)轉(zhuǎn)變?yōu)橄募撅L(fēng)，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(jī)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(duì)比

骨干航路是京津冀航路網(wǎng)中連接首都與各省、自治區(qū)、直轄市首府的航路，連接各大經(jīng)濟(jì)中心、港站樞紐、商品生產(chǎn)基地和戰(zhàn)略要地的航路[24]，是航路網(wǎng)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(qū)域氣象因子需著重考慮。對(duì)航路途經(jīng)的格點(diǎn)氣象要素進(jìn)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(yīng)注意強(qiáng)降雨天氣以外，其余氣象要素均符合無人機(jī)飛行條件。

圖7 骨干航路氣象要素（a）風(fēng)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(jié)論

對(duì)京津冀地區(qū)無人機(jī)航路氣象要素平均分布和平均垂直分布進(jìn)行分析，結(jié)論如下：

1）溫度模擬結(jié)果的可靠性明顯優(yōu)于風(fēng)速模擬結(jié)果，前者準(zhǔn)確性更高；平原地區(qū)模擬結(jié)果準(zhǔn)確性高于山地地區(qū)。

2）在京津冀地區(qū)平均風(fēng)速的分析中，風(fēng)速5.5 m/s及以上主要出現(xiàn)在冬季、春季以及秋季，并在此時(shí)間段內(nèi)白石山至東靈山一帶出現(xiàn)8 m/s的大風(fēng)區(qū)域，不適合無人機(jī)進(jìn)行低空作業(yè)。在京津冀地區(qū)的平均溫度分析中，山區(qū)年均溫度明顯低于華北平原地區(qū)。冬季低溫影響范圍最廣，強(qiáng)度最大，秋末次之，春初最小；冬季全區(qū)平均溫度均在0 ℃及0 ℃以下，春季以及秋季的山區(qū)也維持在0 ℃左右，這個(gè)時(shí)間段不適合無人機(jī)飛行。年降水量山區(qū)高于平原地區(qū)，年降雨量最低的地區(qū)為天津市中部和石家莊。降水量最低值出現(xiàn)在冬季，可達(dá)10 mm以下，最高值出現(xiàn)在夏季，可達(dá)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(fēng)速均在6 m/s，無人機(jī)飛行應(yīng)注意風(fēng)速變化，冬季低空空域溫度均在0 ℃以下，不適合無人機(jī)飛行。

隨著我國(guó)低空空域改革的不斷推進(jìn)，低空飛行流量也在逐年穩(wěn)步增加[29]，全球天氣預(yù)報(bào)正朝著數(shù)值模擬方向發(fā)展[30]，未來無人機(jī)低空航路氣象保障也必將與數(shù)值模擬相結(jié)合，提供更精確的氣象服務(wù)，保障低空飛行的高效性和安全性。