在美国气象学会AMS106届年会上，涉及到利用无人机开展大气探测的报告很多，体现了无人机技术在气象领域的应用的一个新的场景。其中有两个报告相互间有较密切的关联，同时也与世界气象组织WMO UAS-DC（无人机系统示范活动）的计划相关，从中可以看到一些重要结果。

一个是来自林肯大学的亚当·休斯顿（Adam Houston）教授给的报告，题目为“用于城市科学和网络可行性评估的中尺度小型无人机网络：SCALES 项目（A Mesoscale Network of Small-UAS for Urban Science and Network Feasibility Assessment: The SCALES Project）”。另一个报告是来自俄克拉荷马大学的泰勒·贝尔（Tyler M Bell）教授，题目为“我们到达了吗？在“SCALES”项目中实地考核活动中对气象探测无人机效果的相互比较（Are we there yet? Intercomparing weather-sensing UAS during the SCALES field campaign）”

UAS-DC的英文全称为Uncrewed Aircraft Systems Demonstration Campaign，是WMO基础设施委员会（INFCOM）主导的一项国际合作项目，旨在评估无人机系统UAS作为WMO综合全球观测系统（WIGOS）下全球/区域基础观测网络（GBON/RBON）业务化组成部分的潜在能力，也可以认为是要通过这个项目来回答一个关键问题，即UAS技术是否已成熟到可以纳入全球业务观测网络？其中明确了5个目标，即验证UAS观测能力（能不能测）、验证数据可用性（能不能用）、评估预报影响（有没有价值）、适用的发展领域、提出监管与政策建议。

UAS-DC的实验和数据收集工作持续了约7个月（2024年4月至9月），分为三个不同阶段，分别为2024年4月、8月和9月，全球有20多个国家在各自国家参与了这项工作，到2024年10月，共获取了全球不同地点超过12,000条垂直廓线观测（profiles）。以上提到的两个报告介绍了2024年9月在美国俄克拉荷马州东部实施实验的情况，这次活动在时间点选择上正好与国际大气遥控飞行器研究学会（International Society for Atmospheric Research using Remotely piloted Aircraft，ISARRA）2024年飞行周活动重合，应该是WMO与ISARRA协调确定的，有助于集中获取更多数据。

ISARRA将这次飞行周的活动定位于实施小型无人机协调大气低空环境探测采样活动，命名为SCALES（Small-UAS Coordination for Atmospheric Low-Level Environmental Sampling），这样就与WMO的UAS-DC活动任务一致了。SCALES的组织涉及到15个机构，包括 6 所美国大学、3 个 NOAA 实验室、1 个 NASA 实验室、3 个国内商业合作伙伴、1 个国际商业伙伴和 1 个国际实验室，贡献了 30 个飞行团队。

这是一项并没有明确的资助的活动，完全由各机构自愿投入资金参与，确定了两个实验项目，一是MicroSCALES，聚焦城市环境。在塔尔萨大都市区及其周边部署大量无人机，设计了两个具体目标，第一是城市热岛效应（UHI）研究，通过在城市与郊区多点同步执行垂直剖面，捕捉热岛对大气稳定度、温度和湿度的三维影响，并探究其对雷暴预测环境特征的改变；第二是城市湍流研究：在塔尔萨市中心下风方向部署具备湍流感应能力的WxUAS，捕捉城市建筑群诱发的湍流结构，用于验证美国大气研究中心（NCAR）的大涡流模拟（LES）模型。第二个项目是 MesoSCALES，在俄克拉荷马州东北部大约200×200公里的区域内，部署10多个垂直剖面观测点，实施协调的分布式剖面观测，并在此区域内加天气观测无人机WxUAS，定时执行垂直剖面观测任务，从而验证在有限区域内构建三维中尺度观测网的可行性。

亚当·休斯顿报告中的一张幻灯片给人留下了清晰印象，左侧是美国地面观测站的分布图，密密麻麻的站点覆盖率了全国大部分地区；右侧是500–1000米高度的垂直观测站点分布图，站点密度陡降了一个数量级，大片的空白意味着我们对行星边界层（PBL）的三维结构信息知之甚少。而正是这一区域，决定着雾的形成、雷暴的触发、降水的相变以及空气质量的变化。这张幻灯片所想揭示的正是SCALES项目试图解决的核心问题，即如何有效弥补中小尺度三维气象信息获取的差距。

SCALES取得的一项重要成果是与联邦航管局（Federal Aviation Administration，FAA）的成功协调，2024年9月8日至13日在俄克拉荷马州东部启动项目后，历时6天，根据报告展示的飞行统计数据，共完成1062次飞行，累计飞行时间175.9小时，飞行高度普遍达到了1500米以上。SCALES无人机多次成功进入塔尔萨国际机场C类空域执行剖面观测，而空域准入一直是制约WxUAS发展的主要障碍之一，SCALES团队通过与FAA的密切合作，克服了这一障碍。报告中特别强调要“尽早并经常与FAA沟通”（Work with FAA early and often）这一经验，反映出空域协调在实操中的重要地位，也关系到建立这一观测系统的可持续性。

在数据标准化方面，SCALES采用了符合CF（Climate and Forecast）规范的WMO确定的NetCDF数据格式，数据通过亚马逊AWS S3存储器进行分发和临时归档，并计划在欧洲的数据存储平台Zenodo上进行长期归档。这与WMO示范活动的数据标准保持了一致，体现了SCALES团队对数据互操作性和可重复性的重视。

在具体研究方向上，从亚当·休斯顿报告中可以看到在几个方面取得了结果。一是城市热岛效应，幻灯片显示了城市与郊区之间位温和混合比的差异随时间和高度的演变，城市热岛在不同土地利用类型上的三维影响可以延伸到边界层顶部，这对理解城市对雷暴触发环境的影响具有重要价值。二是数值天气预报验证，将SCALES观测数据与NOAA的高分辨率快速刷更新模式HRRR（High-Resolution Rapid Refresh）输出结果进行比较分析，可以看到模型的温度偏差均值约为0.69°C，相对湿度偏差均值约0.63%，风速偏差均值约0.75 m/s。SCALES提供的分布式观测使得研究者能够根据高度、时间和土地利用类型分别评估模型误差，对于传统的单点观测是难以实现的。三是对城市边界层湍流的分析，通过将大涡模型（FastEddy LES）计算结果与与携带湍流传感器的无人机（turbulence-sensing WxUAS）观测资料进行对比，结果显示出良好的一致性，这对于验证高分辨率城市大涡模拟（LES）效果具有重要意义。

泰勒·贝尔的报告则聚焦于更为具体但极其关键的问题，即当前的气象无人机（WxUAS）探测能有多准？离业务化的精度要求还有多远？从报告题目也可以看出这一点，隐含着对WxUAS业务成熟度的追问。SCALES活动中除了大量无人机参与观测，另一项重要工作是与常规观测设备的数据进行对比分析，包括可以分层观测的气象塔、多普勒激光雷达、探空气球等。所有参考数据集均需要进行一致性分析，并做偏差订正，然后用来对参与对SCALES的每个气象无人机观测数据做偏差和不确定性分析，若这些观测数据将来被纳入科学分析和业务应用前，都应做这样的必要修正。

报告中首先引用了WMO观测系统能力分析与评审（OSCAR）框架定义的性能阈值，为比对提供了明确的定量标准。OSCAR将观测精度分为三个等级：目标（Goal）、突破（Breakthrough）和门槛（Threshold）。例如温度的三个等级分别为0.5K、1K和3K；水平风的三个等级为1 m/s、2 m/s和5 m/s。这意味着WxUAS要想纳入全球观测网络，其精度至少要达到"门槛"级别，而要真正产生对数值模式产生有意义的影响，则需要达到"突破"乃至"目标"级别。

从报告展示的结果看，温度表现最好，部分UAS已经能够达到WMO OSCAR的"目标"级别（0.5K精度），大多数都能满足"门槛"级别（3K精度）。这对温度廓线的业务化应用是一个积极信号；风的表现也很好，大多数平台达到了"突破"目标（2 m/s），很多甚至达到了"目标"级别（1 m/s），多数平台的风速偏差均值在±2 m/s以内；相对湿度仍然是短板，报告指出这需要通过更新传感器来解决，湿度测量一直是具有挑战性的；气压方面，在动态飞行条件下的气压测量精度不如静态条件，是一个需要注意的技术难点。这样的对比分析显然对促进无人机观测业务化具有重要价值，为实现WMO UAS-DC的核心目标提供了非常有价值的依据。

这两个报告提供非常丰富的信息，从世界气象组织WMO UAS-DC计划的背景到国际大气遥控飞行器研究学会（ISARRA）2024年飞行周活动的安排，聚焦于SCALES具体活动的进程与收获及获得的分析对比结果，对未来全球和区域大气立体观测网的设计和发展都具有重要的参考价值及具体实现方式的借鉴。

支持单位：