2024年12月,中国气象局联合国家数据局率先部署,组织开展 “精细气象数据护航低空经济发展示范场景建设” 工作,明确要求研发低空气象预报预警技术,创新数据产品,为航线规划、起降服务、安全飞行等提供精细化服务,旨在到2025年初步构建低空气象数据资源体系。

此后,各地迅速响应:江西六部门联合发文,要求同步规划气象与通信、导航等基础设施;上海明确提出 “打造低空生态环境监测体系”;东莞出台 “低空经济 14 条”,补贴基建与信息化平台,力争年内建 100 个基础设施。

密集政策落地,标志着低空气象监测预警系统已从技术概念升格为产业安全发展的核心基础设施。

0-1000 米低空区域的气象安全直接关系到很多产业能不能顺利发展。低空气象监测预警系统,作为应对低空气象风险的关键技术装备受到广泛关注。

本文将从系统架构、技术路线与实战案例几个维度,全面解析低空气象监测预警系统。【5千字长文,建议收藏慢慢看】

一、基础概念

低空气象监测预警系统专门负责0-1000米空域的气象监测。这个高度范围内,空气对流强、天气变化快,经常出现局部小气候和能见度骤变,与高空相对稳定的气象环境完全不同。

系统通过地面气象站、雷达、卫星和无人机等多种设备进行联合观测,结合智能算法,能够实时监测并及时预警低空风切变、突发性强对流和平流雾等天气现象。

与传统气象观测相比,它的主要优势在于:监测精度达到百米范围,数据更新频率缩短至分钟级别,可以捕捉到范围只有几百米、持续时间仅数分钟的气象变化。同时,系统还能根据不同需求灵活设置预警标准,比如针对物流无人机和载人飞行器的不同安全要求提供相应服务。

合肥骆岗公园的移动边界层气象观测方舱

二、核心构成

低空气象监测预警系统的核心能力,依赖 “感知层、算法层、应用层” 三大模块的协同运作,形成从 “数据采集” 到 “服务输出” 的完整链路。

01.感知层

感知层是系统的数据来源基础,依托气象局现有观测网络,补充低空专属监测站点,整合 “地面 + 低空 + 空天” 三类共 8 类设备,实现对低空气象要素的全方位、高精度采集:

·地面基础监测设备:包括地面气象站与区域自动站,通过多传感器集成(温湿度传感器、气压计、风速风向仪、雨量筒),获取气温、湿度、风速、风向、气压、降水量等近地基础气象参数,是低空观测的 “地面基石”,广泛用于城市低空基础数据采集。

·广域扫描设备:以多普勒雷达、X 波段相控阵雷达为主的天气雷达,可快速扫描大气,提供降雨强度、风速风向、雷暴冰雹等三维气象数据,具备探测范围广、精度高、处理快的优势,用于广域降水与强对流天气监测。

·垂直精细化探测设备:风廓线雷达基于无线电波多普勒效应,反演不同高度风速、风向、垂直气流分布(无降水 / 稳定性降水时水平风垂直廓线可信度高),与天气雷达融合可优化垂直风场反演精度。

激光测风雷达则通过激光脉冲后向散射信号的多普勒频移计算径向风速,高空间 / 时间分辨率特性使其能精准捕捉微弱风场、湍流变化,擅长低层大气风速与气溶胶监测,二者共同构成低空垂直风场的 “精细探测网”。

·空天补充设备:风云气象卫星通过遥感技术提供大范围、全方位、高频率气象信息(涵盖云系覆盖、气溶胶分布、温湿廓线),支撑宏观天气预判。

探空站通过释放无线电探空气球(搭载温湿压传感器与 GPS 定位模块),实时传输气压、位势高度、温度、露点温度等垂直剖面数据,实现低空与高空气象数据的衔接。

·机动补盲设备:无人机 / 移动观测平台搭载微型传感器(超声波风速仪、激光湿度计),具备机动灵活的优势,可填补固定站点盲区,用于低空监测盲区补充、应急场景临时探测(如暴雨救援中的临时空域监测)。

这种 “陆空天一体化” 的监测网络构成了低空气象感知的理想架构。

在实际部署中,各地区通常会根据其空域规划、经济重要性和财政预算,采取分阶段、差异化的建设策略。

例如,低空经济先行区(如雄安新区)或核心枢纽机场空域会优先配齐风廓线雷达、激光雷达等全套设备,而一般性区域则可能先行部署成本较低的地面自动站与无人机机动补盲设备,再逐步完善网络覆盖。这种务实的路径确保了技术在拥有良好经济性的前提下得以推广和应用。

02.算法层

算法层是系统的 “智慧核心”,通过三类核心算法,将感知层采集的原始数据转化为可用的预警信息:

·多源数据融合算法:基于联邦学习技术,消除地面站、无人机、雷达、卫星数据的格式偏差与误差,实现 0.1 秒级数据同步。深圳低空气象平台应用该算法后,融合 52 个地面站、200 架无人机数据,风速、能见度数据准确率从 85% 提升至 98%。

·突发性事件预测算法:采用 LSTM(长短期记忆网络)构建预测模型,结合历史气象数据与实时监测信息,对低空风切变、强对流等事件实现5-30 分钟提前预警,2024 年广州空域测试中,该算法对风切变的预警响应时间仅 0.3 秒,比传统模型快 3 倍。

·场景化阈值算法:针对不同低空业态定制预警标准,如 eVTOL 起降风速预警阈值设为 5m/s,货运无人机设为 8m/s,低空救援重点监测降水强度≥10mm/h,2024 年亿航 EH216-S eVTOL 试飞中,该算法动态调整阈值,成功规避 12 次潜在风险。