TriSonica^®微型三维超声风速和气象传感器测量风速提升美国西南部沙漠地区的季风预测

根据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）的数据，2021年07月北美季风给亚利桑那州部分地区带来最高记录的降雨量。亚利桑那州的一些地区降雨量超过了平均水平的200%，图森市在2021年7月是有史以来最湿润的一个月。尽管降水的增加为干旱地区带来了可喜的缓解，但它也带来了破坏性风暴的风险。恩布里-里德尔航空大学的研究人员正在寻找方法来改进他们的预测，从而更好地预测影响亚利桑那州的山洪爆发和严重雷暴事件。

恩布里-里德尔航空大学代托纳海滩校区航空学院的副教授Kevin Adkins博士是今年在亚利桑那州和新墨西哥州进行实地调查的主要研究人员之一。 Kevin Adkins博士说“今年是一个北美季风丰收年。当我们在去年秋天开始规划时，我们最初担心的是可能不会有季风，因为过去三年都是非常小的微不足道的季风。我们今年很幸运，因为我们所在亚利桑那州的位置季风非常活跃。然而今年有些地方非常湿润，但在同一地区也有非常干燥的地方。那么是什么样的细微尺度特征导致了这种增强的降水或相反的情况？我们研究的首要目标是更好地理解是什么引发了这种非常局部的降水。”

为此，恩布里-里德尔航空大学组织了他们在亚利桑那州普雷斯科特和佛罗里达州代托纳海滩的校区人员来进行这项研究项目。他们的方法涉及各种无人和载人飞行器，这些飞行器的使用提供了对北亚利桑那州复杂地形上空的低层大气进行近乎连续测量的能力。

Kevin Adkins博士说：“这是一项非常复杂的研究，涉及四架多旋翼无人机系统（UAS）（图2），一架固定翼无人机系统（UAS）（图3），载人飞机以及多次气象气球发射和一个复杂的分布式地面传感器网络（图4）。无人机使我们能够以前所未有的更细的空间和时间尺度研究季风季节出现的独特天气现象。”

传统的预测模型严重依赖于相隔数英里的本地固定气象站，这些气象站无法捕捉复杂地形上发生的气象相互作用。通过使用一支由有人和无人飞行器组成的移动侦缉队伍，研究人员能够获取水平向以及垂直向的测量数据。理论上数据越密集和测量越频繁，预测就越准确。

参与这项野外研究的所有飞行器都配备了一套气象仪器以检测和测量湿度、温度、压力和风速。通过在雷暴形成时捕获近地表的数据，研究人员希望能更有效地监测对流单体的时间和位置。通过改善对这些过程的理解，他们希望提高对影响该地区的山洪暴发和严重雷暴事件的预测。

Kevin Adkins博士说：“我们在已知季风相关对流热点区域设立了观测点，并分析了地形在这一过程中的作用。具体来说，我们研究了与季风形成相关的对流发生以及该地区地形如何影响这一过程。因此，我们关注的是气流通道的影响以及它如何增强、促进或者相反地影响这种对流现象。”

在雷暴形成时发射无人机和气象气球，研究人员能够从低层大气捕获详细的气象数据，这一区域在对流风暴的形成中起着至关重要的作用。大多数计算机模型并不能很好地考虑到低层大气中的复杂性。恩布里-里德尔的团队希望改变这一现状。

尽管多旋翼无人机系统和气象气球提供了必要的垂直风和气象剖面数据，但固定翼无人机（Censys Technologies的Sentaero VLOS）使团队能够主动对边界层的下部分进行采样，这是载人飞机无法安全完成的任务。 Kevin Adkins博士解释说：“由于固定翼无人机的飞行速度较慢，我们能够获得更精细的分辨率，但你的研究区域会受较大的限制，只能覆盖一个较小的区域。而载人飞机能够到达更高的高度，并提供更广阔的视角。因此这实际上是一个多方位的观测策略，无人机提供更精细的分辨率；载人飞机提供中等分辨率，气象气球在较大的尺度上给我们垂直维度的数据。”

TriSonica^®微型三维超声风速和气象传感器对于从VLOS机身捕获相关数据至关重要。 TriSonica^®微型超声风速计，可以捕捉风的三维数据，同时还能测量温度、压力、湿度和时间。“在这样一个非常复杂的布控操作中，有很多方面和情形可能出错，但这个传感器却是一个例外。”

“我们从开始就对TriSonica^®微型三维超声风速和气象传感器感到非常满意，”恩布里-里德尔航空大学机械工程副教授Marc Compere博士表示。“它是即插即用，非常方便，拥有简单直接的界面易于配置。这个设备非常可靠，我们完全没有遇到任何问题，尽管我们在项目最后阶段才加入它—我们只有大约两周时间将其整合入我们的系统，但它表现得非常可靠。在我们的研究中， TriSonica^®微型三维超声风速和气象传感器表现毫无瑕疵。没有什么需要调整，使用起来非常简单。只需打开它，它就能正常工作并提供数据。总的来说这是一个出色的小产品。我想更直接地说，它太棒了！这真的是一个很棒的小产品。”

正如Marc Compere博士所提到的TriSonica^®微型三维超声风速和气象传感器的添加可以说是最后一刻的决定。之前，团队在固定翼飞机上使用了多孔压力探针。在季风研究中，他们希望通过TriSonica®微型三维超声风速和气象传感器获得额外的气象数据。

Kevin Adkins博士说：“我们当时并不确定它会起到什么作用，正如Marc Compere博士所说我们在最后一刻才整合了这个传感器。但真正起到举足轻重作用的是这个小传感器对整个过程提供的数据支持。这真的是无与伦比的。我想确保这一点得到承认。我们非常感激。这各小传感器真的起到了非常重要的作用。”

Kevin Adkins博士表示：“这项研究非常具有挑战性。我们依赖多车辆操作、无人机操作以及多个车辆上的多种仪器。也许没有多少人会在无人机上安装风速计，但我认为进行多台无人机同时操作以获得更好的大气数据的人可能更少。这是非常具有挑战性的。”

Marc Compere博士强调：“这是一次非常了不起的努力尝试，跨领域、多学科、多车辆、多传感器—有很多环节可能出错。实际上，在一个复杂的野外实验中，很多事情确实会出错，这是不可避免的，但TriSonica®微型三维超声风速和气象传感器表现得非常可靠。它在前期整合时非常简单，而且在实地使用中也很可靠。这可能是我们最欣赏这个传感器的地方。因此，在一个非常复杂的操作中，有很多问题需要注意，但这个传感器并不是其中之一。”

Marc Compere博士补充道：“如果要总结我们的季风研究，我们正在努力改进季风预测，进而对拯救人们的生命和财产提供帮助。前往沙漠进行研究不仅仅是出于科学研究需要，但真正的目的是帮助人们更好地理解季风及其影响。这些山洪暴发会夺去人们的生命并摧毁财产。因此，改进天气预报有助于拯救人们的生命和财产。”

Kevin Adkins博士说：“这是非常引人注目的研究，每个人都希望参与其中。”