利用系留气球测量微气象边界层物理参数

在危险的地形上进行气象参数测量通常是极富挑战性的，尤其是在地形对人类有危险且不适合基础设施的布设时。加拿大安大略省圭尔夫大学环境工程学院的Amir Aliabadi助理教授，通过将仪器安装到系留气球上，克服了这些挑战。

相较于无人机和轻型飞机，系留气球虽然可能看起来很原始，但对于需要在活跃矿山和尾矿池上方进行的观测而言却是一个理想的平台。系留气球可以有效地延长飞行时间，且在加拿大无需获得批准就可以进行操作。

Aliabadi介绍到：“在加拿大系留气球被视为建筑物。由于系留气球是与地面连接的，它们甚至不被视为机载设备。因此，我们无需获取飞行许可证或飞行员执照即可释放系留气球。只需通知地方当局以获得飞行批准。地方当局的批复也很快，因此在复杂环境中安装并运行系留气球对我们来说就非常有吸引力。”

Aliabadi和他的团队为系留气球配备了一个传感器有效载荷，其中包括测量大气边界层最低200 m处的风速矢量、温度、相对湿度和大气压强的设备。有效载荷包括一个 TriSonica^® mini风和天气传感器，用于风速和空气特性的测量。

TriSonica^®Mini 的测量路径长度为 35 mm，重量仅为 50 g，非常适合与系留气球系统一起使用。低功耗（12 V 30 mA）确保了它在进行了数小时的风速测量后，仍不会耗尽电池电量，对于希望延长飞行时间的团队而言，这是一个关键性的优势。“我们的系留气球只是升空，缓慢上升-下降，并收集数小时的数据，这是对边界层物理进行适当长期评估所需要做的” Aliabadi说。

“选择TriSonica^® Mini时，除了考量到其测量准确性和重量外，传感器的价格也是关键因素。”Aliabadi澄清道，“竞争对手的超声波风速计售价可能高达10,000加元，而TriSonica® Mini 的售价只是它们的很小一部分，因此我们很容易做出决定。”

除了捕捉风廓线外，TriSonica^® Mini 还可以准确测量气压和温度。 Aliabadi评论说:“根据这两个参数可以获取非常准确的海拔高度信息，我们使用热力学、气压和温度来确定传感器的高度。令我们感到震惊的是，得到的海拔高度数据的准确度能达到1 m。如果我们使用卫星数据来计算海拔高度的话，准确度就不那么好了。 TriSonica® Mini做得非常好。我们还可以使用它来测量大气稳定性、热稳定性、热通量等参数。”

研究结果发表在了Geoscientific Instrumentation Methods and Data Systems 期刊上(https://doi.org/10.5194/gi-9-193-2020), 表明系留气球为“大气边界层内微气象条件的测量提供了一个简单且高性价比的平台。机载轻型高频天气传感器确保了气象变量平均值和湍流统计数据的测量。相较于固定的通量塔观测，这种配置可以实现更广阔时空的覆盖。” Aliabadi补充到，系留气球“测量的数据可以作为开发高分辨率计算流体动力学和其他能尝试模拟大型复杂地形采矿和其他类似设施气象过程和排放通量中尺度模型的边界条件或验证数据集。

当大家都在寻找方法来简化复杂问题时，Aliabadi和他的学生则用系留气球找到了答案。