基于臨近空間浮空平臺的風場探測技術(shù)一方面可為臨近空間大氣動力學和湍流科學研究提供寶貴的第一手資料，一方面也可為浮空平臺自身飛行提供風場數(shù)據(jù)保障。由于臨近空間低氣壓特殊環(huán)境，地面風速計產(chǎn)品不能在臨近空間正常工作。德國科學家曾研發(fā)了艇載超聲波風速計，獲得18km以下數(shù)據(jù)，但在20km以上平飛期間失效。目前國內(nèi)外臨近空間浮空平臺測風主要采用GNSS測風技術(shù)。由于GNSS測量的平臺飛行速度與大氣真實風速之間存在差異，該方法具有很大的局限性，尤其是對于主動飛行的浮空平臺（如飛艇）。因此，浮空平臺測風技術(shù)已成為制約臨近空間科學研究和應用發(fā)展的難題。

　　為解決該技術(shù)難題，空間中心胡雄研究員團隊提出和開展了浮空平臺聲波測風先進技術(shù)研究。在中科院“鴻鵠”先導專項“臨近空間對太陽風暴響應特征觀測研究”任務支持下，團隊骨干成員宋亮負責完成了風速計的物理設計、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和樣機研制工作，樣機參加了2019年和2020年在青海大柴旦開展的臨近空間綜合環(huán)境探測飛行實驗，首次獲得了20km以上高度浮空氣球平飛期間的風場探測數(shù)據(jù)。

　　數(shù)據(jù)分析表明，風速計獲得了高時間分辨率的真實大氣相對于浮空平臺的水平風速，計算得到其功率譜指數(shù)在湍流區(qū)接近理論值，驗證了臨近空間高度上拉格朗日大氣湍流慣性區(qū)的譜冪律理論。

　　該項技術(shù)的突破，可為臨近空間浮空平臺自主測風奠定技術(shù)基礎，在臨近空間大氣動力學和湍流等科學研究中具有重要的意義。

　　有關(guān)先進技術(shù)已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)，風速計及其飛行實驗結(jié)果等研究成果近日在國際學術(shù)期刊IEEE TRANSACTIONS ON INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT上正式發(fā)表。

　　Citation: L. Song, X. Hu, F. Wei, Z. Yan, Q. Xu and C. Tu, "Development of a Balloon-Borne Acoustic Anemometer to Measure Winds for SENSOR Campaign," in IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 71, pp. 1-10, 2022, Art no. 9508310, doi: 10.1109/TIM.2022.3189629.

圖1 浮空平臺風速計與臨近空間綜合環(huán)境探測實驗艙

圖2 （a）浮空平臺風速計探測得到的緯向相對風速變化；（b）浮空平臺平飛期間飛行高度變化

圖3 相對水平風速湍流功率譜

　　（供稿：天氣室）