2025年大學(xué)《氣象技術(shù)與工程》專業(yè)題庫——高空氣象條件下的無人機(jī)應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號內(nèi)）1.與傳統(tǒng)探空氣球相比，使用無人機(jī)進(jìn)行高空氣象探測的主要優(yōu)勢之一是（）。A.探測高度更高B.數(shù)據(jù)獲取頻率更高C.探測成本更低D.數(shù)據(jù)精度更優(yōu)2.無人機(jī)進(jìn)行高空風(fēng)場測量的主要原理是利用（）。A.氣壓變化B.溫度梯度C.電磁波傳播時(shí)間差或多普勒效應(yīng)D.飛行姿態(tài)變化3.以下哪種傳感器通常不直接安裝在無人機(jī)上用于獲取高空氣象廓線數(shù)據(jù)？（）A.GPS測高儀B.氣象雷達(dá)C.激光雷達(dá)D.溫濕度傳感器4.在氣象領(lǐng)域，無人機(jī)通常被歸類為（）。A.氣象衛(wèi)星B.探空氣球C.氣象雷達(dá)D.地面自動氣象站5.無人機(jī)遙感高空氣象要素時(shí)，其數(shù)據(jù)傳輸通常面臨的主要挑戰(zhàn)是（）。A.數(shù)據(jù)量巨大B.傳輸帶寬有限C.傳輸協(xié)議復(fù)雜D.以上都是6.用于監(jiān)測臺風(fēng)路徑和強(qiáng)度的無人機(jī)應(yīng)用場景屬于（）。A.高空風(fēng)場探測B.邊界層氣象研究C.氣象災(zāi)害預(yù)警D.大氣成分監(jiān)測7.無人機(jī)氣象探測數(shù)據(jù)在應(yīng)用于數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式初始化時(shí)，其主要作用是（）。A.提供地表氣象要素B.補(bǔ)充高空初始?xì)庀髨鯟.校準(zhǔn)衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)D.監(jiān)控模式運(yùn)行狀態(tài)8.下列哪項(xiàng)不是無人機(jī)在高空氣象應(yīng)用中需要克服的技術(shù)瓶頸？（）A.續(xù)航時(shí)間有限B.有效載荷能力限制C.全球覆蓋能力D.數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性9.利用無人機(jī)搭載傳感器進(jìn)行邊界層氣象研究，其主要關(guān)注的是（）。A.500hPa高度層以上的大氣狀況B.對流云頂高度C.地表到幾公里高度的大氣層D.平流層氣溶膠分布10.隨著技術(shù)發(fā)展，未來無人機(jī)在高空氣象應(yīng)用中可能受益于（）。A.更大飛行平臺B.更長續(xù)航能力C.更先進(jìn)傳感器和人工智能算法D.以上都是二、填空題（每空1分，共15分。請將正確答案填在題橫線上）1.無人機(jī)進(jìn)行氣象探測時(shí)，為保證數(shù)據(jù)代表性，通常需要采用______飛行策略。2.無人機(jī)氣象應(yīng)用中，數(shù)據(jù)質(zhì)量控制主要關(guān)注數(shù)據(jù)的______、一致性和完整性。3.利用無人機(jī)進(jìn)行高空風(fēng)場測量時(shí)，通過測量GPS信號的多普勒頻移可以精確計(jì)算______。4.無人機(jī)搭載的微氣象傳感器通常用于測量______、風(fēng)速和氣壓等近地面氣象要素。5.無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)通常由______、數(shù)據(jù)采集與傳輸單元、地面控制站四部分組成。6.在強(qiáng)對流天氣預(yù)警中，無人機(jī)可以用于偵察______、冰雹等天氣現(xiàn)象的發(fā)生發(fā)展。7.無人機(jī)氣象應(yīng)用的快速發(fā)展對______和空域管理提出了新的挑戰(zhàn)。8.無人機(jī)獲取的高空溫濕度廓線數(shù)據(jù)對于改進(jìn)______預(yù)報(bào)具有重要意義。9.無人機(jī)氣象探測的數(shù)據(jù)格式通常需要符合______標(biāo)準(zhǔn)，以便與其他氣象數(shù)據(jù)兼容。10.人工智能技術(shù)在無人機(jī)氣象應(yīng)用中的主要作用包括智能______、數(shù)據(jù)自動分析等。三、名詞解釋（每題3分，共15分）1.高空氣象探測2.無人機(jī)測風(fēng)雷達(dá)3.邊界層4.氣象災(zāi)害預(yù)警5.續(xù)航能力四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述無人機(jī)進(jìn)行高空氣象探測相較于傳統(tǒng)探空氣球的主要優(yōu)點(diǎn)。2.簡述無人機(jī)氣象探測數(shù)據(jù)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的作用。3.簡述無人機(jī)在氣象災(zāi)害預(yù)警應(yīng)用中可能面臨的挑戰(zhàn)。4.簡述影響無人機(jī)在高空氣象應(yīng)用中續(xù)航能力的因素。五、論述題（10分）結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，論述無人機(jī)在高空氣象觀測中的潛在應(yīng)用前景及需要解決的關(guān)鍵問題。六、案例分析題（20分）（注意：本部分按要求不使用表格和圖形）假設(shè)某地氣象部門計(jì)劃使用無人機(jī)對一次強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行加密觀測。請分析在此應(yīng)用場景中，應(yīng)選擇哪種類型的無人機(jī)（說明理由）、需要搭載哪些關(guān)鍵傳感器、需要制定怎樣的觀測策略，并簡述可能遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)及應(yīng)對方法。試卷答案一、選擇題（每題2分，共20分。請將正確選項(xiàng)的字母填在題后的括號內(nèi)）1.B2.C3.B4.D5.D6.C7.B8.C9.C10.D二、填空題（每空1分，共15分。請將正確答案填在題橫線上）1.垂直剖面2.準(zhǔn)確性3.飛行速度4.溫度5.無人機(jī)平臺6.積雨云（或雷暴云）7.通信技術(shù)8.邊界層9.氣象信息10.目標(biāo)識別三、名詞解釋（每題3分，共15分）1.高空氣象探測：指利用各種探測手段（如探空氣球、雷達(dá)、衛(wèi)星、無人機(jī)等）獲取高空（通常指離地面一定高度以上）大氣的溫度、濕度、氣壓、風(fēng)、云、降水等氣象要素及其時(shí)空分布信息的活動。2.無人機(jī)測風(fēng)雷達(dá)：一種安裝在無人機(jī)平臺上的專門用于探測大氣風(fēng)場（風(fēng)速、風(fēng)向）的雷達(dá)系統(tǒng)，通常通過測量電磁波信號的多普勒頻移或相位變化來計(jì)算目標(biāo)距離上的風(fēng)速信息。3.邊界層：指大氣中靠近地表、受地表摩擦和熱力作用影響顯著的一層大氣，其上界通常隨高度增加而逐漸模糊，一般高度在0-2公里左右，是天氣現(xiàn)象和大氣過程活動劇烈的層次。4.氣象災(zāi)害預(yù)警：指根據(jù)氣象監(jiān)測和預(yù)報(bào)信息，對可能發(fā)生或已經(jīng)發(fā)生的、具有潛在危害的氣象災(zāi)害（如臺風(fēng)、強(qiáng)對流天氣、暴雪、干旱等）進(jìn)行提前分析和評估，并向可能受影響區(qū)域發(fā)布警報(bào)，以便相關(guān)機(jī)構(gòu)和公眾采取預(yù)防避險(xiǎn)措施的活動。5.續(xù)航能力：指無人機(jī)能夠持續(xù)飛行的時(shí)間長度，是衡量無人機(jī)平臺性能的重要指標(biāo)之一，直接影響其完成任務(wù)的效率和范圍，主要受電池容量、飛行速度、載荷重量、飛行狀態(tài)（如爬升、平飛、下降）等多種因素影響。四、簡答題（每題5分，共20分）1.簡述無人機(jī)進(jìn)行高空氣象探測相較于傳統(tǒng)探空氣球的主要優(yōu)點(diǎn)。解析思路：對比無人機(jī)和探空氣球兩種平臺的特性。無人機(jī)優(yōu)點(diǎn)主要在于：機(jī)動性強(qiáng)，可按需規(guī)劃探測路線和剖面；靈活度高，可懸停、低速飛行進(jìn)行定點(diǎn)觀測；安全性相對較高，可替代人工放球；數(shù)據(jù)獲取頻率高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)或加密觀測；部署相對便捷，無需大型發(fā)射設(shè)備；成本效益可能更高（特定場景下）。答案應(yīng)圍繞這些方面展開。答案要點(diǎn)：機(jī)動性強(qiáng)，可靈活規(guī)劃探測路線；靈活度高，可實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、懸停觀測；安全性相對較高；數(shù)據(jù)獲取頻率高，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)或加密觀測；部署相對便捷；成本效益可能更高。2.簡述無人機(jī)氣象探測數(shù)據(jù)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)中的作用。解析思路：明確無人機(jī)數(shù)據(jù)在數(shù)值天氣預(yù)報(bào)（NWP）中的作用環(huán)節(jié)。主要是作為觀測資料。NWP模型需要大量的、分布均勻的初始?xì)庀髨鲂畔⒉拍苓M(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)。地面觀測點(diǎn)稀疏，高空觀測主要靠探空。無人機(jī)可以提供探空和地面之間的高空加密觀測數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)觀測系統(tǒng)的不足，特別是對于短臨預(yù)報(bào)和災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)，高時(shí)空分辨率的數(shù)據(jù)能顯著提高模式初始場的準(zhǔn)確性，從而提升預(yù)報(bào)效果。答案要點(diǎn)：提供高空加密氣象觀測數(shù)據(jù)；彌補(bǔ)傳統(tǒng)探空和地面觀測的不足；提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式的初始場精度；尤其對短臨預(yù)報(bào)和災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)有益。3.簡述無人機(jī)在氣象災(zāi)害預(yù)警應(yīng)用中可能面臨的挑戰(zhàn)。解析思路：分析無人機(jī)在執(zhí)行實(shí)時(shí)、關(guān)鍵的氣象災(zāi)害預(yù)警任務(wù)時(shí)可能遇到的困難。從技術(shù)角度看：續(xù)航時(shí)間短，難以長時(shí)間持續(xù)作業(yè)；載荷能力有限，搭載傳感器的類型和探測距離可能受限；數(shù)據(jù)傳輸帶寬和實(shí)時(shí)性可能存在問題；復(fù)雜氣象條件（大風(fēng)、雨雪、結(jié)冰）下的飛行穩(wěn)定性；電池技術(shù)瓶頸限制了探測范圍和強(qiáng)度。從管理角度看：空域申請和協(xié)調(diào)困難；法規(guī)政策限制；快速響應(yīng)能力要求高。答案要點(diǎn)：續(xù)航時(shí)間短；載荷能力有限；數(shù)據(jù)傳輸帶寬和實(shí)時(shí)性挑戰(zhàn)；復(fù)雜氣象條件下的飛行穩(wěn)定性問題；電池技術(shù)瓶頸；空域管理困難；法規(guī)政策限制；快速響應(yīng)要求高。4.簡述影響無人機(jī)在高空氣象應(yīng)用中續(xù)航能力的因素。解析思路：分析影響無人機(jī)飛行時(shí)間的各種因素。主要從能量消耗和能量供應(yīng)兩方面考慮。能量消耗方面：飛行速度（速度越快，單位時(shí)間阻力越大，耗能越多）；飛行高度（高空空氣稀薄，升力減小，但阻力也小，耗能介于低空和高空之間）；載荷重量（越重，需克服重力做功越多）；飛行狀態(tài)（爬升比平飛耗能多）；氣動效率（機(jī)翼設(shè)計(jì)、飛行姿態(tài)等）。能量供應(yīng)方面：電池容量（直接決定可用能量）；電池能量密度（單位重量或體積儲存的能量）；電池管理系統(tǒng)效率。答案要點(diǎn)：飛行速度；飛行高度；載荷重量；飛行狀態(tài)（爬升/平飛）；氣動效率；電池容量；電池能量密度；電池管理系統(tǒng)效率。五、論述題（10分）結(jié)合當(dāng)前技術(shù)發(fā)展，論述無人機(jī)在高空氣象觀測中的潛在應(yīng)用前景及需要解決的關(guān)鍵問題。解析思路：首先，要闡述無人機(jī)技術(shù)（平臺、傳感器、通信、AI等）的發(fā)展如何拓展了高空氣象觀測的capabilities。其次，結(jié)合這些技術(shù)發(fā)展趨勢，具體描繪無人機(jī)在哪些方面（如探測手段多樣化、觀測網(wǎng)絡(luò)化、智能化分析等）具有廣闊的應(yīng)用前景。然后，要指出在實(shí)現(xiàn)這些前景的過程中，仍然面臨哪些亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)難題（如續(xù)航、載荷、成本、數(shù)據(jù)融合、自主控制、空域管理等）和挑戰(zhàn)。最后，可以簡要提及可能的解決方案方向。答案要點(diǎn)：應(yīng)用前景：*多平臺、多傳感器融合觀測：利用不同類型無人機(jī)搭載多種傳感器（雷達(dá)、光電、GPS/MEMS等）進(jìn)行立體、多維度高空氣象探測。*高密度、網(wǎng)絡(luò)化觀測系統(tǒng)：構(gòu)建基于無人機(jī)的移動觀測網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對特定區(qū)域（如邊界層、災(zāi)害核心區(qū)）的高時(shí)空分辨率、全覆蓋觀測。*與衛(wèi)星數(shù)據(jù)融合應(yīng)用：將無人機(jī)觀測數(shù)據(jù)與衛(wèi)星數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，彌補(bǔ)時(shí)空分辨率不足，提升災(zāi)害預(yù)警能力。*智能化數(shù)據(jù)處理與識別：利用人工智能技術(shù)自動識別、提取氣象特征，智能分析數(shù)據(jù)，輔助氣象預(yù)報(bào)和決策。*應(yīng)對極端天氣的快速響應(yīng)：在惡劣天氣條件下進(jìn)行危險(xiǎn)區(qū)域的偵察和探測。關(guān)鍵問題：*續(xù)航與能源技術(shù)：突破長航時(shí)、高功率密度電池或混合動力等瓶頸。*載荷能力與探測距離：提升平臺承載能力，發(fā)展遠(yuǎn)距離、大探測能力的傳感器。*數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸與網(wǎng)絡(luò)：解決高帶寬、低延遲的數(shù)據(jù)傳輸難題，構(gòu)建高效的數(shù)據(jù)處理與共享網(wǎng)絡(luò)。*自主化飛行與控制：提高無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下的自主導(dǎo)航、避障、協(xié)同飛行能力。*成本效益與標(biāo)準(zhǔn)化：降低無人機(jī)系統(tǒng)成本，建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和接口。*空域管理與法規(guī)：完善無人機(jī)飛行空域管理和相關(guān)法規(guī)政策。解決方向：新材料、新電池、高效發(fā)動機(jī)、AI算法優(yōu)化、集群控制技術(shù)、通信技術(shù)升級、標(biāo)準(zhǔn)化體系建設(shè)等。六、案例分析題（20分）（注意：本部分按要求不使用表格和圖形）假設(shè)某地氣象部門計(jì)劃使用無人機(jī)對一次強(qiáng)對流天氣過程進(jìn)行加密觀測。請分析在此應(yīng)用場景中，應(yīng)選擇哪種類型的無人機(jī)（說明理由）、需要搭載哪些關(guān)鍵傳感器、需要制定怎樣的觀測策略，并簡述可能遇到的技術(shù)挑戰(zhàn)及應(yīng)對方法。解析思路：這是一個(gè)綜合性分析題。首先，根據(jù)“強(qiáng)對流天氣”和“加密觀測”的要求，選擇合適的無人機(jī)類型需考慮飛行高度、速度、機(jī)動性、續(xù)航和抗風(fēng)能力。其次，明確強(qiáng)對流天氣需要觀測的關(guān)鍵要素（風(fēng)場、水汽、云微物理特性等），選擇能夠探測這些要素的傳感器。再次，制定觀測策略要考慮如何覆蓋災(zāi)害核心區(qū)、如何獲取高時(shí)間分辨率數(shù)據(jù)（如圍繞風(fēng)暴中心進(jìn)行螺旋式下降觀測）、如何與地面觀測站結(jié)合等。最后，分析無人機(jī)進(jìn)行此類觀測可能遇到的實(shí)際困難（如惡劣天氣本身帶來的挑戰(zhàn)、數(shù)據(jù)傳輸、空域協(xié)調(diào)等），并提出相應(yīng)的應(yīng)對措施。答案要點(diǎn)：無人機(jī)類型選擇：應(yīng)選擇具有良好機(jī)動性、一定的抗風(fēng)能力、可進(jìn)行中低空飛行的多旋翼無人機(jī)（如四旋翼或六旋翼），或具備較高升限和較好穩(wěn)定性的垂直起降固定翼無人機(jī)。理由：強(qiáng)對流天氣發(fā)展變化快，需要快速響應(yīng)和靈活調(diào)整飛行軌跡；多旋翼無人機(jī)懸停和低空近距離觀測能力強(qiáng)；固定翼無人機(jī)續(xù)航相對較長，適合進(jìn)行大范圍掃描或長時(shí)序追蹤。根據(jù)觀測需求和平臺特性綜合選擇。關(guān)鍵傳感器：應(yīng)至少搭載以下一種或多種傳感器：*微波測風(fēng)雷達(dá)（或GPS測風(fēng)系統(tǒng)）：用于實(shí)時(shí)獲取三維風(fēng)場信息，是核心傳感器。*高光譜/多光譜相機(jī)：用于識別云的分類（水云、冰晶云）、測量云頂高度、識別風(fēng)暴云特征。*可見光相機(jī)：用于實(shí)時(shí)監(jiān)控云圖演變和風(fēng)暴形態(tài)。*激光雷達(dá)（若平臺允許）：可探測云中粒子類型（水滴、冰晶）和垂直分布。*溫濕度傳感器：獲取高空溫濕度廓線。觀測策略：*目標(biāo)區(qū)域：重點(diǎn)覆蓋強(qiáng)對流天氣發(fā)生、發(fā)展和消亡的區(qū)域。*探測剖面：圍繞風(fēng)暴中心或潛在風(fēng)暴生成區(qū)進(jìn)行螺旋式下降或“8”字形等穿越式飛行，獲取高分辨率風(fēng)場和微物理結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)。*飛行高度：根據(jù)風(fēng)暴發(fā)展高度確定，通常在云層中或其附近。*時(shí)間頻率：根據(jù)天氣變化速度，加密觀測頻次，如每10-30分鐘一次。*與地面站結(jié)合：將無人機(jī)觀測數(shù)據(jù)與地面自動氣象站數(shù)據(jù)進(jìn)行融合分析?？赡艿募夹g(shù)挑戰(zhàn)及應(yīng)對方法：*挑戰(zhàn)：強(qiáng)對流天氣常伴隨大風(fēng)、雷暴、冰雹、暴雨等惡劣天氣，影響無人機(jī)飛行安全。應(yīng)對：選擇抗風(fēng)能力強(qiáng)的平臺；制定詳細(xì)的飛行安全保障預(yù)案；選擇合適的天氣窗口；配備防雷擊、防冰等設(shè)