无人机作业特点是快速、灵活，尤其是在一些恶劣的环境和条件下，比如获取海洋、青藏高原、无人区的气象资料，无人机的优势就比较突出。
具体来说，无人机可应用于海洋台风探测、高原、无人区强对流天气观测，台风探测，人工影响天气以及边界层（气溶胶、大气垂直廓线）探测，灾害监测、调查及生态监测等领域。
以台风预报为例，近20年来，台风路径预报准确率明显提高，但强度预报改进缓慢，主要是影响我国的近海台风目标敏感区缺少探测手段和观测资料。目前，我国台风观测以卫星为主，严重缺乏空基和海基的精细化观测。此外，我国海洋观测系统建设处于初级阶段，远海观测极度缺乏，洋面海气交换观测资料稀缺，限制了对台风发生发展及能量交换的认知。
青藏高原处于我国天气系统上游，其天气气候变化影响着我国乃至世界的天气和气候。然而，在青藏高原尤其是无人区建站和维护极为困难，因此需要无人机等新型空基观测平台来弥补观测的不足。
在人工影响天气及云探测领域，无人机可为云中作业播撒提供平台，提高播撒的科学性和播撒效果。例如，新疆维吾尔自治区人影办与西安爱生技术集团合作，采用爱生ASN-209无人机系统平台搭载中天火箭机载播撒系统，直接进入云层中进行播撒作业，此为国内首次在人工增雨领域实现无人机应用。
我国对强对流云的探测几乎是空白的，因而限制了对强对流云形成灾害性天气机理的认识，致使强对流灾害性天气的预报准确率较低。近些年，雾霾成为新的环境问题，由于大气垂直观测资料匮乏，影响了对雾霾发生发展及形成、消散机理的认识。这些领域都是无人机大有可为之处。此外，气象部门还利用无人机对森林火灾、洪涝、湖泊蓝藻、土地利用、土壤沙化、草原生态等进行监测。
目前，我国已经形成集空基、地基和天基于一体的大气探测体系，但是，无论是卫星、雷达还是地面自动站，在观测方面都存在一些不足之处。无人机的应用可以弥补卫星观测在精度上的不足，还可以作为卫星观测的校验手段。
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