機(jī)場復(fù)雜天氣預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

0 引 言

天氣是影響航空安全與效率的重要因素。2017 年我國航班正常率為 71.67%，平均延誤 24 min，在影響航班延誤的因素中占比最大的依舊是天氣。昆明長水機(jī)場作為一個(gè)高原機(jī)場，周圍地理環(huán)境特殊，天氣復(fù)雜且變化快，2017 全年共發(fā)生降水 147 日，雷暴 50 日，低云低能見度 49 日，大風(fēng) 24 日，由于天氣原因?qū)е碌暮娇掌黝嶔?、?fù)飛、返航備降，甚至機(jī)場大面積航班延誤的情況屢見不鮮。

2017 年 9 月，云南省政府和中國民用航空局共同下發(fā)了《昆明國際航空樞紐戰(zhàn)略規(guī)劃》，標(biāo)志著昆明長水機(jī)場由國家門戶樞紐機(jī)場向國際樞紐機(jī)場轉(zhuǎn)型。為保障運(yùn)行安全，提高運(yùn)行效率，長水機(jī)場部署了多種氣象傳感探測設(shè)備，如何將這些孤立的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)多種探測資料的融合應(yīng)用已成為亟需解決的問題。長水機(jī)場復(fù)雜天氣預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)就是以長水機(jī)場為典型示范區(qū)，開展復(fù)雜危險(xiǎn)天氣預(yù)報(bào)預(yù)警技術(shù)研究，利用邊緣計(jì)算技術(shù)實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)天氣的智能化監(jiān)測、識別及預(yù)警，利用中心云計(jì)算、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)處理氣象大數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)天氣的預(yù)報(bào)，達(dá)成機(jī)場復(fù)雜天氣預(yù)報(bào)預(yù)警方法的突破性改變。

1 設(shè)計(jì)思路及技術(shù)路線

復(fù)雜天氣預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)聯(lián)合機(jī)場多普勒天氣雷達(dá)、毫米波云霧雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、激光測風(fēng)雷達(dá)、微波輻射儀、氣象衛(wèi)星、自動氣象觀測系統(tǒng)等探測設(shè)備，對多種類型的觀測資料進(jìn)行統(tǒng)一存儲，實(shí)時(shí)處理分析，從而實(shí)現(xiàn)多源氣象資料在時(shí)間、空間尺度上的歸一化融合與計(jì)算，并多層次、集合化地生成預(yù)報(bào)產(chǎn)品提供給專業(yè)人員進(jìn)行資料分析。同時(shí)，系統(tǒng)還可自動提取對機(jī)場運(yùn)營和飛行安全產(chǎn)生影響的危險(xiǎn)天氣預(yù)警信息，通過一體化的產(chǎn)品制作與發(fā)布平臺，針對不同航空氣象用戶的需求，制作個(gè)性化的本場及終端區(qū)多媒體氣象預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)雷暴、低空風(fēng)切變、低云低能見度天氣的實(shí)時(shí)預(yù)警。

系統(tǒng)技術(shù)路線如圖 1 所示。綜合運(yùn)用多種探測資料實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)天氣的自動識別與跟蹤，并基于多源數(shù)據(jù)融合形成三維格點(diǎn)觀測場，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)雜危險(xiǎn)天氣的綜合監(jiān)測和預(yù)警，最終通過顯示模塊對觀測資料和融合數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合顯示，完成氣象預(yù)報(bào)預(yù)警產(chǎn)品的制作 [1-3]。

2 雷暴的監(jiān)測與預(yù)警

機(jī)場終端區(qū)雷暴的監(jiān)測和 2 h 以內(nèi)的強(qiáng)對流天氣短時(shí)臨近預(yù)報(bào)是目前航空氣象業(yè)務(wù)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。該系統(tǒng)采用雷達(dá)和衛(wèi)星聯(lián)合觀測，在對兩種探測數(shù)據(jù)深度挖掘應(yīng)用的基礎(chǔ)上，運(yùn)用資料變分同化及融合技術(shù)，研究不同類型的探測資料對雷暴的監(jiān)測能力，實(shí)現(xiàn)對強(qiáng)對流危險(xiǎn)天氣的自動識別、追蹤、預(yù)警和預(yù)測，并對應(yīng)顯示雷暴單體的質(zhì)心所在高度、單體頂高、底高、最大反射率、移動速度和方向等信息。 圖 2 展示了機(jī)場區(qū)域雷暴的識別及追蹤預(yù)測產(chǎn)品。

3 低空風(fēng)切變監(jiān)測與預(yù)警

低空風(fēng)切變的探測和預(yù)警技術(shù)是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。引發(fā)低空風(fēng)切變的因素較多，包括下?lián)舯┝鳌㈥囷L(fēng)鋒、快速移動的冷鋒兩側(cè)、低空逆溫層、低空急流等。單一的探測設(shè)備具有一定的低空風(fēng)切變探測能力，但也有其特定的局限性和適用條件。研究不同天氣條件下多普勒天氣雷達(dá)、風(fēng)廓線雷達(dá)、激光雷達(dá)和地面風(fēng)向風(fēng)速探測儀對機(jī)場低空風(fēng)切變的探測能力，融合多種資料構(gòu)建機(jī)場區(qū)域三維風(fēng)場信息。

圖 3 展示了機(jī)場風(fēng)切變分析產(chǎn)品。該產(chǎn)品展示了機(jī)場區(qū)域的風(fēng)場形勢，給出航空器在進(jìn)離場航線上的風(fēng)場分布信息，并針對飛行最關(guān)注的區(qū)域，顯示出機(jī)場進(jìn)離場航線上的垂直風(fēng)場隨時(shí)間變化序列，給飛行員和管制人員提供參考。

4 大霧的監(jiān)測與預(yù)警

受長水機(jī)場地形及周邊環(huán)境的影響，冬季機(jī)場多低云和大霧天氣，常導(dǎo)致航班延誤。霧的形成、演變和消亡受多種氣象條件的綜合影響，主要包括水汽條件、層結(jié)條件、大氣中的凝結(jié)核、風(fēng)向風(fēng)速等。該系統(tǒng)基于毫米波雷達(dá)獲取云層、降水、云霧中的氣流分布信息，分析霧的生消及其演變 ；基于微波輻射計(jì)提供的溫度廓線，跟蹤逆溫層的發(fā)生和演變，分析不同高度濕度的變化對大霧生消的影響 ；基于風(fēng)廓線雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測 3 km 高度范圍內(nèi)風(fēng)隨時(shí)間和高度的分布及演變，分析風(fēng)對大霧生消的影響。圖 4 展示了基于機(jī)器學(xué)習(xí)的跑道視程（RVR）預(yù)測產(chǎn)品 [4-7]。

5 結(jié) 語

昆明長水機(jī)場復(fù)雜天氣預(yù)報(bào)預(yù)警系統(tǒng)是在充分利用長水機(jī)場氣象探測設(shè)備的基礎(chǔ)上，挖掘氣象歷史數(shù)據(jù)形成預(yù)測模型，研究并形成復(fù)雜危險(xiǎn)天氣預(yù)警及多源資料融合顯示的技術(shù)方案，部署實(shí)現(xiàn)并在昆明長水機(jī)場開展示范性應(yīng)用。通過系統(tǒng)的開發(fā)與試驗(yàn)運(yùn)行，有望建成我國民航氣象第一套能夠融合多源探測資料，適應(yīng)高原機(jī)場運(yùn)行，重點(diǎn)針對影響飛行的雷暴、大風(fēng)風(fēng)切變、低云低能見度天氣的綜合預(yù)報(bào)預(yù)警務(wù)系統(tǒng)。