航空氣象試飛保障服務(wù)平臺搭建思路與設(shè)計

張向榮，喬丹楊，藺玉潔，索文婷

(1.閻良區(qū)氣象局，西安 710089；2.寶雞市氣象局，陜西寶雞 721000； 3.中國飛行試驗研究院氣象臺，西安 710089)

陜西閻良是全國唯一以航空為特色的經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)和航空工業(yè)基地，區(qū)內(nèi)有全國最大的飛機制造企業(yè)—西安飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司，全國唯一的大中型飛機設(shè)計研究院—中航工業(yè)第一飛機設(shè)計研究院，全國唯一的飛行試驗研究鑒定中心—中國飛行試驗研究院。閻良機場隸屬于中國飛行試驗研究院，是亞洲最大的試飛基地。

航空飛機對氣象條件的要求極高，復(fù)雜天氣條件嚴(yán)重危及飛行安全，氣象保障工作是飛行試驗中最不容忽視的一環(huán)。目前，閻良機場設(shè)有下屬的氣象觀測站，可對基本氣象要素，如氣溫、風(fēng)向風(fēng)速、降水量等進行實時監(jiān)測，同時針對天氣現(xiàn)象、能見度、風(fēng)向風(fēng)速、云等氣象要素制作預(yù)報產(chǎn)品。然而，由于該觀測站歷史資料不完整，可參考的天氣預(yù)報模式種類較少，氣象服務(wù)產(chǎn)品無法滿足嚴(yán)格的試飛需求。為解決現(xiàn)狀，閻良區(qū)氣象局將與國內(nèi)領(lǐng)先的航空氣象科技服務(wù)公司合作，依托雙方的行政資源和技術(shù)優(yōu)勢，建立面向閻良航空試飛基地的綜合性決策輔助平臺—航空氣象試飛保障服務(wù)平臺[1]。

1 平臺基礎(chǔ)數(shù)據(jù)環(huán)境建設(shè)

基于陜西省氣象局CIMISS數(shù)據(jù)庫，以閻良區(qū)氣象局為基地建立閻良智慧氣象大數(shù)據(jù)中心，作為一站式訪問的核心數(shù)據(jù)平臺。大數(shù)據(jù)中心以Hadoop開源大數(shù)據(jù)架構(gòu)為基礎(chǔ)，對結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進行存儲和處理。其中，結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用MPP架構(gòu)的Greenplum數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合MPP架構(gòu)高效的分布式計算模式進行存儲和處理；非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)采用Hbase進行存儲和處理。按照集約化發(fā)展思路，建成集中、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集交換機制、數(shù)據(jù)存儲計算中心，形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理、數(shù)據(jù)創(chuàng)新應(yīng)用，滿足內(nèi)部數(shù)據(jù)共享、外部應(yīng)用連接，實現(xiàn)縱橫雙向數(shù)據(jù)管理和服務(wù)支撐。

在閻良智慧氣象大數(shù)據(jù)中心支撐下，閻良?xì)庀缶峙c中國飛行試驗研究院(中航工業(yè)試飛中心)合作，將常用航線、試飛飛機信息、飛機報等航空數(shù)據(jù)接入大數(shù)據(jù)庫，根據(jù)飛行計劃、飛機起降時間和飛行路線，在水平方向上以閻良為中心輻射到內(nèi)蒙、山西等主要試飛區(qū)域；在垂直方向上延伸至飛機的正常飛行高度200 hPa(12 000 m左右)。垂直方向上分為43層。從地面到500 m左右的高空存在較明顯的風(fēng)切變，因此間隔100 m共劃分為5層；500～9 500 m劃分為30層；10 000～12 000 m劃分為8層。

2 平臺搭建思路和系統(tǒng)設(shè)計

美國聯(lián)邦航空局研發(fā)的新一代航空運輸系統(tǒng)(NextGen)在航空服務(wù)需求方面突出了三大概念：(1)對所有的決策者和航空系統(tǒng)用戶提供共同的天氣情景。(2)氣象信息直接集成融合到復(fù)雜的決策支持系統(tǒng)以幫助決策者。(3)利用互聯(lián)網(wǎng)傳輸，實現(xiàn)對所有必要氣象信息的靈活、有效訪問[2]。張佳靜等[3]提出了基于4D軌跡預(yù)測的航空氣象輔助決策技術(shù)，該技術(shù)引接動態(tài)航跡信息與動態(tài)氣象信息，對4D軌跡及沿軌跡天氣情況進行推算，得到沿航路到點天氣狀態(tài)合成圖，實現(xiàn)不利氣象條件限制的提前解除，有效縮短航班延誤時間。同時也可據(jù)此對飛行計劃進行重新規(guī)劃，選取合理的航路航線避讓危險天氣，有效減少返航、備降。

綜合目前國內(nèi)外各類航空氣象服務(wù)平臺基本理念及本地需求，閻良航空氣象試飛保障服務(wù)平臺重點涵蓋兩大功能：一是起飛條件保障。作為飛行試驗基地，與民航氣象保障服務(wù)有所區(qū)別，試飛更側(cè)重于飛機在極限氣象條件下能否安全起航。因此，氣象部門需要給實驗基地提供試飛高風(fēng)險影響天氣的氣象數(shù)據(jù)，其中包括低空風(fēng)切變、雷暴、大風(fēng)、積冰、顛簸等危險天氣的逐分鐘精細(xì)化預(yù)報預(yù)警；二是空域決策。在飛機航行途中，通過將三維地圖、高空氣象實況監(jiān)測數(shù)據(jù)、雷達數(shù)據(jù)、高空數(shù)值預(yù)報及飛機實時跟蹤數(shù)據(jù)等多因素進行融合疊加，對高空試飛條件進行綜合研判，為飛行員及基地人員提供實時有效飛行判據(jù)。

為了給相關(guān)業(yè)務(wù)提供有效支撐，在充分考慮平臺操作方便、界面友好、符合用戶工作習(xí)慣的基礎(chǔ)上，平臺設(shè)計為五個模塊，分別為天氣實況監(jiān)測，低空風(fēng)切變預(yù)報預(yù)警，雷暴、積冰、顛簸預(yù)報預(yù)警，小尺度天氣數(shù)值模式和航行態(tài)勢可視化。

2.1 天氣實況監(jiān)測

天氣實況監(jiān)測主要包括氣象要素的實時監(jiān)測和歷史資料查詢。實現(xiàn)對氣溫、氣壓、風(fēng)、濕度、云、降水以及天氣現(xiàn)象等氣象要素的實時監(jiān)測；歷史資料查詢包括對指定時間段的天氣要素、歷史同期數(shù)據(jù)、歷史極值、歷史相似性天氣、雷達產(chǎn)品等數(shù)據(jù)的檢索。

2.2 低空風(fēng)切變預(yù)報預(yù)警

低空風(fēng)切變指飛機在起飛和著陸飛行階段遭遇風(fēng)向風(fēng)速突然急劇變化的一種大氣現(xiàn)象，具有時間短、尺度小、強度大、發(fā)生突然等特點。相鄰兩部分空氣間氣流速度差別越大，形成的風(fēng)切變就越強，對飛機起飛和降落的危害就越大[4-5]。

此模塊主要為低空風(fēng)切變預(yù)報預(yù)警，對可能影響飛機試飛的自然災(zāi)害，事故災(zāi)難等突發(fā)事件以及最低、最高安全高度，危險區(qū)域入侵，偏航等可監(jiān)測事件為用戶提供預(yù)警支持。預(yù)警信息以地圖標(biāo)注的方式顯示。利用本站探空(測風(fēng))雷達、激光雷達以及長安、銅川兩站的風(fēng)廓線雷達，結(jié)合閻良本地的天氣氣候和地理環(huán)境特點，并根據(jù)閻良區(qū)尤其是試飛基地本場風(fēng)切變歷史個例的分析研究，風(fēng)切變格點預(yù)報主要采用兩種技術(shù)方法：一是根據(jù)風(fēng)廓線雷達探測到的大氣湍流情況，使用模糊邏輯算法計算大氣湍流的速度結(jié)構(gòu)參數(shù)和耗散率，研究適用于閻良(或西北區(qū)域)的風(fēng)切變算法；二是利用雷達速度資料通過中國民航大學(xué)民航氣象研究所改進的雙斜坡算法[6]來實現(xiàn)風(fēng)切變的計算。

此外，該模塊還可根據(jù)能見度、風(fēng)速、側(cè)風(fēng)、溫度、云高、跑道視程、降雪、雷電等不同篩選條件，實現(xiàn)對實況信息的檢索及查看。

2.3 雷暴、積冰、顛簸預(yù)報預(yù)警

雷暴是由旺盛的積雨云引起的局地風(fēng)暴，同時伴有強烈的湍流、積冰、閃電、陣雨和大風(fēng)等天氣，嚴(yán)重影響飛機航行。該模塊主要提供雷達回波、衛(wèi)星云圖、風(fēng)向、風(fēng)速、氣溫等實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和結(jié)冰高度、濕度、亂流、飛機積冰等預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品。系統(tǒng)內(nèi)置航路、預(yù)報時間和飛行高度等不同篩選條件。預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品將以動、靜態(tài)結(jié)合的方式顯示，靜態(tài)包括單張圖表、文字、表格等。此外，試飛院氣象臺將設(shè)置該系統(tǒng)的氣象預(yù)報產(chǎn)品制作工具，可自主制作相關(guān)產(chǎn)品，航空氣象現(xiàn)代化網(wǎng)站也提供同類氣象預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品服務(wù)。

2.4 小尺度天氣數(shù)值模式

小尺度天氣數(shù)值模式主要研究與嚴(yán)重災(zāi)害性天氣(暴雨、冰雹、颮、龍卷、下?lián)舯┝鞯葘α餍蕴鞖猓瑵忪F及局地大氣污染等穩(wěn)定性天氣) 密切相關(guān)的中小尺度天氣系統(tǒng)的發(fā)生、發(fā)展、結(jié)構(gòu)、傳播規(guī)律，及其與大尺度系統(tǒng)的相互作用。該系統(tǒng)為嚴(yán)重局地性災(zāi)害天氣的短期(12～72 h)、短時(0～12 h)和臨近(0～2 h)預(yù)報提供理論基礎(chǔ)和有效方法，并實現(xiàn)小尺度天氣數(shù)值模式的可視化、評估以及訂正。小尺度天氣數(shù)值模式主要使用中國氣象局精細(xì)化預(yù)報產(chǎn)品(5 km×5 km)和陜西省氣象局精細(xì)化智能網(wǎng)格預(yù)報產(chǎn)品(3 km×3 km)，利用本地雷達、地面觀測站、風(fēng)云4號衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)進行中尺度天氣數(shù)值模式的降尺度和同化。

模式產(chǎn)品以三維熱度圖的形式顯示。在用戶與可視化結(jié)果交互中，用戶可獲取交互的數(shù)據(jù)進行二次可視化，并以折線圖或者柱狀圖的形式顯示，極大程度提高模式產(chǎn)品易讀性。

2.5 航行態(tài)勢可視化

航行態(tài)勢可視化主要體現(xiàn)為實時航跡、航行情報和航線規(guī)劃的可視。該系統(tǒng)將整合地面雷達監(jiān)測站、遠(yuǎn)程地面站、空速管、迎角傳感器、高度測量器等監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合地理信息系統(tǒng)對飛行目標(biāo)在空域中實時位置進行實時跟蹤，對航行通告、重要天氣情報、空域及空管信息等進行實時更新，同時也支持對閻良試飛基地所有航線分布情況進行可視化展現(xiàn)，并同步顯示起始點、線路、機型等飛行信息，為基地選擇航線和航路提供決策支撐。

3 平臺主要特色

各類數(shù)據(jù)、多部門數(shù)據(jù)集成存儲。數(shù)據(jù)庫涵蓋了地理信息、GPS數(shù)據(jù)、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品(或再分析場)、航空器空中報告、雷達產(chǎn)品、自動站常規(guī)氣象要素等多類航空氣象數(shù)據(jù)，并整合氣象、基地、空管等多部門現(xiàn)有系統(tǒng)資源，實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的綜合管控和協(xié)同管理。

分析算法多樣開源。系統(tǒng)內(nèi)置雷暴、積冰、顛簸、風(fēng)切變等影響飛行安全的指標(biāo)分析等多種分析算法，并支持分析算法模塊擴充以及嵌入各種仿真計算模型，可為更加復(fù)雜的行業(yè)應(yīng)用(如全時空態(tài)勢呈現(xiàn)、協(xié)同管理等)提供支持。

可多維并列分析。針對數(shù)據(jù)繁多的風(fēng)切變指標(biāo)和多層空間維度，按不同成因類型成體系地進行多維度實時交互分析，提供上卷、下鉆、切片、轉(zhuǎn)軸等數(shù)據(jù)觀察方式，展現(xiàn)復(fù)雜數(shù)據(jù)間的聯(lián)系。

可交互聯(lián)動分析。將多個視圖整合，支持從試飛院基礎(chǔ)設(shè)施、地面服務(wù)、試飛飛機運行態(tài)勢、場面監(jiān)管、機位管理等多個維度進行日常運行監(jiān)測與管理，從不同角度分析數(shù)據(jù),分析對飛行位置、高度、軌跡、速度、油量、續(xù)航時間等造成的不同影響。

4 結(jié)語

航空氣象試飛保障服務(wù)平臺為面向閻良航空試飛基地的綜合性決策輔助平臺，從多個維度進行試飛基地飛機日常監(jiān)測與協(xié)調(diào)管理，提供精細(xì)化預(yù)報預(yù)警產(chǎn)品，保障常態(tài)下試飛基地監(jiān)測監(jiān)管，滿足試飛基地航空氣象服務(wù)的需求。