機場復雜天氣預報預警系統的開發與實現

雷洋

摘 要：為解決昆明長水國際機場雷暴、大風、低空風切變及低云低能見度等影響航空器飛行安全和機場運行效率的復雜危險天氣預報預警難的問題，近年來長水機場在民航局、民航局空管局的大力支持下部署了多套先進的氣象探測傳感設備。機場復雜天氣預報預警系統將這些探測設備組網運行，進一步提升機場區域綜合觀測能力，并在深度挖掘氣象歷史數據的基礎上，融合多源天氣資料，實現對機場復雜危險天氣的監測與預報預警，及時向航空氣象用戶提供個性化的服務產品，全面提升機場的氣象運行保障與服務能力。

關鍵詞：多源數據;融合;復雜天氣;預報;預警;服務

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-00-02＼

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。昆明長水機場作為一個高原機場，周圍地理環境特殊，天氣復雜且變化快，2017全年共發生降水147日，雷暴50日，低云低能見度49日，大風24日，

由于天氣原因導致的航空器顛簸、復飛、返航備降，甚至機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了《昆明國際航空樞紐戰略規劃》，標志著昆明長水機場由國家門戶樞紐機場向國際樞紐機場轉型。為保障運行安全，提高運行效率，長水機場部署了多種氣象傳感探測設備，如何將這些孤立的設備聯網，實現多種探測資料的融合應用已成為亟需解決的問題。長水機場復雜天氣預報預警系統就是以長水機場為典型示范區，開展復雜危險天氣預報預警技術研究，利用邊緣計算技術實現危險天氣的智能化監測、識別及預警，利用中心云計算、機器學習技術處理氣象大數據，實現危險天氣的預報，達成機場復雜天氣預報預警方法的突破性改變。

1 設計思路及技術路線

復雜天氣預報預警系統聯合機場多普勒天氣雷達、毫米波云霧雷達、風廓線雷達、激光測風雷達、微波輻射儀、氣象衛星、自動氣象觀測系統等探測設備，對多種類型的觀測資料進行統一存儲，實時處理分析，從而實現多源氣象資料在時間、空間尺度上的歸一化融合與計算，并多層次、集合化地生成預報產品提供給專業人員進行資料分析。同時，系統還可自動提取對機場運營和飛行安全產生影響的危險天氣預警信息，通過一體化的產品制作與發布平臺，針對不同航空氣象用戶的需求，制作個性化的本場及終端區多媒體氣象預報預警產品，實現雷暴、低空風切變、低云低能見度天氣的實時預警。

系統技術路線如圖1所示。綜合運用多種探測資料實現危險天氣的自動識別與跟蹤，并基于多源數據融合形成三維格點觀測場，在此基礎上進行復雜危險天氣的綜合監測和預警，最終通過顯示模塊對觀測資料和融合數據進行綜合顯示，完成氣象預報預警產品的制作[1-3]。

2 雷暴的監測與預警

機場終端區雷暴的監測和2 h以內的強對流天氣短時臨近預報是目前航空氣象業務的重點和難點。該系統采用雷達和衛星聯合觀測，在對兩種探測數據深度挖掘應用的基礎上，運用資料變分同化及融合技術，研究不同類型的探測資料對雷暴的監測能力，實現對強對流危險天氣的自動識別、追蹤、預警和預測，并對應顯示雷暴單體的質心所在高度、單體頂高、底高、最大反射率、移動速度和方向等信息。

圖2展示了機場區域雷暴的識別及追蹤預測產品。

3 低空風切變監測與預警

低空風切變的探測和預警技術是目前國內外研究的熱點。引發低空風切變的因素較多，包括下擊暴流、陣風鋒、快速移動的冷鋒兩側、低空逆溫層、低空急流等。單一的探測設備具有一定的低空風切變探測能力，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、風廓線雷達、激光雷達和地面風向風速探測儀對機場低空風切變的探測能力，融合多種資料構建機場區域三維風場信息。

圖3展示了機場風切變分析產品。該產品展示了機場區域的風場形勢，給出航空器在進離場航線上的風場分布信息，并針對飛行最關注的區域，顯示出機場進離場航線上的垂直風場隨時間變化序列，給飛行員和管制人員提供參考。

4 大霧的監測與預警

受長水機場地形及周邊環境的影響，冬季機場多低云和大霧天氣，常導致航班延誤。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、層結條件、大氣中的凝結核、風向風速等。該系統基于毫米波雷達獲取云層、降水、云霧中的氣流分布信息，分析霧的生消及其演變;基于微波輻射計提供的溫度廓線，跟蹤逆溫層的發生和演變，分析不同高度濕度的變化對大霧生消的影響;基于風廓線雷達實時監測3 km高度范圍內風隨時間和高度的分布及演變，分析風對大霧生消的影響。圖4展示了基于機器學習的跑道視程（RVR）預測產品[4-7]。

5 結 語

昆明長水機場復雜天氣預報預警系統是在充分利用長水機場氣象探測設備的基礎上，挖掘氣象歷史數據形成預測模型，研究并形成復雜危險天氣預警及多源資料融合顯示的技術方案，部署實現并在昆明長水機場開展示范性應用。通過系統的開發與試驗運行，有望建成我國民航氣象第一套能夠融合多源探測資料，適應高原機場運行，重點針對影響飛行的雷暴、大風風切變、低云低能見度天氣的綜合預報預警業務系統。

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