相伴而生、相依同行的航空與航空氣象

■許小峰

1 相伴而生

沒有航空的出現，顯然也談不上航空氣象保障，從這一簡單推論出發似可以得出結論，航空應早于航空氣象出現，時間上有先后。但若從另一個角度分析，如果將航空氣象保障作為航空作業的必要條件，時間發生順序或許就會改變。具體考察兩類活動發生的時間節點，可以發現有一定重合性，至少若從現代動力飛機試飛成功那一刻算起，氣象保障也同時啟動了，應該說航空與航空氣象相伴而生應算是客觀的。

1903年12月17日，美國北卡羅來納州的基蒂霍克（Kitty Hawk）天氣寒冷，刮著大風，空曠的沙灘上停放著一個帶著巨大雙翼的怪家伙，這是美國發明家萊特兄弟（Wright Brothers）設計的動力飛機—“飛行者一號”（圖1）。10時35分，哥哥奧維爾（Orville Wright）爬上“飛行者一號”的下機翼，手中緊握著木制操縱桿，弟弟威爾伯（Wilbur Wright）開動發動機并推動它滑行。飛機達到一定速度后，威爾伯松開手，飛機升起，飛行了12 s，共36.5 m，又落回到沙灘上，這一短暫的騰空標志著人類歷史上第一架動力飛機首飛成功，人們夢寐以求的動力航空時代由此拉開帷幕，萊特兄弟創造了歷史。當天，萊特兄弟又輪流進行了3次飛行。最后一次，威爾伯用59 s飛了260 m。不幸的是，幾分鐘后，一陣狂風把“飛行者一號”掀翻了，飛機嚴重損壞，但已經完成了歷史使命。

圖1 1903年12月17日世界上第一架動力飛機首飛成功

美國天氣局在這次首飛中發揮了重要作用，1875年1月北卡羅來納州在基蒂霍克建立氣象臺。為了確定試飛的最佳位置，萊特兄弟在實施試飛的三年前就寫信給基蒂霍克氣象臺進行咨詢，希望提供預期天氣狀況的信息，并收到了氣象臺工作人員多舍爾（Joseph Dosher）的積極回應（圖2），預計9月和10月會有大約60英里（1英里≈1.609km）寬的海灘，盛行東北偏北風，幾乎直吹海灘，存在數英里的一致風向。這一預測促使萊特兄弟確信基蒂霍克是實現他們夢想的最佳場所。1903年12月17日下午近傍晚，奧維爾步行至基蒂霍克氣象臺，向其父親發送一封電報（圖3），詳細介紹了當天的成功。

圖2 基蒂霍克氣象臺多舍爾1900年8月給萊特兄弟的回信，介紹了基蒂霍克海灘的基本情況

圖3 奧威爾從氣象臺向其父親發出的試飛成功電報

從動力飛機首次試驗成功的完整過程看，至少發生了這樣幾件事：試飛之前萊特兄弟向氣象臺進行了咨詢；氣象臺提供了及時氣象服務，對試飛地點的選擇和天氣狀況做了分析；飛機首次試飛成功；后續再試時遭遇了天氣襲擊，發生氣象事故；試飛成功的重要消息通過氣象臺的通信系統對外發出。這些事件都可作為首飛成功的一部分，若硬要區分前后，判定氣象保障在前與史實也是吻合的，但若將試飛成功與氣象保障都作為一個完整過程來看待，相伴而生則更為準確。重要的是從首飛成功遇到的情況人們已認識到天氣對飛行的重要性，從而伴隨航空業在需求與技術的雙重推動下快速發展的同時，航空氣象保障也迅速成為氣象業務最重要的組成部分之一。1909年，美國陸軍通信兵從萊特兄弟那里以25000美元的價格購買了第一架飛機，軍隊的需求對航空和航空氣象的發展起到了極大的推動作用。

2 相依同行

航空氣象一般會被認為是氣象如何適應航空需求并有效提供服務保障的科學與業務體系，實際上，航空業的發展對氣象而言并不僅是單純的依賴關系，同時也為氣象提供了重要支持，可謂是關聯密切的命運共同體。

在20世紀初，與動力航空試飛成功相近的時間階段，也正是氣象科學的發展開始從關注地面天氣變化轉向探索三維立體大氣的整體演變規律的轉折時期，歐、美、俄羅斯等一些國家的氣象學家通過各種方式探索高空探測的有效方法，風箏、系留氣球攜帶探測儀器等方式等都被作為試驗選項。1894年，在美國波士頓Blue Hill觀象臺放飛了第一支攜帶測量大氣環境記錄儀的風箏，標志著高空觀測業務的開始，但風箏或系留氣球的探測高度都受到限制，一般不會超過3～4 km。1902年，德國氣象學家理查德·阿斯曼（Richard Assmann）最早發明用橡膠氣球探測大氣，通過對橡膠球皮進行特殊處理，使氣球升空后可以膨脹到直徑達到釋放前兩倍半以上才爆炸，探測高度可提高到20 km以上。這項技術為最終在業務上選擇氣球攜帶無線電探空儀放飛升空，有效獲取高空大氣垂直廓線信息做出了重要貢獻，也對促進航空氣象的發展具有重要價值。

氣象學家阿斯曼與航空氣象有不解之緣，他在地球大氣高空探測領域做出了許多貢獻，這些成果也是航空科技發展必不可少的基礎性工作。阿斯曼也被認為是科學航空學的創始人之一。1887年，他加入了成立于1881年航空促進協會，在動力飛機發明之前，所謂航空主要是通過熱氣球實現。1888—1899年阿斯曼發起并組織了該協會的科學航空，通過載人自由氣球上升來探索大氣層。為了獲得航空所需的氣球，阿斯曼多方籌集資金，最終獲得德皇威廉二世5萬馬克的資助，1893年，制造出了洪堡氣球（Ballon Humboldt）（圖4）。洪堡載人氣球的第一次升空為1893年3月1日，阿斯曼親自參加了飛行。整個過程都還算順利，但在著陸時出現了小故障，阿斯曼為此付出代價，摔斷了右腿。從中可以看出，當時所謂航空的一個重要任務就是研究大氣活動。1888年6月2日，柏林普魯士氣象研究所所長威廉·馮·貝佐德（Wilhelm von Bezold）在德國航空促進協會第100次會議上發表了題為“航空對氣象學的意義”的演講，描繪了氣象與航空在高層大氣探測方面的合作前景，也反映出航空與氣象的密切關系。1892年，阿斯曼與飛艇設計師魯道夫·漢斯·巴奇·馮·西格斯菲爾德（Rudolf Hans Bartsch von Sigsfeld）一起開發了一種用于精確測量大氣濕度和溫度的干濕表，能夠保護其測溫元件免受太陽輻射，是第一臺能夠為高空氣球提供可靠溫度記錄的儀器。

圖4 洪堡氣球與阿斯曼干濕計

阿斯曼在研究高空大氣過程中也取得不少原創性進展，其中最重要的成果之一是發現了對流層頂和平流層。1902年5月1日，他向普魯士科學院提交了一篇題為《關于10～15 km暖氣流的存在》的論文，與同時發現這一現象的法國氣象學家萊昂—菲利普·泰瑟倫德·博爾特（Léon Philippe Teisserenc de Bort）共享了這一突破性成果。阿斯曼1905—1914年擔任著名的德國林登伯格氣象觀象臺臺長，2005年10月16日，該觀象臺成立100周年時，增加了一個新名稱：理查德—阿斯曼觀象臺（Richard-Assmann-Observatory）。

從航空發展看，1903年萊特兄弟首飛成功后，動力飛行器發展迅速，很快進入到實用階段。1911年6月，32歲的卡爾布雷斯·佩里·羅杰斯（Calbraith Perry Rodgers）向奧維爾學習了90 min的飛行課程，并從奧維爾那里購買了一架飛行器，這架飛機的 26 kW發動機可以在1000英尺（305 m）上空以每小時50英里（80 km/h）的速度飛行。飛機以一種軟飲料Vin Fiz命名，目的是為完成橫跨美國東西大陸飛行獲得經費支持。羅杰斯于1911年9月17日下午從紐約布魯克林的羊頭灣賽馬場架機起飛（圖5），沿途落地檢修75次，包括16次因遭受嚴重碰撞，羅杰斯也多次受傷，甚至遭受腦震蕩和脊椎扭曲。最終，在地面支持團隊的護駕下，飛機最終于12月10日降落在加州海灘上，羅杰斯完成了這次創紀錄的航程，飛行距離超越4000英里（即6400 km）。1919年，美國海軍的一架飛機經兩次停靠后完成了首次跨大西洋飛行。

圖5 1911年9月17日，羅杰斯駕駛的“Vin Fiz”飛機（萊特模型 EX 雙翼飛機）從紐約布魯克林的羊頭灣賽馬場起飛，第一次橫穿美國大陸的航班的開始

羅杰斯長距離飛行成功的轟動效應及動力飛行技術的快速發展，為飛機的使用打開了廣闊空間，也產生了兩類與氣象相關的直接需求：一是如何確定適合于飛行的天氣信息，二是如何利用飛行器獲取空中氣象信息，這也進一步印證了航空與氣象的密切關聯。而對動力飛機發展起到了刺激作用則是戰爭，首次將飛機用于戰爭的是意大利人。1911年，在的黎波里附近對抗土耳其人時，意大利的朱利奧·加沃蒂（Giulio Gavotti）中尉（圖6）駕駛飛機向對方部隊投擲了一枚炸彈。而在隨后不久的一次世界大戰期間（1914—1918年）則廣泛使用了飛機，英、法、德、俄、美等國都在戰爭中迅速發展了其空中力量，投入戰爭的各類飛機總量超過20萬架，從最初的僅用于偵察，到后來用于轟炸和掃射攻擊，敵對雙方都體會到了空中優勢的重要性。除戰斗外，飛機也成為提供戰場環境天氣觀測的重要工具，當時一個重要需求來自于要滿足遠程火炮準確射擊，高炮發射需要掌握大氣信息來確定炮彈軌跡，而配備氣象傳感器的飛機可以探測到從地面到4000多米高度的氣象要素變化。同時，飛機的出行也必須掌握天氣信息，自身不安全，也無法發回準確信息。

圖6 朱利奧·加沃蒂 (Giulio Gavotti) 中尉在控制法曼雙翼飛機（1910年，羅馬）

氣象與航空在合作發展中確實做到了相互促進，受益共贏。

3 國際航空氣象保障體系的確立

一戰結束后，航空技術的發展和影響受到空前重視，1919年10月13日，26個國家在巴黎簽署了《關于管理空中航行的公約》，即《巴黎公約》。主要解決了領空主權、外國航空器通行權等問題，該公約1922年經批準生效，并在公約基礎上創建了國際空中航行委員會（International Commission for Air Navigation，ICAN）于1922年12月在巴黎設立總部。

面對激增的軍用航班和新開辟的郵件航線，對天氣預報的需求也隨之增長，美國天氣局從1918年逐步為每個機場都安裝廣播電臺，所有的飛機都可通過無線通信接收到天氣報告。1925年美國國會正式批準郵局可以授權民用航空企業可以提供郵件服務，為航空業的發展開辟了持續的經費支持渠道。1926年美國國會通過了《航空商務法》（Air Commerce Act），通過立法要求氣象局提供航空天氣報告、預報和警告，促進空中航行的安全和效率，主要影響飛行安全的危害性天氣包括積冰、雪、霧和低云、風、湍流和雷暴。可以看到航空業起步較早的美國對于航空氣象保障的理解是比較到位的，保障重點分為機場和航線，并對引發航空災害的天氣現象做了重點劃分。特別是到了20世紀30年代，客運航班逐漸成為普遍性業務，但通常飛機只能搭載10～15人，且只能在較低的高度飛行，既帶來了交通上的便利，也存在較大風險，或者說乘飛機既有樂趣，也是冒險。其中，除飛機本身的問題外，對天氣的依賴度非常高，存在很大不確定性。1939 年，跨大西洋客運航班開始，到1941年，每周飛越北大西洋的飛機達數百架，進一步加大了對氣象保障的需求，包括對高空天氣信息的獲取。且隨著飛行高度的增加，一些新的需求也隨之出現，如對高空風的影響，特別是急流區的存在，對飛行的影響很大，如風切變、晴空湍流等。1944年，一支盟軍轟炸機群前往柏林，預計最大風力為20 m/s，實際遇到的風速達54 m/s，導致72架飛機墜毀的重大損失。若果缺少高空觀測，或對高空風的分布與變化缺少足夠認識，類似的事件就難以避免。

由于二戰期間空軍的作用與一戰期間已不可同日而語，成為影響戰爭勝負的重要力量，一些國家的有識之士和政策制定者預計到戰爭結束后，商業航空將面臨難以估量的發展態勢，形成全球范圍的廣泛需求，而這一即將來臨的民用航空新時代需要扎實的國際合作基礎。為此，美國政府邀請了55國代表（54國到會）于1944年11月在美國芝加哥召開了富有遠見的國際航空會議（International Aviation Conference in Chicago），那時戰爭還未結束。會議從11月1日—12月7日（圖7），最終由52個國家簽署了《國際民用航空公約》，即著名的“芝加哥公約”（Chicago Convention on International Civil Aviation）。這一具有里程碑意義的協議為建立全球標準和規范、和平推進全球民用航運奠定了基礎，并確定要建立一個負責協調全球航運規則的國際民用航空組織（ICAO）。由于《公約》的批準需要時間，先建立臨時國際民航組織（PICAO）作為臨時咨詢和協調機構。1946年6月在加拿大蒙特利爾舉行了第一屆PICAO大會，蒙特利爾以27票支持被確定為國際民航組織永久總部所在地。1947年4月4日，《芝加哥公約》獲得足夠簽約國批準后生效，同日，國際民航組織（ICAO）正式成立，第一次大會于當年5月在蒙特利爾舉行。如今已有190多個成員加入了ICAO，簽署了12000多個項國際標準和建議措施（SARP），這些SARP為推動國際航空網絡的發展和相關技術進步發揮了重要作用，堪稱二戰后最有成效的國際合作項目之一。

圖7 1944年11 月首次國際民航會議在美國芝加哥舉行

芝加哥公約原有18個附件，包括各類標準和建議性措施，2013年新增了附件19《安全管理》。附件3為《國際航行氣象服務》（Meteorological Service for International Air Navigation），對機場和航線上的氣象保障提出了具體要求，包括各類氣象要素、天氣系統及通信方式等。

芝加哥公約生效后不久，發生了另一件與其相關的重要事件，1947年9月在華盛頓召開的各國氣象局長會議，有45個國家和30個地區氣象組織機構負責人參加的這次會議，決定把已成立了70多年的國際氣象組織（IMO）改組為政府間機構：世界氣象組織（WMO）。10月11日簽署了《世界氣象組織公約》，1950年3月23日該公約批準生效，1951年，聯合國大會通過決議，將世界氣象組織作為聯合國的一個專門機構。這一變化的主要原因是考慮到建立全球氣象業務體系所需的國際氣象合作需要在各國政府支持下才有可能實現。

在聯合國統一框架下，ICAO與WMO很快建立了工作聯系，在航空氣象服務領域明確了各自分工，ICAO 負責制定對國際航空氣象服務的要求，WMO 負責建立滿足這些要求的方式并制定提供服務的標準。這些需求、標準及服務方式會隨著時間有所調整，需要經過ICAO和WMO理事會批準，一般三年會審議一次，若是需要做出重大變化，則要由ICAO的氣象司和 WMO 航空氣象學委員會（CAeM）召開聯合會議審議，這樣的聯合會議通常每十年舉行一次。從ICAO和 WMO這兩大國際組織的建立與合作可以看到，航空與氣象雖都有了各自的發展領域和方向，但仍保持著密不可分的聯系，有著無法分割的相互需求。

4 世界氣象組織與國際民航組織的兩項重要合作

WMO與ICAO自成立以來，一直保持著富有成效的合作，取得了多方面的成果，其中有兩個項目對保證航空運輸安全和氣象科技水平提升具有重要作用。

1）飛機資料中繼下傳（Aircraft Meteorological Data Relay，AMDAR）

19世紀60年代末至70年代，為了研究全球大氣對流層和平流層的物理過程變化，WMO與國際科學聯合會（ICSU）共同組織了一項全球大氣研究計劃（GARP），其中包括第一次全球試驗（FGGE）、大西洋熱帶試驗（GATE）、氣團變性試驗（AMTEX）、季風試驗（MONEX）、西非季風試驗（WAMEX）和極地試驗（POLEX）等若干分計劃。其中FGGE計劃中包含了當時全球幾乎所有可以調用到的大氣探測手段，包括地面觀測、高空探測、船舶觀測、浮標站觀測、志愿船舶探空、飛機下投探空、極軌衛星、靜止衛星等，其中，將商用飛機探測信息的收集納入到了計劃當中，即AMDAR項目。當時至少有80架裝有氣象探測儀器的飛機參與了試驗。為了實現飛機資料實時傳遞的目的，還開發出了兩個通信支持系統，基于衛星傳播的ASDAR系統和基于標準甚高頻通信的ACARS系統，這一信息獲取方式迅速獲得世界范圍認可，并持續發展至今。為了實現既定目標，WMO與ICAO進行了密切合作，包括相關文件和標準的制定，必要的資金支持等。WMO執行理事會在1997年第四十九屆會議上決定設立一個AMDAR專家組，由運行或打算參與該項目的國家級WMO會員組成，1997年11月在荷蘭德比爾特召開籌備和成立會議后，AMDAR專家組的第一次正式會議于1998年在日內瓦WMO總部舉行。從那時起，全球AMDAR計劃的發展非常迅速，許多WMO會員已經建立了國家AMDAR計劃或參與了區域 AMDAR計劃，這導致建立了一個全球飛機探測資料獲取計劃，目前參與AMDAR計劃的飛機達數千架，每天可以獲取80多萬條觀測信息，通過WMO的全球通信系統（GTS）進行國際交換（圖8），這已成為全球大氣觀測系統的重要組成部分。

圖8 AMDAR信息流程圖

2）世界區域預報系統（WAFS）與世界區域預報中心（WAFC）

AMDAR最初是WMO從提升大氣科學研究與業務水平的需求角度出發，對及時獲取飛機探測資料提出計劃，在ICAO的支持下，最終逐步轉化發展成為受到各國歡迎的重要氣象信息獲取系統。而氣象科技水平的提高顯然有助于保障全球航空系統的高效安全運行，這是每個發展航運國家都面臨的共同需求，但從提供及時準確的全球航空氣象服務的能力角度，國家之間的水平差異很大，基于這一發展不平衡的狀況，ICAO提出了構建全球統一的高水平航空氣象預報服務系統的計劃，且得到WMO的配合支持。1982年，ICAO與WMO協商，提出了面向航空用戶服務的世界區域預報系統（World Area Forecast System，WAFS）計劃，其主要內容是統一制作全球航空天氣預報，并將這些預報信息迅速傳遞給航空用戶。同時將一些原由若干個地區航空預報中心（RACF）的業務轉移到WAFS。

統一制作全球預報的任務分別由設在氣象科技與業務發展水平較先進的美國華盛頓和英國倫敦的兩個世界區域預報中心（World Area Forecast Center，WAFC）承擔，兩個中心的預報產品都可以覆蓋全球，形成互為備份，產品形式包括報文、圖形、數值預報格點資料和重要天氣報告，按照統一格式通過位于大西洋、太平洋和印度洋上空的商業通信衛星向國際民航組織成員國發送。倫敦中心和華盛頓中心分別于1995年4月和1995年5月開始發布產品（圖9），構成了目前全球范圍提供和獲取航空氣象服務產品的總體格局。

圖9 華盛頓中心發出的不同高度格點預報圖像產品，包括200 hPa湍流、300 hPa風場和700 hPa積冰

5 幾點討論

1）航空業的快速發展仍然對氣象有著廣泛的需求

航空技術與航空業的快速發展，很大程度上提升了飛機抗擊危險天氣的能力，但仍不能說在任何天氣條件下都能確保航行安全，一些航班在惡劣天氣下遇險的情況仍時有發生。強雷暴、下擊暴流、風切變、積冰、大霧、湍流等仍是需要盡量規避的天氣；航空遇險的起因往往不是單一因素，但壞天氣往往會伴隨其中推波助瀾，需要格外關注；航運的發展也面臨著越來越高的需求，如準時起飛與到達、空中的平穩與舒適、節能減排等，美國學者曾通過對2000年影響美國航運系統航班出發與到達延誤的各類因子進行了統計計算分析，包括交通量、飛機類型、飛機維護、航空公司運營、天氣條件、途中程序變更、容量限制、客戶服務問題及飛機或機組人員到達晚點等因素，結果顯示，天氣仍是造成航班延誤的首要原因，占比為69%。其他一些分析也表明，天氣因素在航班延誤中的占比一般都會超過50%；另外，通用航空的快速發展也會對氣象服務提出更多需求，需要時空分辨率更高的精細化產品來支持。因此，加強對各類天氣的監測與預報，仍是高質量發展航運業務需要關注的重點問題之一。

2）飛機探測仍將是大氣探測領域的重要信息來源

從進一步提升氣象科技與業務水平的角度出發，發展海、陸、空、天立體觀測體系是必要的基礎條件。從目前的現狀看，空基觀測是相對薄弱的環節，特別是在缺乏無線電探空資料的廣闊海域上空，飛機資料就更加珍貴。檢驗飛機觀測資料重要性的一個重要例證是2020年新冠疫情爆發后大量航運飛機停飛，造成飛機資料缺失，對全球天氣預報準確率產生顯著影響。2020年2月和3月初，歐洲中期數值天氣預報中心（ECMWF）每天使用大約60萬份飛機報告，而4月下半月每天只有不到15萬份報告，減少約75%。據ECMWF專家分析，飛機資料在預報中的各類資料的貢獻率占比則從15%左右降至約5%。這一變化可以清晰表明飛機探測資料對提高天氣預報水平的重要性，是空基觀測的主要信息源。

3）航空技術的變化將為氣象業務提供新的支撐

近幾十年來，天氣預報準確率的穩步提升為航運業務提供了重要支持，同樣，航空科技的發展也為氣象業務的提升帶來新的機遇，如近年來無人機的快速發展，預計將成為空基大氣探測的重要補充。我國氣象部門已開始進行各種試驗或業務試用，通過不同性能的無人機針對實際需求獲取各類信息，彌補空基探測的不足。在國際上，這類試驗起步更早，如美國NOAA在2014—2016年期間就曾開展過利用全球鷹（Global Hawk）無人機對熱帶風暴進行觀測評估的試驗項目，結果表明，對風暴路徑預報效果有了顯著改進。相對于陸基和天基觀測，空基觀測具有一定靈活性，特別是小型無人機，可以針對具體任務目標進行觀測，相信在未來的大氣探測領域會有其特定的發展空間。

4）氣象科技的發展也將為航空提供更好的保障

近年來，氣象科技的快速發展和業務水平的提高對提升航空的安全、高效運行提供了越來越有力的支持和保障，特別是在基本探測和預報預測領域的提高效果顯著。氣象衛星的發展，使對全球大氣進行完整的監測。中國、美國、歐洲和日本的靜止氣象衛星聯手，可以每半小時進行一次全球范圍的觀測，配合低軌衛星的信息，中尺度以上的天氣系統大多可以捕捉到。全球數值預報準確率不斷提升，可用時間尺度已達9 d以上，空間分辨率可達千米級，區域精細化預報模式的分辨率可達百米。有了這些技術的支撐，航空氣象的保障水平也會隨之顯著提升。

5）中國需要建立航空與氣象更為有效的協調機制

在中國，由于氣象和航空氣象管理分屬兩個部門，盡管已建立了較好的合作關系，但從充分、合理利用各方資源，不斷提升航空氣象預報服務能力，特別是瞄準世界先進水平，為我國蓬勃發展的龐大航空體系提供高質量氣象保障服務的角度看，在體制機制和業務水平上都還存在差距，需要加強管理協調，采取有效措施，形成合力，促進我國航空氣象業務服務水平的提升。2016年1月，中國民用航空空中管理總局、中國氣象局和香港天文臺啟動聯合建設亞洲航空氣象中心，民航氣象中心為建設和運行的主體單位，國家氣象中心提供技術支持，香港天文臺則為備份中心。2018年7月11日，該中心正式成立并開始運行，對亞洲區域內未來六小時可能影響航空運行的雷暴、顛簸、積冰、沙暴等天氣提供預報。這一合作方式應成為一個新的起點，通過中心的發展，解決好航空氣象服務的協調機制問題。