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对中国民航气象服务能力建设规划的建议

时间:2017-01-13

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胡迪1  蒋乐2

(1中国民用航空中南地区空中交通管理局湖北分局,武汉 430302;2美国I.M.系统集团公司,美国)

在过去20年,中国民航在航空气象服务领域形成了非常独特且较为成熟的业务结构与管理体系,其特点是航空气象服务机构在民航空管部门的指导下,按照国际民航组织的规范和要求,紧密服务于空中交通管制的业务运行。通过多年来的发展,中国民航的航空气象服务水平取得了较大的进步。目前大多数机场已经配备了自动观测系统和多普勒天气雷达;以民航气象中心为主导构建的航空气象信息服务网,在较大程度上满足了民航气象业务系统内部和大部分航空气象用户对航空气象信息的基本需求;民航气象中心和一些地区级气象中心也已经开发了比较成熟的区域中尺度数值模式并投入业务运行。尤其从2014年6月开始,航空气象信息作为决策依据被纳入大面积航班延误应急响应机制运行程序,标志着航空气象服务在民航运行体系里的作用正日益凸显。

随着近年来中国民航事业的迅猛发展,航空用户(包括管制员、机组人员、航空签派员和机场地勤人员等)对气象服务的需求也越来越高,民航气象机构的服务能力与航空用户需求之间的差距也日渐明显。如何对航空气象服务能力的未来建设进行科学的规划,从而尽快提高航空气象服务水平以满足航空用户的需求已成为中国民航所面临的一个重大课题。本文针对现阶段中国民航气象服务能力的现状及问题进行了分析,并尝试性地提出了在未来短期(3年)、中期(5年)和长期(10年)发展民航气象服务能力的规划,以供民航有关决策部门参考。

一、现状及问题分析

20世纪80年代以来,世界天气预报技术取得了快速的发展,数值预报技术在其中发挥了十分重要的作用。目前,欧美一些发达国家已经依托数值预报技术在航空气象领域建立了较为成熟的航空气象预报业务体系。以美国为例,FAA的各级管制部门均建立了相应的气象决策辅助工具,如全国流量管理中心的CCFP(Collaborative Convective Forecast Product, 对流协同预报产品)、航路管制中心的CIWS (Corridor Integrated Weather System,空中走廊综合天气系统)、终端管制中心的TDA(Tactical Decision Aid, 战术性决策支持系统)和塔台的ITWS(Integrated Terminal Weather System,集成终端天气系统)等,上述气象决策辅助工具均以数值预报产品为基础,在空管运行方面发挥了十分重要的作用。

(一)中国民航气象服务水平

同欧美发达国家相比,中国民航气象的服务水平相对比较滞后,具体表现在以下几个方面:

1.国家层面

缺乏全国统一的标准航路天气数值预报系统与临近预报系统。数值预报系统应能提供快速更新的(如1~2小时更新一次)时效为12到24小时的覆盖全国范围的图形化预报产品;临近预报系统应能实时集成大量观测数据并提供快速更新的(如15分钟到1小时更新一次)时效为如0到8小时到图形化预报产品。

2. 区域中心层面(如七大管区)

也缺乏类似的快速更新并更加精细的航路天气预报系统。这为在复杂天气情况下飞行前的航班计划与飞行中的区域航路调整带来了很大的难度。

3.机场终端区层面

缺乏机场近进管制区内的高分辨率的临近预报系统。如0~3小时时效的快速更新(如1分钟到10分钟更新一次)的大终端区临近预报系统。

(二)中国民航气象业务能力

航空气象服务水平的提高依赖于航空气象业务能力的发展。目前民航在航空气象业务能力的发展方面存在以下几个问题:

1.民航气象的数值预报业务水平和自主创新能力不足

尤其是在数值模式的资料同化技术方面差距明显。目前,气象卫星、商用飞机、天气雷达、自动气象站等多种观测资料尚未同化进入中国民航数值预报业务系统,这是制约民航气象业务能力整体发展的重要因素。

2.民航气象数值预报产品解释应用的水平不高

不能充分利用数值预报产品提供的大量信息。不少机场的气象台(站)甚至没有开展真正的数值预报产品解释应用,而仅仅停留在定性使用数值预报产品上;另外在数值预报产品的解释应用方面缺乏持之以恒、不断深入、跟踪完善的机制和对比试验,对数值预报产品检验以及解释应用较多停留在定性判断上。这些问题直接影响到民航气象业务领域的拓展、质量和精细化程度的提高,进而制约了民航气象业务的发展。

3.数值预报业务尚未走上集约化发展的道路

民航气象业务体系中的重复劳动还比较普遍,现阶段最突出的现象就是民航气象中心的数值预报业务指导产品不能满足各区域气象中心和机场气象台(站)的服务需求。一些机场终端区气象台(站)只能得到大区域的预报产品,这种分辨率较低的预报产品较大程度上影响了气象服务质量,特别是灾害性、关键性、转折性天气预报的水平尚不能满足航空用户的需求。为了提高预报水平,一些地区级气象中心以WRF或MM5为内核自主开发了本区域中尺度数值模式并投入业务运行,但在管理体制上显得各自为阵,缺乏合理的统筹安排和集约化建设思想,重复性劳动较多。

二、目标与任务

(一)中国民航气象服务能力建设目标

随着现阶段中国各机场航班量的不断增长,航空气象服务能力与航空用户对气象信息需求之间的矛盾已日益凸显。中国民航的气象服务能力建设应以为迅速增长的民航空中交通流量提供精细化航空天气预报为目标, 尤其是为致力于解决与天气相关的大面积航班延误的协同决策系统提供及时,准确,与快速更新的天气预报产品。

(二)中国民航气象服务能力建设任务

为达成这一目标,航空气象部门不仅仅在业务运行上需要适合于各种时间与空间尺度的天气实况观测系统包括地球同步静止卫星,极轨卫星,雷达,闪电定位仪,自动气象站,机场自动观测系统,跑道观测系统等硬件设施,还需要在软件设施方面尽快完成以下一些建设任务。

1.精细化数值预报、集合预报、临近和短时预报、延伸期预报和数值预报产品的解释和应用等能力的建设

尤其应着重提高数值预报产品的解释和应用能力,开发和建立多功能、多媒体、可视化的综合人机交互的预报工作平台。该平台除了具有较强的二维图形和三维图像编辑功能外,还要为预报员提供制作各类区域预报、机场预报、机场警报的人机交互界面,预报员能够按照预报制作流程的要求,在综合分析各类气象信息和有关专业信息的基础上,十分方便地通过对客观要素预报的逐步订正,完成各种时段,各区域或机场的各类要素预报制作,并能自动地生成各类文字、图表、图形、图像等服务产品。

2.以集成大量观测数据并覆盖全国范围航路的预报系统的建设

如覆盖全国空域范围内的0到24小时的~10公里分辨率快速(如每小时)更新的数值预报,及覆盖区域空管区内的~5公里分辨率快速更新数值预报。

3.以集成观测系统数据的适于机场附近使用的终端区临近预报系统的建设

如提供0到3小时机场周围200公里内高分辨率的快速更新预报。

4.机场附近特殊天气的自动预警系统的建设

加强如遇到低空风切变,平流雾,小尺度雷暴,跑道积冰等特殊天气的自动预警系统建设,可以作为终端区临近预报系统的一部分。

这些预报预警的结果还要能够以简单易懂的图形形式叠加到区域交通流量管理系统或近进管制软件的显示平台上,以实时地支持空管与航空公司的协同决策。

三、气象服务能力建设规划设计

中国民航气象业务的总体发展水平已经超过了大多数发展中国家,但与美、日、欧相比,仍然还有明显的差距。建议民航气象系统在内部进行分工合作和资源整合,同时与中国气象局建立稳固的长期合作机制,从2015年开始系统性地开展气象服务能力的建设。针对近期(3年),中期(5年)及长期(10年)的建设规划,初步构想如下。

表1 气象服务能力建设规划设计

国家级

·  整合全国范围内相关的可用于航路预报的观测资料

·  开发专为民航气象航路预报使用的覆盖全国的粗精度快速更新数值预报系统,如分辨率12公里,每3小时更新一次的24小时滚动预报

·  初步为空管协同决策提供较为可靠的全国航路天气预报

·  业务运行并优化民航气象全国航路快速更新数值预报系统,并在优化的基础上同化更多的实时观测资料。

·  为全国范围内的空管协同决策提供可靠的全国航路天气预报

在进一步优化全国航路预报系统的同时,实现空管与天气的自动集成,即由计算机系统自动地计算在保证飞行安全的情况下,效益最优化的空管决策。

区域中心级

·  整合区域内各种相关的气象观测资料。

·  开发专用于区域航路的高分辨率快速更新的临近预报系统,如分辨率1到3公里(以区域具体情况而定),每15到30分钟更新一次的0到3小时的临近预报

·  开发专用于区域航路的更高分辨率快速更新预报系统,如分辨率1到3公里(以区域具体情况而定),每1小时更新一次的12到18小时的滚动预报

·  初步为区域空管协同决策提供较为可靠的区域航路天气预报

·  业务运行并优化区域航路天气临近预报系统,以及快速更新数值预报系统。并在优化的基础上集成更多的实时观测资料。

·  结合区域航路临近预报系统与快速更新的数值预报系统为区域空管协同决策提供可靠的区域航路天气预报

在区域航路预报系统成熟的基础上,实现空管与天气的自动集成,即由计算机系统自动地计算在保证飞行安全的情况下,效益最优化的区域空管决策。

大机场级

·  集成大终端区各种数据

·  开发专用于终端区的快速更新的临近预报系统 如分辨率1公里,每10分钟更新一次0到3小时临近预报。 其中包括特殊天气的预警系统。

·  业务运行并优化大终端区快速更新的临近预报系统

·  为近进管制与塔台管制决策提供可靠的终端区天气预报产品

在大终端区预报系统成熟的基础上,实现近和塔台管制与天气预报的自动集成,即由计算机系统自动地计算在保证飞行安全的情况下,效益最优化的近进与跑道空管决策。

中小机场级

·  完成机场基本自动观测系统的建设

·  集成终端区各种数据

·  以大机场的终端区临近预报系统为依据,建立专用于终端区的快速更新的临近预报系统 如分辨率小于1公里,每10分钟更新一次0到3小时临近预报。其中包括特殊天气的预警系统。

·  业务运行并优化终端区快速更新的临近预报系统

·  为近进管制与塔台管制决策提供可靠的终端区天气预报产品

在终端区预报系统成熟的基础上,实现近和塔台管制与天气预报的自动集成,即由计算机系统自动地计算在保证飞行安全的情况下,效益最优化的近进与跑道空管决策。

通用航空

·  在进一步开放通用航空空域等基础上,引进欧美在通用航空方面等气象服务规范,初步开发完整的适合中国国情及地域特点的通用航空气象服务体系。

·    开发针对低空(如3000米以下)的自动观测系统数据联网,并在相关数据集成基础上的低空航路临近预报系统。

·    对于通用航空机场,配备基本的自动观测系统。

·    另一方面,可考虑完全开放通用航空的气象服务给商业气象公司。

初步建立适合中国国情的成熟的通用航空气象服务体系

四、工作建议

1.建设集成航空天气预报系统

结合中国的地域特点,以区域空管中心为单位,逐步建立全国集成的航空天气预报系统应该是未来一个至关重要的建设项目。该系统一方面要包含中国广大地域的地理特征,另一方面要能够在不同的管制区域之间进行实时的数据交换。所以在构建系统的时候,要遵照国际流行的软件技术标准。集成航空天气预报系统的核心部分应包括:(1)区域航路天气服务功能;(2)航站天气服务功能;以及(3)支持空管与航空公司业务运营的协同决策服务功能。其中前两者建设质量的好坏将直接影响到气象信息进入协同决策系统的实际效果。

2.充分发挥预报员作用

未来,预报员的作用将主要体现在对数值天气预报模式产品和其它客观预报产品性能的了解以及对各种资料和方法的综合分析应用和订正能力上。在要素预报方面,随着精细预报的开展,天气预报产品(包括指导产品)大量增加,预报员的主要工作将是对客观预报产品进行订正,修改各种物理量场(例如降水量预报场)的预报,然后由软件内插到站点(格点)上。预报员应该在大量高质量和直观的预报辅助工具的支持下形成精细化的预报思路。预报员的工作重点必须放在对飞行安全有较大威胁的危险天气的预报预警上,预报员经验在对复杂天气的预报和综合决策中仍将起重要作用。未来预报员应逐步摆脱相当大量的手工制作天气图的工作和缺乏定量化的预报思路。标准的天气图可由区域中心进行绘制后统一提供给管区内的各个预报单位。 一部分原先从事一线预报工作的人员可逐步转入后台业务支持能力的开发与业务化。

总之,为了有效减少因天气原因造成的大面积航班延误,不断满足持续增长的中国民航航班量的服务需求,民航气象系统的业务建设应开展分工合作和资源整合,在国家层面、区域中心层面和终端区机场层面分别设置不同的建设重点,并且系统地、有规划地进行相关的建设项目。在短期内(如3年)开发出适用于中国民航特点的气象服务系统,中期内(如5年)投入业务化运行并调优,长期内(如10年)将航空气象服务能力提升到自动化程度较高、用户较为满意的水平,从而更好地支持空管与航空公司的业务运营。