NWP 系統(tǒng)在民用航空氣象預(yù)報(bào)中的應(yīng)用

李晶

（內(nèi)蒙古民航機(jī)場(chǎng)集團(tuán)，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010070）

引言

以現(xiàn)代科學(xué)為基礎(chǔ)的行業(yè)中，氣象預(yù)測(cè)可謂是技術(shù)含量較高的學(xué)科，氣象預(yù)報(bào)學(xué)受大部門綜合性的條件影響，預(yù)測(cè)具有一定的挑戰(zhàn)性。天氣系統(tǒng)變化和環(huán)境因素的變化都會(huì)影響預(yù)測(cè)的結(jié)果。而天氣因素對(duì)航空的影響是最大的，對(duì)天氣的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)可以降低民用航空事故的概率。為了提升航空天氣預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性，在天氣的預(yù)測(cè)中加入了現(xiàn)代化的電子設(shè)備[1]，例如高速計(jì)算的電子計(jì)算機(jī)和預(yù)測(cè)雷達(dá)等設(shè)備，并不斷精進(jìn)預(yù)測(cè)的算法，利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等大數(shù)據(jù)技術(shù)完善天氣預(yù)測(cè)的模型，提升民航的氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性與天氣的預(yù)測(cè)能力。就現(xiàn)階段的預(yù)測(cè)方法來看，航空氣象預(yù)報(bào)中主要應(yīng)用的是數(shù)據(jù)的分析技術(shù)，對(duì)條件和天氣之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行分析，對(duì)預(yù)測(cè)行為進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過模型的求解得出天氣的預(yù)測(cè)結(jié)果。但這樣的預(yù)測(cè)方式的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性容易受到客觀條件限制。

為了提高民用航空氣象預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性，本文對(duì)NWP 系統(tǒng)在民用航空氣象預(yù)報(bào)中的應(yīng)用中展開研究。NWP 系統(tǒng)是一種基于空間數(shù)據(jù)研究的風(fēng)功率的預(yù)測(cè)系統(tǒng)，結(jié)合了風(fēng)力功率預(yù)測(cè)的物理方法，將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一化處理，并可以對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)，在向量機(jī)原理的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)中的回歸模型建立，預(yù)測(cè)天氣變化中的風(fēng)向和風(fēng)速，短期的天氣預(yù)測(cè)可以采用系統(tǒng)中的參數(shù)回歸方程求解，不僅可以求出結(jié)果還可以推測(cè)預(yù)測(cè)的誤差區(qū)間。長期的功率預(yù)測(cè)可以采用系統(tǒng)中的對(duì)中算法混合[2-4]，多種算法的使用可以提升天氣預(yù)測(cè)的精準(zhǔn)度。NWP 系統(tǒng)的應(yīng)用可以緩解其他預(yù)測(cè)方法長期積累的物理誤差，提升民用航空氣象預(yù)報(bào)中的天氣預(yù)測(cè)精度。

一、NWP 系統(tǒng)在民航飛行中對(duì)流預(yù)報(bào)的應(yīng)用

在民航飛行的預(yù)報(bào)資料的生成過程中，數(shù)值的選取區(qū)間為10～15h 左右，但根據(jù)航班的實(shí)際情況NWP 系統(tǒng)參數(shù)是不固定的。飛機(jī)隨著上升的高度不斷增加[5-6]，氣壓強(qiáng)也會(huì)不斷地變化，氣象的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)基本上要求在900hpa 情況下對(duì)水汽運(yùn)動(dòng)的散度數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。在飛機(jī)的運(yùn)行軌跡的地圖上對(duì)計(jì)算不斷地疊加，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象的預(yù)測(cè)，水汽運(yùn)動(dòng)速率的計(jì)算公式如下：

公式（1）中，Q 為水汽運(yùn)動(dòng)速率，為f（x，y，z）為檢測(cè)地區(qū)的坐標(biāo)，w1 為空氣濕度，w2 為900hpa 情況下的風(fēng)速變化。在進(jìn)行Q的計(jì)算時(shí)，考慮集聚的水汽在運(yùn)動(dòng)的時(shí)候?qū)妆┑挠绊憽Ｔ诿窈斤w行中對(duì)流天氣會(huì)造成飛機(jī)的顛簸[7]，因此需要通過水汽通量輻合的方式進(jìn)行對(duì)流天氣的預(yù)測(cè)，在NWP 系統(tǒng)中觀測(cè)900hpa 逐漸向300hpa 變化時(shí)，不同的上升氣流的溫度差異。對(duì)流氣體的浮力大小改變數(shù)值超過正常數(shù)值[8]，容易產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流天氣，從而導(dǎo)致民用飛機(jī)在航行的過程中產(chǎn)生顛簸影響安全。

二、NWP 系統(tǒng)在民航氣象預(yù)報(bào)中估測(cè)雷暴的應(yīng)用

NWP 系統(tǒng)除了對(duì)對(duì)流天氣可以進(jìn)行預(yù)報(bào)之外，還能進(jìn)一步通過對(duì)流的數(shù)值分析估測(cè)雷暴，雷暴發(fā)生的具體方位和雷暴的強(qiáng)度也都對(duì)民用航空的安全性造成一定的影響，在估測(cè)雷暴的過程中可以參考NWP 系統(tǒng)中所生成的水汽通量序列圖[9]，該序列圖中以時(shí)間點(diǎn)作為分割將低層水汽和高層水汽的運(yùn)動(dòng)變化展現(xiàn)在同一個(gè)系統(tǒng)圖中，對(duì)雷暴中的氣流對(duì)流現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)測(cè)和估計(jì)。NWP 系統(tǒng)在對(duì)流構(gòu)造的分析中會(huì)針對(duì)特殊的對(duì)流構(gòu)造進(jìn)行分析，具體的分析數(shù)據(jù)為不同的飛行高度的溫度場(chǎng)的變化和在飛機(jī)正常行駛的過程中水汽場(chǎng)的日常變化?？紤]到海陸晝夜溫差較大，白天對(duì)流穩(wěn)定度低，飛機(jī)的航跡路過海面的情況下要計(jì)算加熱不均勻前提下的水汽通量輻合數(shù)值，NWP 系統(tǒng)將各種由于地形原因產(chǎn)生的風(fēng)溫不穩(wěn)的情況都考慮了進(jìn)來[10]，并綜合變化的影響對(duì)估測(cè)雷暴的結(jié)果進(jìn)行修正，減少估測(cè)的誤差。飛行地層和高層的溫度差對(duì)水汽構(gòu)造的變化具有一定的影響，對(duì)流層頂部構(gòu)造變化是NWP 系統(tǒng)對(duì)雷暴發(fā)生具體方位的判斷依據(jù)，而雷暴的強(qiáng)度則是通過氣塊受到零浮力進(jìn)行判斷的，對(duì)流層對(duì)飛機(jī)產(chǎn)生的阻力越大，產(chǎn)生雷暴的強(qiáng)度就會(huì)越強(qiáng)。

三、NWP 系統(tǒng)在民航氣象預(yù)報(bào)中對(duì)積冰判斷的應(yīng)用

在惡劣天氣中，對(duì)飛機(jī)的行駛安全造成威脅的還包括積冰問題，高空飛行與地面行駛不同[11]，無論地面的氣候是如何的，高空中的晚秋初冬時(shí)節(jié)勢(shì)必會(huì)發(fā)生積冰現(xiàn)象，積冰之后的飛機(jī)的性能會(huì)發(fā)生變化，部分功能也會(huì)受到影響。因此，為了保障民用飛機(jī)的飛機(jī)升力，必須對(duì)積冰現(xiàn)象進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報(bào)，降低飛機(jī)的增重承載。0℃以下的氣溫飛機(jī)就容易出現(xiàn)掛冰情況，而在溫度達(dá)到-15℃的時(shí)候。飛機(jī)的掛冰面積會(huì)對(duì)飛行安全帶來影響。積冰區(qū)域若出現(xiàn)在機(jī)翼部位，則對(duì)飛行的影響最大。在NWP 系統(tǒng)中可以通過溫度的感知功能來預(yù)測(cè)容易產(chǎn)生積冰的部位，對(duì)氣溫和空氣的相對(duì)濕度進(jìn)行分析之后，可以得到計(jì)算積冰的公式：

在公式（2）中H 為檢測(cè)地區(qū)的濕度，通過NWP 系統(tǒng)監(jiān)測(cè)的環(huán)境溫度為T，積冰指數(shù)代表著積冰出現(xiàn)的概率，積冰指數(shù)越高的地方防范的手段就越全面[12]。為了使參數(shù)更加的明確，積冰預(yù)報(bào)產(chǎn)品中采用NWP 系統(tǒng)對(duì)航線的路徑進(jìn)行溫度和濕度的分析。然后在剖析圖上顯示可能會(huì)積冰的地區(qū)。

四、實(shí)驗(yàn)分析

為了驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)方法的優(yōu)越性，將本文設(shè)計(jì)的方法與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘民用航空氣象預(yù)報(bào)方法和數(shù)值模式產(chǎn)品預(yù)報(bào)方法進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比三種方法在民用航空氣象預(yù)報(bào)中的預(yù)測(cè)精度。

（一）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

某航班的飛行計(jì)劃的定位點(diǎn)如表1 所示：

表1 民航飛行計(jì)劃定位點(diǎn)

該航班的民航飛行計(jì)劃定位點(diǎn)如表1 所示，根據(jù)航線的具體信息，可以看出在前150 公里左右該飛機(jī)處于爬升的狀態(tài)。高度層位于1256m，在機(jī)場(chǎng)邊緣高度爬升到10100m，在航線中途高度層上升到10560m，最高點(diǎn)為10700m。在升至最高點(diǎn)的時(shí)候出現(xiàn)了顛簸現(xiàn)象。

（二）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在民航飛行至最高點(diǎn)10700m的時(shí)候，使用三種方法對(duì)民用航空氣象進(jìn)行預(yù)測(cè)，并繪制成風(fēng)溫圖。對(duì)比預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際氣象結(jié)果之間的偏差，結(jié)果如圖1 所示：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1 所示，傳統(tǒng)的兩種方式的溫風(fēng)誤差在25～55kts 左右，但本文設(shè)計(jì)的方法的溫風(fēng)誤差在10～20kts 左右。說明NWP 系統(tǒng)能夠在民用航空氣象預(yù)報(bào)中降低了預(yù)測(cè)偏差，有效提升民航飛行的安全性。

結(jié)束語

本文首先對(duì)NWP 系統(tǒng)進(jìn)行了解，對(duì)該系統(tǒng)和氣象預(yù)報(bào)的融合性進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了融入NWP 系統(tǒng)的氣象預(yù)報(bào)方式，增加了風(fēng)速預(yù)測(cè)系統(tǒng)在氣象預(yù)測(cè)中應(yīng)用的可能性，增加航空公司運(yùn)行的安全性。