新疆區(qū)域航路天氣要素分析及預(yù)報系統(tǒng)構(gòu)建

陳陽權(quán)，杜安妮，丁 旭，張 茜

(民航新疆空中交通管理局氣象中心，烏魯木齊 830016)

關(guān)鍵字：顛簸；積冰；航路預(yù)報；融合產(chǎn)品

0 引言

近年來，隨著新疆空域飛行量迅速增長，因天氣造成的航空不正常事件逐年增多，嚴(yán)重威脅著航空飛行的安全和效率。因此，研究分析航空重要天氣對飛行安全的影響，總結(jié)此類天氣下的預(yù)報預(yù)警經(jīng)驗，加強對強天氣的監(jiān)測、分析和預(yù)報，對于今后航空氣象在復(fù)雜天氣現(xiàn)象的預(yù)報預(yù)警方面有一定的指導(dǎo)意義，也為構(gòu)建相應(yīng)的客觀預(yù)報系統(tǒng)奠定[1]基礎(chǔ)。

文章利用新疆區(qū)域2020—2021年收集到的飛機顛簸、積冰、風(fēng)切變和雷暴等重要天氣的飛機報告數(shù)據(jù)，分析航路天氣要素的可預(yù)報性，構(gòu)建區(qū)域航路氣象要素預(yù)報系統(tǒng)，提供更加直觀的顛簸、積冰、對流等發(fā)生的位置、強度、范圍和影響等信息，期望能夠為區(qū)域飛行的航路天氣提供客觀、可靠的參考。

1 新疆區(qū)域航路天氣要素統(tǒng)計分析

文章對新疆區(qū)域收集的飛機報告數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，所用數(shù)據(jù)時段為2020-01-28—2021-05-16，在此期間共收集到各類飛機報告745份，其中烏魯木齊機場679份，阿克蘇機場66份。通過分析影響航路的天氣類型、發(fā)生原因、影響高度和影響時段等，得到航路天氣要素的可預(yù)報性，為構(gòu)建區(qū)域航路天氣預(yù)報系統(tǒng)提供可靠的參考。

1.1 航路天氣類型及強度統(tǒng)計

通過統(tǒng)計分析時段內(nèi)飛機報告中顛簸、積冰、風(fēng)切變、雷暴等結(jié)果可知，新疆區(qū)域航路天氣中顛簸最多，有668份，占89.7%；其次為積冰，59份，占7.9%；風(fēng)切變?yōu)?3份，占3.0%；其他報告為13份，占1.7%。未收到關(guān)于雷暴的飛機報告，其他報告主要為收到機組報告的下沉氣流、氣流不穩(wěn)定等。對比烏魯木齊機場收集的報告和阿克蘇機場收集的報告可見，顛簸是航路天氣影響最多的天氣類型，其次為積冰，因此文章主要對顛簸、積冰、風(fēng)切變3種天氣類型進行分析。

從報告要素的強度來看，收到的顛簸報告中主要強度為中度，其次為輕到中度，中到強顛也較多；而積冰報告則輕度最多，其次為中度，輕到中度也較多，中度以上較少；風(fēng)切變報告基本為輕度至中度范圍，大部分風(fēng)切變報告未報告強度。

1.2 各類航路天氣成因分析

飛機報告中，航路重要天氣的成因包括急流、高空槽、低渦、冷鋒、風(fēng)切變、對流云、東南風(fēng)、地形、山地波以及不明原因等。造成顛簸的主要原因是急流，其次為高空槽，烏魯木齊地區(qū)東南風(fēng)層也造成了較多的顛簸；而造成積冰的主要原因是高空槽，其次為對流云，其它未知原因也造成了一定數(shù)量的飛機積冰；而風(fēng)切變由于收到報告較少，成因差異不大。由此可見急流和高空槽是造成航路顛簸和積冰的主要原因。

1.3 各類航路天氣影響高度分析

飛機報告中記錄了各類天氣影響的高度，包括影響的頂高和底高，在統(tǒng)計分析中，若只記錄了1個高度，則認(rèn)為頂高和底高為相同高度，并將高度按<1 km、1(含)～3 km、3(含)～6 km、6(含)～8 km、≥8 km劃分，從而得到顛簸高度主要在≥8 km，其次為3(含)～6 km，再次為1(含)～3 km。可見大部分顛簸主要發(fā)生在巡航高度上，由高空急流引起，以晴空顛簸為主，而中層3(含)～6 km主要為高空槽或中層急流引起，低層1(含)～3 km則主要由切變線、低空鋒區(qū)、低空急流、東南風(fēng)層等造成；積冰主要集中在中層3(含)～6 km，中層為高空槽頻繁活動的層次，且中層急流經(jīng)常輸送水汽，溫度也較適宜，為飛機積冰高發(fā)層次；而風(fēng)切變則主要集中在1 km以下，其成因復(fù)雜且尺度小，預(yù)報預(yù)警難度極大。

1.4 各類航路天氣影響時段分析

各類報告的日變化除與天氣有關(guān)外，還與飛行集中時段有關(guān)。在凌晨時段由于飛行量少，所收集到的報告也少，尤其在02：00—05：00，而在白天飛行量大，收集到的報告也多。收集的報告有3個峰值區(qū)，分別是08：00、15：00和22：00前后，且飛機報告主要集中在午后到傍晚。08：00前后的峰值和22：00前后的峰值可能與飛行量有很大關(guān)系，中午至傍晚時段則可能與天氣系統(tǒng)發(fā)展有一定的關(guān)系。

通過以上分析可知，在烏魯木齊飛行情報區(qū)主要的航路天氣為顛簸和積冰，其成因主要為急流和高空槽，在天氣學(xué)上可預(yù)測，利用經(jīng)驗方法或數(shù)值預(yù)報手段，可對其進行診斷預(yù)報。

2 區(qū)域航路天氣預(yù)報系統(tǒng)構(gòu)建

2.1 WAFS數(shù)值預(yù)報介紹

WAFS(World Area Forecast System 世界區(qū)域預(yù)報系統(tǒng))是一個世界范圍提供統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化格式航空氣象航線預(yù)報的系統(tǒng)，目前為航空氣象用戶提供圖形和數(shù)字形式的產(chǎn)品，包括倫敦中心和華盛頓中心。主要包括4類產(chǎn)品：T4傳真圖(風(fēng)溫預(yù)告圖、重要天氣預(yù)告圖、火山灰擴散預(yù)報圖等)、GRIB2格點資料、BUFR資料和OPMET資料，這些產(chǎn)品在民航氣象行業(yè)已經(jīng)有了廣泛的應(yīng)用[2，3]。

從2020年11月開始，世界區(qū)域預(yù)報中心在GRIB2格點預(yù)報正式增發(fā)了水平分辨率為0.25°×0.25°、時間分辨率為3 h的積冰嚴(yán)重程度、顛簸嚴(yán)重程度、積雨云等預(yù)報，提供了更高分辨率的基于影響程度的積冰、顛簸及對流等預(yù)報產(chǎn)品，因此可以對這些產(chǎn)品進行加工，以可視化的產(chǎn)品方式呈現(xiàn)給用戶。

2.2 構(gòu)建區(qū)域航路要素預(yù)報系統(tǒng)

利用WAFS資料，可以實時提供區(qū)域顛簸、積冰、風(fēng)場、急流、對流云等逐3 h航路氣象要素預(yù)報，以GIS為基礎(chǔ)，將各類數(shù)據(jù)以圖層方式進行疊加，能夠為用戶提供實時的疊加數(shù)據(jù)。同時，通過對解碼的數(shù)據(jù)進行經(jīng)緯度實時對比，能夠提供指定點或?qū)崟r選定點要素的表格值，提供對飛行的影響程度預(yù)報。

2.2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

數(shù)據(jù)預(yù)處理包括兩部分，一是將單要素繪制為色斑圖、風(fēng)場圖、等值線圖，并將圖形數(shù)據(jù)的背景透明化，繪制的數(shù)據(jù)按時間和要素命名存儲；二是將要素解析為數(shù)據(jù)，包括資料起報時間、預(yù)報時間、經(jīng)緯度和要素值，以CSV格式進行存儲。繪制的圖形產(chǎn)品可以通過GIS進行疊加展示，解析的數(shù)據(jù)則展示單點的要素預(yù)報和影響程度。

2.2.2 航路要素預(yù)報

航路要素預(yù)報主要包括顛簸、積冰、風(fēng)場、整層最大風(fēng)及高度、積雨云覆蓋率、積雨云頂高及底高等數(shù)據(jù)。航路要素預(yù)報主要以圖層疊加方式進行展示，主要圖層包括地理信息圖層，如瓦片地圖、國界線、烏魯木齊機場終端區(qū)、主要航路、關(guān)鍵點信息等，顛簸、積冰、風(fēng)場、對流等要素可以與之相互疊加，使要素預(yù)報信息更加清晰。

顛簸預(yù)報主要包括FL100、FL140、FL180、FL240、FL280、FL300、FL340、FL390和FL450共9個層次。顛簸圖層以色斑圖顯示，顯示為橙色和紅色，橙色表示可能出現(xiàn)中度顛簸，紅色表示可能出現(xiàn)嚴(yán)重顛簸。由于顛簸常常出現(xiàn)在急流區(qū)，因此顛簸圖層可與風(fēng)場疊加顯示。

積冰預(yù)報主要包括FL060、FL100、FL140、FL180、FL240、FL280和FL300，統(tǒng)計分析結(jié)果表示積冰主要發(fā)生在中層，因此實際使用中主要關(guān)注FL100、FL140及FL180等層次。積冰也采用色斑圖進行展示，黃色區(qū)域表示可能有輕度積冰，橙色表示可能出現(xiàn)中度積冰，紅色表示可能出現(xiàn)嚴(yán)重積冰。

對流云圖層主要提供對流云的覆蓋率、對流云頂高度和對流云底高度等信息，覆蓋率以色斑圖提供，顏色越暖表示覆蓋率越大，頂高和底高均以等值線方式提供。

2.2.3 關(guān)鍵點影響預(yù)報

通過對WAFS預(yù)報站點進行插值，得到指定經(jīng)緯度的各層次逐3 h預(yù)報，以表格方式進行展示，并對達(dá)到閾值標(biāo)準(zhǔn)的要素進行紅、橙、黃、綠燈影響的預(yù)報。

各個層次顛簸預(yù)報按EDR數(shù)值區(qū)間，將其分為輕度(黃色)、中度(橙色)、嚴(yán)重(紅色)，綠色表示該層次沒有顛簸影響。積冰按輕度(黃色)、中度(橙色)、嚴(yán)重(紅色)展示，綠色表示該層次無飛機積冰。對流按覆蓋率0.05～0.4表示影響一般(黃色)、0.4～0.6表示影響較重(橙色)、0.6以上表示嚴(yán)重影響(紅色)，綠色表示無對流發(fā)生或?qū)α骱苋酢?/p>

可見通過對WAFS全球預(yù)報模式提供的顛簸、積冰、對流等產(chǎn)品進行處理，利用WebGIS實現(xiàn)產(chǎn)品的疊加展示和融合展示，同時通過插值得到單點的要素時間空間剖面，可為用戶提供點、面、時間和空間相融合的信息。通過疊加如航跡、云圖、外推數(shù)據(jù)等，WAFS未來可為用戶提供更加綜合豐富的融合類產(chǎn)品。

3 結(jié)束語

文章通過對2020—2021年收集的各種重要天氣飛機報告進行統(tǒng)計分析，得出以下結(jié)論：

1)新疆區(qū)域航路天氣主要為顛簸，其次為積冰；顛簸主要發(fā)生在高層，積冰主要發(fā)生在中層；急流是產(chǎn)生顛簸的主要原因，高空槽是產(chǎn)生積冰的主要原因。

2)利用WAFS提供的高分辨率的顛簸、積冰、可對流數(shù)據(jù)構(gòu)建融合展示平臺，為用戶提供點、面、時間、空間相融合的融合類產(chǎn)品，更加貼近用戶的需求。

3)目前WAFS提供的顛簸、積冰、對流產(chǎn)品由于時間較短，雖然在業(yè)務(wù)中可進行參考，但仍需繼續(xù)累積原始數(shù)據(jù)，對要素進行充分的檢驗，為將來航路預(yù)報的本地化做準(zhǔn)備。