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對中國民航氣象服務能力建設規劃的建議

時間:2017-01-13

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胡迪1  蔣樂2

(1中國民用航空中南地區空中交通管理局湖北分局,武漢 430302;2美國I.M.系統集團公司,美國)

在過去20年,中國民航在航空氣象服務領域形成了非常獨特且較為成熟的業務結構與管理體系,其特點是航空氣象服務機構在民航空管部門的指導下,按照國際民航組織的規范和要求,緊密服務于空中交通管制的業務運行。通過多年來的發展,中國民航的航空氣象服務水平取得了較大的進步。目前大多數機場已經配備了自動觀測系統和多普勒天氣雷達;以民航氣象中心為主導構建的航空氣象信息服務網,在較大程度上滿足了民航氣象業務系統內部和大部分航空氣象用戶對航空氣象信息的基本需求;民航氣象中心和一些地區級氣象中心也已經開發了比較成熟的區域中尺度數值模式并投入業務運行。尤其從2014年6月開始,航空氣象信息作為決策依據被納入大面積航班延誤應急響應機制運行程序,標志著航空氣象服務在民航運行體系里的作用正日益凸顯。

隨著近年來中國民航事業的迅猛發展,航空用戶(包括管制員、機組人員、航空簽派員和機場地勤人員等)對氣象服務的需求也越來越高,民航氣象機構的服務能力與航空用戶需求之間的差距也日漸明顯。如何對航空氣象服務能力的未來建設進行科學的規劃,從而盡快提高航空氣象服務水平以滿足航空用戶的需求已成為中國民航所面臨的一個重大課題。本文針對現階段中國民航氣象服務能力的現狀及問題進行了分析,并嘗試性地提出了在未來短期(3年)、中期(5年)和長期(10年)發展民航氣象服務能力的規劃,以供民航有關決策部門參考。

一、現狀及問題分析

20世紀80年代以來,世界天氣預報技術取得了快速的發展,數值預報技術在其中發揮了十分重要的作用。目前,歐美一些發達國家已經依托數值預報技術在航空氣象領域建立了較為成熟的航空氣象預報業務體系。以美國為例,FAA的各級管制部門均建立了相應的氣象決策輔助工具,如全國流量管理中心的CCFP(Collaborative Convective Forecast Product, 對流協同預報產品)、航路管制中心的CIWS (Corridor Integrated Weather System,空中走廊綜合天氣系統)、終端管制中心的TDA(Tactical Decision Aid, 戰術性決策支持系統)和塔臺的ITWS(Integrated Terminal Weather System,集成終端天氣系統)等,上述氣象決策輔助工具均以數值預報產品為基礎,在空管運行方面發揮了十分重要的作用。

(一)中國民航氣象服務水平

同歐美發達國家相比,中國民航氣象的服務水平相對比較滯后,具體表現在以下幾個方面:

1.國家層面

缺乏全國統一的標準航路天氣數值預報系統與臨近預報系統。數值預報系統應能提供快速更新的(如1~2小時更新一次)時效為12到24小時的覆蓋全國范圍的圖形化預報產品;臨近預報系統應能實時集成大量觀測數據并提供快速更新的(如15分鐘到1小時更新一次)時效為如0到8小時到圖形化預報產品。

2. 區域中心層面(如七大管區)

也缺乏類似的快速更新并更加精細的航路天氣預報系統。這為在復雜天氣情況下飛行前的航班計劃與飛行中的區域航路調整帶來了很大的難度。

3.機場終端區層面

缺乏機場近進管制區內的高分辨率的臨近預報系統。如0~3小時時效的快速更新(如1分鐘到10分鐘更新一次)的大終端區臨近預報系統。

(二)中國民航氣象業務能力

航空氣象服務水平的提高依賴于航空氣象業務能力的發展。目前民航在航空氣象業務能力的發展方面存在以下幾個問題:

1.民航氣象的數值預報業務水平和自主創新能力不足

尤其是在數值模式的資料同化技術方面差距明顯。目前,氣象衛星、商用飛機、天氣雷達、自動氣象站等多種觀測資料尚未同化進入中國民航數值預報業務系統,這是制約民航氣象業務能力整體發展的重要因素。

2.民航氣象數值預報產品解釋應用的水平不高

不能充分利用數值預報產品提供的大量信息。不少機場的氣象臺(站)甚至沒有開展真正的數值預報產品解釋應用,而僅僅停留在定性使用數值預報產品上;另外在數值預報產品的解釋應用方面缺乏持之以恒、不斷深入、跟蹤完善的機制和對比試驗,對數值預報產品檢驗以及解釋應用較多停留在定性判斷上。這些問題直接影響到民航氣象業務領域的拓展、質量和精細化程度的提高,進而制約了民航氣象業務的發展。

3.數值預報業務尚未走上集約化發展的道路

民航氣象業務體系中的重復勞動還比較普遍,現階段最突出的現象就是民航氣象中心的數值預報業務指導產品不能滿足各區域氣象中心和機場氣象臺(站)的服務需求。一些機場終端區氣象臺(站)只能得到大區域的預報產品,這種分辨率較低的預報產品較大程度上影響了氣象服務質量,特別是災害性、關鍵性、轉折性天氣預報的水平尚不能滿足航空用戶的需求。為了提高預報水平,一些地區級氣象中心以WRF或MM5為內核自主開發了本區域中尺度數值模式并投入業務運行,但在管理體制上顯得各自為陣,缺乏合理的統籌安排和集約化建設思想,重復性勞動較多。

二、目標與任務

(一)中國民航氣象服務能力建設目標

隨著現階段中國各機場航班量的不斷增長,航空氣象服務能力與航空用戶對氣象信息需求之間的矛盾已日益凸顯。中國民航的氣象服務能力建設應以為迅速增長的民航空中交通流量提供精細化航空天氣預報為目標, 尤其是為致力于解決與天氣相關的大面積航班延誤的協同決策系統提供及時,準確,與快速更新的天氣預報產品。

(二)中國民航氣象服務能力建設任務

為達成這一目標,航空氣象部門不僅僅在業務運行上需要適合于各種時間與空間尺度的天氣實況觀測系統包括地球同步靜止衛星,極軌衛星,雷達,閃電定位儀,自動氣象站,機場自動觀測系統,跑道觀測系統等硬件設施,還需要在軟件設施方面盡快完成以下一些建設任務。

1.精細化數值預報、集合預報、臨近和短時預報、延伸期預報和數值預報產品的解釋和應用等能力的建設

尤其應著重提高數值預報產品的解釋和應用能力,開發和建立多功能、多媒體、可視化的綜合人機交互的預報工作平臺。該平臺除了具有較強的二維圖形和三維圖像編輯功能外,還要為預報員提供制作各類區域預報、機場預報、機場警報的人機交互界面,預報員能夠按照預報制作流程的要求,在綜合分析各類氣象信息和有關專業信息的基礎上,十分方便地通過對客觀要素預報的逐步訂正,完成各種時段,各區域或機場的各類要素預報制作,并能自動地生成各類文字、圖表、圖形、圖像等服務產品。

2.以集成大量觀測數據并覆蓋全國范圍航路的預報系統的建設

如覆蓋全國空域范圍內的0到24小時的~10公里分辨率快速(如每小時)更新的數值預報,及覆蓋區域空管區內的~5公里分辨率快速更新數值預報。

3.以集成觀測系統數據的適于機場附近使用的終端區臨近預報系統的建設

如提供0到3小時機場周圍200公里內高分辨率的快速更新預報。

4.機場附近特殊天氣的自動預警系統的建設

加強如遇到低空風切變,平流霧,小尺度雷暴,跑道積冰等特殊天氣的自動預警系統建設,可以作為終端區臨近預報系統的一部分。

這些預報預警的結果還要能夠以簡單易懂的圖形形式疊加到區域交通流量管理系統或近進管制軟件的顯示平臺上,以實時地支持空管與航空公司的協同決策。

三、氣象服務能力建設規劃設計

中國民航氣象業務的總體發展水平已經超過了大多數發展中國家,但與美、日、歐相比,仍然還有明顯的差距。建議民航氣象系統在內部進行分工合作和資源整合,同時與中國氣象局建立穩固的長期合作機制,從2015年開始系統性地開展氣象服務能力的建設。針對近期(3年),中期(5年)及長期(10年)的建設規劃,初步構想如下。

表1 氣象服務能力建設規劃設計

國家級

·  整合全國范圍內相關的可用于航路預報的觀測資料

·  開發專為民航氣象航路預報使用的覆蓋全國的粗精度快速更新數值預報系統,如分辨率12公里,每3小時更新一次的24小時滾動預報

·  初步為空管協同決策提供較為可靠的全國航路天氣預報

·  業務運行并優化民航氣象全國航路快速更新數值預報系統,并在優化的基礎上同化更多的實時觀測資料。

·  為全國范圍內的空管協同決策提供可靠的全國航路天氣預報

在進一步優化全國航路預報系統的同時,實現空管與天氣的自動集成,即由計算機系統自動地計算在保證飛行安全的情況下,效益最優化的空管決策。

區域中心級

·  整合區域內各種相關的氣象觀測資料。

·  開發專用于區域航路的高分辨率快速更新的臨近預報系統,如分辨率1到3公里(以區域具體情況而定),每15到30分鐘更新一次的0到3小時的臨近預報

·  開發專用于區域航路的更高分辨率快速更新預報系統,如分辨率1到3公里(以區域具體情況而定),每1小時更新一次的12到18小時的滾動預報

·  初步為區域空管協同決策提供較為可靠的區域航路天氣預報

·  業務運行并優化區域航路天氣臨近預報系統,以及快速更新數值預報系統。并在優化的基礎上集成更多的實時觀測資料。

·  結合區域航路臨近預報系統與快速更新的數值預報系統為區域空管協同決策提供可靠的區域航路天氣預報

在區域航路預報系統成熟的基礎上,實現空管與天氣的自動集成,即由計算機系統自動地計算在保證飛行安全的情況下,效益最優化的區域空管決策。

大機場級

·  集成大終端區各種數據

·  開發專用于終端區的快速更新的臨近預報系統 如分辨率1公里,每10分鐘更新一次0到3小時臨近預報。 其中包括特殊天氣的預警系統。

·  業務運行并優化大終端區快速更新的臨近預報系統

·  為近進管制與塔臺管制決策提供可靠的終端區天氣預報產品

在大終端區預報系統成熟的基礎上,實現近和塔臺管制與天氣預報的自動集成,即由計算機系統自動地計算在保證飛行安全的情況下,效益最優化的近進與跑道空管決策。

中小機場級

·  完成機場基本自動觀測系統的建設

·  集成終端區各種數據

·  以大機場的終端區臨近預報系統為依據,建立專用于終端區的快速更新的臨近預報系統 如分辨率小于1公里,每10分鐘更新一次0到3小時臨近預報。其中包括特殊天氣的預警系統。

·  業務運行并優化終端區快速更新的臨近預報系統

·  為近進管制與塔臺管制決策提供可靠的終端區天氣預報產品

在終端區預報系統成熟的基礎上,實現近和塔臺管制與天氣預報的自動集成,即由計算機系統自動地計算在保證飛行安全的情況下,效益最優化的近進與跑道空管決策。

通用航空

·  在進一步開放通用航空空域等基礎上,引進歐美在通用航空方面等氣象服務規范,初步開發完整的適合中國國情及地域特點的通用航空氣象服務體系。

·    開發針對低空(如3000米以下)的自動觀測系統數據聯網,并在相關數據集成基礎上的低空航路臨近預報系統。

·    對于通用航空機場,配備基本的自動觀測系統。

·    另一方面,可考慮完全開放通用航空的氣象服務給商業氣象公司。

初步建立適合中國國情的成熟的通用航空氣象服務體系

四、工作建議

1.建設集成航空天氣預報系統

結合中國的地域特點,以區域空管中心為單位,逐步建立全國集成的航空天氣預報系統應該是未來一個至關重要的建設項目。該系統一方面要包含中國廣大地域的地理特征,另一方面要能夠在不同的管制區域之間進行實時的數據交換。所以在構建系統的時候,要遵照國際流行的軟件技術標準。集成航空天氣預報系統的核心部分應包括:(1)區域航路天氣服務功能;(2)航站天氣服務功能;以及(3)支持空管與航空公司業務運營的協同決策服務功能。其中前兩者建設質量的好壞將直接影響到氣象信息進入協同決策系統的實際效果。

2.充分發揮預報員作用

未來,預報員的作用將主要體現在對數值天氣預報模式產品和其它客觀預報產品性能的了解以及對各種資料和方法的綜合分析應用和訂正能力上。在要素預報方面,隨著精細預報的開展,天氣預報產品(包括指導產品)大量增加,預報員的主要工作將是對客觀預報產品進行訂正,修改各種物理量場(例如降水量預報場)的預報,然后由軟件內插到站點(格點)上。預報員應該在大量高質量和直觀的預報輔助工具的支持下形成精細化的預報思路。預報員的工作重點必須放在對飛行安全有較大威脅的危險天氣的預報預警上,預報員經驗在對復雜天氣的預報和綜合決策中仍將起重要作用。未來預報員應逐步擺脫相當大量的手工制作天氣圖的工作和缺乏定量化的預報思路。標準的天氣圖可由區域中心進行繪制后統一提供給管區內的各個預報單位。 一部分原先從事一線預報工作的人員可逐步轉入后臺業務支持能力的開發與業務化。

總之,為了有效減少因天氣原因造成的大面積航班延誤,不斷滿足持續增長的中國民航航班量的服務需求,民航氣象系統的業務建設應開展分工合作和資源整合,在國家層面、區域中心層面和終端區機場層面分別設置不同的建設重點,并且系統地、有規劃地進行相關的建設項目。在短期內(如3年)開發出適用于中國民航特點的氣象服務系統,中期內(如5年)投入業務化運行并調優,長期內(如10年)將航空氣象服務能力提升到自動化程度較高、用戶較為滿意的水平,從而更好地支持空管與航空公司的業務運營。




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