雷洋

摘 要：為解決昆明長水國際機場雷暴、大風、低空風切變及低云低能見度等影響航空器飛行安全和機場運行效率的復雜危險天氣預報預警難的問題，近年來長水機場在民航局、民航局空管局的大力支持下部署了多套先進的氣象探測傳感設(shè)備。機場復雜天氣預報預警系統(tǒng)將這些探測設(shè)備組網(wǎng)運行，進一步提升機場區(qū)域綜合觀測能力，并在深度挖掘氣象歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，融合多源天氣資料，實現(xiàn)對機場復雜危險天氣的監(jiān)測與預報預警，及時向航空氣象用戶提供個性化的服務(wù)產(chǎn)品，全面提升機場的氣象運行保障與服務(wù)能力。

關(guān)鍵詞：多源數(shù)據(jù);融合;復雜天氣;預報;預警;服務(wù)

中圖分類號：TP39文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2019）08-00-02＼

0 引 言

天氣是影響航空安全與效率的重要因素。2017年我國航班正常率為71.67%，平均延誤24 min，在影響航班延誤的因素中占比最大的依舊是天氣。昆明長水機場作為一個高原機場，周圍地理環(huán)境特殊，天氣復雜且變化快，2017全年共發(fā)生降水147日，雷暴50日，低云低能見度49日，大風24日，

由于天氣原因?qū)е碌暮娇掌黝嶔?、復飛、返航備降，甚至機場大面積航班延誤的情況屢見不鮮。

2017年9月，云南省政府和中國民用航空局共同下發(fā)了《昆明國際航空樞紐戰(zhàn)略規(guī)劃》，標志著昆明長水機場由國家門戶樞紐機場向國際樞紐機場轉(zhuǎn)型。為保障運行安全，提高運行效率，長水機場部署了多種氣象傳感探測設(shè)備，如何將這些孤立的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)多種探測資料的融合應用已成為亟需解決的問題。長水機場復雜天氣預報預警系統(tǒng)就是以長水機場為典型示范區(qū)，開展復雜危險天氣預報預警技術(shù)研究，利用邊緣計算技術(shù)實現(xiàn)危險天氣的智能化監(jiān)測、識別及預警，利用中心云計算、機器學習技術(shù)處理氣象大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)危險天氣的預報，達成機場復雜天氣預報預警方法的突破性改變。

1 設(shè)計思路及技術(shù)路線

復雜天氣預報預警系統(tǒng)聯(lián)合機場多普勒天氣雷達、毫米波云霧雷達、風廓線雷達、激光測風雷達、微波輻射儀、氣象衛(wèi)星、自動氣象觀測系統(tǒng)等探測設(shè)備，對多種類型的觀測資料進行統(tǒng)一存儲，實時處理分析，從而實現(xiàn)多源氣象資料在時間、空間尺度上的歸一化融合與計算，并多層次、集合化地生成預報產(chǎn)品提供給專業(yè)人員進行資料分析。同時，系統(tǒng)還可自動提取對機場運營和飛行安全產(chǎn)生影響的危險天氣預警信息，通過一體化的產(chǎn)品制作與發(fā)布平臺，針對不同航空氣象用戶的需求，制作個性化的本場及終端區(qū)多媒體氣象預報預警產(chǎn)品，實現(xiàn)雷暴、低空風切變、低云低能見度天氣的實時預警。

系統(tǒng)技術(shù)路線如圖1所示。綜合運用多種探測資料實現(xiàn)危險天氣的自動識別與跟蹤，并基于多源數(shù)據(jù)融合形成三維格點觀測場，在此基礎(chǔ)上進行復雜危險天氣的綜合監(jiān)測和預警，最終通過顯示模塊對觀測資料和融合數(shù)據(jù)進行綜合顯示，完成氣象預報預警產(chǎn)品的制作[1-3]。

2 雷暴的監(jiān)測與預警

機場終端區(qū)雷暴的監(jiān)測和2 h以內(nèi)的強對流天氣短時臨近預報是目前航空氣象業(yè)務(wù)的重點和難點。該系統(tǒng)采用雷達和衛(wèi)星聯(lián)合觀測，在對兩種探測數(shù)據(jù)深度挖掘應用的基礎(chǔ)上，運用資料變分同化及融合技術(shù)，研究不同類型的探測資料對雷暴的監(jiān)測能力，實現(xiàn)對強對流危險天氣的自動識別、追蹤、預警和預測，并對應顯示雷暴單體的質(zhì)心所在高度、單體頂高、底高、最大反射率、移動速度和方向等信息。

圖2展示了機場區(qū)域雷暴的識別及追蹤預測產(chǎn)品。

3 低空風切變監(jiān)測與預警

低空風切變的探測和預警技術(shù)是目前國內(nèi)外研究的熱點。引發(fā)低空風切變的因素較多，包括下?lián)舯┝鳌㈥囷L鋒、快速移動的冷鋒兩側(cè)、低空逆溫層、低空急流等。單一的探測設(shè)備具有一定的低空風切變探測能力，但也有其特定的局限性和適用條件。研究不同天氣條件下多普勒天氣雷達、風廓線雷達、激光雷達和地面風向風速探測儀對機場低空風切變的探測能力，融合多種資料構(gòu)建機場區(qū)域三維風場信息。

圖3展示了機場風切變分析產(chǎn)品。該產(chǎn)品展示了機場區(qū)域的風場形勢，給出航空器在進離場航線上的風場分布信息，并針對飛行最關(guān)注的區(qū)域，顯示出機場進離場航線上的垂直風場隨時間變化序列，給飛行員和管制人員提供參考。

4 大霧的監(jiān)測與預警

受長水機場地形及周邊環(huán)境的影響，冬季機場多低云和大霧天氣，常導致航班延誤。霧的形成、演變和消亡受多種氣象條件的綜合影響，主要包括水汽條件、層結(jié)條件、大氣中的凝結(jié)核、風向風速等。該系統(tǒng)基于毫米波雷達獲取云層、降水、云霧中的氣流分布信息，分析霧的生消及其演變;基于微波輻射計提供的溫度廓線，跟蹤逆溫層的發(fā)生和演變，分析不同高度濕度的變化對大霧生消的影響;基于風廓線雷達實時監(jiān)測3 km高度范圍內(nèi)風隨時間和高度的分布及演變，分析風對大霧生消的影響。圖4展示了基于機器學習的跑道視程（RVR）預測產(chǎn)品[4-7]。

5 結(jié) 語

昆明長水機場復雜天氣預報預警系統(tǒng)是在充分利用長水機場氣象探測設(shè)備的基礎(chǔ)上，挖掘氣象歷史數(shù)據(jù)形成預測模型，研究并形成復雜危險天氣預警及多源資料融合顯示的技術(shù)方案，部署實現(xiàn)并在昆明長水機場開展示范性應用。通過系統(tǒng)的開發(fā)與試驗運行，有望建成我國民航氣象第一套能夠融合多源探測資料，適應高原機場運行，重點針對影響飛行的雷暴、大風風切變、低云低能見度天氣的綜合預報預警業(yè)務(wù)系統(tǒng)。

參 考 文 獻

[1]馬金鋼，朱曉林，李延斌，等.氣象傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)架與體系研究結(jié)構(gòu)[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2014，24（12）：188-191.

[2]黃小波.基于GPRS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].自動化應用，2010（7）：57-59.

[3]張伶駿.論述復雜氣象條件下空中交通管制應對策略[J].科技創(chuàng)新與應用，2015（10）：292.

[4]蘇艷華.民航氣象服務(wù)的現(xiàn)狀與展望[J].氣象科技進展，2017，7（1）：90-94.

[5]白長清，劉敏.MongoDB在氣象傳感器數(shù)據(jù)處理中的應用[J].軟件，2015，36（11）：34-37.

[6]聶峰英.氣象大數(shù)據(jù)服務(wù)協(xié)同模式研究[J].中國科技資源導刊，2015，47（5）：56-62.

[7]王壘.面向服務(wù)的氣象大數(shù)據(jù)[J].陜西氣象，2016（4）：36-39.

[8]張潔，薛勝軍.云計算環(huán)境下氣象大數(shù)據(jù)服務(wù)的應用[J].安徽農(nóng)業(yè)科學，2016，44（5）：298-301.

[9]張振濤，張正文，陳宇，等.基于天氣事件的公共氣象服務(wù)產(chǎn)品制作系統(tǒng)[J].應用氣象學報，2014，25（2）;249-256.

[10]仝凌云，潘佳，刁鑫.一種用于機場氣象預測的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型[J].計算機工程，2008，34（15）：185-186.