机场复杂天气预报预警系统的开发与实现

0 引 言

天气是影响航空安全与效率的重要因素。2017 年我国航班正常率为 71.67%，平均延误 24 min，在影响航班延误的因素中占比最大的依旧是天气。昆明长水机场作为一个高原机场，周围地理环境特殊，天气复杂且变化快，2017 全年共发生降水 147 日，雷暴 50 日，低云低能见度 49 日，大风 24 日，由于天气原因导致的航空器颠簸、复飞、返航备降，甚至机场大面积航班延误的情况屡见不鲜。

2017 年 9 月，云南省政府和中国民用航空局共同下发了《昆明国际航空枢纽战略规划》，标志着昆明长水机场由国家门户枢纽机场向国际枢纽机场转型。为保障运行安全，提高运行效率，长水机场部署了多种气象传感探测设备，如何将这些孤立的设备联网，实现多种探测资料的融合应用已成为亟需解决的问题。长水机场复杂天气预报预警系统就是以长水机场为典型示范区，开展复杂危险天气预报预警技术研究，利用边缘计算技术实现危险天气的智能化监测、识别及预警，利用中心云计算、机器学习技术处理气象大数据，实现危险天气的预报，达成机场复杂天气预报预警方法的突破性改变。

1 设计思路及技术路线

复杂天气预报预警系统联合机场多普勒天气雷达、毫米波云雾雷达、风廓线雷达、激光测风雷达、微波辐射仪、气象卫星、自动气象观测系统等探测设备，对多种类型的观测资料进行统一存储，实时处理分析，从而实现多源气象资料在时间、空间尺度上的归一化融合与计算，并多层次、集合化地生成预报产品提供给专业人员进行资料分析。同时，系统还可自动提取对机场运营和飞行安全产生影响的危险天气预警信息，通过一体化的产品制作与发布平台，针对不同航空气象用户的需求，制作个性化的本场及终端区多媒体气象预报预警产品，实现雷暴、低空风切变、低云低能见度天气的实时预警。

系统技术路线如图 1 所示。综合运用多种探测资料实现危险天气的自动识别与跟踪，并基于多源数据融合形成三维格点观测场，在此基础上进行复杂危险天气的综合监测和预警，最终通过显示模块对观测资料和融合数据进行综合显示，完成气象预报预警产品的制作 [1-3]。

2 雷暴的监测与预警

机场终端区雷暴的监测和 2 h 以内的强对流天气短时临近预报是目前航空气象业务的重点和难点。该系统采用雷达和卫星联合观测，在对两种探测数据深度挖掘应用的基础上，运用资料变分同化及融合技术，研究不同类型的探测资料对雷暴的监测能力，实现对强对流危险天气的自动识别、追踪、预警和预测，并对应显示雷暴单体的质心所在高度、单体顶高、底高、最大反射率、移动速度和方向等信息。 图 2 展示了机场区域雷暴的识别及追踪预测产品。

3 低空风切变监测与预警

低空风切变的探测和预警技术是目前国内外研究的热点。引发低空风切变的因素较多，包括下击暴流、阵风锋、快速移动的冷锋两侧、低空逆温层、低空急流等。单一的探测设备具有一定的低空风切变探测能力，但也有其特定的局限性和适用条件。研究不同天气条件下多普勒天气雷达、风廓线雷达、激光雷达和地面风向风速探测仪对机场低空风切变的探测能力，融合多种资料构建机场区域三维风场信息。

图 3 展示了机场风切变分析产品。该产品展示了机场区域的风场形势，给出航空器在进离场航线上的风场分布信息，并针对飞行最关注的区域，显示出机场进离场航线上的垂直风场随时间变化序列，给飞行员和管制人员提供参考。

4 大雾的监测与预警

受长水机场地形及周边环境的影响，冬季机场多低云和大雾天气，常导致航班延误。雾的形成、演变和消亡受多种气象条件的综合影响，主要包括水汽条件、层结条件、大气中的凝结核、风向风速等。该系统基于毫米波雷达获取云层、降水、云雾中的气流分布信息，分析雾的生消及其演变 ；基于微波辐射计提供的温度廓线，跟踪逆温层的发生和演变，分析不同高度湿度的变化对大雾生消的影响 ；基于风廓线雷达实时监测 3 km 高度范围内风随时间和高度的分布及演变，分析风对大雾生消的影响。图 4 展示了基于机器学习的跑道视程（RVR）预测产品 [4-7]。

5 结 语

昆明长水机场复杂天气预报预警系统是在充分利用长水机场气象探测设备的基础上，挖掘气象历史数据形成预测模型，研究并形成复杂危险天气预警及多源资料融合显示的技术方案，部署实现并在昆明长水机场开展示范性应用。通过系统的开发与试验运行，有望建成我国民航气象第一套能够融合多源探测资料，适应高原机场运行，重点针对影响飞行的雷暴、大风风切变、低云低能见度天气的综合预报预警务系统。