航空氣象試飛保障服務平臺搭建思路與設計

張向榮，喬丹楊，藺玉潔，索文婷

(1.閻良區氣象局，西安 710089；2.寶雞市氣象局，陜西寶雞 721000； 3.中國飛行試驗研究院氣象臺，西安 710089)

陜西閻良是全國唯一以航空為特色的經濟技術開發區和航空工業基地，區內有全國最大的飛機制造企業—西安飛機工業(集團)有限責任公司，全國唯一的大中型飛機設計研究院—中航工業第一飛機設計研究院，全國唯一的飛行試驗研究鑒定中心—中國飛行試驗研究院。閻良機場隸屬于中國飛行試驗研究院，是亞洲最大的試飛基地。

航空飛機對氣象條件的要求極高，復雜天氣條件嚴重危及飛行安全，氣象保障工作是飛行試驗中最不容忽視的一環。目前，閻良機場設有下屬的氣象觀測站，可對基本氣象要素，如氣溫、風向風速、降水量等進行實時監測，同時針對天氣現象、能見度、風向風速、云等氣象要素制作預報產品。然而，由于該觀測站歷史資料不完整，可參考的天氣預報模式種類較少，氣象服務產品無法滿足嚴格的試飛需求。為解決現狀，閻良區氣象局將與國內領先的航空氣象科技服務公司合作，依托雙方的行政資源和技術優勢，建立面向閻良航空試飛基地的綜合性決策輔助平臺—航空氣象試飛保障服務平臺[1]。

1 平臺基礎數據環境建設

基于陜西省氣象局CIMISS數據庫，以閻良區氣象局為基地建立閻良智慧氣象大數據中心，作為一站式訪問的核心數據平臺。大數據中心以Hadoop開源大數據架構為基礎，對結構化和非結構化數據進行存儲和處理。其中，結構化數據采用MPP架構的Greenplum數據庫，并結合MPP架構高效的分布式計算模式進行存儲和處理；非結構化數據采用Hbase進行存儲和處理。按照集約化發展思路，建成集中、統一的數據采集交換機制、數據存儲計算中心，形成統一的數據資產管理、數據創新應用，滿足內部數據共享、外部應用連接，實現縱橫雙向數據管理和服務支撐。

在閻良智慧氣象大數據中心支撐下，閻良氣象局與中國飛行試驗研究院(中航工業試飛中心)合作，將常用航線、試飛飛機信息、飛機報等航空數據接入大數據庫，根據飛行計劃、飛機起降時間和飛行路線，在水平方向上以閻良為中心輻射到內蒙、山西等主要試飛區域；在垂直方向上延伸至飛機的正常飛行高度200 hPa(12 000 m左右)。垂直方向上分為43層。從地面到500 m左右的高空存在較明顯的風切變，因此間隔100 m共劃分為5層；500～9 500 m劃分為30層；10 000～12 000 m劃分為8層。

2 平臺搭建思路和系統設計

美國聯邦航空局研發的新一代航空運輸系統(NextGen)在航空服務需求方面突出了三大概念：(1)對所有的決策者和航空系統用戶提供共同的天氣情景。(2)氣象信息直接集成融合到復雜的決策支持系統以幫助決策者。(3)利用互聯網傳輸，實現對所有必要氣象信息的靈活、有效訪問[2]。張佳靜等[3]提出了基于4D軌跡預測的航空氣象輔助決策技術，該技術引接動態航跡信息與動態氣象信息，對4D軌跡及沿軌跡天氣情況進行推算，得到沿航路到點天氣狀態合成圖，實現不利氣象條件限制的提前解除，有效縮短航班延誤時間。同時也可據此對飛行計劃進行重新規劃，選取合理的航路航線避讓危險天氣，有效減少返航、備降。

綜合目前國內外各類航空氣象服務平臺基本理念及本地需求，閻良航空氣象試飛保障服務平臺重點涵蓋兩大功能：一是起飛條件保障。作為飛行試驗基地，與民航氣象保障服務有所區別，試飛更側重于飛機在極限氣象條件下能否安全起航。因此，氣象部門需要給實驗基地提供試飛高風險影響天氣的氣象數據，其中包括低空風切變、雷暴、大風、積冰、顛簸等危險天氣的逐分鐘精細化預報預警；二是空域決策。在飛機航行途中，通過將三維地圖、高空氣象實況監測數據、雷達數據、高空數值預報及飛機實時跟蹤數據等多因素進行融合疊加，對高空試飛條件進行綜合研判，為飛行員及基地人員提供實時有效飛行判據。

為了給相關業務提供有效支撐，在充分考慮平臺操作方便、界面友好、符合用戶工作習慣的基礎上，平臺設計為五個模塊，分別為天氣實況監測，低空風切變預報預警，雷暴、積冰、顛簸預報預警，小尺度天氣數值模式和航行態勢可視化。

2.1 天氣實況監測

天氣實況監測主要包括氣象要素的實時監測和歷史資料查詢。實現對氣溫、氣壓、風、濕度、云、降水以及天氣現象等氣象要素的實時監測；歷史資料查詢包括對指定時間段的天氣要素、歷史同期數據、歷史極值、歷史相似性天氣、雷達產品等數據的檢索。

2.2 低空風切變預報預警

低空風切變指飛機在起飛和著陸飛行階段遭遇風向風速突然急劇變化的一種大氣現象，具有時間短、尺度小、強度大、發生突然等特點。相鄰兩部分空氣間氣流速度差別越大，形成的風切變就越強，對飛機起飛和降落的危害就越大[4-5]。

此模塊主要為低空風切變預報預警，對可能影響飛機試飛的自然災害，事故災難等突發事件以及最低、最高安全高度，危險區域入侵，偏航等可監測事件為用戶提供預警支持。預警信息以地圖標注的方式顯示。利用本站探空(測風)雷達、激光雷達以及長安、銅川兩站的風廓線雷達，結合閻良本地的天氣氣候和地理環境特點，并根據閻良區尤其是試飛基地本場風切變歷史個例的分析研究，風切變格點預報主要采用兩種技術方法：一是根據風廓線雷達探測到的大氣湍流情況，使用模糊邏輯算法計算大氣湍流的速度結構參數和耗散率，研究適用于閻良(或西北區域)的風切變算法；二是利用雷達速度資料通過中國民航大學民航氣象研究所改進的雙斜坡算法[6]來實現風切變的計算。

此外，該模塊還可根據能見度、風速、側風、溫度、云高、跑道視程、降雪、雷電等不同篩選條件，實現對實況信息的檢索及查看。

2.3 雷暴、積冰、顛簸預報預警

雷暴是由旺盛的積雨云引起的局地風暴，同時伴有強烈的湍流、積冰、閃電、陣雨和大風等天氣，嚴重影響飛機航行。該模塊主要提供雷達回波、衛星云圖、風向、風速、氣溫等實時監測數據和結冰高度、濕度、亂流、飛機積冰等預報預警產品。系統內置航路、預報時間和飛行高度等不同篩選條件。預報預警產品將以動、靜態結合的方式顯示，靜態包括單張圖表、文字、表格等。此外，試飛院氣象臺將設置該系統的氣象預報產品制作工具，可自主制作相關產品，航空氣象現代化網站也提供同類氣象預報預警產品服務。

2.4 小尺度天氣數值模式

小尺度天氣數值模式主要研究與嚴重災害性天氣(暴雨、冰雹、颮、龍卷、下擊暴流等對流性天氣，濃霧及局地大氣污染等穩定性天氣) 密切相關的中小尺度天氣系統的發生、發展、結構、傳播規律，及其與大尺度系統的相互作用。該系統為嚴重局地性災害天氣的短期(12～72 h)、短時(0～12 h)和臨近(0～2 h)預報提供理論基礎和有效方法，并實現小尺度天氣數值模式的可視化、評估以及訂正。小尺度天氣數值模式主要使用中國氣象局精細化預報產品(5 km×5 km)和陜西省氣象局精細化智能網格預報產品(3 km×3 km)，利用本地雷達、地面觀測站、風云4號衛星觀測數據進行中尺度天氣數值模式的降尺度和同化。

模式產品以三維熱度圖的形式顯示。在用戶與可視化結果交互中，用戶可獲取交互的數據進行二次可視化，并以折線圖或者柱狀圖的形式顯示，極大程度提高模式產品易讀性。

2.5 航行態勢可視化

航行態勢可視化主要體現為實時航跡、航行情報和航線規劃的可視。該系統將整合地面雷達監測站、遠程地面站、空速管、迎角傳感器、高度測量器等監測數據，結合地理信息系統對飛行目標在空域中實時位置進行實時跟蹤，對航行通告、重要天氣情報、空域及空管信息等進行實時更新，同時也支持對閻良試飛基地所有航線分布情況進行可視化展現，并同步顯示起始點、線路、機型等飛行信息，為基地選擇航線和航路提供決策支撐。

3 平臺主要特色

各類數據、多部門數據集成存儲。數據庫涵蓋了地理信息、GPS數據、數值預報產品(或再分析場)、航空器空中報告、雷達產品、自動站常規氣象要素等多類航空氣象數據，并整合氣象、基地、空管等多部門現有系統資源，實現數據庫的綜合管控和協同管理。

分析算法多樣開源。系統內置雷暴、積冰、顛簸、風切變等影響飛行安全的指標分析等多種分析算法，并支持分析算法模塊擴充以及嵌入各種仿真計算模型，可為更加復雜的行業應用(如全時空態勢呈現、協同管理等)提供支持。

可多維并列分析。針對數據繁多的風切變指標和多層空間維度，按不同成因類型成體系地進行多維度實時交互分析，提供上卷、下鉆、切片、轉軸等數據觀察方式，展現復雜數據間的聯系。

可交互聯動分析。將多個視圖整合，支持從試飛院基礎設施、地面服務、試飛飛機運行態勢、場面監管、機位管理等多個維度進行日常運行監測與管理，從不同角度分析數據,分析對飛行位置、高度、軌跡、速度、油量、續航時間等造成的不同影響。

4 結語

航空氣象試飛保障服務平臺為面向閻良航空試飛基地的綜合性決策輔助平臺，從多個維度進行試飛基地飛機日常監測與協調管理，提供精細化預報預警產品，保障常態下試飛基地監測監管，滿足試飛基地航空氣象服務的需求。