新疆區域航路天氣要素分析及預報系統構建

陳陽權，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)

關鍵字：顛簸；積冰；航路預報；融合產品

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，總結此類天氣下的預報預警經驗，加強對強天氣的監測、分析和預報，對于今后航空氣象在復雜天氣現象的預報預警方面有一定的指導意義，也為構建相應的客觀預報系統奠定[1]基礎。

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

1 新疆區域航路天氣要素統計分析

文章對新疆區域收集的飛機報告數據進行統計分析，所用數據時段為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、發生原因、影響高度和影響時段等，得到航路天氣要素的可預報性，為構建區域航路天氣預報系統提供可靠的參考。

1.1 航路天氣類型及強度統計

通過統計分析時段內飛機報告中顛簸、積冰、風切變、雷暴等結果可知，新疆區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%；風切變為23份，占3.0%；其他報告為13份，占1.7%。未收到關于雷暴的飛機報告，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；風切變報告基本為輕度至中度范圍，大部分風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、風切變、對流云、東南風、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，烏魯木齊地區東南風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量的飛機積冰；而風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，在統計分析中，若只記錄了1個高度，則認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、低空急流、東南風層等造成；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，且中層急流經常輸送水汽，溫度也較適宜，為飛機積冰高發層次；而風切變則主要集中在1 km以下，其成因復雜且尺度小，預報預警難度極大。

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外，還與飛行集中時段有關。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，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系，中午至傍晚時段則可能與天氣系統發展有一定的關系。

通過以上分析可知，在烏魯木齊飛行情報區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，在天氣學上可預測，利用經驗方法或數值預報手段，可對其進行診斷預報。

2 區域航路天氣預報系統構建

2.1 WAFS數值預報介紹

WAFS(World Area Forecast System 世界區域預報系統)是一個世界范圍提供統一標準化格式航空氣象航線預報的系統，目前為航空氣象用戶提供圖形和數字形式的產品，包括倫敦中心和華盛頓中心。主要包括4類產品：T4傳真圖(風溫預告圖、重要天氣預告圖、火山灰擴散預報圖等)、GRIB2格點資料、BUFR資料和OPMET資料，這些產品在民航氣象行業已經有了廣泛的應用[2，3]。

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

2.2 構建區域航路要素預報系統

利用WAFS資料，可以實時提供區域顛簸、積冰、風場、急流、對流云等逐3 h航路氣象要素預報，以GIS為基礎，將各類數據以圖層方式進行疊加，能夠為用戶提供實時的疊加數據。同時，通過對解碼的數據進行經緯度實時對比，能夠提供指定點或實時選定點要素的表格值，提供對飛行的影響程度預報。

2.2.1 數據預處理

數據預處理包括兩部分，一是將單要素繪制為色斑圖、風場圖、等值線圖，并將圖形數據的背景透明化，繪制的數據按時間和要素命名存儲；二是將要素解析為數據，包括資料起報時間、預報時間、經緯度和要素值，以CSV格式進行存儲。繪制的圖形產品可以通過GIS進行疊加展示，解析的數據則展示單點的要素預報和影響程度。

2.2.2 航路要素預報

航路要素預報主要包括顛簸、積冰、風場、整層最大風及高度、積雨云覆蓋率、積雨云頂高及底高等數據。航路要素預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、主要航路、關鍵點信息等，顛簸、積冰、風場、對流等要素可以與之相互疊加，使要素預報信息更加清晰。

顛簸預報主要包括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，橙色表示可能出現中度顛簸，紅色表示可能出現嚴重顛簸。由于顛簸常常出現在急流區，因此顛簸圖層可與風場疊加顯示。

積冰預報主要包括FL060、FL100、FL140、FL180、FL240、FL280和FL300，統計分析結果表示積冰主要發生在中層，因此實際使用中主要關注FL100、FL140及FL180等層次。積冰也采用色斑圖進行展示，黃色區域表示可能有輕度積冰，橙色表示可能出現中度積冰，紅色表示可能出現嚴重積冰。

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 關鍵點影響預報

通過對WAFS預報站點進行插值，得到指定經緯度的各層次逐3 h預報，以表格方式進行展示，并對達到閾值標準的要素進行紅、橙、黃、綠燈影響的預報。

各個層次顛簸預報按EDR數值區間，將其分為輕度(黃色)、中度(橙色)、嚴重(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以上表示嚴重影響(紅色)，綠色表示無對流發生或對流很弱。

可見通過對WAFS全球預報模式提供的顛簸、積冰、對流等產品進行處理，利用WebGIS實現產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、外推數據等，WAFS未來可為用戶提供更加綜合豐富的融合類產品。

3 結束語

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

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

2)利用WAFS提供的高分辨率的顛簸、積冰、可對流數據構建融合展示平臺，為用戶提供點、面、時間、空間相融合的融合類產品，更加貼近用戶的需求。

3)目前WAFS提供的顛簸、積冰、對流產品由于時間較短，雖然在業務中可進行參考，但仍需繼續累積原始數據，對要素進行充分的檢驗，為將來航路預報的本地化做準備。