预报技术新进展对改进民航气象服务工作的启示

随着航空科学技术的进步、飞机性能和智能化程度的提高，飞机自身机械原因导致的飞行事故在减少。尽管机场助航设施完善可以缓解气象条件影响，但飞行事故中气象因素仍在逐渐凸显。国际民航组织数据显示，由气象灾害造成的飞行事故在持续增加，约占总事故的1/3。我国因气象灾害引发的飞行事故约占总飞行事故的31%。从航班正常性角度，对全球机场航班延误原因进行分析，天气原因造成的延误占41%，其中可避免的天气原因造成的延误占17%。中国民航近三年天气原因造成航班不正常的比例为50.42%，其中2020年更是高达57.31%。可见，航空气象灾害成为影响航空飞行安全和正常的重要因素，民航气象服务工作的重要性也愈加凸显。

回顾近年，我国民航气象行业无论从设备配备、人员资质，还是安全意识上都取得了显著成绩，但行业资源不足、创新能力不强、协同水平不高等短板也较为突出，气象服务水平与民航行业发展需求不匹配的问题依然存在。随着新一代信息技术与天气预报技术的深度融合应用，大数据和人工智能等为预报技术的发展提供了新平台和新手段。本文以雷暴预报为例，通过分析近几十年来国内外预报技术相关文献，尝试探索未来民航气象发展可能的方向；以民航湖北空管分局气象台为例，介绍湖北民航气象服务产品，尝试分析存在的不足。在此基础上，尝试从国际国内学术研究得到的启示出发，结合目前民航预报能力、航空气象服务需求以及民航气象监管中发现的问题，提出一些改进建议，旨在为改进民航气象服务产品和用户需求的匹配度提供参考。

预报前沿技术初步研究

相对公众气象预报而言，民航气象预报对时空精确性要求更高。传统的航空气象灾害预报，主要依赖于预报员经验的主观预报，不能满足航空气象需求。目前，气象雷达（包括天气雷达、风廓线雷达、激光雷达和云雷达等）、气象卫星、地面气象站等观测设施设备广泛应用以及超算技术支撑下的数值模式快速发展，极大提高了民航气象预报水平。随着人工智能这一计算机技术在世界范围内的兴起，基于人工智能的神经网络也逐渐被应用到航空气象灾害的预报中，取得了很好的预报效果。下面以雷暴预报研究为例，做进一步阐释。

近几十年国内外的预报文献显示，雷暴预报技术可以分为两类：潜势预报和临近预报。潜势预报是以事先确定的气象因子为判据，预报雷暴发生的可能性；临近预报则是基于多普勒雷达、闪电定位仪等实况数据进行外推，预报雷暴出现的时间和区域。

（一） 雷暴的潜势预报

雷暴潜势预报方法的研究包含多元线性回归、线性/非线性拟合方程、指数法、聚类分析法和判别分析法等。国外有学者通过逻辑回归的方法建立了基于模式输出产品的雷暴预报系统，实现12小时雷暴强度和区域的预警。国内有学者基于贝叶斯判别准则，建立了雷暴预报的最优子集法，对雷暴预报模型进行了改进。

基于人工智能的神经网络方法也逐渐应用于雷暴预报中。有研究对比分析了多元线性回归和人工神经网络方法对北疆地区雷暴的预报，发现基于神经网络方法的预报结果优于多元线性回归。也有研究采用双隐层BP神经网络的方法对该地区的雷暴天气进行潜势预报，其预报结果的TS评分较高。

（二） 雷暴的临近预报

雷暴临近预报技术包括：雷暴识别追踪、外推预报技术、数值预报技术和以分析观测数据为主的概念模型预报技术，也有学者对这几种预报技术进行融合。如，有学者基于雷暴要素构成的预报方法，结合常规观测数据、卫星云图和雷达数据对河南地区雷暴形成的气象要素进行分析研究，其预报方法可以提前几小时预报出雷暴。有学者提出了一种基于对流云特征温度的雷暴解释算法，该算法能满足了航空用户对于高时空分辨率的需求。还有学者通过雷暴与强对流临近天气预报技术研究指出，高分辨率数值预报模式的应用包括与雷达回波外推融合延长临近预报时效，也为雷暴判断提供重要参考。

（三）预报技术发展小结

历经半个多世纪的发展，现代数值天气预报技术相比于传统的预报方法，其时效性、准确率都有了质的提高，很大程度提升了航空气象灾害的预报水平。数值预报模式运行时，首先会分析全球最新观测资料并对大气状态初始化，然后以一定的时间步长累计计算大气状态的演变。早在1963年，气象学家洛伦兹便指出天气现象属于混沌系统。混沌理论表明，大气状态演变对于初始场微小误差就十分敏感，初始场极小的误差会随时间步长累积而放大，产生“蝴蝶效应”。由此，在较长时间内全世界均难以建立精准描述大气未来变化的完善的数值预报模式。

另一方面，气象灾害的研究往往涉及大量数据的处理，而人工智能和大数据分析技术能较好的解决工作量大的问题。但也存在一些尚无法解决的短板，比如机器学习不能涉及物理机制、可用的气象数据样本数量不足等等，因此这些技术在气象中的应用前景也存在一定限制。

因此，未来航空气象灾害的预报需要结合数值模式和人工智能的方法，开展多领域技术融合的智慧预报方法，既要发挥数值预报的核心技术作用，也要充分利用人工智能的图像识别、数据挖掘、关联分析等优势，从而弥补数值预报的不足。此外，长时间序列、高时空精度气候数据以及灾害性天气数据库的研制，为人工智能参与航空气象灾害预报的研究储备充足的数据样本，也是航空气象灾害预报技术需要提高的方向，为我们改进民航气象预报水平带来了启示。

民航现有气象服务产品介绍

（一）气象服务产品的现状

根据《民用航空法》第八十九条，国家气象机构应当对民用航空气象机构提供必要的气象资料。具体在湖北区域，民航各气象台通过引接湖北省市气象局气象信息综合分析处理系统MICAPS 4，使用欧洲中期天气预报中心（ECMWF）或者中国气象局（CMA）的数值预报系统，并基于规章规范要求和用户实际需求，提供了各类气象预报服务产品。

以民航湖北空管分局气象台为例，目前提供的气象服务产品主要有以下三大类：一是民航规章规范要求的基本气象产品；二是民航空管系统要求的补充气象产品（仅限于空管系统气象台）；三是气象台自主地根据各用户相关需求，额外提供的特色服务产品等（见表1）。

表1：民航湖北空管气象台现有气象服务产品

实践中，特色服务产品中的对流图形化预报产品，深受气象用户的好评。2022年3月份，民航湖北空管分局针对雷雨季雷暴气象灾害推出了该产品。在雷暴天气来临24小时前，通过绘制湖北民航管制区域内对流活动区域图形、天气现象时间轴、区内重要航路受影响时段表等，以图文并茂的形式向航空公司、管制用户展示未来雷雨天气的变化情况（见图1）。

图1：雷雨图形化预报产品示例

（二）气象服务产品存在的不足

由上可见，伴随着民航高质量发展转段进阶，面对着航空公司、机场、管制部门、运管委等气象用户内在需求深层次转变，民航气象部门未止步于规章符合性，一直在努力打造直观、简洁、好用的气象服务产品，但气象服务水平与整个行业发展需求不匹配的问题仍长期存在。笔者认为原因有二：一是从目前气象预报水平来看，提前预报较大范围的天气变化难度不大。但是在时间上要精确到小时甚至分钟，区域细化到机场甚至跑道，客观上存在难度。而机场气象服务，相比于公众气象服务，恰恰需要更精准的预报。二是运管委对航空气象预报的提前量要求提升了，同时还要保证准确率。特别是夏季雷雨季和冬天冰雪过程，运管委的航班调时，需要以精准的预报为基础来做决策。为满足民航运行保障的需求，雷暴过程的预报要至少提前6小时，甚至8～9小时以上。但是从民航预报的支撑产品水平上来看，2小时内的预报产品可信度较高。更长时间的预报产品质量往往不能满足运行需求。

因而，从气象用户角度来看，民航气象产品可用度、适配性不高。仍以雷暴预报产品为例，首先，规范要求发布的电码类产品，用户获取较为困难，电码解析需要一定的航空气象知识储备，用户可用度不高；其次，发布的气象服务产品种类不够丰富，虽然在用户产品图形化上做出了诸多努力，可用度上也取得了一定成效，但精准性与用户需求的匹配度仍存在较大差距；再次，机场警报的文字描述，由于不同主体间的差异化解读，事实上也造成用户和预报员之间产生理解分歧。

（三） 改进民航气象服务的思考和建议

1.战略层面：试点应用气象集合预报系统，推进概率预报。

如前所述，由于大气的混沌特性，即便采用全球最好的数值模式，也可能会做出很多糟糕的预报。也就意味着，单个数值预报模式不足以做出让用户满意的完美预报，这需要引进多模式的集合预报系统和概率预报。集合预报可以对初始场加入一些扰动，对这些扰动的初始场进行数值积分，若不同的集合成员能给出类似预报，那么就判定预报结论高概率；如果各成员结论向不同的方向发展，那么概率就不会高，进而通过分析成员中预报结果比例来判断概率值。基于集合预报得到的概率预报恰恰是气象需要的重要且科学的信息。

综上所述，建议民航选取试点，首先基于ECMWF或者CMA机构的数值预报系统做集合预报，再逐步建立民航集合预报系统。并基于此开展民航概率预报技术研究，提高民航预报产品的精准性。此外，可以建立机场历史天气资料库，为将来民航应用大数据、人工智能技术，发展智能预报业务提供充足的数据样本。

从规章政策层面的战略而言，建议基于空管系统的资源、管理、人才等各方面优势，考虑各省在空管分局建立集合预报中心，对区内中小机场预报给出指导性产品。对比于目前探索建立的省级机场集团设置的气象服务中心，能更好解决中小机场气象行业发展的瓶颈问题，实现民航气象行业整体发展水平和行业地位的提升。

2.战术层面：改进预报质量评分，提供质量控制依据。

任何一项工作，如果不进行质量评定和考核，就有可能会流于形式。以着陆预报为例，因民航中南地区空管局和湖北空管分局对其进行评分、考核、排名，其质量水平维持在一定水准；对比辖区的一些中小机场，因没有相应的趋势报质量考核评价和激励措施，又加之报文编码正确的考核压力和自身趋势报编报能力的弱化，造成漏发着陆趋势预报严重，甚至局方检查中有发现极个别预报员无论天气状况如何，着陆预报常年发布为“格式正确”的NOSIG（无重要天气变化），这说明仍有个别预报员未建立起基本的趋势预报发报习惯。目前中小机场仅对TAF预报中的重要天气准确率有强制性质量评价标准（依据为1995年民航总局空中交通管理局《航站重要天气预报质量评定办法》）。2013年施行的《民航空管系统机场预报质量评定办法》仅适用于空管系统，该评分也对天气条件较好的机场（例如三亚）有利，评分规则的客观性存在改进空间。因而，建议以《民航空管系统机场预报质量评定办法》为基础，尽快研究出台全民航气象行业适用的预报质量评定办法，并研发配套评分程序，为预报总体质量控制和绩效考核提供重要依据。

3.战法层面：坚持用户需求导向，提升服务理念。

树立以用户为中心的气象服务理念，通过雷雨季赴运管委座谈、气象课堂进航司等调研活动，常态化听取各类用户需求，以用户体验来评价气象工作，制定改进措施。从用户的需求出发，更多研制图形化/直观化的气象服务产品，试点开展航空气象信息和服务产品向驾驶舱的实时传输等，改进气象服务产品的可用性。

此外，对各类产品用语进行统一。梳理并定义常见天气特征描述性词汇（见表2 ），对统一后的标准加以宣贯。增进共情、共景，打破“信息茧房”，帮助用户更好地理解预报员的表述，实现“用户所理解的”正是“预报员想表达的”的效果，改进气象服务产品的理解一致性。

表2：常见天气特征描述性词汇

结 语

2022年1月，民航局印发《智慧民航建设路线图》，明确了未来智慧民航建设各阶段性目标和任务，它涵盖了智慧出行、智慧空管、智慧机场、智慧监管等方方面面，为民航各单位后续加快推进智慧民航建设提供了一幅施工图。蓝图已经绘就，智慧空管、智慧气象建设正当其时，开展多领域技术融合的智慧气象预报方法也势在必行。

学习前沿经验，看清未来发展。从行业发展广镜头来看，全球气象领域航空技术研究已有诸多创新成果，国内外雷暴预报方法均取得新的研究进展，但受限于混沌理论，单个完美的数值预报模式难以建立；人工智能和大数据分析技术与气象预报的大量数据处理需求相吻合，但需要解决或容忍数据样本少、物理机制无法融入等缺点。这都给我们把握航空气象预报未来发展方向带来了启示。

立足当前实际，寻求解决策略。随着民航发展，近年来，管制、航空公司、机场、运管委等气象用户对气象服务产品种类要求越来越多，质量要求越来越高，需求也更加个性化。民航气象部门以规章为基础，以用户需求为导向，也在一直努力致力于更直观、简洁、好用的气象服务产品体系。但气象服务水平仍不能满足民航行业发展需求。因而，战略上，建议考虑以集合预报、概率预报、集中预报为重点的发展方向；战术上，提倡以考核倒逼预报质量的提升策略；战法上，推荐以共情、共景，满足用户需求的具体方法。以期不断改善气象服务和水平。瞄准国际国内气象发展趋势、聚焦气象服务短板，靶向施策，不断提升我国民航气象服务能力与服务需求的匹配度。