新疆区域航路天气要素分析及预报系统构建

陈阳权，杜安妮，丁 旭，张 茜

(民航新疆空中交通管理局气象中心，乌鲁木齐 830016)

关键字：颠簸；积冰；航路预报；融合产品

0 引言

近年来，随着新疆空域飞行量迅速增长，因天气造成的航空不正常事件逐年增多，严重威胁着航空飞行的安全和效率。因此，研究分析航空重要天气对飞行安全的影响，总结此类天气下的预报预警经验，加强对强天气的监测、分析和预报，对于今后航空气象在复杂天气现象的预报预警方面有一定的指导意义，也为构建相应的客观预报系统奠定[1]基础。

文章利用新疆区域2020—2021年收集到的飞机颠簸、积冰、风切变和雷暴等重要天气的飞机报告数据，分析航路天气要素的可预报性，构建区域航路气象要素预报系统，提供更加直观的颠簸、积冰、对流等发生的位置、强度、范围和影响等信息，期望能够为区域飞行的航路天气提供客观、可靠的参考。

1 新疆区域航路天气要素统计分析

文章对新疆区域收集的飞机报告数据进行统计分析，所用数据时段为2020-01-28—2021-05-16，在此期间共收集到各类飞机报告745份，其中乌鲁木齐机场679份，阿克苏机场66份。通过分析影响航路的天气类型、发生原因、影响高度和影响时段等，得到航路天气要素的可预报性，为构建区域航路天气预报系统提供可靠的参考。

1.1 航路天气类型及强度统计

通过统计分析时段内飞机报告中颠簸、积冰、风切变、雷暴等结果可知，新疆区域航路天气中颠簸最多，有668份，占89.7%；其次为积冰，59份，占7.9%；风切变为23份，占3.0%；其他报告为13份，占1.7%。未收到关于雷暴的飞机报告，其他报告主要为收到机组报告的下沉气流、气流不稳定等。对比乌鲁木齐机场收集的报告和阿克苏机场收集的报告可见，颠簸是航路天气影响最多的天气类型，其次为积冰，因此文章主要对颠簸、积冰、风切变3种天气类型进行分析。

从报告要素的强度来看，收到的颠簸报告中主要强度为中度，其次为轻到中度，中到强颠也较多；而积冰报告则轻度最多，其次为中度，轻到中度也较多，中度以上较少；风切变报告基本为轻度至中度范围，大部分风切变报告未报告强度。

1.2 各类航路天气成因分析

飞机报告中，航路重要天气的成因包括急流、高空槽、低涡、冷锋、风切变、对流云、东南风、地形、山地波以及不明原因等。造成颠簸的主要原因是急流，其次为高空槽，乌鲁木齐地区东南风层也造成了较多的颠簸；而造成积冰的主要原因是高空槽，其次为对流云，其它未知原因也造成了一定数量的飞机积冰；而风切变由于收到报告较少，成因差异不大。由此可见急流和高空槽是造成航路颠簸和积冰的主要原因。

1.3 各类航路天气影响高度分析

飞机报告中记录了各类天气影响的高度，包括影响的顶高和底高，在统计分析中，若只记录了1个高度，则认为顶高和底高为相同高度，并将高度按<1 km、1(含)～3 km、3(含)～6 km、6(含)～8 km、≥8 km划分，从而得到颠簸高度主要在≥8 km，其次为3(含)～6 km，再次为1(含)～3 km。可见大部分颠簸主要发生在巡航高度上，由高空急流引起，以晴空颠簸为主，而中层3(含)～6 km主要为高空槽或中层急流引起，低层1(含)～3 km则主要由切变线、低空锋区、低空急流、东南风层等造成；积冰主要集中在中层3(含)～6 km，中层为高空槽频繁活动的层次，且中层急流经常输送水汽，温度也较适宜，为飞机积冰高发层次；而风切变则主要集中在1 km以下，其成因复杂且尺度小，预报预警难度极大。

1.4 各类航路天气影响时段分析

各类报告的日变化除与天气有关外，还与飞行集中时段有关。在凌晨时段由于飞行量少，所收集到的报告也少，尤其在02：00—05：00，而在白天飞行量大，收集到的报告也多。收集的报告有3个峰值区，分别是08：00、15：00和22：00前后，且飞机报告主要集中在午后到傍晚。08：00前后的峰值和22：00前后的峰值可能与飞行量有很大关系，中午至傍晚时段则可能与天气系统发展有一定的关系。

通过以上分析可知，在乌鲁木齐飞行情报区主要的航路天气为颠簸和积冰，其成因主要为急流和高空槽，在天气学上可预测，利用经验方法或数值预报手段，可对其进行诊断预报。

2 区域航路天气预报系统构建

2.1 WAFS数值预报介绍

WAFS(World Area Forecast System 世界区域预报系统)是一个世界范围提供统一标准化格式航空气象航线预报的系统，目前为航空气象用户提供图形和数字形式的产品，包括伦敦中心和华盛顿中心。主要包括4类产品：T4传真图(风温预告图、重要天气预告图、火山灰扩散预报图等)、GRIB2格点资料、BUFR资料和OPMET资料，这些产品在民航气象行业已经有了广泛的应用[2，3]。

从2020年11月开始，世界区域预报中心在GRIB2格点预报正式增发了水平分辨率为0.25°×0.25°、时间分辨率为3 h的积冰严重程度、颠簸严重程度、积雨云等预报，提供了更高分辨率的基于影响程度的积冰、颠簸及对流等预报产品，因此可以对这些产品进行加工，以可视化的产品方式呈现给用户。

2.2 构建区域航路要素预报系统

利用WAFS资料，可以实时提供区域颠簸、积冰、风场、急流、对流云等逐3 h航路气象要素预报，以GIS为基础，将各类数据以图层方式进行叠加，能够为用户提供实时的叠加数据。同时，通过对解码的数据进行经纬度实时对比，能够提供指定点或实时选定点要素的表格值，提供对飞行的影响程度预报。

2.2.1 数据预处理

数据预处理包括两部分，一是将单要素绘制为色斑图、风场图、等值线图，并将图形数据的背景透明化，绘制的数据按时间和要素命名存储；二是将要素解析为数据，包括资料起报时间、预报时间、经纬度和要素值，以CSV格式进行存储。绘制的图形产品可以通过GIS进行叠加展示，解析的数据则展示单点的要素预报和影响程度。

2.2.2 航路要素预报

航路要素预报主要包括颠簸、积冰、风场、整层最大风及高度、积雨云覆盖率、积雨云顶高及底高等数据。航路要素预报主要以图层叠加方式进行展示，主要图层包括地理信息图层，如瓦片地图、国界线、乌鲁木齐机场终端区、主要航路、关键点信息等，颠簸、积冰、风场、对流等要素可以与之相互叠加，使要素预报信息更加清晰。

颠簸预报主要包括FL100、FL140、FL180、FL240、FL280、FL300、FL340、FL390和FL450共9个层次。颠簸图层以色斑图显示，显示为橙色和红色，橙色表示可能出现中度颠簸，红色表示可能出现严重颠簸。由于颠簸常常出现在急流区，因此颠簸图层可与风场叠加显示。

积冰预报主要包括FL060、FL100、FL140、FL180、FL240、FL280和FL300，统计分析结果表示积冰主要发生在中层，因此实际使用中主要关注FL100、FL140及FL180等层次。积冰也采用色斑图进行展示，黄色区域表示可能有轻度积冰，橙色表示可能出现中度积冰，红色表示可能出现严重积冰。

对流云图层主要提供对流云的覆盖率、对流云顶高度和对流云底高度等信息，覆盖率以色斑图提供，颜色越暖表示覆盖率越大，顶高和底高均以等值线方式提供。

2.2.3 关键点影响预报

通过对WAFS预报站点进行插值，得到指定经纬度的各层次逐3 h预报，以表格方式进行展示，并对达到阈值标准的要素进行红、橙、黄、绿灯影响的预报。

各个层次颠簸预报按EDR数值区间，将其分为轻度(黄色)、中度(橙色)、严重(红色)，绿色表示该层次没有颠簸影响。积冰按轻度(黄色)、中度(橙色)、严重(红色)展示，绿色表示该层次无飞机积冰。对流按覆盖率0.05～0.4表示影响一般(黄色)、0.4～0.6表示影响较重(橙色)、0.6以上表示严重影响(红色)，绿色表示无对流发生或对流很弱。

可见通过对WAFS全球预报模式提供的颠簸、积冰、对流等产品进行处理，利用WebGIS实现产品的叠加展示和融合展示，同时通过插值得到单点的要素时间空间剖面，可为用户提供点、面、时间和空间相融合的信息。通过叠加如航迹、云图、外推数据等，WAFS未来可为用户提供更加综合丰富的融合类产品。

3 结束语

文章通过对2020—2021年收集的各种重要天气飞机报告进行统计分析，得出以下结论：

1)新疆区域航路天气主要为颠簸，其次为积冰；颠簸主要发生在高层，积冰主要发生在中层；急流是产生颠簸的主要原因，高空槽是产生积冰的主要原因。

2)利用WAFS提供的高分辨率的颠簸、积冰、可对流数据构建融合展示平台，为用户提供点、面、时间、空间相融合的融合类产品，更加贴近用户的需求。

3)目前WAFS提供的颠簸、积冰、对流产品由于时间较短，虽然在业务中可进行参考，但仍需继续累积原始数据，对要素进行充分的检验，为将来航路预报的本地化做准备。