美国气象与航天

..PAGE2.v.美国航空气象知识一、美国航空气象简介美国航空气象预报和效劳体系的了解更直观目前，美国共有19815个机场，包括542个民用机场和其他军用机场及通航机场，其中599个是能满足9座以上飞机使用的商用机场；拥有超过19万架航空器，约60万人拥有飞行驾照；美国上空同时约有7000架次飞机在飞行。可以说，美国拥有世界上最大、最繁忙、最拥挤的空域。面对如此繁忙的空域，如何更有效地使用空域资源，对航空气象业务运行和效劳提出了很高的要求。〔1〕区域和航路预报美国联邦海洋大气管理局〔NOAA〕下辖航空气象中心〔AWC〕，负责全美国的航空气象预报与效劳的指导、业务运行和业务管理工作，同时，它也是国际民航组织指定的两个世界区域预报中心之一〔注：另一个在英国气象局——METOffice；中国民航气象中心正在为建立成为第三个世界区域预报中心而努力〕。航空气象中心〔AWC〕、阿拉斯加航空气象部门〔AAWU〕、夏威夷气象台〔WFO〕同时是国际民航组织指定的气象监视台，负责制定区域的SIGMET、AIRMET等气象情报发布工作。美国联邦航空管理局〔FAA〕下辖的航路交通管制中心〔ATRCC〕和相邻的气象台〔WFO〕联合管理下的天气效劳中心〔CWSU〕负责航路预报的发布。CWSU的主要任务是预报并监视ARTCC区域内影响飞行的天气，致力于飞行平安保障，提高空中交通流量管理水平，其作用类似于我国民航地区空管局气象中心。〔2〕机场预报美国商用机场预报〔TAF〕发布职责是由美国国家海洋和大气管理局〔NOAA〕下辖的气象台〔WFO〕来进展发布。美国共有122个WFO来进展全国各商用机场TAF预报的发布。学习期间参观了华盛顿杜勒斯机场附近的气象台〔WFO〕，该WFO负责发布首都华盛顿、马里**等6个机场的TAF预报。〔3〕气象效劳航空公司不直接从WFO获得机场气象信息，由专门的气象效劳公司为航空飞行提供气象效劳。WFO负责人告诉我们，航班是不能够按照WFO发布的机场预报来进展飞行的，因为那些TAF预报不够准确，是预报员从几个数值天气预报模式产品中选择一个结论来发布的，只是具有指导性质。航空公司使用的气象信息主要是气象效劳公司或自己细加工过的精细化气象信息。美国有多家气象效劳公司，他们利用NOAA提供的雷达卫星等探测资料、数值天气预报资料、世界区域预报系统〔WAFS〕产品等气象资料，根据管制、航空公司等航空气象用户的实际需求，为航空气象用户研发各类航空气象信息集成显示系统。其中，应用于管制部门的气象系统为机场终端区综合气象系统〔ITWS〕，安装在34个终端区雷达进近管制室(TRACON)以及与TRACON相关的ARTCC，覆盖了45个有剧烈对流天气活动的高流量机场。ITWS还安装在FAA学院和FAA技术中心，有些数据还用于航空公司。此外，气象效劳公司为航空公司签派、飞行员等用户提供的气象效劳都是通过因特网进展提供，具有方便、快捷的特点。美国为空管建立了各式各样的专业气象效劳系统，包括：国家对流天气预报〔NCWF〕；机场终端区综合气象系统〔ITWS〕；航路集成天气系统〔CIWS〕；协作对流预报产品〔CCFP〕；新一代网络在线天气〔NNEW〕；运行决策辅助系统；航路流量方案工具等。航空气象探测资料重要性及时性认识更深刻美国非常重视航站、航路气象探测工作，主要探测装备包括：自动气象观测系统〔AWOS〕〔FAA〕：1100部自动地面观测系统〔ASOS〕〔NOAA〕：884部新一代多普勒天气雷达〔NEXRAD〕：164部终端区多普勒天气雷达〔TDWR〕：63部低空风切变系统〔LLWAS〕：110部GOES10/12气象卫星和极轨气象卫星：多套机场终端区综合气象系统〔ITWS〕：安装在34个终端区雷达进近管制室(TRACON)以及与TRACON相关的ARTCC，覆盖了45个有剧烈对流天气活动的高流量机场；特别是新一代多普勒天气雷达布局合理，其探测范围根本能够覆盖美国大陆，为及时、准确监视夏季雷雨等航空危险天气提供了很有参考价值的探测资料。探测资料不仅仅供气象台和航空公司、气象效劳公司直接使用，更主要地，通过快速更新、快速循环同化〔RUC、RRF〕等技术，把探测资料同化到精细化的数值预报模式当中，提高预报的准确率。航空天气预报理念和技术开展的思考更全面在这次培训班中，反复听到的一个词是“天气的不可预报性〞。影响天气的要素错综复杂，大气运动呈现的是一种混沌状态。现在对大气运动及其物理过程的了解还相当浅薄。现在的预报技术，把大气运动公式化，物理过程参数化的简单描述，是对大气运动宏观的平均的状态概括，是对大气运动状态的最大可能性的探索和追求。对最大可能性的重视，不应该建立在无视其他可能性的根底上，更不能排除最小可能性。美国国家环境预报中心〔NECP〕专家介绍了目前美国最先进的各种全球和区域模式数值预报技术。培训班学员们接触了“无缝隙天气气候预测技术〞概念的根底和实践理论，对预测科学的新认识，对预测预报的不确定性有了深层次的认识。基于对这一问题的共同认识，美国大力开展精细化数值预报，并在此根底上大力开展概率预报。NECP的专家重点介绍了基于模式预报的集合预报方法、评价及其在航空保障中的应用。在我国航空气象效劳中，天气预报要求提供确定性预报以供决策，气象用户要求气象部门提供定时、定量、定点的“三定〞预报，却忽略了预报不确定性带来的风险。而美国航空气象效劳中预报产品中广泛使用概率预报，不同用户可以结合自身情况进展解读和决策。集合预报方法和概率预报产品对我国民航气象预报的开展方向具有指导性的意义。华东空管局气象中心2010年开发的?2010世博会航空气象精细化客观预报系统?就是一套集区域短期数值预报、资料同化、短期集合预报、概率预报等技术于一体的先进的航空气象数值预报系统，系统运行稳定，产品丰富，到达国内外先进技术水平，为民航气象行业首创。航空气象预报手段和方法多样性理解更丰富〔1〕数值预报技术：NOAA专家先后介绍了目前美国最先进的各种全球和区域模式数值预报技术，NCAR专家介绍最新WRF模式资料同化技术数据同化方法、雷达和地形资料同化技术预报低空风场与强风暴关系等。〔2〕集合预报技术和概率预报产品：NECP模式中心专家介绍了基于模式预报的集合预报方法、评价及其在航空保障中的应用。〔3〕台风预报技术：多普勒雷达资料分析预报台风、龙卷风的技术、方法，气候变化与台风生成、开展演变的关系。〔4〕卫星遥感技术应用：降水预报技术、微风暴临近预报等。〔5〕云物理变化规律及预报技术。航空气象效劳的及时性和准确性要求更迫切美国为预报员设计了先进的气象资料集成处理系统〔AWIPS〕作为预报平台。该预报平台能够集成显示全国雷达、卫星探测资料、数值预报资料等的多种气象资料，并能够利用数值预报资料等直接编发航空气象预报，让预报员能够便捷地掌握、分析区域内的气象情况，更准确地发布气象预报、预警信息。NCAR专业技术人员示范提取及显示飞机由起飞至降落途中(四维)可能遇到的重要天气的位置和种类，由发出要求至效劳器到显示图像只须一两秒。美国正在做或将要做的工作还包括：建立四维气象数据〔4DWx〕共享平台：从四维资料库中提取相关的根本资料，制作各种天气产品。并且这些天气产品本身不是目的和终点，它们将集成在飞行和空管系统中，直接成为决策支持工具。围绕空管需求进展细分并建立专业系统，其中包括：国家对流天气预报〔NCWF〕：该产品作为FAA专门针对空中交通管理开发的临近预报产品和警报产品。机场终端区综合天气系统〔ITWS〕：该系统能集成多种气象信息源，将所有气象资料处理并转换成直观、标准产品，自动为管制员提供机场及终端区实时和预报的各类天气信息。航路集成天气系统〔CIWS〕：该系统能集成多种气象信息，将降水、雷达回波〔可显示回波顶高和强度〕、卫星云图、预报、闪电资料、风暴运动等多种信息实时叠加显示在管制区图上，为ARTCC、TRACON、AOC提供各区域内天气分布情况，重点是飞行繁忙地区的天气。协作对流预报产品〔CCFP〕：该产品每2小时发布一次，有效时间为2小时、4小时和6小时，产品由全国雷达回波资料进展拼图形成，可提供全国范围内对流系统的发生、开展情况、范围、移动方向、强度、预报的可信度等信息，主要为流量管理中心效劳。运行决策辅助系统系统：该系统将终端区机场天气预报〔TAF〕转换成直观的表格形式，逐时显示各气象要素的未来的变化趋势，便于ATC的流量管理人员制作飞行方案时参考使用，主要为流量管理中心效劳。新一代网络在线天气〔NNEW〕：根本功能为气象信息传递和效劳系统，获取、管理、分发并利用天气信息，提供准确、及时的天气信息。航路流量方案工具：此工具将气象信息作为一局部在ARTCC控制屏上显示，包括雷达回波实时显示、CCFP、METAR、TAF、各机场日出、日落时间表、SIGMET、AIRMET、GAMET等综合气象信息。建立航空运输天气办公室〔ATWO〕：鉴于目前现有的航空气象业务体系的缺陷，建立ATWO，将分散于多个单位航空气象业务集中在一起，以实现以下目的：改良预报流程，使其聚焦于航空；改良研究、开发和将其转化于运行中的状况；承当目前CWSU承当的效劳，为机场终端区制作战术决策提供辅助产品；改良航空气象的管理。满足FAA的需求，提供更有效的效劳。建立综合天气资料平台：由于目前全美国拥有气象资料种类繁多，格式不一，为业务部门和用户的使用带来诸多不便。美国NextGen航空气象的一个主要任务就是对气象资料进展四维同化处理，建立四维气象资料数据库作为唯一权威的气象信息源〔SingleAuthoritySource,SAS〕供运营人和用户共享天气资料，在共同的平台上，协商飞行方案。四维数据库〔4DWx〕将于2012年启用。为国家空域系统〔NAS〕建立决策支持辅助系统：鉴于NAS为航空气象的重要用户，FAA指定国家气象局为NAS提供气象效劳。同时基于管制人员缺乏对气象综合资料应用的熟练程度，专门建立一个决策支持辅助系统，为国家空域管理提供效劳。雷达资料处理系统：该系统可处理新一代雷达的数据，得到全国范围内的雷达拼图，可实时显示当前天气，监测天气的演变情况。异地预报的制作和发布：WFO制作发布周边机场的预报，相当于平均每个省设三个WFO，其中，西佛吉尼亚州WFO制作华盛顿附近四个机场的预报。此外，由美国航空气象中心〔AWC〕发布预报指导产品，利用预报平台展示本区域的临近预报和自动站及气象雷达实时探测资料。三、分析与比拟分析比照中美航空气象业务运行架构、运行模式、业务系统、效劳方式等的不同，我们发现：与美国先进的航空气象业务水平相比，我们还存在着不少差距；同时，我们也看到了自身具有的优势所在。中国航空气象业务体系的优势由于美国航空气象效劳根本上是由气象效劳公司提供效劳，而不同气象效劳公司对同一地点、同一时间的天气又可能出现不同的解释，所以对航空气象用户而言容易造成效劳产品和结论的不一致，可能给用户带来决策上的困惑。在我国，民航气象观测、预报和效劳都是由民航气象部门统一发布的。随着我国民航气象效劳体系建立的不断完善，民航气象中心、地区气象中心和机场气象台三级运行机构通过航空气象资料的共享、全国和地区航空天气会商等工作，能够将航空气象预报形成较为统一的结论并提供应航空气象用户，更有利于用户进展决策。此外，我国的机场气象台直接面向用户效劳，可以更快捷地掌握用户的实际需求。美国航空气象业务体系的优势〔1〕强大的后台技术支持不断提高数值预报的精度，以提高预报质量，是目前世界公认的提高预报质量的最有效手段。美国NOAA下属的国家环境预报中心〔NCEP〕、美国大学大气研究联合会〔UCAR〕下属的国家大气研究中心〔NCAR〕，还有一些大学的研究机构、实验室，都在进展世界上领先的气象预报技术研究工作。由于美国的机场航空气象业务与公众气象效劳同属于NOAA负责发布，所以上述这些机构的研究成果可以为一线的气象台(WFO)和航空气象中心〔AWC〕提供世界最先进的全球模式数值预报产品(GFS)和区域模式的各类航空气象产品。同时，这些研发机构可以根据预报员的需求，及时研究和改良各类预报系统。本次学习班讲授的当今最先进的预报系统——集合预报系统，就是由NCEP开发的。该系统已经在美国空军和民用气象业务中广泛应用，取得了良好的效果，特别是对于局地、突发性、反常的灾害性天气预测有着很好的指导意义。由于我国航空气象系统没有研发机构，而中国国家气象局主要针对公众气象效劳，他们的研发机构不能有效支持航空气象研究和业务，同时，各民航地区气象中心、机场气象台〔站〕由于工程、资金和人力资源相对匮乏，仅能满足业务运行的需要，难以持续开展高层次的开发工作，我国民航气象系统的数值预报研发能力还处于较低的水平，航空气象预报质量更多地依赖于预报员个人自身的经历积累和努力程度，具有不均衡性和波动性大的特点。〔2〕根底探测站点布局合理，探测资料丰富美国的根底探测资料较我国有很多优点，主要表现在：根底探测站点分布按照探测需要设置而非行政区划设置，站点分布合理；地面观测、自动气象探测系统、气象雷达、气象卫星、飞机探测资料等各类探测设备，均尽量做到仪器型号、数据格式乃至系统误差的一致；探测数据处理迅速、共享便捷。随着美国的NextGen四维数据库〔4DWx〕即将投入使用，其海量根底数据将集成在一个信息平台上，进展拼接和叠加，为预报员提供了一个立体的、全方位的、可靠性高的了解天气形势的界面，也为用户提供了直观和图形化的天气要素分布图，更利于预报员和用于理解天气形势。我们在美国的电视天气节目上，可以看到其全国的天气雷达拼图，直观地反响出全国降水天气系统的变化过程。相比拟美国而言，我国民航系统气象站点少，天气雷达更少，无法满足航路保障的需要。而且，由于探测设备型号差异性大，难以集成到一个平台上，就连最根本的机场气象自动观测系统〔AWOS〕，至今仍有一些站点的数据无法共享，给预报员和用户的使用带来了很大的不便。探测资料是气象业务的根底，由于民航气象机构探测手段少，站点有限，目前只能依托与地方气象部门的合作，分享一些探测资料。但是，这样的合作多是商业协议，即不能保证资料来源的可靠性，也存在对方探测仪器的可靠性问题。我们在过去的实践中就发现，地方的探测设备，由于其关注重点与航空气象不同，有些设备的湿度、能见度等数值存在较为明显的系统误差但一直没有校正，也不能提供误差检定结果，不能满足使用需要。〔3〕业务平台一致性好美国预报员使用统一的业务平台AWIPS系统进展各类探测资料、数值天气预报资料等的分析。AWIPS系统类似于中国国家气象局的MICAPS系统，但相比MICAPS系统，AWIPS系统能够集成显示更多的气象资料，包括卫星、全国天气雷达、自动观测资料、数值天气预报资料等，而且其界面、功能等能够让预报员及时掌握所负责区域内的气象情况。预报员使用的根底资料是一致的，在此根底上，再由预报员根据各自的经历，对根底数据和数值预报产品进展解读，制作出各自的预报。我国民航气象系统虽然有民航气象数据库系统进展民航气象情报、WAFS数值预报产品等气象资料的交换，并且设计了预报平台，但是该系统预报平台所能集成显示的气象资料仅限于民航气象数据库系统进展交换的气象资料，种类不多，参考价值有限，使得预报员在实际工作中，不得不通过不同的渠道，如气象局MICAPS系统、局域网、甚至互联网，以获得所需的气象资料进展分析。同时，每个机场气象台从气象局等外部系统获得资料的能力是不同的，不仅效率低，质量也参差不齐，不利于进展业务管理。〔4〕气象预报与气象效劳相别离，有利于保证气象预报质量美国的气象业务体制与我国不同，其气象效劳主要由气象效劳公司负责，官方的主要职责是制作预报、发布警报。而我国民航气象系统的预报员既要制作预报，还要应对大量的效劳工作，其中以满足航空公司的航班放行效劳为多，特别是在复杂天气发生时，会迅速在复杂天气发生地机场气象台出现超高负荷的气象效劳需求，形成效劳瓶颈。由于机场气象台的资源有限，手段相对落后〔根本上依靠人工效劳〕，仅靠自身的力量是很难完全满足这类效劳需求。同时，航空气象效劳过多地占据预报员的工作精力，预报员没有充分的时间和精力去分析天气资料，不利于气象预报质量的提高。〔5〕用户需求可以得到快速反响，研发与应用结合较好美国人在新技术、新系统的开发应用方面采取较为严格的标准，所开发的新系统、新技术，必须经过验证能够改良原来的工作，提高工作质量和效率，而且这种验证有第三方〔投资方，如国会〕的监视。我们曾问讲课的教师：美国的天气预报质量如何管理？教师答复：预报质量由国会监视，质量下降，整个单位的预算就有可能被砍。在美国，70%的航班不正常是由天气原因造成的，因此，气象保障与空管指挥的密切配合被提到了空前重要的高度，催生出了NextGen的建立工程，以求减少天气对飞行正常的影响。美国正在研发的NextGen系统从观测、预报、信息处理和资料整合、效劳、培训、法规、研发等各个方面，囊括了整个航空气象业务的全过程。在我国，研究与应用常常脱节，用户需求往往不能得到有效反响或及时响应，反映在工程研究和建立上，我们的一些工程往往存在研制时间周期短、功能实现不充分或不切实实际应用等问题，一线人员的想法和建议往往得不到响应，造成新研制的系统应用效果欠佳，因此，加强产学研结合，有效提升工程研制水平，提高行业创新力，是我们共同的追求。四、思考与建议2005年底民航总局提出建立新一代航空运输系统的设想，随后又提出空管和气象先行，将新一代航空气象建立作为我国新一代航空运输系统建立的重要组成局部。在我国新一代航空气象系统框架中，明确了以下航空气象效劳的目标：为政府决策效劳；为空中交通管理效劳；为航空公司效劳；为机场运行管理效劳；为社会公众效劳；分割航空气象的事业性效劳和商业效劳。我国新一代航空气象系统的建立重点包括：〔1〕机场立体探测系统，包括：机场终端区多普勒天气雷达，多普勒天气雷达，机场AWOS的更新和建立，激光雷达，机场低空风切变监测系统和预警系统，风廓线雷达的建立；〔2〕客观预报业务系统，包括：民航数值天气预报系统，集合预报和概率预报，机场终端区区域预警预报系统；〔3〕气象资料综合平台，包括：资料同化工作，民航气象资料的共享，国家雷达资料共享平台、气象卫星资料共享平台以及数值预报资料应用是气象资料综合平台的重要内容；〔4〕决策支持辅助系统，包括：结合机场终端区、区域管制中心和流量管理中心的建立，逐步完善各管制单位对航空气象的需求，融合天气信息于空管业务系统，在终端区建立机场终端区综合天气系统〔ITWS〕，在飞行繁忙地区建立航路集成天气系统〔CIWS〕，在流量管理中心建立协作对流预报产品〔CCFP〕和航路流量方案工具，最终建立决策支持辅助系统。我们对中国民航气象业务开展的建议是：1.战略层面加强民航气象中心和地区气象中心的研发实力是全面提升我国民航气象业务水平的根底和前提。深化华东地区区域运行一体化建立，构建业务运行、管理和技术支持区域一体化运行的航空气象效劳体系,开展运行一体化制度建立,开展区域一体化运行监视管理、区域技术支持和区域气象效劳，加强一体化气象业务系统和效劳平台的建立，联合开展科研培训、技术交流与资源共享，开展用户调研、信息反响与合作研究，开展华东地区气象联合应急演练。地区气象中心提供技术支持和根底信息平台建立，机场气象台的重点是预报、预警并提供根底气象效劳〔空管和飞行机组效劳〕。建立与航空公司、管制部门共享的气象数据共享机制，加强与航空公司、管制部门的工程合作研究，结合用户实际需求联合开发个性化应用效劳系统，为航空公司、管制部门积极提供技术支持，设立航空气象效劳席位，开展气象辅助决策咨询，为航空公司AOC、管制部门提供参与飞行〔管制〕全过程的气象咨询效劳。加强对中小机场气象效劳的支持。目前，中小机场在气象效劳方面能力有限，气象中心、各机场气象台在技术、信息资源和人员培训等方面提供必要的支持，以促进民航事业的全面开展。2.技术层面〔1〕改良探测技术，建立航空气象综合监测系统。建立航空气象综合监测系统，目的是进一步提高航空气象探测技术水平和探测精度与密度。高时空分辨率的立体化探测资料是准确天气预报的根底。建立航空气象综合监测系统，除了在机场区域建立自动气象站、气象天气雷达、卫星云图接收系统、风温廓线仪、闪电定位仪、GPS等先进探测系统外，还应加密沿航线的气象综合监测。利用各种现代化手段对沿航线区域的气象要素场进展加密监测。比方应用自动相关监视播送系统〔ADS-B〕，尽快建立飞机气象探测系统，包括商用飞机观测资料、专用气象飞机探测、无人驾驶飞机综合观测等，进一步加强飞机探测气象资料的应用。逐步建立跑道、起飞和着陆区域、机场终端区及沿航线区域的综合航空气象监测网，提高气象监测能力，为飞行平安、正常和效益效劳。〔2〕建立气象信息综合处理系统目前民航气象资料的获取渠道主要有：机场气象探测设备、民航飞行情报交换系统、WAFS系统、地方气象部门提供等。各类资料分别使用不同的分析、处理系统，不能有效地融合。在预报员和气象用户使用过程中，还需依靠人工进展综合分析，对未来天气变化作出判断。受人为因素影响，有时常常不能客观分析，得出正确的结论。因此必须加强气象资料的综合处理能力，建立适合航空气象业务开展要求的气象信息综合处理系统。气象信息综合处理系统应包括气