預報技術新進展對改進民航氣象服務工作的啟示

隨著航空科學技術的進步、飛機性能和智能化程度的提高，飛機自身機械原因?qū)е碌娘w行事故在減少。盡管機場助航設施完善可以緩解氣象條件影響，但飛行事故中氣象因素仍在逐漸凸顯。國際民航組織數(shù)據(jù)顯示，由氣象災害造成的飛行事故在持續(xù)增加，約占總事故的1/3。我國因氣象災害引發(fā)的飛行事故約占總飛行事故的31%。從航班正常性角度，對全球機場航班延誤原因進行分析，天氣原因造成的延誤占41%，其中可避免的天氣原因造成的延誤占17%。中國民航近三年天氣原因造成航班不正常的比例為50.42%，其中2020年更是高達57.31%?？梢姡娇諝庀鬄暮Τ蔀橛绊懞娇诊w行安全和正常的重要因素，民航氣象服務工作的重要性也愈加凸顯。

回顧近年，我國民航氣象行業(yè)無論從設備配備、人員資質(zhì)，還是安全意識上都取得了顯著成績，但行業(yè)資源不足、創(chuàng)新能力不強、協(xié)同水平不高等短板也較為突出，氣象服務水平與民航行業(yè)發(fā)展需求不匹配的問題依然存在。隨著新一代信息技術與天氣預報技術的深度融合應用，大數(shù)據(jù)和人工智能等為預報技術的發(fā)展提供了新平臺和新手段。本文以雷暴預報為例，通過分析近幾十年來國內(nèi)外預報技術相關文獻，嘗試探索未來民航氣象發(fā)展可能的方向；以民航湖北空管分局氣象臺為例，介紹湖北民航氣象服務產(chǎn)品，嘗試分析存在的不足。在此基礎上，嘗試從國際國內(nèi)學術研究得到的啟示出發(fā)，結合目前民航預報能力、航空氣象服務需求以及民航氣象監(jiān)管中發(fā)現(xiàn)的問題，提出一些改進建議，旨在為改進民航氣象服務產(chǎn)品和用戶需求的匹配度提供參考。

預報前沿技術初步研究

相對公眾氣象預報而言，民航氣象預報對時空精確性要求更高。傳統(tǒng)的航空氣象災害預報，主要依賴于預報員經(jīng)驗的主觀預報，不能滿足航空氣象需求。目前，氣象雷達（包括天氣雷達、風廓線雷達、激光雷達和云雷達等）、氣象衛(wèi)星、地面氣象站等觀測設施設備廣泛應用以及超算技術支撐下的數(shù)值模式快速發(fā)展，極大提高了民航氣象預報水平。隨著人工智能這一計算機技術在世界范圍內(nèi)的興起，基于人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡也逐漸被應用到航空氣象災害的預報中，取得了很好的預報效果。下面以雷暴預報研究為例，做進一步闡釋。

近幾十年國內(nèi)外的預報文獻顯示，雷暴預報技術可以分為兩類：潛勢預報和臨近預報。潛勢預報是以事先確定的氣象因子為判據(jù)，預報雷暴發(fā)生的可能性；臨近預報則是基于多普勒雷達、閃電定位儀等實況數(shù)據(jù)進行外推，預報雷暴出現(xiàn)的時間和區(qū)域。

（一） 雷暴的潛勢預報

雷暴潛勢預報方法的研究包含多元線性回歸、線性/非線性擬合方程、指數(shù)法、聚類分析法和判別分析法等。國外有學者通過邏輯回歸的方法建立了基于模式輸出產(chǎn)品的雷暴預報系統(tǒng)，實現(xiàn)12小時雷暴強度和區(qū)域的預警。國內(nèi)有學者基于貝葉斯判別準則，建立了雷暴預報的最優(yōu)子集法，對雷暴預報模型進行了改進。

基于人工智能的神經(jīng)網(wǎng)絡方法也逐漸應用于雷暴預報中。有研究對比分析了多元線性回歸和人工神經(jīng)網(wǎng)絡方法對北疆地區(qū)雷暴的預報，發(fā)現(xiàn)基于神經(jīng)網(wǎng)絡方法的預報結果優(yōu)于多元線性回歸。也有研究采用雙隱層BP神經(jīng)網(wǎng)絡的方法對該地區(qū)的雷暴天氣進行潛勢預報，其預報結果的TS評分較高。

（二） 雷暴的臨近預報

雷暴臨近預報技術包括：雷暴識別追蹤、外推預報技術、數(shù)值預報技術和以分析觀測數(shù)據(jù)為主的概念模型預報技術，也有學者對這幾種預報技術進行融合。如，有學者基于雷暴要素構成的預報方法，結合常規(guī)觀測數(shù)據(jù)、衛(wèi)星云圖和雷達數(shù)據(jù)對河南地區(qū)雷暴形成的氣象要素進行分析研究，其預報方法可以提前幾小時預報出雷暴。有學者提出了一種基于對流云特征溫度的雷暴解釋算法，該算法能滿足了航空用戶對于高時空分辨率的需求。還有學者通過雷暴與強對流臨近天氣預報技術研究指出，高分辨率數(shù)值預報模式的應用包括與雷達回波外推融合延長臨近預報時效，也為雷暴判斷提供重要參考。

（三）預報技術發(fā)展小結

歷經(jīng)半個多世紀的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)值天氣預報技術相比于傳統(tǒng)的預報方法，其時效性、準確率都有了質(zhì)的提高，很大程度提升了航空氣象災害的預報水平。數(shù)值預報模式運行時，首先會分析全球最新觀測資料并對大氣狀態(tài)初始化，然后以一定的時間步長累計計算大氣狀態(tài)的演變。早在1963年，氣象學家洛倫茲便指出天氣現(xiàn)象屬于混沌系統(tǒng)?；煦缋碚摫砻?，大氣狀態(tài)演變對于初始場微小誤差就十分敏感，初始場極小的誤差會隨時間步長累積而放大，產(chǎn)生“蝴蝶效應”。由此，在較長時間內(nèi)全世界均難以建立精準描述大氣未來變化的完善的數(shù)值預報模式。

另一方面，氣象災害的研究往往涉及大量數(shù)據(jù)的處理，而人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術能較好的解決工作量大的問題。但也存在一些尚無法解決的短板，比如機器學習不能涉及物理機制、可用的氣象數(shù)據(jù)樣本數(shù)量不足等等，因此這些技術在氣象中的應用前景也存在一定限制。

因此，未來航空氣象災害的預報需要結合數(shù)值模式和人工智能的方法，開展多領域技術融合的智慧預報方法，既要發(fā)揮數(shù)值預報的核心技術作用，也要充分利用人工智能的圖像識別、數(shù)據(jù)挖掘、關聯(lián)分析等優(yōu)勢，從而彌補數(shù)值預報的不足。此外，長時間序列、高時空精度氣候數(shù)據(jù)以及災害性天氣數(shù)據(jù)庫的研制，為人工智能參與航空氣象災害預報的研究儲備充足的數(shù)據(jù)樣本，也是航空氣象災害預報技術需要提高的方向，為我們改進民航氣象預報水平帶來了啟示。

民航現(xiàn)有氣象服務產(chǎn)品介紹

（一）氣象服務產(chǎn)品的現(xiàn)狀

根據(jù)《民用航空法》第八十九條，國家氣象機構應當對民用航空氣象機構提供必要的氣象資料。具體在湖北區(qū)域，民航各氣象臺通過引接湖北省市氣象局氣象信息綜合分析處理系統(tǒng)MICAPS 4，使用歐洲中期天氣預報中心（ECMWF）或者中國氣象局（CMA）的數(shù)值預報系統(tǒng)，并基于規(guī)章規(guī)范要求和用戶實際需求，提供了各類氣象預報服務產(chǎn)品。

以民航湖北空管分局氣象臺為例，目前提供的氣象服務產(chǎn)品主要有以下三大類：一是民航規(guī)章規(guī)范要求的基本氣象產(chǎn)品；二是民航空管系統(tǒng)要求的補充氣象產(chǎn)品（僅限于空管系統(tǒng)氣象臺）；三是氣象臺自主地根據(jù)各用戶相關需求，額外提供的特色服務產(chǎn)品等（見表1）。

表1：民航湖北空管氣象臺現(xiàn)有氣象服務產(chǎn)品

實踐中，特色服務產(chǎn)品中的對流圖形化預報產(chǎn)品，深受氣象用戶的好評。2022年3月份，民航湖北空管分局針對雷雨季雷暴氣象災害推出了該產(chǎn)品。在雷暴天氣來臨24小時前，通過繪制湖北民航管制區(qū)域內(nèi)對流活動區(qū)域圖形、天氣現(xiàn)象時間軸、區(qū)內(nèi)重要航路受影響時段表等，以圖文并茂的形式向航空公司、管制用戶展示未來雷雨天氣的變化情況（見圖1）。

圖1：雷雨圖形化預報產(chǎn)品示例

（二）氣象服務產(chǎn)品存在的不足

由上可見，伴隨著民航高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)段進階，面對著航空公司、機場、管制部門、運管委等氣象用戶內(nèi)在需求深層次轉(zhuǎn)變，民航氣象部門未止步于規(guī)章符合性，一直在努力打造直觀、簡潔、好用的氣象服務產(chǎn)品，但氣象服務水平與整個行業(yè)發(fā)展需求不匹配的問題仍長期存在。筆者認為原因有二：一是從目前氣象預報水平來看，提前預報較大范圍的天氣變化難度不大。但是在時間上要精確到小時甚至分鐘，區(qū)域細化到機場甚至跑道，客觀上存在難度。而機場氣象服務，相比于公眾氣象服務，恰恰需要更精準的預報。二是運管委對航空氣象預報的提前量要求提升了，同時還要保證準確率。特別是夏季雷雨季和冬天冰雪過程，運管委的航班調(diào)時，需要以精準的預報為基礎來做決策。為滿足民航運行保障的需求，雷暴過程的預報要至少提前6小時，甚至8～9小時以上。但是從民航預報的支撐產(chǎn)品水平上來看，2小時內(nèi)的預報產(chǎn)品可信度較高。更長時間的預報產(chǎn)品質(zhì)量往往不能滿足運行需求。

因而，從氣象用戶角度來看，民航氣象產(chǎn)品可用度、適配性不高。仍以雷暴預報產(chǎn)品為例，首先，規(guī)范要求發(fā)布的電碼類產(chǎn)品，用戶獲取較為困難，電碼解析需要一定的航空氣象知識儲備，用戶可用度不高；其次，發(fā)布的氣象服務產(chǎn)品種類不夠豐富，雖然在用戶產(chǎn)品圖形化上做出了諸多努力，可用度上也取得了一定成效，但精準性與用戶需求的匹配度仍存在較大差距；再次，機場警報的文字描述，由于不同主體間的差異化解讀，事實上也造成用戶和預報員之間產(chǎn)生理解分歧。

（三） 改進民航氣象服務的思考和建議

1.戰(zhàn)略層面：試點應用氣象集合預報系統(tǒng)，推進概率預報。

如前所述，由于大氣的混沌特性，即便采用全球最好的數(shù)值模式，也可能會做出很多糟糕的預報。也就意味著，單個數(shù)值預報模式不足以做出讓用戶滿意的完美預報，這需要引進多模式的集合預報系統(tǒng)和概率預報。集合預報可以對初始場加入一些擾動，對這些擾動的初始場進行數(shù)值積分，若不同的集合成員能給出類似預報，那么就判定預報結論高概率；如果各成員結論向不同的方向發(fā)展，那么概率就不會高，進而通過分析成員中預報結果比例來判斷概率值?；诩项A報得到的概率預報恰恰是氣象需要的重要且科學的信息。

綜上所述，建議民航選取試點，首先基于ECMWF或者CMA機構的數(shù)值預報系統(tǒng)做集合預報，再逐步建立民航集合預報系統(tǒng)。并基于此開展民航概率預報技術研究，提高民航預報產(chǎn)品的精準性。此外，可以建立機場歷史天氣資料庫，為將來民航應用大數(shù)據(jù)、人工智能技術，發(fā)展智能預報業(yè)務提供充足的數(shù)據(jù)樣本。

從規(guī)章政策層面的戰(zhàn)略而言，建議基于空管系統(tǒng)的資源、管理、人才等各方面優(yōu)勢，考慮各省在空管分局建立集合預報中心，對區(qū)內(nèi)中小機場預報給出指導性產(chǎn)品。對比于目前探索建立的省級機場集團設置的氣象服務中心，能更好解決中小機場氣象行業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，實現(xiàn)民航氣象行業(yè)整體發(fā)展水平和行業(yè)地位的提升。

2.戰(zhàn)術層面：改進預報質(zhì)量評分，提供質(zhì)量控制依據(jù)。

任何一項工作，如果不進行質(zhì)量評定和考核，就有可能會流于形式。以著陸預報為例，因民航中南地區(qū)空管局和湖北空管分局對其進行評分、考核、排名，其質(zhì)量水平維持在一定水準；對比轄區(qū)的一些中小機場，因沒有相應的趨勢報質(zhì)量考核評價和激勵措施，又加之報文編碼正確的考核壓力和自身趨勢報編報能力的弱化，造成漏發(fā)著陸趨勢預報嚴重，甚至局方檢查中有發(fā)現(xiàn)極個別預報員無論天氣狀況如何，著陸預報常年發(fā)布為“格式正確”的NOSIG（無重要天氣變化），這說明仍有個別預報員未建立起基本的趨勢預報發(fā)報習慣。目前中小機場僅對TAF預報中的重要天氣準確率有強制性質(zhì)量評價標準（依據(jù)為1995年民航總局空中交通管理局《航站重要天氣預報質(zhì)量評定辦法》）。2013年施行的《民航空管系統(tǒng)機場預報質(zhì)量評定辦法》僅適用于空管系統(tǒng)，該評分也對天氣條件較好的機場（例如三亞）有利，評分規(guī)則的客觀性存在改進空間。因而，建議以《民航空管系統(tǒng)機場預報質(zhì)量評定辦法》為基礎，盡快研究出臺全民航氣象行業(yè)適用的預報質(zhì)量評定辦法，并研發(fā)配套評分程序，為預報總體質(zhì)量控制和績效考核提供重要依據(jù)。

3.戰(zhàn)法層面：堅持用戶需求導向，提升服務理念。

樹立以用戶為中心的氣象服務理念，通過雷雨季赴運管委座談、氣象課堂進航司等調(diào)研活動，常態(tài)化聽取各類用戶需求，以用戶體驗來評價氣象工作，制定改進措施。從用戶的需求出發(fā)，更多研制圖形化/直觀化的氣象服務產(chǎn)品，試點開展航空氣象信息和服務產(chǎn)品向駕駛艙的實時傳輸?shù)龋倪M氣象服務產(chǎn)品的可用性。

此外，對各類產(chǎn)品用語進行統(tǒng)一。梳理并定義常見天氣特征描述性詞匯（見表2 ），對統(tǒng)一后的標準加以宣貫。增進共情、共景，打破“信息繭房”，幫助用戶更好地理解預報員的表述，實現(xiàn)“用戶所理解的”正是“預報員想表達的”的效果，改進氣象服務產(chǎn)品的理解一致性。

表2：常見天氣特征描述性詞匯

結 語

2022年1月，民航局印發(fā)《智慧民航建設路線圖》，明確了未來智慧民航建設各階段性目標和任務，它涵蓋了智慧出行、智慧空管、智慧機場、智慧監(jiān)管等方方面面，為民航各單位后續(xù)加快推進智慧民航建設提供了一幅施工圖。藍圖已經(jīng)繪就，智慧空管、智慧氣象建設正當其時，開展多領域技術融合的智慧氣象預報方法也勢在必行。

學習前沿經(jīng)驗，看清未來發(fā)展。從行業(yè)發(fā)展廣鏡頭來看，全球氣象領域航空技術研究已有諸多創(chuàng)新成果，國內(nèi)外雷暴預報方法均取得新的研究進展，但受限于混沌理論，單個完美的數(shù)值預報模式難以建立；人工智能和大數(shù)據(jù)分析技術與氣象預報的大量數(shù)據(jù)處理需求相吻合，但需要解決或容忍數(shù)據(jù)樣本少、物理機制無法融入等缺點。這都給我們把握航空氣象預報未來發(fā)展方向帶來了啟示。

立足當前實際，尋求解決策略。隨著民航發(fā)展，近年來，管制、航空公司、機場、運管委等氣象用戶對氣象服務產(chǎn)品種類要求越來越多，質(zhì)量要求越來越高，需求也更加個性化。民航氣象部門以規(guī)章為基礎，以用戶需求為導向，也在一直努力致力于更直觀、簡潔、好用的氣象服務產(chǎn)品體系。但氣象服務水平仍不能滿足民航行業(yè)發(fā)展需求。因而，戰(zhàn)略上，建議考慮以集合預報、概率預報、集中預報為重點的發(fā)展方向；戰(zhàn)術上，提倡以考核倒逼預報質(zhì)量的提升策略；戰(zhàn)法上，推薦以共情、共景，滿足用戶需求的具體方法。以期不斷改善氣象服務和水平。瞄準國際國內(nèi)氣象發(fā)展趨勢、聚焦氣象服務短板，靶向施策，不斷提升我國民航氣象服務能力與服務需求的匹配度。