浅析航空数值预报系统设计与维护

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[摘 要]在本文中笔者提出了由信息处理系统、有限区域预报系统、航空重要气象预报系统、数值预报产品图形图像处理系统四个分系统组成的航空数值预报服务系统的总体设计方案。该方案构成了一个完整的航空预报服务平台，对于提高航空数值预报的准确性，减少航班延误现象，降低飞行事故的发生率具有重要作用。

[关键词]航空；数值预报；系统；维护

中图分类号：V351.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）44-0256-01

随着我国人民的生活水平的提高，航空运输事业也在蓬勃发展。随着航班量的增多，进一步保障航空安全，提高航空气象部门的探测能力以及数值预报服务水平已成为我国航空服务业工作的重中之重。

一、航空数值预报系统构成

（一）航空气象信息预报系统概述

数值天气预报是根据当前大气的实际情况，在一定的初值和边界条件下，通过使用大型计算机做数值计算，求解描写天气演变过程的流体力学和热力学的方程组，预测未来一段时间内大气的运动状态和天气现象的方法。目前航空行业主要应用WAFS系统（World Area Forecast System），为航空气象用户提供图象和数字格式的气象预报产品。该系统主要由信息处理系统、GRAPES区域预报系统、航空重要气象预报系统、数值预报产品图形图像处理系统四个分系统组成。

1.数值处理系统

和一般用天气学方法、并结合经验制作出来的航空天气预报不同，数值预报是定量和客观的预报。数值信息处理系统所用或所根据的方程组和大气动力学中所用的方程组相同，即由连续方程、热力学方程、水汽方程、状态方程和 3个运动方程（见大气动力方程） 共7个方程所构成的方程组。方程组中，含有7个预报量（速度沿x，y，z三个方向的分量u，v，w和温度T，气压P，空气密度ρ以及比湿q）和7个预报方程。方程组中的粘性力F，非绝热加热量Q 和水汽量S一般都当作时间、空间和这 7个预报量的函数。通过高性能计算机求解方程组，获得未来7个未知数的时空分析，这就是未来天气分布情况。

2.GRAPES区域预报系统

GRAPES（Global/Regional Assimilation and Prediction System）―全球区域同化预报系统，是中国气象局负责研究开发的、研究与业务通用的数值天气预报系统。该系统是集常规与非常规变分同化、静力平衡与非静力平衡、全球与区域模式、科研与业务应用、串行与并行计算、标准化与模块化程序、理想实验与实际预报等为一体，中小尺度与大尺度通用的先进数值预报系统。

3.航空重要气象预报系统

航空重要气象预报系统指气象监视台的可能影响航空器飞行安全的特定航路天气现象的出现或预期出现的情报，是航空数值预报必不可少的部分，这对于航空安全至关重要。

4.数值预报产品图形图像处理系统

通过应用数值预报产品图形图像处理系统，可以提供较准确的数值分析资料，进一步满足现代航空对于气象服务的需求，不断提高数值天气预报的水平，提高预报精度。

（二）航空气象信息预报系统流程设计

如图一，航空气象信息预报系统的具体流程为：首先，气象数据库进行GRIB资料提取并且进行数据插值及结算、数据分类与处理；然后，制作GRADS基本图形并且进行图形产品的二次处理，同时根据不同天气类型图形分类打包；最后，输出显示预报信息。在运行数值预报系统程序之前，工作人员还需要进行一些设置，这些设置包括将观测资料放到指定位置、设置预报启动/停止时间、预报间隔等，满足系统进一步操作的需要。

1.最大风速的预报

在飞机的飞行过程中，风速是对飞机影响最大的气象要素之一。对于最大风速层所在高度、风向、风速进行预报，可以缩短飞行时间、节约航空燃料。

2.飞机积冰的预报

积冰指数=（（RH-50）*2）*（T*（T+14）/-49），指数为正，代表孤立的潜在积冰区，而最可能出现积冰的区域，积冰指数接近100。基于WINDOWS平台，利用积冰数值预测系统以及GRADS 绘图软件图形化输出，并按照算法定义的积冰类型和强度等级进行标注，对机积冰情况进行预报，进而帮助飞行员选择最优的航线进行绕飞，避开积冰区域。

3.降水情况的预报

降水会使能见度减小，增加飞机飞行的难度；过冷却的雨滴会导致航路积冰情况；降水产生的碎雨云也会影响飞机的起飞和着陆；大雨下方容易出现较强的下降气流，飞机在这种环境中飞行，会产生颠簸；有时大雨和暴雨能使飞机发动机熄火；大雨恶化飞机的空气动力，如果飞行员未能立即采取措施，飞机飞行的高度就会发生改变，甚至发生事故。因此，对于降水情况的预报可以进一步降低事故的发生率，保证飞行安全。

二、航空数值预报系统的维护

（一）建立数值信息共享平台

在机场现有的网络通信条件下，综合利用雷达观测、船舶观测、卫星观测等方式，建立数值信息共享平台，利用Web的形式，每隔3小时输出一次数值预报的结果，并进行系统评价，及时排除突发性的故障，提高数值预报的分辨率与准确性，做好数值预报系统的维护工作。

（二）数值预报产品误差检验

航空数值预报系统的维护过程中，不仅要根据系统的设计要求和实际工作情况进行定点定时的巡视检查，还要进行误差检验。在数值控制系统的测量输入通道中，一般存在器件的零点偏移和漂移，造成参数的不稳定或者导致数值误差的出现，工作人员要运用适当的技术进行校正，定期进行数值预报产品检验及误差分析，择优选择航空数值预报产是提高预报准确率的有效途径。主要应用以下两种检验方法。

1.天气学检验法：主要针对某一天气过程、天气系统等预报的位置、强度等的检验，重点关注各标准等压面的风速，温度等要素以及地面降水的量值预报。

2.WMO检验法：按照WMO的检验标准，对形势场，即位势高度进行数值的常规检验。

三、结论

航空数值预报对机的安全飞行意义重大，因此预报人员要进一步整合预报数据，有效利用高性能计算机技术以及气象卫星、气象雷达、自动观测系统，然后再发送给空中交通管制、机场和航空公司等部门，保证航空数值预报系统的准确性，降低飞行事故的发生率。

参考文献

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