空管与气象信息一体化运行研究分析

傅子涛

（中国民用航空华北地区空中交通管理局，北京　100621）

基金项目：高密度机场终端区空中交通拥堵演化原理及协同疏导技术研究（BK20170157）；终端区气象服务技术研究（2017年民航空管科技项目）；基于相似日选择的流量管理策略研究（2018年华北空管局科技项目）。

作者简介：傅子涛（1982—），男，江西新余人，高级工程师，硕士，主要研究领域为流量管理、气象与空管一体化运行。E-mail：fuzitao_caac@163.com

摘　要：航空气象作为影响空管运行的重要因素，国内外均开展了空管与气象信息一体化的实践与研究工作。在阐述国际民航组织基本气象服务要求的基础上，深入分析了管制指挥与流量管理对气象服务信息的需求，并对美国和我国在气象辅助决策分析方面的研究进展和系统研发情况进行深入的分析，为我国开展空管与气象信息一体化的研发工作提供借鉴和参考。

关键词：航空气象服务；空管运行需求；空管气象一体化

中图分类号：V355.1　文献标识码：A

Research and Analysis of Air Traffic Management and Meteorological Information Integrated Operation

Fu Zitao

（China Civil Aviation Air Traffic Management Bureau in North China，Beijing，100621，China）

Abstract：As an important factor affecting the operation of air traffic management，the practice and research work of air traffic management and meteorological information integration has been carried out at home and abroad.On the basis of expounding the requirements of ICAO basic meteorological services，it deeply analyzes the demand of meteorological service information for air traffic control and flow management，and deeply studies the research progress and development of meteorological aided decision analysis system in the United States and China.The analysis provides reference for the research and development of air traffic management and meteorological information integration in China.

Key words：aviation weather service；air traffic management operation requirements；air traffic management and meteorological integration

0　引言

航空气象服务是关系飞行安全、正常和效益的重要因素，准确、及时地提供气象信息是航空系统安全运行的重要基础。我国民航运输业的持续快速发展，给空中交通管理对气象信息分发的及时性、预警预报的准确率、信息资源的集约化、气象产品的精细化、气象服务的决策辅助能力和集中统一程度等方面提出了更加迫切的需求。按照国际民航组织航空组块升级（ASBU）B1-AMET模块“管制-气象信息一体化”建设目标[1，2]，需将空管与气象信息进行深入融合应用。

国际上根据气象信息在空中交通管理中应用的程度分成5级。其中，第一级是气象和空中交通管理信息单独显示，第二级是能将相关信息融合显示，第三级是可分析气象对空域的影响程度，第四级可显示受气象影响的航班，第五级能提供相应的辅助决策建议。气象在空中交通管理中应用程度层级分类如图1所示。

1　基础气象服务

航空气象服务机构主要以各种航空气象产品的形式对外提供民航气象服务。服务产品包括机场天气报告、机场预报、着陆预报、起飞预报、区域预报、航路预报、重要气象情报、低空气象情报、机场警报、风切变警报和航空数值预报产品等，以及转发的国家气象的相关观测和预报产品等。这些航空气象服务产品是航空公司制定和调整飞行计划、管理部门进行管制指挥和运行决策、民用机场设施设备管理的重要依据之一，是飞行安全和效益的重要保障。航空气象服务领域与公众气象服务领域的产品相比有三个显著的特点：时空分辨率高、空间覆盖范围广、产品种类繁多。国际民航组织在附件三中给出了满足航空运行的基本气象服务建议[3]。各个国家的因国情不同，服务产品有一定区别，但概括而言，这些航空气象服务产品主要包括两大类：一类是关于当前天气情况的观测，一类是关于未来天气情况的预报。

航空气象观测产品主要包括机场例行天气报告、机场特殊天气报告、火山活动观测报告、航空器例行观测、航空器特殊观测等。

航空天气预报产品包括机场预报、着陆预报、起飞预报、区域预报、航路预报、重要气象情报、低空气象情报、机场警报和风切变警报等。

2　空管运行需求

根据国际民航组织附件三航空气象服务要求所提供的基础气象服务，基本可以满足空管、航空公司安全运行的需求。为提升运行效率，管制指挥和流量管理作为空管的核心业务对气象产品的水平有更高的要求。

2.1　管制指挥运行需求

2.1.1　塔台管制气象信息需求

机场塔台管制服务是飞机到达和离开机场的控制，为其提供的气象信息包括机场的机动区（飞机跑道和滑行道）和机场附近（即在实际的起飞和着陆，或将要进入或离开的航线）。需要提供给塔台的气象信息包括：

（1）机场例行观测和特殊报告，包括趋势预报、METAR和SPECI、TAF和修订报，以及机场有关的信息。

（2）重要气象情报（SIGMET）、低空气象情报（AIRMET）、机场警报、风切变警报及特定空域的航空器观测报告。

（3）与当地气象服务机构约定的其他的气象信息（如跑道表面风的预测，用于确定跑道方向）。

（4）本场实时的天气雷达、气象卫星云图。

（5）与当地气象服务机构约定的关于火山灰的信息，主要是SIGMET的消息尚未发布时，关于火山灰云的信息。

（6）与当地气象服务机构约定的关于火山喷发前、火山喷发和火山灰云的信息。

（7）还有其他特别注意机场附近的重要气象条件的观测和报告，特别是在爬升和接近区域。这些条件包括积雨云或雷暴、中度或重度颠簸、风切变、微下击暴流。

（8）0～2h内机场塔台管制区域内较为准确的对流性天气趋势预报。

机场塔台管制部门利用机场自动观测数据的实时显示确定使用的跑道方向。塔台管制部门利用本场实时的天气雷达、气象卫星云图显示、实时更新的机场预报以及其他气象情报得到风向/风速、能见度、一些重要天气现象的起止时间，保障航空安全，提高机场的运行效率。

2.1.2　进近管制气象信息需求

进近管制为航班抵达或离开一个或多个机场提供空中交通管制服务。需要提供给进近的气象信息包括：

（1）终端区所有机场的机场例行观测和特殊报告，包括趋势预报、METAR和SPECI、TAF和修订报，以及机场有关的信息。

（2）重要气象情报（SIGMET）、低空气象情报（AIRMET）、机场警报、风切变警报以及特定空域的航空器观测报告。

（3）本场实时的天气雷达、气象卫星云图。

（4）与当地气象服务机构约定的关于火山灰的信息，主要是SIGMET的消息尚未发布时，关于火山灰云的信息。

（5）与当地气象服务机构约定的关于火山喷发前和火山喷发和火山灰云的信息。

（6）还有其他特别注意机场附近的重要气象条件的观测和报告，特别是在爬升和接近区域。这些条件包括积雨云或雷暴、中度或重度颠簸、风切变、微下击暴流。

（7）0～2h内终端区域内较为准确的对流性天气趋势预报。

终端（进近）管制部门将机场天气报告、趋势预报、机场预报其修订预报及重要气象情报、低空气象情报、风切变警报及告警、机场警报、航空器观测报告等，用于分析恶劣天气对航路、航线的影响。辅助确定合适的进离场航线，为进场、离场飞行的航空器提供安全、高效的空中交通管制服务。

2.1.3　区域管制气象信息需求

为在其管辖区内管制飞行提供空中交通管制服务而设立的单位，需要提供给区管的气象信息包括：

（1）终端区所有机场的机场例行观测和特殊报告，包括趋势预报、METAR和SPECI、TAF和修订报，以及机场有关的信息。

（2）高空风温预报。

（3）重要天气预报。

（4）重要气象情报（SIGMET）、低空气象情报（AIRMET）、机场警报、风切变警报，以及特定空域的航空器观测报告。

（5）本场实时的天气雷达、气象卫星云图。

（6）关于意外释放的放射性物质的信息。

（7）热带气旋信息。

（8）与当地气象服务机构约定的关于火山灰的信息，主要是SIGMET消息尚未发布时，关于火山灰云的信息。

（9）与当地气象服务机构约定的关于火山喷发前、火山喷发和火山灰云的信息。

（10）0～2h重要天气的航路临近预报，包括生消趋势、影响范围、移动速度、移动方向和强度等较为准确的预测信息。

区域管制通过这些服务资源得出管制区内各种危险天气的位置和范围，为预设规避航路、开放绕飞空域、给航空器分配合适的高度层和时隙提供重要的决策信息，为采取合理的流量控制和运行策略提供必要的辅助信息。

2.2　流量管理运行需求

空中交通流量管理的目的，是在需要或预期需要超过空中交通管制（ATC）系统的可用容量期间，保证空中交通最佳地流向或通过这些区域。利用实时的全国、地区、终端区各类空域范围内天气形势和各主要机场天气变化趋势，预计或遇到影响航班正常的天气出现时，为运行协调决策部门提供机场和航路天气咨询服务，为运行决策提供辅助参考。因此，为空中交通流量管理（ATFM）提供的气象服务，侧重于根据流量管理的需要，提供24小时或更长的精细化气象预报产品，包括风向风速、能见度、重要天气现象起止时间等的预报。流量管理主要完成流量态势监控、流量预测/预警、流量调配和调配方案制定以及飞行流量评估等任务。在这个过程中，气象服务工作体现在以下几个方面：

（1）为各方建立共同情景意识提供必要的天气实况和预报信息。

（2）参与运行容量评估过程，分析天气对运行容量的影响程度，并提供量化的分析结果。

（3）参与流量管理方案的协同决策过程，在不同方案的选择和具体参数设置方面提供辅助决策。

针对预战术与战术流量管理阶段，主要的气象需求如下。

2.2.1　预战术流量管理气象信息需求

1）未来一周天气展望功能

针对春运、暑运、黄金周、大型活动和重要运输保障任务，提供未来一周的天气趋势展望，包括极端恶劣天气的影响分析。可根据卫星、雷达等探测资料、预报产品等，把天气信息转化成非气象参数，比如可能产生的空域约束条件，受到天气影响的空域等。

2）未来24小时天气预报及天气预演分析功能

针对未来24小时预计出现的雷雨、冰雪、大风、低云、低能见度天气，提供反映影响时段、影响范围和影响程度的直观预报产品，以表格、图形、图像或相结合的方式展现预报结果，突出显示受天气影响超过额定程度的扇区、航路和机场。以动态视频的形式反映未来24小时雷雨等对流天气对航路和扇区和影响过程，能够呈现出航路和扇区受雷雨影响的方式和程度，以不同颜色表示不同时间和地点的雷雨回波强度。

2.2.2　战术流量管理气象信息需求

1）天气态势实时监控功能

为各类天气实况观测产品创建综合显示界面，提供显示、查询、输出和自动告警功能。包括但不限于以下产品和信息：

● 自动观测信息；

● 航空例行天气报告METAR；

● 特殊天气报告SPECI；

● 终端气象雷达拼图；

● 闪电定位仪资料；

● 卫星云图；

● 飞行员报告。

2）传统气象预报产品综合显示功能

提供临近天气预报产品综合显示界面，提供显示、查询、输出和自动告警功能。包括但不限于以下产品和信息：

● 航空机场预报TAF；

● 重要气象情报SIGMET；

● 低空气象情报AIRMET；

● 机场警报；

● 风切变警报；

● 台风报；

● 航路积冰图；

● 航路颠簸刨面图；

● 重要天气预报图；

● 热带气旋路径图；

● 火山灰告警资料。

3）临近和短时天气预报天气预演分析功能

以空域信息为背景，以表格、图形和图像等形式，预报并展现未来6小时内雷雨天气系统的移动、生消以及强度分布和变化对机场、扇区和航路的影响情况。以动态视频的形式反映未来6小时雷雨等对流天气对航路、扇区和机场的影响过程，能够呈现出航路和扇区受雷雨影响的方式和程度，以不同颜色表示不同时间和地点的雷雨回波强度。

3　空管与气象一体化研发进展

结合管制指挥和流量管理等实际运行需求，美国等航空发达国家开展了相应辅助决策系统的研发工作，我国也进行了探索性的尝试。

3.1　美国研发进展

3.1.1　协同对流天气预报产品

协同对流天气预报产品（Collaborative Convective Forecast Product，CCFP）是FAA为流量管理定制的战略性产品[4，5]。该产品主要借助下一代天气雷达的联网资料，用中尺度和天气尺度理论进行分析或结合模式预报以及预报员的经验，由美国航空气象中心（AWC）、航路管制中心气象部门、航空公司气象部门及加拿大气象中心等单位通过天气会商联合发布，发布季节从3月1日到10月31日，标准时间从世界时08Z到04Z，夏令时从07Z到03Z，一天发布11次。有效时间为2～8h。该产品的主要用户为全国流量管理中心、航路管制中心及航空公司，用户可以通过互联网得到该产品。协同对流天气预报产品如图2所示。

CCFP不是对所有的对流活动进行预报，它所预报的区域不是“禁飞”区域。并且，它无法提供0～2h的临近预报。此外，CCFP不发布修订报。全国流量管制中心和各航路管制中心、各航空公司等，每天在现场每2小时举行1次电话会议，也就是美国国家层面的流量管理决策会议。在雷雨季节，这个会议讨论的主要内容基本就是天气问题，使用的气象预报产品就是CCFP。

CCFP基本是源于人工预报的产品，预报准确率有其局限性。为了提高预报精度，需提高预报的客观化程度。因此，FAA又组织开发了一系列的对流客观预报产品，如LCH（Lamp CCFP Hybrid），它根据数值预报模式结果，利用MOS（Model Output Statistics）统计方法，结合闪电定位仪、雷达资料，每小时更新1次，对雷暴活动进行的概率预报产品，有效时间为25h，如图3所示。

3.1.2　协作航空天气声明

从2015年3月3日起，美国航空气象中心（AWC）为美国国家空域提供协作航空天气声明（Collaborative Aviation Weather Statement，CAWS），CAWS是重要天气事件驱动、加入人工分析预报经验、改进型的协同对流预报产品。CAWS包含文本信息和受影响区域的图形图片，没有特定的发布时间，要求尽可能在雷雨发生前发出针对对流天气的CAWS，是预报员在对数值预报模式准确性的修订，其使用性优先于CCFP，是对CCFP有效的补充。CAWS和CCFP都将被流量管理部门用于支持决策策略，主要是为流量控制和航路变更提供决策信息，CAWS产品如图4所示。

3.1.3　空中走廊综合天气系统

空中走廊综合天气系统（Corridor Integrated Weather System，CIWS），主要用户是航路管制中心和终端管制中心[6，7]。CIWS提供0～2h的临近预报，是一种战术性流量管理产品。为了给航路交通流管理人员提供准确、自动化以及快速更新的关于风暴位置和回波高度信息，实现对空域更有效的战术使用，系统提供风暴的两小时高清、动态的增长及衰减预报，通过提前自动预报出雷达上雷暴的移动、发展和消亡，为航路和终端交通流量管理服务，使得航空管制中心管制员可以更好地利用空域，提高效率，降低管制员工作负荷及大量减少延误。信息每两小时更新一次，预报时段为15～120min。CIWS产品将补充和补齐CCFP。

CIWS产品包括空气柱水汽含量预报和回波顶高预报。它使用全自动预报，夏季对流季节30min内预报准确性在60%以上，冬季降水30min预报准确率在90%以上。对大范围稳定发展变化的系统预报准确性很好，但在预报对流的发生，特别是突发性对流，准确率较低。CIWS产品如图5所示。

3.1.4　终端区天气集成系统

终端区天气集成系统（Integrated Terminal Weather System，ITWS）是为终端航行系统用户提供安全和规划的产品，这些产品呈现当前终端区天气情况和未来20min左右的天气预报，并通过整合来自各类FAA和国家气象服务（NWS）部门的数据产品来实现，比如终端多普勒气象雷达（TDWR）、机场监视雷达（ASR-9）、下一代航空气象雷达（NEXRAD）、低空风切变告警系统（LLWAS）、场面自动观测系统（ASOS）以及其他NWS系统。由ITWS生成的产品包括风切变、微下击暴流的预测、雷暴单体和闪电信息、终端区域风，跑道风以及短期云顶和能见度预测[8-10]。

ITWS的预报有效时间为20min。主要功能包括微下击暴流的探测和预报、阵风锋的探测和预报、雷暴的位置及移动、风暴云团的资料、终端区域的风预报、龙卷风预报。未来的预报有效时间将由20min增加到60min，并将增加飞机尾流涡旋的咨询系统。

ITWS可以把实际气象雷达回波与异常传播生成的信号区分开，也是终端区空中交通管理人员使用的主要工具，以获得、处理及显示当前及预测的气象信息。在美国纽约终端管制中心使用的ITWS产品界面如图6所示。

3.1.5　航路可用性计划工具

在美国纽约终端管制中心，CIWS与航路可用性计划工具（Route Availability Planning Tool，RAPT）结合，主要使用CIWS的预报结果和云顶高。0～8h预报、未来的雷达回波图像，在对流天气影响下，提供飞机能否起飞和改变航路信息。

在纽约终端管制中心，CIWS与航路可用性计划工具（Route Availability Planning Tool，RAPT）结合，成为一个管制决策工具，大大提高了强对流天气时的航班离场率，并提高了纽约终端区域的航路引导能力。RAPT系统界面如图7所示。

3.2　我国探索性尝试

3.2.1　华北地区0～2h强天气短时临近预报系统

该系统基于雷达基数据实现了三维拼图和多方法0～2h外推，直接采用雷达基数据三维组网拼图，且支持中国气象局现有188部雷达基数据和华北民航自己的雷达基数据同时组网拼图及外推。利用民航空管系统、中国气象局系统的20部气象雷达基数据，实现华北管制区范围内的雷达三维实时拼图；利用多种算法实现雷雨回波的0～2h的临近预报，输出间隔为6min，同时给出管制区关键位置影响程度告警。华北地区0～2h强天气短时临近预报系统如图8所示。

3.2.2　广州终端区对流天气临近预报系统

中南空管局自行研制的广州终端区对流天气临近预报（0～1h）产品于2013年7月在相关管制部门投入试用，现在已经把该预报有效时间延长到2h，可对对流天气对各关键点及空间位置的影响程度进行定性的度量。广州终端区对流天气临近预报系统界面如图9所示。

4　结束语

随着民航事业的迅猛发展，航空用户要求更充分、更有效地使用空域资源，因而对航空气象服务技术的要求也不断提高。而在全球气候变暖的大背景下，极端天气事件尤其是严重影响飞行安全的危险天气频繁发生、强度增强，对航空气象服务提出了更高更新的要求。同时，现代电子信息技术的发展，为航空气象预报由传统的数字字符转变为图表型、智能型的决策工具创造了条件。种种原因都使得国际上航空用户对气象预报的需求已由单纯的气象产品向有效的决策支持工具转变。

国内空管与气象的融合应用基本处于第二级和第三级，气象服务暂不能满足管制运行的需求，尚存在航空气象预报的客观化程度偏低，预警的提前量不足，航空重要天气的预报准确率不高，产品精度和更新频率低，预报产品针对性不够，且服务方式自动化、信息化程度不高等问题，需要大量的人力来完成，不能保障信息传递的准确性、一致性和及时性，缺乏支持协同决策、流量管理、区域管制、终端区管制服务的标准化、业务化及客观化的气象产品。亟须加强空管与气象一体化运行的实践研究，开展以满足管制运行业务需求为目标的气象服务技术方法研究及系统研发工作。

参考文献

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