美国气象与航天

1美国航空气象知识一、美国航空气象简介1.美国航空气象预报和服务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服务提出了很高的要求。（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服务的指导、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设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）2联合管理下的天气服务中心（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，致力于飞行安全保障，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）来进行发布。美国共有122个WFO来进行全国各商用机场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、马里兰州等6个机场的TAF预报。（3）气象服务航空公司不直接从WFO获得机场气象信息，由专门的气象服务公司为航空飞行提供气象服务。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行飞行的，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服务公司或自己细加工过的精细化气象信息。美国有多家气象服务公司，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3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，气象服务公司为航空公司签派、飞行员等用户提供的气象服务都是通过因特网进行提供，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服务系统，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；航路流量计划工具等。2.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4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，其探测范围基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、气象服务公司直接使用，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。3.航空天气预报理念和技术发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肤浅。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，不应该建立在忽视其他可能性的基础上，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”概念的基础和实践理论，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。5基于对这一问题的共同认识，美国大力发展精细化数值预报，并在此基础上大力发展概率预报。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。在我国航空气象服务中，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。而美国航空气象服务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行解读和决策。集合预报方法和概率预报产品对我国民航气象预报的发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，达到国内外先进技术水平，为民航气象行业首创。4.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6技术、方法，气候变化与台风生成、发展演变的关系。（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。5.航空气象服务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，由发出要求至服务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：（1）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基本资料，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。（2）围绕空管需求进行细分并建立专业系统，其中包括：i.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。ii.机场终端区综合天气系统（ITWS）：该系统能集成多种7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。iii.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。iv.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行拼图形成，可提供全国范围内对流系统的发生、发展情况、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服务。v.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计划时参考使用，主要为流量管理中心服务。vi.新一代网络在线天气（NNEW）：基本功能为气象信息传递和服务系统，获取、管理、分发并利用天气信息，提供准确、及时的天气信息。vii.航路流量计划工具：此工具将气象信息作为一部分在ARTCC控制屏上显示，包括雷达回波实时显示、CCFP、8METAR、TAF、各机场日出、日落时间表、SIGMET、AIRMET、GAMET等综合气象信息。（3）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：改进预报流程，使其聚焦于航空；改进研究、开发和将其转化于运行中的状况；承担目前CWSU承担的服务，为机场终端区制作战术决策提供辅助产品；改进航空气象的管理。满足FAA的需求，提供更有效的服务。（4）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行四维同化处理，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，协商飞行计划。四维数据库（4DWx）将于2012年启用。（5）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提供气象服务。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服务。（6）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。（7）异地预报的制作和发布：WFO制作发布周边机场的预报，9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、分析与比较分析对比中美航空气象业务运行架构、运行模式、业务系统、服务方式等的不同，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。1.中国航空气象业务体系的优势由于美国航空气象服务基本上是由气象服务公司提供服务，而不同气象服务公司对同一地点、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服务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、预报和服务都是由民航气象部门统一发布的。随着我国民航气象服务体系建设的不断完善，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给航空气象用户，更有利于用户进行决策。此外，我国的机场气象台直接面向用户服务，可以更快捷地掌握用户的实际需求。102.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，都在进行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服务同属于NOAA负责发布，所以上述这些机构的研