智慧航空气象服务发展展望
摘要：以智慧赋能，让航空气象服务更“懂”用户的需求，智慧航空气象已成为民航高质量发展的时代特征。加强物联网、云计算、大数据、人工智能、5G 通信等新一代信息技术在航空气象领域的应用，推进航空气象服务智能化、智慧化，提升科技自主创新能力，已成为我国航空气象发展的重要战略。
引言：
“强智慧”是“四强空管” 建设的重要内容，发展智慧航空气象是民航气象行业发展的时代特征，是民航气象高质量发展的必由之路。
智慧航空气象是通过新一代信息技术与航空气象的深度融合应用，使航空气象服务系统具备自我感知、智能分析决策和自适应能力，呈现出安全高效、精准协同等新特征。发展观测协同、预报精准、服务智能、管理科学的智慧航空气象，是民航高质量发展的重要支撑，是全面推进航空气象现代化的重要途径。
一、以人工智能为代表的新技术在航空气象领域的应用不断深入
目前，人工智能发展已经进入了跨界融合新阶段。在航空气象领域，人工智能可以快速而有效地解决图像识别（如极端天气型分类和异常检测）、超分辨率处理（气候模式降尺度）、时间预测和空间预测等问题，并且能提高精度，而无需使用主观的经验判断或依赖于其他变量的预定义阈值的方法。
在观测方面，利用人工智能技术和大数据识别方法，可以实现天气实况自动判识，根据天气实况自动调整气象自动观测站、风廓线雷达、天气雷达、微波辐射计等观测设备的观测模式，实现对冰雹、雷暴、大风、强降水、风切变、颠簸等高影响天气的实时、精准监测预警。
在数值预报方面，人工智能逐渐成为数值模式的补充，通过研究物理和数据驱动模型之间的各种协同作用（改进模式参数化、数值模式订正等），最终形成更优的混合建模方法，处理目前预报中存在的一些不确定性问题。
在服务方面，可通过航班运行信息分析提高研判航空用户需求的能力，提升气象服务的精细化和个性化服务能力。应用3D、VR、AR 等信息包装技术，发展5G应用场景，丰富可视化航空气象服务产品，拓展航空气象服务领域。
预期在“十四五”时期，随着5G 的部署及物联网的进一步发展，人工智能将会深入融合到航空气象观测、预报、服务的全过程。
二、智慧航空气象技术线路图
智慧航空气象技术发展应主动对标国内外先进水平，借助新一代信息技术驱动航空气象科技创新，提升航空气象的智慧能力和服务水平。
基于大数据、人工智能、快速循环同化预报与数值预报解释应用技术，对数量巨大、内涵丰富的高精度气象探测数据、数值预报产品以及航班运行信息进行挖掘应用，通过知识图谱、深度学习等技术，建立人智协同，实现对飞行全过程的气象要素无缝隙预报和滚动更新，实现气象对航空运行影响的量化评估，为CDM、流量管理、飞行以及管制运行提供战略和战术决策支持，给出航班流重构和航班改航建议。基于“云平台+终端应用”方式，实现航空气象信息与管制、航空公司、机场的快速共享与场景融入式智慧化预警服务，提升航空气象经济价值。通过高速地空数据链，飞机驾驶舱可以获取更丰富的四维航空气象信息，使飞行员掌握更加详实的航站、航路天气实况和预报预警信息，航班运行安全将得到更加有力的保障。
细分领域的核心技术路线图见表1（部分）：
|
细分领域 |
序号 |
核心技术名称 |
技术描述 |
|
航空气象智能观测技术 |
1 |
多雷达协同观测技术 |
基于多部多种气象雷达，进行协同自适应组网观测，构建反映大气真实状态的时空高分辨率的三维实况分析场，实现对中小尺度强对流天气等灾害性天气现象的立体化监测和预警。 |
|
2 |
多传感器智能观测技术 |
基于5G、物联网通信网络，实现雷达、气象站、风廓线、微波辐射计等多类型气象传感器的智能物联，构建最佳的观测策略协同多类型传感器对三维空间气象多要素进行协同观测。 |
|
|
3 |
云能天智能识别技术 |
基于多传感器观测数据、摄像头图形图像观测系统，应用大数据分析技术，人工智能技术实现天气现象的识别，天气现象包括：云、雾、雨等等。 |
|
|
智能预报技术 |
1 |
0-30小时气象短临客观预报预报技术 |
基于雷达、卫星等多源观测数据，采取光流外推、人工智能、快速循环同化预报、数值预报偏差订正技术，实现有效时间为0-30小时机场终端短临客观预报。 |
|
2 |
航路危险天气（颠簸、积冰）监测预警技术 |
围绕航路危险天气（颠簸、积冰、强对流等），基于多源观测及数值预报产品，生成航路危险天气客观监测预警产品。 |
|
|
3 |
对流尺度集合预报技术 |
构建对流尺度分辨率，每小时1启报，预报时效为12小时，20+成员的集合预报系统，实现区域对流尺度3km水平分辨率下的集合预报，提供未来0-12小时精细化气象预报产品及其可信度。 |
|
|
气象—运行协同技术 |
1 |
航空运行气象协同决策技术 |
基于客观天气监测与短临预报结果，为复杂天气下，为管制运行、流量管理、签派放行、机场运控等提供协同产品。 |
|
2 |
基于知识图谱的航空飞行辅助决策技术 |
应用知识图谱技术，从图片、文本、音频、视频等纷乱模糊的气象大数据中，应用图分析技术挖掘气象信息与航空运行决策信息之间的关系和映射，实现基于气象信息的航空运行的决策支持。 |
|
|
3 |
基于5G的天气实况场景融入式服务技术 |
基于5G通信技术的将机场关键位置的数字化大气实况与预报信息通过三维全息实现场景融入式实时观测即时呈现，实现机场终端区三维数字地形地貌与三维数字大气三维全息虚拟现实呈现。 |
|
|
气象服务技术 |
1 |
气象大数据分布式存储与共享技术 |
实现各类观探测与预报数据的统一采集、存储、管理，基于MySQL存储结构化监测与预测资料，基于MongoDB存储非结构化数据、基于HBase存储半结构化混合数据，在此之上构建基于时间索引、空间索引和要素索引的大数据SQL查询器。为气象数据处理、服务产品制作、应用功能开发开展提供统一、规范的数据环境，以及高效的数据访问接口。 |
|
2 |
气象大数据二三维可视化技术 |
使用硬件加速提升气象数据图形显示分析能力，基于WebGL进行三维数字大气的图形渲染，通过三维立体方式更为直观地呈现风暴结构。 |
|
|
3 |
天气实况虚拟现实与增强现实技术 |
通过对三维数字大气的实时构建，与三维可视化渲染，应用VR（虚拟现实）技术和 AR（增强现 实）技术实现对天气实况的重建，让航空公司、机场公司与公众用户以身临其境的方式感受所关心位置的天气状态，形成沉浸式的天气实况与服务体验。 |
表1 核心技术线路图
三、建设思路：建立智慧航空气象信息网络体系
智慧航空气象的重要特征是以信息为中心的运行或服务。充分应用5G、大数据、物联网、云计算、人工智能、数据模拟仿真等现代信息技术，实现物联、数联、众联，对高影响天气的发生、发展及消亡全过程进行智能感知、智能识别、智能推演、协同决策、智慧服务，从而建立智慧航空气象信息网络体系（见图1）。
图1 智慧航空气象信息网络体系
围绕智慧航空气象信息网络体系，智慧航空气象服务体系需建立全面覆盖机场终端区和航路的无缝隙、精准化、智能型气象服务体系，构建多尺度灾害性、极端性、高影响天气的客规化、定量化、协同化的气象预测和协同决策支持系统。
发展网络化智能识别技术，实现地面、高空和空间等多种观测手段的互联协同，在自动判识或预报出现灾害性天气时，各类观测设备自动切换合适的观测运行模式，对目标天气系统展开协同观测。
1.建立机场终端区智能协同观测网络
应用分布式通信技术，实现机场终端区天气雷达、自动气象站、风廓线雷达、激光雷达、微波辐射计等多类型气象传感器的智能物联和同步观测，构建最佳的观测策略协同多类型传感器对航空飞行三维空间随时间变化的气象多要素进行联合观测，运用AI技术构建多传感器智能融合算法，对多种传感器获取的时间、空间、气象要素等多维信息进行综合处理和优化，分析多种传感器的内在联系和规律，构建真实的四维天气实况分析场。对于大型枢纽机场，还可以部署相控阵制式天气雷达和云雾雷达，以增强强对流、风切变、低云低能见度等天气监测预警能力。
2.建立航路雷达智能观测网络
针对航路强对流监测网不足的问题，构建覆盖全国的主要航路雷达观测。建设C及S波段多普勒天气雷达，平均站距不超过150公里，实现全国主要航路全覆盖，并运用协同智能观测技术，建立智能雷达观测网，通过智能弹性观测和协同组合观测，实现重点航路特定飞行高度或区域的双重或多重覆盖。基于航路雷达观测网，可实现强对流精细化监测，监测空间分辨率小于1km，时间分辨率不低于6分钟，提升航路强对流天气的监测预警能力。
随着空基、天基、地基等多设备协同观测技术的进步，机载探测设备、气象卫星与地面探测设备也将实现协同观测。
(二) 数联：建立航空气象大数据智慧云平台
基于快速高效的分布式大数据气象存储访问技术，实现航空气象观测资料、数值预报资料以及地方气象信息的充分共享，建立统一的业务平台和外部用户唯一权威的航空气象信息源——航空气象大数据智慧云平台。
基于航空气象大数据智慧云平台，发展多源观测资料和多尺度数值模式产品的海量气象信息综合统计后处理系统，打造智能型、协同性、开放式的气象综合分析与预报预测平台。研发智能化分析技术，实现基于天气系统识别、极端天气监测、协同过滤推荐、机器学习集成、深度学习建模等灾害性天气监测、预报、预测功能。研发高分辨率、多要素气象数据的二、三维一体可视化分析和交互技术，实现预报员高效智能的数据交互分析与预报产品制作功能。建立实现多源数据智能分析、多维可视化、海量数据处理和快速交互编辑的智能型综合分析和预报系统。
应用人工智能技术，开发冰雹、龙卷、台风、风切变等多尺度灾害天气精准化的预报预警技术，包括：综合应用多源资料的对流初生和强雷暴大风、强龙卷、冰雹等的识别技术；基于物理机理、特征统计和机器学习的强对流天气分类及精细临近预警技术；极端天气预报技术等等。
（三）众联：为用户提供智慧服务
众联，即实现运用云计算、大数据、移动互联网等技术实现对传统航空气象服务业务的整合，推进多种服务平台、多种气象服务提供方式的上下贯通和资源共享，融合基础服务、决策服务、行业监管、公共服务、增值服务等多种功能，建成集交互平台、内容平台、用户平台、监管平台于一体的智慧气象服务多功能平台，提升航空气象服务的开放性、广泛性。
开发航空气象智能化服务引擎，建立以用户请求快速响应、服务产品自动精准匹配的智能化气象服务体系，通过互联网和移动终端多渠道推送航空气象服务产品，以便航空运行部门、行业监管部门和决策人员随时掌握气象信息，公众用户及时获得航空出行所需的气象信息。利用深度学习、用户画像等技术，打造以用户为中心的智慧航空气象服务新模式。通过用户意见反馈智能分析，实现航空气象服务部门与用户的双向互动。
通过物联、数联、众联，建立智慧航空气象信息网络体系，实现从综合探测、数据应用及智慧服务的全面整合，从而建成面向未来的具备自我感知、深度分析与智能决策、交互式按需响应服务的航空气象业务体系——智慧航空气象服务体系。
四、结语
面向“十四五”，站在我国民航气象事业腾飞的历史节点上，把握世界航空气象科技发展大势，提高我国航空气象科技自主创新能力和核心技术水平，全面构建智慧航空气象服务体系，努力建成世界一流的航空气象科技强国，为我国民航高质量发展提供强有力的气象保障。（作者：区志中 民航中南地区管理局）
参考文献：
[1] 中国气象局. 粤港澳大湾区气象发展规划（2020－2035年） [Z].
[2]冯金平，张勇. 增强服务能力 提升运行效率——民航西南空管局与中国电科十四所“航空智慧气象实验室”揭牌[J].空运商务，2020(01).
[3] 王钧立. 智慧气象平台实现技术初探——以重庆市渝北区气象局为例 [J].三峡生态, 2019(9).
[4] 霍娜. 互联网+行业：太极股份智慧航空气象的势与谋 [N]. 信息化时代, 2020.1.19.
[5] 陈阳权, 杜安妮, 张利平, 王清平, 朱国栋. 基于航空气象报文的辅助决策工具实现和应用 [J]. 气象水文海洋仪器, 2019(04).
