摘要：高原机场复杂的地形和地表状态决定了机场及其附近区域极易形成强烈的中小尺度天气系统，对飞行的安全造成极大的影响。亟需建立高原机场气象服务系统，解决高原机场的气象保障和服务问题。本文给出了建立高原机场气象服务系统的方案，即建立综合立体的高原机场气象探测系统；建立高原机场预报预警系统，以专门针对高原地理条件、气候背景的强大的航空数值天气预报模式系统作支撑；建立数据通讯、产品分发服务等系统，为空管、航空公司、机场运行部门等民航用户提供高精度、定时定点定量的高原气象预报服务产品。

　　一、引言

　　高原机场由于其特殊的地理位置和旅游资源，在国家的战略和经济中的地位突显。随着我国西部大开发战略的实施，我国高原地形复杂机场数量在不断的扩大。我国高原机场数量位居全球首位，截止到目前，我国有19个高原机场（海拔在1524至2438米），20个高高原机场（海拔超过2438米）。绝大度多数高原机场地形复杂。图1和图2给出的是林芝机场的地形图和九寨机场的图片，由图可见，机场周围地形复杂，高原山地常年积雪。

　　复杂的地形和地表状态在高原机场及其附近区域形成强烈的中小尺度天气系统，带来较平原机场更为复杂和强烈的天气过程，特别是地面强风，阵风、风切变等，对高原机场飞行安全构成极大威胁。例如，九寨机场经常有10米/秒以上的阵风，最大风速可达18米/秒，造成飞机无法安全起飞和降落；西藏林芝机场跑道两端侧风风切变可达15米/秒以上、顺风风切变可达8米/秒以上，严重影响该机场的飞行安全。这些强烈而复杂的天气过程给高原机场气象服务带来了较平原机场更大的困难。

　　图1. 林芝机场地形图。           图2. 九寨黄龙机场。

　　图3给出了九寨黄龙机场风场的变化，可以看出其风向风速的变化相当剧烈。图4给出的是2007年3月12日九寨机场风廓线雷达探测资料。由图4 可见九寨机场白天风场非常复杂。根据2004年四川航空提交给民航局的一份报告[1]，九寨机场和攀枝花机场由天气原因造成的航班不正常率分别占总不正常率的59%和70%。随着近年航班量的不断增加，其所占比例也越来越大。为此中国民用航空局针对高原及其他特殊机场的分类标准及运行要求发布咨询通告[2]。因此，更深入地认识高原机场的风场变化，进而提高复杂地形机场的风场诊断和预报的准确性，提高风场预报的时空分辨率，更好地保障飞行安全，具有重大的经济效益和社会效益。

　　图3. 2004年8月5日九寨机场2分钟平均风向风速变化图。

　　图4. 2007年3月12日九寨机场风廓线雷达探测。

　　国内外学者对高原机场天气特点进行了一些研究[3][4][5]，但我国在应用方面基本是空白。国内高原机场都还没有能力发布较高时空分辨率的天气预报，只有航空气象人员结合日常业务及经验对机场的地面风进行简单的预报。但是由于近年我国高原机场数量众多，而且还在不断的扩建场，认识了解高原机场天气变化特点变化，进而对其进行准确的预报是我国航空气象界必须着重解决的问题之一。

　　对于高原机场气象服务，鉴于高原机场天气情况变化迅速，甚至几秒的时间差和几米的距离差都可能造成差异显著的观测结果，飞行员认为，增加风向风速探测点的密度。在高原机场，由于空气稀薄、地速大、地形复杂等因素，飞行员对风情况的处置效果和时机远不如在平原机场。因此，提供及时的、范围较广的风切变、颠簸的预警与预报是每个飞行员对高原机场气象部门的期望。飞行员们都希望能得到小区域范围内的精细天气预报。航空用户希望利用航站的天气及气候特点，调整航班的起飞时间；利用机场预报缩短延误时间；利用及时可靠的信息进行运行控制等等，这些都是高原机场气象服务面临的新课题。

　　高原机场气象服务系统，建立综合、立体的高原机场气象探测系统，从而形成对山地机场和近进、起飞航路上的风场、云雾和其它危险天气过程的全面监测，并向航空公司和航班提供实时可视化监测报告。建立高原机场预报预警系统，以专门针对高原地理条件、气候背景的强大的航空数值天气预报模式系统作支撑，以现有的气象资料和预报手段，为空管、航空公司、机场运行部门等民航用户提供高精度、定时定点定量的气象预报决策服务产品。建立高原机场气象服务系统，解决高原机场的气象保障和服务问题。

　　二、重点任务

　　在我国一高原机场建设一套完整的，以现代化观测和预警预报模式为基础的，以影响飞行安全和经济效益的主要气象问题为对象的，适合高原机场的气象服务系统。高原机场气象服务系统由四个相互关联的子系统构成。

　　（一）     气象探测子系统

　　包括覆盖与我国一高原机场和近进航路气象问题相关区域的，以风温廓线雷达、斜置激光雷达、多普勒天气雷达和地面气象站为探测手段的地基观测网络，以及与数据采集、存储、预处理相关的设备和方法。

　　图5. 气象探测子系统。

　　地面气象探测系统的功能为：无人职守、全天候、连续获得并向资料中心传送，机场和邻近地区近地面天气过程以及产生和影响这些天气过程的大气要素观测资料。

　　风温廓线仪探测系统的功能为：无人职守、全天候、连续获得机场和进近航路两端地面以上100－3000米三维大气风廓线探测资料，并获得机场上空100－1500米温度廓线探测资料。垂直分辨率大约50－100米，时间分辨率为30分钟。各风廓线仪具有自动数据采集和传输的功能。

　　地面湍流探测网络的主要功能为，无人职守、全天候、连续地获得、处理并发送机场跑道和进近航路两端的地面大气湍流状况数据，包括：大气动量、热量和水汽脉动，及其平均状态等。各湍流通量观测仪具有自动数据采集和传输的功能。

　　机场终端多普勒天气雷达的功能为：全天候、连续扫描获得机场和进近航路上天气过程的信息（以图象和数字化探测资料为主），特别是与云、雨相关的微下击暴流、低空风切变、湍流等强烈天气现象。该新型多普勒天气雷达采用强脉冲功率的探测技术，可望探测到晴空风切变等天气现象，与我国现有业务气象雷达系统不同。

　　（二）     数据通讯子系统

　　包括观测数据传输网络、预警预报数据传输网络和产品分发发布网络的软硬件设备和方法。

　　探测数据通讯与处理系统所包含的硬件和软件将安装配置在机场气象服务中心，以光缆或无线传输方式与设置于机场跑道附近、近进航路和邻近地区的各观测设备建立数据链连接，从而接收、存储、检验、处理各探测设备发送的探测数据。

　　（三）     预警预报子系统

　　包括用于高原机场气象条件预警预报的数值模式和统计模式，以及满足上述模式运行需要的中型集群计算机系统。

图6. 预警预报子系统。 

　　利用一个中尺度气象模式ARPS[6]结合风场诊断模式CALMET[7]，建立高原机场客观化的天气预报系统。其关键在于将机场特有的观测资料以及探测子系统获取的资料与中尺度数值预报模式和高分辨诊断模式CALMET有机融合。具体研究内容包括：观测资料的诊断分析；利用融合同化得到的三维风场，理论分析与研究高原机场的天气特点；利用ARPS+ CALMET模式方案，对地形复杂的高原机场的天气进行数值预报研究，调试一个适用于高原机场的数值预报天气预报模式系统。

　　高原机场多地形复杂，这种环境条件下空间分辨率低的模式不能发挥作用。将中尺度数值模式ARPS和CALMET模式结合，利用ARPS预报的风场作为CALMET模式的初始条件，就可以得到高分辨的高原地形复杂机场上空风的预报，将风场的水平分辨率由几公里提高到100米（图7）。例如Manuel Prieto 等将MM5 和CALMET偶合用于复杂地形上的风场模拟，已经将CALMET的分辨率提高到了100米[8]。

　　图7. ARPS和CALMET结合，可将模式分辨率提高到100米。

　　（4）产品和分发子系统

　　包括机场天气气候背景产品、实时气象探测和告警产品、气象预警预报产品生成的相关设备、技术和方法，以及以交互通讯和多媒体技术为基础的产品分发设备、技术和方法。

　　图8. 产品和分发子系统。

　　三、总体目标

　　建立高原机场航空气象服务系统的总体目标是：在我国一高原机场建立一套现代化的高原机场气象服务系统，并以此为示范，向其它高原机场推广应用，提高高原机场气象服务水平，保障高原机场飞行安全，提高经济效益，满足我国经济发展的需要。

　　另外，本研发示范项目将为我国航空气象服务系统现代化作出有益探索，积累宝贵经验。示范项目的实施将扩大业务单位与我国高级科研机构的合作领域，将最新科研成果迅速应用于民航气象服务，同时还将为民航气象服务培养一批高素质人才。

　　四、讨论

　　恶劣天气已成为航空运输安全事故和航班延误的重要原因，据FAA统计，在美国本土，天气原因在航班延误事件中占76%，并且，由于航班量的持续增长，该比例呈上升趋势；在我国天气原因影响航班正常的情形与美国类似，尤其在高原机场更是如此，由于天气条件超标，航班在拉萨、林芝、九黄等高原机场的延误、返航、备降率远远高于我国平原机场的水平。

　　航空气象预报有着很高的经济价值，提高预报准确率就可能产生可观的经济效益，高原机场的航空气象预报经济效益就更加突出。因此，提供及时的、范围较广的大风与风切变、颠簸的预警与预报，详细的阵雨、雷雨与积冰区位置、强度的气象警报与预报，准确的低云和低能见度生消时间的预报，是航空公司和飞行员对高原机场气象部门的期望，也是我们气象部门所追寻的目标。

　　高原地区民航运输业的发展迫使我们不断提高高原机场的使用效率和性能。例如使用RNP飞行程序减小航路保护区，实现复杂地形的起降操作。随着机场使用率的提高和新飞行程序的采用，气象条件影响航班安全和正点的问题将变得越来越突出，成为飞行安全和运行效益的瓶颈，成为高原民航事业发展的制约因素。因此，改善高原机场气象服务的问题已经变成一个必须尽快予以解决的紧迫问题。我们必须建立一整套解决方案，包括高原机场气象条件的监测和预警预报系统，保障高原航空运行的安全，提高高原航空运行的效率，使高原机场的气象服务体系适应民用航空事业的发展。（作者：张中锋）

　　参考文献：

　　[1] 四川航空，2014: 川航股份司发[2004]279号。

　　[2] 《特殊机场的分类标准及运行要求》，AC－121－17）咨询通告，中国民用航空局飞行标准司，2008。

　　[3] 林　梅 ，穷　达，2006：邦达机场两次风切变浅析及航空气象服务思考。四川气象，第4期。

　　[4] William Benner, Thomas Carty, Michael McKinney and  Francis Law, 2000: Juneau Airport Wind System (JAWS) Wind Sensor Severe Weather Performance Test Report, DOT/FAA/CT-TN02/18.

　　[5] Sherman, C.A., 1978. A mass-consistent model for wind fields over complex terrains. Journal of Applied Meteorology 17,312–319.

　　[6] Xue M, DroegemeierK K, Wong V. ARPS-A multiscale non-hydrostatic atmospheric simulation and prediction tool Part I: Model dynamics and verification. Meteor. Atmos. Physics, 2000, 75: 161-193.

　　[7] Joseph S. Scire, Francoise R. Robe, Mark E. Fernau and Robert J. Yamartino, 2000: A User’s Guide for the CALMET Meteorological Model. Earth Tech. Inc.

　　[8] Manuel Prieto, Jorge Navarro and Jeffrey Copeland, 2007: A comparison of wind field simulations through a coupling of MM5/CALMET in a complex terrain. European Wind Energy Conference, May 2007, Milan, IT