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0 引言
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夏季雷雨天气导致空中交通管制[1]航班运行复杂,成为造成空域容量下降的主要因素,尤其在我国江淮地区长时间梅雨季节,带来大量降水及引发雷暴预警,影响周边空域航班正常运行。准确判定雷雨天气对空域容量影响程度,包括对管制扇区、终端区,甚至试飞空域等特殊空域的影响程度和影响时段,是流量管理战术阶段的重点也是难点,在保证空中飞行安全,提高空域运行效率,具有非常重要的现实意义。本研究结合现有气象产品功能,列举雷雨影响容量的关键气象指标,提出在战术流量管理阶段[2]雷雨天气对空域容量影响的量化评估模型,为管制气象协同决策机制[3]中运行容量判定提供技术支持。
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1 适用的气象产品
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现有气象产品适用于雷雨影响分析的主要有:雷达监测、卫星监测、数值预报、航空电报等。另外,闪电定位仪、地面自动监测、机场风廓线雷达等可以作为雷雨影响分析的辅助,如图1所示。
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图1 适用于雷雨影响分析的气象产品
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其中,雷达监测可以提供回波强度、回波顶高、覆盖范围、移动趋势等信息;卫星监测更新频次为15min,滞后时间30min,可以提供云顶高度、覆盖范围、移动趋势等信息;数值预报主要分为区域数值预报和临近预报,其中区域数值预报主要提供未来两天降水和雷暴落区等预报,而临近预报产品则关注0h~6h的天气演变;航空电报是主要机场范围内的天气,包括MET(例行天气报告)、SPE(特殊天气报告)、TAF(机场天气预报),其中MET更新频次为30min,SPE根据实况变化发布,而TAF的更新频次至少3h。另外,雷达拼图更新频次为10min,滞后时间15min;多普勒雷达覆盖半径200km,更新频次5min,滞后时间5min。
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结合历史数据及运行实际,明确雷雨关键指标与容量影响程度之间的相关性,是开展战术流量管理提升运行品质的必要环节。因此,合理选择气象产品监控雷雨关键气象指标,有助于准确评估雷雨影响程度。
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2 关键的气象指标
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基于适用于雷雨影响分析的气象产品,选取用于分析的五个关键气象指标包括:回波强度、降水强度、云顶高度、覆盖范围、位置趋势。
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其中,回波强度主要参考雷达监测,反映云团含水量,以雷达反射因子Z的对数形式dBZ表示,回波越强飞行越危险,机组改航需求越强烈;降水强度主要参考航空电报和地面自动观测,反映单位时间内降水量,常用单位是毫米/小时,降水越强机组建立目视越困难,尤其在起降阶段对飞机操控影响越大;云顶高度主要参考卫星监测和回波顶高产品,是指云体回波顶部所到达的高度,可以反映雷雨云团发展程度,云顶越高云团聚集能量越大,从云上飞越更困难,尤其是巡航阶段;覆盖范围反映管制空域被雷雨占用的比例,比如管制扇区、终端区或以关键机场/航路点为圆心的多边形或圆形,覆盖范围越广,可机动空域越局限,机组获得绕飞许可越困难;位置趋势主要参考卫星监测和数值预报,反映雷雨相对位置及移动趋势,从开始生成临近,到占用覆盖,最后离开消散,体现雷雨影响空域的不同阶段。
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指标权重可依据空域结构特征进行调整。民航仪表飞行管制空域主要分为高空和中低空管制空域,空域结构包括涉及的航路航线、高度层、报告点、限制区、危险区、禁区等空域要素,这关系到管制空域内的航班流向、冲突类型、管制方式及飞行特征等。空域结构不同受雷雨影响略有区别。比如高空管制空域,由于飞行高度层较高,所以雷雨云顶越高,航班从云上飞越更困难,因此对于高空空域来说,可以适当增加云顶高度的指标权重。但是,对于低空管制空域,尤其是机场周边管制空域来说,降水对起降阶段的飞行安全影响更大,因此低空空域降水强度的指标权重可以适当提高。
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另外,回波强度是反映雷雨天气的最核心指标,在管制运行中能够直观反映航班在空域内飞行危险程度,以及机组的绕飞意愿。对于较小范围的空域单元,且不考虑雷雨发展趋势的情况下,也可以单一采用回波强度指标进行评估。
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本文为简化说明模型评估方法,选取五个关键指标,并设定各指标影响权重为20%,见表1。其中,覆盖范围和位置趋势属于模糊性指标,为减少干扰,覆盖范围参考回波强度大于25dBZ的面积占用空域的比例。位置趋势用(+/-)表示雷雨核心区域边界相对于关键机场或航路点的距离在远离(+)还是靠近(-),其雷雨核心区域参考回波强度大于35dBZ的区域。
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3 评估模型及方法
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3.1 评估模型
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为便于实际操作,将单项指标强度简化为五级,1级为无影响、2级为较弱影响、3级为中等影响、4级为重度影响、5级为危险天气。单项分值为0-20分,总共100分,并参考总分值80-50-30分别给出红橙黄三级天气预警,结合航班延误应急响应机制[4]触发延误预警,其中指标影响等级划分标准如表2所示。
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3.2 应用方法
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在战术流量管理实际运行过程中,应用该模型评估结果,主要包括实况监测、临近预报、趋势讲解、循环决策及工具支持等环节,见图2。
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图2 战术流量管理决策流程
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气象支持席根据关键气象指标监测评估并发布未来2-6小时临近预报,协同流量管理员研判天气趋势并制定流量管理方案。根据雷雨演变,持续跟踪实施效果及模型评估建议,动态调整实际运行容量和流控措施,实现战术阶段容流平衡。
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4 典型场景验证
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4.1 验证空域
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上海终端管制区作为虹桥和浦东机场的主要进离港管制空域,同时叠加试飞空域等特殊任务保障,其运行容量调整不仅影响上海两场航班正常起降,而且关系到空域内特殊飞行任务执行。选取上海终端区研究具有一定代表性,尤其在雷雨天气条件下动态调整运行容量。通过应用量化模型判定天气对运行影响程度,基于空域容量评估[5]的静态值相应调整动态运行容量。最后,通过对比实际保障流量,从而验证该模型支撑空域运行容量判定的有效性。
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上海终端区总体上分为东西两侧主要管制空域,其中东侧管制空域主要负责浦东机场航班起降。运行验证选取东侧管制空域,如图3所示。所选空域静态容量简化参考关键机场通行能力[7](浦东机场通行能力最大值为76架次/小时)。
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图3 上海终端区东侧管制空域
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4.2 典型场景
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针对上海终端区东侧管制空域运行特点,选取夏季一场典型雷雨过程,通过调取当日气象记录、航班数据、雷达航迹等资料,进行量化评估验证。
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针对当日暴雨天气过程,华东气象中心在预战术阶段发布了“引发大面积航班延误的重要天气概率”通报[6],并启动暴雨灾害性Ⅳ预警。根据气象部门提供的天气预警,上海终端区启动04:00-24:00黄色大面积延误预警,其中08:00-22:00升级为橙色预警,如表3所示。
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此次天气过程,是一次典型的江淮气旋强烈发展东移的过程,低空急流出口处的强降水天气对苏皖地区航路及上海终端区造成极大影响。具体来看,强降水天气进入上海终端区,可分为四个阶段[7]。
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4.2.1 临近阶段
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当日凌晨,长江中下游及淮河流域之间西南气流加强,形成低空急流,并逐渐生成低涡切变。01:00时,降水云系发展加强。03:00时,强降水云团前锋东移临近浦东进离港点,如图4所示。
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图4 雷雨实况(01-06时段)
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4.2.2 覆盖机场阶段
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当日08:00,江淮气旋快速加强发展,其中心在安徽合肥附近,气旋暴雨带覆盖了苏皖中南部及上海地区。对流云团覆盖浦东机场,暴雨量达到每小时20mm~30mm,如图5所示。
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图5 雷雨实况(07-12时段)
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4.2.3 再次覆盖阶段
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当日16:00,江淮气旋中心已过南京,其后部的冷锋再一次在南京地区达到最强。随着江淮气旋东移,苏州境内的暴雨云团正向上海移动,上海中心气象台发布雷电、大风、暴雨三种黄色预警,俗称“三黄鸡”预警,如图6所示。
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图6 雷雨实况(13-18时段)
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4.2.4 减弱消散阶段
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直到23:00覆盖才略有南调,浅层切变南压至赣北浙江一线,低层急流明显减弱,气旋东移入海,脱离急流后逐渐衰弱,如图7所示。
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图7 雷雨实况(19-24时段)
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4.3 评估结果对比
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图8直观反映管制空域受雷雨影响主要时段,分别是03-12时段、16-19时段、21-23时段,按照天气影响等级划分标准,主要影响时段达到橙色天气预警标准,且局部时段09-11和18时段甚至达到红色天气预警标准。对比当日实际发布的04-24时段黄色延误预警,08-22时段升级为橙色,结合航班流量饱和程度看,评估预警与实际预警总体态势基本吻合。
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图8 影响程度评估值
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4.4 空域运行容量
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根据雷雨天气影响程度评估结果,将空域静态容量转化为动态运行容量[2],形成评估容量曲线。为进一步验证评估容量与航班流量的匹配程度,用该容量曲线与实际保障架次进行比对,保障架次调取当日浦东机场实际起降架次。最后,依据终端区发布的延误预警信息,叠加出当日运行实际容量目标,如图9所示。
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图9 容量曲线与保障架次对比
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4.5 差异分析
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通过差异比对发现,其中有两个时段,模型给出的评估容量与实际保障架次存在较大差异,主要问题原因分析如下:
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1)09-11时段,保障架次与实际容量基本匹配,但明显超出模型评估容量;
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通过复盘分析和调取雷达航迹发现,09:00之前实际容量设定偏高,受到天气影响,部分航班延后执行与10时段形成叠加。同时该时段内的雷达航迹显示,在雷雨覆盖机场期间,大量航班在机场西侧空域危险天气边缘飞行,如图10所示,现场管制单位面临巨大的运行风险。如果依据模型评估建议,及时调整运行容量,升级预警等级由橙色改为红色,将有助于缓解运行压力。
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图10 雷达航迹(0900-1100时段)
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2)13-15时段,保障架次与实际容量基本匹配,但明显低于模型评估容量;
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该时段雷雨在空域北侧对运行影响较小,虽然天气转好,但是实际容量并未动态修正,受实际容量约束,航班流量维持低位运行,导致天气恢复阶段增加的容量未能充分利用。如果依据模型评估建议,动态调高运行容量,将有助于减少航班延误,如图11所示。
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图11 雷达航迹(1300-1500时段)
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3)17:30左右模型给出最大影响评估值,模型评估容量精准匹配了保障架次,但该极端情况下,实际容量未做调整。
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图12 雷达航迹(1730-1830时段)
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通过调研发现,雷雨覆盖浦东机场后飞机起降困难,期间浦东机场更换跑道向北落地,大量航班在南面空域出现盘旋等待,甚至返航备降,如图12所示。管制单位不得不临时采取地面停止措施缓解运行压力,该措施执行时段与模型评估结果基本一致。
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5 结论
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结合典型运行场景进行流量管理技术[8]验证,初步证明关键气象指标在空域运行容量判定中的相关性。该模型算法的应用,将有利于提升雷雨天气条件下战术容量管理运行品质,协助流量管理员更加科学有效地识别实际容量设定偏差。
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为进一步提高算法模型的适用性和准确性,在提高气象产品数据准确性基础上,还有几方面工作要做。首先是获取更多的运行场景数据,对模型进行校验调整指标权重,以适应不同空域的风险缓解效能要求[9]。其次是引入图像识别技术,对覆盖范围和位置趋势等模糊指标进行智能匹配。算法模型产品化[10]后迭代开发,可带来更多的社会效益。
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参考文献
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摘要
空域容量是实施空中交通流量管理措施的重要依据,尤其在雷雨天气条件下空域运行容量精准预判,是流量管理战术阶段的重点也是难点。本研究目的在于介绍一种量化评估天气对空域容量影响程度的计算模型,以及在流量管理战术阶段应用该模型的方法,并为开发气象和流量管理人员协同决策支持工具提供参考。本研究的创新之处,在于从天气对空中交通管制运行影响出发,选取流量管理员重点关注的五个关键气象指标,包括回波强度、降水强度、云顶高度、覆盖范围、位置趋势。研究结合运行实际进一步给出指标等级划分标准,运用指标权重提高了模型对不同空域结构的适用性。最后,通过选取典型场景进行实证研究,该模型的准确性和实用性得到初步验证,在战术流量管理阶段表现出较高的应用价值。
Abstract
Airspace capacity is an important basis for the implementation of air traffic flow management measures. Especially in thunderstorm weather conditions, accurate prediction of the airspace operation capacity is the focus and difficulty during flow management tactical phase. The purpose of this study is to introduce a computational model that quantitatively evaluating the impact of weather on airspace capacity, and a method for applying the model at the operational level on flow management tactical phase, and to guide the development of collaborative decision support tools for meteorological and flow managers. The innovation of this study is to select five key meteorological indicators, including echo intensity, precipitation intensity, cloud top height, coverage and location trend, which the flow manager focuses on. Combined with the actual operation, the classification standard of index grade is further given, and the applicability of the model to different airspace structures is improved by using index weight. Through empirical research on typical scenarios, the accuracy and practicability of the model are verified, which shows high application value in flow management tactical phase.
