民航气象数值预报业务系统概述

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摘 要

介绍了民航气象数值预报业务系统的整体情况，并对系统包含的全球中期数值天气预报分系统、有限区域数值天气预报分系统、亚洲区域短期集合预报分系统、快速同化数值预报分系统和数值预报运行监控分系统的关键参数和运行模式进行了详细介绍。对系统在资料同化、运行模式、预报产品等方面的特点进行了总结。

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0 引言

数值天气预报通过运用先进的数学模型和强大的计算能力，能够准确预测未来一段时间内的天气变化，为航空运行提供关键的气象数据支持 [1]。这有助于飞行员和航空公司提前了解天气状况，制定合理的飞行计划，确保飞行安全，提升经济效益；同时，还能为空中交通管制部门提供决策依据，提前制定预战术方案，有效应对复杂天气条件，提高航空运输的效率和安全性，减少航班的延误和备降 [2]。民航业高度重视具有航空特色的数值天气预报业务的发展。国际上，航空业发达的国家和地区都研发了针对航空的数值天气预报系统或者产品 [3-6]，国际民航组织（ICAO）也成立了伦敦和华盛顿两个世界区域预报中心（World Area Forecast Center，WAFC）[7]，专门向全球提供航空数值预报模式数据和产品。国内，中国民用航空局 2008 年启动建立了民航京沪穗区域数值预报系统 [8-9]，系统提供的预报产品有效提升了北京、上海、广州等区域民航天气预报的准确率和精度；其他各民航气象保障单位通过项目合作等方式也建立了有限区域的数值预报系统 [10-13]。但随着中国民航业的快速发展，包括国内航空公司承运的国际航班越来越多，覆盖的范围也越来越广，这些预报系统可覆盖的区域和提供的产品分辨率无法满足运行需求，因此中国民用航空局空中交通管理局（简称空管局）组织建设了民航气象数值预报系统，系统的建成提高了中国航空气象产品的自主可控能力，提升了预报产品制作的效率和品质。文中对空管局气象中心目前业务化运行的数值预报系统进行介绍。

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1 民航气象数值预报系统概况

民航气象数值预报系统由业务应用软件和高性能计算平台两大部分组成。业务应用软件包括全球中期数值天气预报、有限区域数值天气预报、亚洲区域短期集合预报、快速同化数值预报、数值预报运行监控共 5 个分系统。高性能计算平台包括高性能计算机集群和其他配套的软硬件。如图 1 所示，除数值预报运行监控分系统外，其他 4 个业务分系统通过外部应用系统获取全球气象实时观测资料，利用各自系统的同化子系统进行多源资料数据同化，生成各自系统的初始场，利用各自的模式子系统完成模式计算，再通过后处理子系统进行模拟结果的处理，生成的数据提供给外部数值天气预报产品释用系统、数值预报产品检验评估系统使用。全球中期数值天气预报生成的预报场还为有限区域数值天气预报分系统、亚洲区域短期集合预报分系统、快速同化数值预报分系统提供背景场和侧边界；有限区域数值天气预报分系统的预报结果作为亚洲区域短期集合预报分系统的控制性预报，参与集合预报产品的计算和生成；亚洲区域短期集合预报分系统的集合预报结果又用于有限区域数值天气预报分系统进行变分混合同化，生成初始场。数值预报运行监控分系统对通过数值预报作业监控管理子系统对上述全球、区域、集合、快速同化 4 个分系统运行的各个环节的运行进行监控和管理，通过高性能计算环境运行监控子系统对高性能计算平台进行监控和管理。系统 2021 年正式业务化运行后，民航气象的数值预报从以前的以引入外部数值预报数据和产品为主，进入了可自主提供数值预报数据和产品的新时代。系统的建成完善了空管局气象中心自有数值预报系统链条，使空管局气象中心具有提供全球、区域、集合和短时临近等数值预报数据和产品的能力，为提高航空气象服务能力提供强有力的支撑。

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2 主要分系统关键参数和运行模式

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2.1 全球中期数值天气预报分系统

全球中期数值天气预报分系统是民航气象数值预报系统的核心分系统。系统的模式为在国内应用成熟的谱模式 [14]，分辨率为 15.6 km（T1279），每日运行 4 次（图 2），00 和 12 时（世界时，下同）提供 240 h 预报，06 和 18 时提供 96 h 预报，0～72 h 每 3 h 输出一次，72～144 h 每 6 h 输出一次，144～240 h 每 12 h 输出一次，同时还运行 00 和 12 时的 12 h 同化窗的同化生成初始场。模式的空间分辨率为 0.125°，从地面到模式层顶（0.01 hPa，约 80 km）垂直分层 91 层。同化采用四维变分同化方法，主要同化地面报（SYNOP）、船舶报（SHIP、DRIBU）、探空报（TEMP）、测风报（PILOT）、飞机报（AIREP、AMDAR）等常规观测资料中的温度、压强、湿度、风场等要素以及 NOAA15、18、19 和 METOP 等极轨系列卫星观测中的辐射率要素，COSMIC-6、ChAMP 和 METOP 等低轨接收卫星的无线电掩星弯曲角要素，METEOSAT、GOES 等静止气象卫星的云导风观测要素，卫星同化数据占比 80% 以上。系统提供的航空特色预报产品主要是全球的颠簸、积冰和对流预报产品。

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2.2 有限区域数值天气预报分系统

有限区域数值天气预报分系统模式核心采用美国 WRF（Weather Research and Forecasting Model）4.1 版，模式输出间隔为 1 h，垂直分层 51 层，模式层顶为 50 hPa，高度约 20 km。系统每日运行 8 次（图 3），其中两次冷启动，采用全球中期数值天气预报分系统的输出作为背景场；6 次为热启动，采用上一个时次启动的 3 h 或 6 h 预报作为背景场输入。在启动时刻利用集合预报分系统提供的集合预报以及该时刻的观测数据进行变分混合同化。采用覆盖亚洲区域和精细化预报区域的双重嵌套（图 4）进行 72 h 或 54 h 预报，水平分辨率亚洲区域为 12 km，精细化预报区域为 4 km。同化系统核心采用 GSI（Gridpoint Statistical Interpolation）同化系统 3.6 版，同化方法由变分混合同化和三维变分同化相结合，并使用了云分析模块，同化的观测资料包括常规地面报（SYNOP）和探空报资料（TEMP）、自动气象站资料（AWS）、风廓线雷达资料（WINPR）和飞机报资料（AMDAR）。非常规资料包括多普勒天气雷达资料（RAD）、GPS 累积可降水量资料（GPSIPW）、葵花 - 8 卫星资料（AHI8，亮温资料）、闪电资料（LGHTN，闪电密度）、云导风卫星资料（SATWND）和风云 - 4 卫星资料（FY4WS，温湿廓线）等。有限区域数值天气预报分系统主要提供雷达反射率、对流顶高等对流性的预报产品，同时辅助提供其他基本的气象要素产品。

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2.3 亚洲区域短期集合预报分系统

亚洲区域短期集合预报分系统建立在有限区域数值天气预报分系统基础之上。针对亚洲地区重要天气的不确定性，亚洲区域短期集合预报分系统提供覆盖亚洲区域的短期集合预报产品，并为有限区域数值天气预报分系统的变分混合同化提供集合预报场。实现初值扰动、同化方案扰动和物理参数化方案差异化配置的 72 h 集合预报。集合预报每日 00 和 12 时启动两次（图 5），00 时为热启动，12 时为冷启动。使用的模式和同化系统与有限区域数值天气预报分系统一致。系统输出的时间分辨率为 1 h，空间分辨率为 12 km，垂直层次 51 层，模式层顶为 50 hPa。成员数为 30 个，预报时长为 72 h。系统可提供亚洲区域颠簸、积冰、24 h 累计降水、12 h 累计降水、6 h 累计降水、3 h 累计降水、雷达反射率因子、大风等重要航空天气集合概率预报、邮票图等产品。

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2.4 快速同化数值预报分系统

快速同化数值预报分系统是为提供高精度的航空数值预报产品设计的，模式核心为美国国家环境预报中心（NCEP）的核心动力模式 NMMB（Nonhydrostatic Multiscale Model）模式。此模式已在美国 NCEP 作为北美中尺度数值预报业务运行，具有长期开发、业务运行和业务调优的历史，NCEP 的业务运行已经证明 NMMB 模式的高分辨率窗口以及其所使用的高分辨率微物理模式可以更好地捕捉强对流信号，更快地捕捉降水过程，更好地实现近地面风场预报，与实际观测更接近 [15]。同化系统使用的是 GSI 同化系统，同化方法使用的是三维变分同化。快速更新循环每天启动 24 次（图 6），每小时更新预报。启动时间是整点的 35 min 后。以 00 时 35 分启动的快速更新循环为例，该循环将做 00—12 时的 12 h 预报，只在 00 时 40 分做一次资料同化。模式区域覆盖中国空域最繁忙航路（图 7），为繁忙空域提供高分辨率预报。垂直层次 48 层，预报时效为 12 h，时间分辨率为 20 min，每小时更新预报。同时，为了同化使用更多的资料，设置了追赶预报。追赶预报每天启动 4 次，目前启动时间是 03 时 40 分、09 时 40 分、15 时 40 分和 21 时 40 分。以 03 时 40 分启动的追赶预报为例，该循环将做 00—06 时的 6 h 预报，并且每小时同化观测资料。快速同化数值预报分系统除了提供基本的对流预报外，还结合空管运行数据进行地理空间计算，生成天气对机场、航路、空域和流量影响的决策支持产品。

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2.5 数值预报运行监控分系统

数值预报运行监控分系统通过数值预报作业监控管理子系统和高性能计算环境运行监控子系统分别对系统的软件和硬件进行监控管理。数值预报作业监控管理子系统还提供业务应用软件中数值预报各分系统的作业编排和业务流程运行监控管理服务，实时监控业务流程的运行状态，这部分的核心是欧洲中期天气预报中心（ECMWF）流作业调度系统（ecFlow），它是一个基于 C/S 架构的工作流包，它可以确保用户在受控的环境下同时运行大量有相互依赖关系的程序，并且通过重启机制可以容忍一定的软硬件故障。ecFlow 主要由 ecFlow_server、ecFlow_client、GUI 界面三部分组成。ecFlow_server 是整个系统的服务端，负责调度作业和响应 ecFlow_client 的请求；ecFlow_client 是系统的命令行程序，用于和服务器的通信；GUI 界面是监视和可视化节点树形结构的客户图形界面，包括 ecFlowview 和 ecFlow_ui。数值预报作业监控管理子系统提供了不同的人工干预方式，可以实现对各数值预报分系统的作业进行挂起、重启、终止、执行和排队等操作。当作业出现故障时，可快速地进行故障排查和处置。

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3 系统的主要特点

民航气象数值预报系统是建立在民航行业运行需求基础上的，所以在系统的设计上有以下几个突出的特点。

1）多种同化方法综合应用，提升资料利用率和系统运行效率。民航气象数值预报系统包含的 4 个模式软件系统采用了四维变分同化、变分混合同化和三维变分同化等当前业务系统主流的同化方法，尽可能将更多的资料同化，优化模式的初始场，提高模式的预报能力（图 8）。在同化方法选择上，结合不同软件系统的民航运行需求，进行了不同的选择。例如快速同化数值预报分系统主要关注 12 h 内影响航空运行的天气，每小时运行一次，对运行效率要求很高，故选取了运行效率更高的三维变分同化方法。

2）多尺度模式系统协同运行，为民航运行协调提供无缝隙全空域的预报产品。民航运行链条长、环节多，需要精细的气象服务，对天气预报的准确度和实用性要求高。当前的需求包括季、月、周、日和小时各种时间尺度的预报产品，民航气象数值预报系统提供的产品范围可达全球，预报时长为 10 d，最小时间间隔为 20 min，空间分辨率从十几千米到 3 km，为民航运行从战略层面到预战术阶段和战术阶段提供服务于飞行全过程、航空全链条的预报产品。

3）系统提供了丰富的航空特色预报产品。民航气象数值预报系统从民航飞行应用需求出发，研发了针对强对流、强降水、风切变、低云低能见度、颠簸、积冰、山地波等在内的航空天气特色预报产品。结合空管空运数据，进行地理空间计算，生成天气对机场、终端区、航路、空域和流量影响的决策支持产品，提供给各级用户使用，为中国民航流量管理系统提供气象预报数据支撑，为制定流量管理措施提供参考。同时，依据全球中期数值天气预报分系统的形势分析和对流降水产品、有限区域数值天气预报分系统和快速同化数值预报分系统的雷达反射率因子产品制作了对流协同预报产品（图 9），为空管实时预战术和战术流量管理提供支持。

4）合理设置系统容错机制，确保系统运行的稳定和可靠。系统容错设置是为了确保系统在遇到故障或异常情况时能够继续运行或提供一定程度的服务，民航数值预报系统除了硬件的备份冗余配置之外，在软件运行中也设置了多层次丰富的容错机制，确保系统运行的稳定。例如对于各种观测资料，由于网络问题不能按时到达，在运行管理上设置了等待时间和多时段重复作业递交方式，增加了一定的资料处理时间冗余，尽量完成规定的多种观测资料处理；再如对于全球模式产品没能按时到达，造成背景场缺失，可采用全球模式上一时次的产品替代。

5）模块化设计方便系统的管理维护和升级。通过将各分系统划分为不同的模块，每个模块设置相对独立的功能和接口，更加容易实现对系统进行管理和维护。当某个模块出现问题时，可以单独修复或替换该模块，而不影响整个系统的正常运行。同时，模块化设计也使得系统的升级更加灵活和高效，可以根据需要单独升级某个模块，而无需对整个系统进行全面升级。

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4 结语

民航气象数值预报系统自 2021 年 5 月 1 日在中国民用航空局空中交通管理局气象中心正式业务运行以来，提供的雷达反射率因子、积冰、颠簸以及风切变等航空特色预报产品，在空管气象部门得到了广泛应用，在民航系统视频协调会、空管系统预战术会议中发挥了很大作用，有效地提升了航空重要天气预报的准确度和精细化服务需求。在亚洲航空气象中心咨询产品的制作中，系统提供了有针对性的预报产品，提升了产品制作的效率和准确度。同时，系统还为国内多家航空公司增强气象服务系统提供数据支持，为航空公司航班计划的制定提供服务，提高了恶劣天气下的航班运行品质，使机场运行效率和航班正点率得到有效提升。2023 年底，经对近几年全球中期数值天气预报分系统的预报效果进行分析评估后，基于该系统中国民航完成了对伦敦和华盛顿两个世界区域预报中心提供的航空数值预报模式数据和产品的全面替代，提高了中国航空气象产品的自主可控能力、提升了产品制作的效率与品质，保障了中国民航运输安全、正常和效率。但系统与国内外其他业务数值预报系统相比，在对探测资料的同化方面还存在量偏少的情况，同时随着中国民航业的快速发展，民航对航空气象产品的需求将会更加精细和多元化，尤其是对气象和民航运行相结合的产品需求将更加突出，这要求民航气象数值预报系统要紧跟技术前沿，结合人工智能和智能网格等技术，不断改进升级，为民航运行提供更有力的支撑。

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(作者单位：梁升、张晓晨、孔琳琳，中国民用航空局空中交通管理局航空气象中心）

原文链接：

http://www.qxkjjz.cn/cn/article/pdf/preview/10.3969/j.issn.2095-1973.2025.03.004.pdf

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