CN114355480B - 一种阵风载荷试飞天气预报保障方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种阵风载荷试飞天气预报保障方法，属于航空气象研究领域。包括：基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，从计算阵风载荷的单一颠簸指数中筛选预报准确高和\或最影响阵风载荷的单一颠簸指数；基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，确定各单一颠簸指数的颠簸阈值及在综合预报指数中所占权重；获取天气预报中心提供的试飞区域的数值预报资料；根据数值预报资料，计算筛选出的单一颠簸指数值；根据各个单一颠簸指数值和单一颠簸指数的颠簸阈值，确定每个单一颠簸指数所表征颠簸的程度量级；根据预设的颠簸潜势综合预报指数公式，得到所有单一颠簸指数集成的颠簸潜势综合预报指数。
Description
技术领域
本发明涉及一种阵风载荷试飞天气预报保障方法，属于航空气象研究领域。
背景技术
阵风载荷测量试飞在国内是首次进行，具有技术新、找风难、风险高、工作量大等特点，其中“找风难”——指难以寻找造成飞机颠簸的大气湍流区域。大气湍流区域存在着尺度不同的湍涡，飞机颠簸是由那些与飞机尺度相当的，混乱的湍涡造成的，这种湍涡的直径一般在15～150m，远远小于天气学尺度(几十-几百公里)，难以用常规天气学定性预报方法进行预测。原有技术手段主要是根据定性的预报方法进行判断，通过高空急流轴的大体位置，水平温度梯度的强弱等要素判断颠簸的位置和强度，漏报率和空报率都较高，对于强度的判断准确性较差，不能给阵风载荷试飞提供可靠的参考。
国内学者中有小部分学者进行了颠簸潜势综合指数的研究，但是预报区域是国外地区或南海地区，对中国内陆区域的颠簸预报尚属空白。部分民航空管局内部有颠簸潜势预报产品，其产品主要应用价值是规避颠簸风险，针对有颠簸的区域预报出现即可，空报率较高，浪费飞行资源，并不适用于阵风载荷试飞，该项目需要寻找到中度-强度之间的颠簸区域，空报率和漏报率要求更低，并且需要缩小飞行范围，保障飞机在有限的飞行范围、飞行时长内遭遇中-强度颠簸，才认定为试验成功。
发明内容
本发明的目的是:提供一种计算阵风载荷试飞天气条件预报的方法和气象保障的手段，包括阵风载荷试飞天气条件评判模型、预报模型和保障方法。
技术方案：
一种阵风载荷试飞天气预报保障方法，包括：
基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，从计算阵风载荷的单一颠簸指数中筛选预报准确高和\或最影响阵风载荷的单一颠簸指数；
基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，确定各单一颠簸指数的颠簸阈值及在综合预报指数中所占权重；
获取天气预报中心提供的试飞区域的数值预报资料；
根据数值预报资料，计算筛选出的单一颠簸指数值；
根据各个单一颠簸指数值和单一颠簸指数的颠簸阈值，确定每个单一颠簸指数所表征颠簸的程度量级；
根据预设的颠簸潜势综合预报指数公式，得到所有单一颠簸指数集成的颠簸潜势综合预报指数；颠簸潜势综合预报指数公式为：
Dn分别代表每一个网格点上的单一颠簸指数数值，i，j，k为三维网格点x，y，z坐标上的参数值。
通过AUC和ROC曲线评判优化综合指数集成数量，选定至少POD和TSS评分最优的综合预报指数作为最终的颠簸潜势综合预报指数，该最终的颠簸潜势综合预报指数对应的m个单一颠簸指数作为用于评判阵风载荷试飞的天气预报依据，m为正整数。
所述方法还包括：
获取天气预报中心提供的试飞区域的预报时段数值预报资料；
根据预报时段数值预报资料，计算筛选出的预报时段内m个单一颠簸指数值；
根据预报时段内m个单一颠簸指数值和单一颠簸指数的颠簸阈值，确定预报时段内每个单一颠簸指数所表征颠簸的程度量级；
根据预设的颠簸潜势综合预报指数公式，得到预报时段内m个单一颠簸指数集成的颠簸潜势综合预报指数，即预报时段内最终的颠簸潜势综合预报指数。
基于选定的高空急流天气系统，从计算阵风载荷的单一颠簸指数中筛选预报准确高和\或最影响阵风载荷的单一颠簸指数之前，所述方法还包括：
基于天气系统的发展机理和演变规律，总结6种典型的天气系统适宜阵风载荷试飞的时间范围、发生阵风载荷的区域、强度等级、高度；
根据不同天气系统的空间配置和垂直结构，及发生阵风载荷的区域、高度、强度等级，形成各个天气系统的阵风载荷试飞气象保障风险预案；
依据发生阵风载荷的存续时间、安全性，从各个天气系统的阵风载荷试飞气象保障风险预案选出高空急流系统。
根据预设的颠簸潜势综合预报指数公式，得到预报时段内m个单一颠簸指数集成的颠簸潜势综合预报指数之后，所述方法还包括：
采用预报时段内最终的颠簸潜势综合预报指数，利用试飞区域的预报时段数值预报资料，得到m个单一颠簸指数的诊断结果。
基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，确定各单一颠簸指数的颠簸阈值，包括：
基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，对已知的颠簸通用阈值进行微调，得到满足阵风载荷试飞要求的颠簸阈值。
基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，确定各单一颠簸指数在综合预报指数中所占权重，包括：
根据飞机颠簸报告，确定发生颠簸的预报准确率PODY，其表达式如下：
其中，YY为正确预报出发生飞机颠簸的报告，YN为正确预报出未发生飞机颠簸的报告。
引入TSS评分来共同评价总体预报准确率TSS，其表达式为：
TSS＝PODY-0.25；
根据预报准确率计算预报得分计算公式如下：
其中，C和p为常数；fMOG为在数值计算过程中得到的飞机颠簸强度为中度及以上的格点数与总网格点数的比值。
根据得到的每个颠簸指数的预报得分可计算出每个颠簸指数的权重Wn，具体表达式如下：
6种典型的天气系统分别为高空急流、高空槽、切变线、低涡、锋面和对流云。
本方法的优点是：
利用中国区域飞机颠簸样本进行建模和模型评估，针对于中国区域的飞机颠簸预报效果更具有说服力，并且相较于综合指数预报算法，增加了单一颠簸指数集合数量对预报评分的敏感性评估，综合预报正确率，预报评分和中度以上颠簸的预报区域几项指标达到最优时，集成阵风载荷试飞预报算法。
对阵风载荷试飞气象保障形成风险预案，当飞机遭遇强烈颠簸时，有效给出飞行建议和改出方案。并构建了阵风载荷试飞气象协同指挥保障模式，对飞行试验任务实施提供辅助引导。
附图说明
图1为阵风载荷试飞天气评判模型的示意图；
图2为阵风载荷试飞气象保障风险预案设计流程图；
图3为阵风载荷试飞数值预报模型的示意图；
图4为阵风载荷试飞气象协同指挥保障模式的示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细的说明。
本发明提供一种阵风载荷试飞天气预报保障方法，包括：
步骤1、依据建立的阵风载荷试飞评判模型，根据天气系统高低空配置情况和动力因素综合诊断，判断是否有适宜阵风载荷试飞的天气。
如图1所示的模型时间横向分布通过造成阵风载荷天气的季节分布特征入手，研究确定6种典型的天气系统阵风载荷试飞高发季节，进一步根据中长期天气预报资料跟踪造成飞机阵风载荷的天气系统的摆动周期，直至短期预报确定开展阵风载荷试飞的试飞日；纵向空间位置分布主要通过高低空天气形势、多天气系统的影响和匹配程度确定是否有一定强度的阵风载荷天气发生，进一步的确定天气系统中的动力因子数值诊断情况，包括涡度场、散度场、垂直速度、温度梯度等要素，最后综合评判各个天气系统是否有适宜阵风载荷试飞的天气发生。
在技术层面上，首先分析阵风载荷试飞天气环流形式，以确定是否具备发生阵风载荷的典型环流形式，包括一槽一脊型、两槽一脊型、贝湖低涡型、乌山阻高型以及平直纬向型；进一步，分析是否具备阵风载荷试飞的典型天气系统，包括高空急流、锋面、高空槽、高空脊及低涡；其次，利用数值预报资料进行动力学数值诊断；最后，综合分析天气系统及其高低空配置情况、动力要素诊断结果，定性判别是否具备理想的阵风载荷试飞环境。
在时间层面上，首先分析阵风载荷试飞季节分布特征，将试飞窗口期锁定到月份；然后进行阵风载荷试飞中长期(4～10天)天气预报，将试飞窗口期锁定一定时间范围；最后进行阵风载荷试飞短期(1～3天)预报，将试飞窗口期确定到具体日期。
步骤2：获取包括试飞区域的大区的数值预报资料，根据数值预报资料针对不同天气系统的空间配置和垂直结构，及发生阵风载荷的区域、高度、强度等级，形成各个天气系统的阵风载荷试飞气象保障风险预案。
如图2所示，深入研究6种天气系统的空间配置和垂直结构，分析每一种天气系统产生颠簸的区域、高度、强度等级和存续时间等条件，从保障安全的角度出发，研究飞机进入颠簸区(发生阵风载荷的区域)和改出颠簸区的路径，当有可能出现强颠簸时，给出具体的飞行建议和改出方案，分别形成6种天气系统的飞机颠簸风险评估方案和保障方法。
步骤3、依据发生阵风载荷的存续时间、安全性，从各个天气系统的阵风载荷试飞气象保障风险预案选出高空急流系统。
在我国上空的高空急流有三种不同类型的急流轴，其中主要的是东亚副热带平均急流轴，它一年四季均存在于我国上空；其次是中纬度温带平均急流轴，它只在冬半年存在于我国北方上空；另外是夏季中南半岛上空的热带对流层东风平均急流轴，这类急流轴也可以在我国华南地区出现。1)极锋急流，又称温带急流，通常与极地锋面或者是极地冷气团与热带暖气团之间的分界有关。急流轴的平均纬度在北纬25°(冬季)和北纬42°(夏季)之间变化。2)副热带急流，是连续的、环绕副热带的高空急流，它通常位于北纬20°与30°之间。3)极夜急流，又称极地平流层急流，位于冬季北极圈附近的平流层，对我国上空的飞行活动无重大影响。
在同一大区域内，高空急流系统发生阵风载荷的持续时间长，且因为自身高度高安全性强。
步骤4、基于选定的高空急流天气系统，从计算阵风载荷的单一颠簸指数中筛选预报准确高和\或最影响阵风载荷的单一颠簸指数。
选取280份飞机颠簸报告作为建模样本，考量水平切变、垂直切变、涡度散度、温度梯度等多要素配置情况，计算筛选出10个影响飞机颠簸的单一颠簸指数。
具体的，考量各单一颠簸指数表征的5个主要影响飞机颠簸的因子，为风场垂直切变、风场水平切变、风场辐合或辐散、风场水平形变和强的水平温度梯度，并通过飞机颠簸报告计算出预报正确率高的单一颠簸指数，综合以上两点从多个单一颠簸指数中筛选出10个单一颠簸指数作为研究对象。
步骤5、获取欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA5再分析资料。
ERA5再分析资料是欧洲中期天气预报中心利用4D-Var同化产生的第五代大气再分析全球气候数据，该数据将地面气象观测、船舶、无线电探空、测风气球、飞机和气象卫星等资料进行同化处理，提供1979年至今的逐小时大气、陆地和海洋的气候变量估计值，其中大气数据精确到了0.25°×0.25°网格，等压面数据垂直方向包括了从1hPa到1000hPa的37层等压面。数据包主要包括位势高度、温度、经向风、纬向风、垂直风、相对湿度、比湿、散度及涡度等参量的网格数据。
步骤6、基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告和欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA5再分析资料，确定各单一颠簸指数的颠簸阈值及在综合预报指数中所占权重。
基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，对已知的颠簸通用阈值进行微调，得到满足阵风载荷试飞要求的颠簸阈值。
具体的，根据280份飞机颠簸报告中经纬度，发生时间、高度等信息，利用欧洲中期天气预报中心(ECMWF)提供的ERA5再分析资料，选取最临近的高度层和时间，对10个影响飞机颠簸的单一颠簸指数进行计算，由于阵风载荷试飞仅需要中度及以上颠簸强度，故基于10个单一颠簸指数计算结果，调整颠簸强度的阈值划分，将中度及以上颠簸阈值区间缩小，得到更精细化的阈值分布区间。
根据飞机颠簸报告，确定发生颠簸的预报准确率PODY，其表达式如下：
其中，YY为正确预报出发生飞机颠簸的报告，YN为正确预报出未发生飞机颠簸的报告。
引入TSS评分来共同评价总体预报准确率TSS，其表达式为：
TSS＝PODY-0.25；
根据预报准确率计算预报得分计算公式如下：
其中，C和p为常数；fMOG为在数值计算过程中得到的飞机颠簸强度为中度及以上的格点数与总网格点数的比值。
根据得到的每个颠簸指数的预报得分可计算出每个颠簸指数的权重Wn，具体表达式如下：
步骤7、获取天气预报中心提供的试飞区域的数值预报资料。
数值预报资料包括未来10天内的大气参数值，主要有位势高度、温度、经向风、纬向风、垂直风、相对湿度、比湿、散度及涡度等参量的网格数据。
步骤8、根据数值预报资料，计算筛选出的单一颠簸指数值；根据各个单一颠簸指数值和单一颠簸指数的颠簸阈值，确定每个单一颠簸指数所表征颠簸的程度量级；根据预设的颠簸潜势综合预报指数公式，得到所有单一颠簸指数集成的颠簸潜势综合预报指数。
示例的，将计算的单一颠簸指数值对比该单一颠簸指数的颠簸阈值如表1所示的高空急流背景下各个单一颠簸指数在不同颠簸的程度量级下对应的阈值，确定该单一颠簸指数值对应颠簸的程度量级，颠簸阈值为颠簸的程度量级的下限。
表1
将各个单一颠簸指数值和相应的权重带入程度量级颠簸潜势综合预报指数公式，得到所有单一颠簸指数集成的颠簸潜势综合预报指数，程度量级颠簸潜势综合预报指数公式为：
步骤9、通过AUC和ROC曲线评判优化综合指数集成数量，选定至少POD和TSS评分最优的综合预报指数作为最终的颠簸潜势综合预报指数，该最终的颠簸潜势综合预报指数对应的m个单一颠簸指数作为用于评判阵风载荷试飞的天气预报依据，m为正整数。
利用新的60例飞机颠簸报告作为样本，验证颠簸指数性能评价结果AUC和ROC曲线。ROC曲线以1-PODN为横轴，PODY为纵轴绘制的曲线，曲线越靠近左上角，表明指数模型区分发生颠簸和未发生颠簸的性能越好。AUC就是ROC曲线和x轴(1-PODN轴)之间的面积，反映了模型把发生颠簸的样本排在未发生颠簸样本前面的比例(如果AUC＝1，说明模型100％的将所有发生颠簸的样本排在未发生颠簸样本前面)。
表2中GFFM2到GFFM10分别表示根据预报得分的高低，由2个到10个单一指数组成的综合指数。利用PODY、PODN、PODA、TSS、fMOG、/>和AUC共7项指标判定颠簸潜势综合预报指数的最优组合，其中CAT5为这9个颠簸潜势综合指数中最好的综合指数，由预报效果最好的五个单一指数(Dutton指数、Brown指数、L-P指数、TI1指数及风相关指数S)加权集成，形成最终的颠簸潜势综合预报指数，综合指数较好的集成了各个单一指数的优点，预报水平始终优于各单一指数。
表2
步骤10、采用预报时段内最终的颠簸潜势综合预报指数，利用试飞区域的预报时段数值预报资料，得到m个单一颠簸指数的诊断结果。
步骤11、根据诊断结果和试飞区域的实时监测资料以及地空对话协同指挥保障。
实时监测资料包括：飞机测量到的阵风载荷数据、多普勒雷达获取的天气资料、卫星云图等。
首先根据任务需求，进行试验机改装，同时研究阵风载荷产生机理及预报方法，进行预先储备；然后由型号课题启动阵风载荷试飞任务；气象保障人员根据阵风载荷试飞天气评判模型及阵风载荷试飞数值预报模型，确定试飞窗口期及试飞空域，申报试飞计划。
试飞当日，由指挥员、飞行员、型号课题人员及气象保障人员共同参与任务协同，研判试飞实施细节，即飞行区域强度等信息；飞前2小时进行飞前准备，检测试验机状态及测试仪器状态，确保各项工作正常；按计划实施阵风载荷试飞，飞行过程中根据地空对话，气象保障人员研究气象资料，实时指引飞机作业区域和作业路径，协同指挥保障任务顺利实施；
飞行结束后，指挥员、飞行员、型号课题人员及气象保障人员共同参与试飞讲评环节，分析本架次试飞状况、测试数据符合性及颠簸潜势预报准确性，形成总结报告，同时气象人员发布下一阶段颠簸潜势预报，以决定下一架次试飞窗口期及试飞空域。
进一步说明，在试飞实施阶段，采用塔台指挥席、监控指挥席两地联合保障模式，课题人员、气象保障人员全面参与指挥引导，共同引导参试飞机寻找适宜颠簸区域及试飞高度，以便优质完成试飞科目。
在气象保障过程中，气象人员综合利用数值天气预报、卫星云图、天气雷达、测云雷达、常规观(探)测资料及颠簸试飞条件预报诊断结果，判别当前是否具备阵风载荷试飞空域，是否适宜开展阵风载荷试飞以及是否存在危险天气，当有危险天气时启动阵风载荷试飞风险预案。
Claims (8)
1.一种阵风载荷试飞天气预报保障方法，其特征在于，包括：
基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，从计算阵风载荷的单一颠簸指数中筛选预报准确最高的单一颠簸指数和\或最影响阵风载荷的单一颠簸指数；
基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，确定各单一颠簸指数的颠簸阈值及在综合预报指数中所占权重；
获取天气预报中心提供的试飞区域的数值预报资料；
根据数值预报资料，计算筛选出的单一颠簸指数值；
根据各个单一颠簸指数值和单一颠簸指数的颠簸阈值，确定每个单一颠簸指数所表征颠簸的程度量级；
根据预设的颠簸潜势综合预报指数公式，得到所有单一颠簸指数集成的颠簸潜势综合预报指数；颠簸潜势综合预报指数公式为：
Dn分别代表每一个网格点上的单一颠簸指数数值，i，j，k为三维网格点x，y，z坐标上的参数值；
通过模型评价指标AUC和ROC曲线评判优化综合指数集成数量，选定至少POD和TSS评分最优的综合预报指数作为最终的颠簸潜势综合预报指数，该最终的颠簸潜势综合预报指数对应的m个单一颠簸指数作为用于评判阵风载荷试飞的天气预报依据，m为正整数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
获取天气预报中心提供的试飞区域的预报时段数值预报资料；
根据预报时段数值预报资料，计算筛选出的预报时段内m个单一颠簸指数值；
根据预报时段内m个单一颠簸指数值和单一颠簸指数的颠簸阈值，确定预报时段内每个单一颠簸指数所表征颠簸的程度量级；
根据预设的颠簸潜势综合预报指数公式，得到预报时段内m个单一颠簸指数集成的颠簸潜势综合预报指数，即预报时段内最终的颠簸潜势综合预报指数。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于选定的高空急流天气系统，从计算阵风载荷的单一颠簸指数中筛选预报准确最高的单一颠簸指数和\或最影响阵风载荷的单一颠簸指数之前，所述方法还包括：
基于天气系统的发展机理和演变规律，总结6种典型的天气系统适宜阵风载荷试飞的时间范围、发生阵风载荷的区域、强度等级、高度；
根据不同天气系统的空间配置和垂直结构，及发生阵风载荷的区域、高度、强度等级，形成各个天气系统的阵风载荷试飞气象保障风险预案；
依据发生阵风载荷的存续时间、安全性，从各个天气系统的阵风载荷试飞气象保障风险预案选出高空急流系统。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据预设的颠簸潜势综合预报指数公式，得到预报时段内m个单一颠簸指数集成的颠簸潜势综合预报指数之后，所述方法还包括：
采用预报时段内最终的颠簸潜势综合预报指数，利用试飞区域的预报时段数值预报资料，得到m个单一颠簸指数的诊断结果。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，确定各单一颠簸指数的颠簸阈值，包括：
基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，对已知的颠簸通用阈值进行微调，得到满足阵风载荷试飞要求的颠簸阈值。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于已知的多份高空急流天气系统造成的飞机颠簸报告，确定各单一颠簸指数在综合预报指数中所占权重，包括：
根据飞机颠簸报告，确定发生颠簸的预报准确率PODY，其表达式如下：
其中，YY为正确预报出发生飞机颠簸的报告，YN为正确预报出未发生飞机颠簸的报告；
引入TSS评分来共同评价总体预报准确率TSS，其表达式为：
TSS＝PODY-0.25；
根据预报准确率计算预报得分计算公式如下：
其中，C和p为常数；fMOG为在数值计算过程中得到的飞机颠簸强度为中度及以上的格点数与总网格点数的比值；
根据得到的每个颠簸指数的预报得分可计算出每个颠簸指数的权重Wn，具体表达式如下：
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，6种典型的天气系统分别为高空急流、高空槽、切变线、低涡、锋面和对流云。
8.一种计算机可读的存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一所述的方法。
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