基于雷达的通用航空气象服务系统设计
【说明】今天这一篇又是压箱底翻出来的，时间在3年前的关于通用航空气象服务系统设计，现在来看可能有点过时，但基于雷达的设计思想我觉得还是可以借鉴的。通用航空气象服务和民用航空气象服务是有些区别的，更关注短时临近的预报，因此拿出来跟大家分享，请大家共同探讨！
【正文】
1、系统设计目标
从气象为行业服务的角度出发，利用雷达监测分析以及短临预警技术进行服务系统设计，并且以系统开发人员参阅为主。根据雷达监测特点，服务系统搭建是为了解决面向行业提供气象服务的解决方案，针对相关行业对气象要素的敏感条件为基点，利用监测数据、算法和短临预报技术，结合行业需求进行服务系统的开发与建设。为了更好的说明相关行业对气象要素的敏感条件以及服务要求，选取“通用航空领域”为行业代表。通用航空的定义：通用航空General Aviation，是指使用民用航空器从事公共航空运输以外的民用航空活动，包括从事工业、农业、林业、渔业和建筑业的作业飞行以及医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、教育训练、文化体育等方面的飞行活动。
通用航空业是以通用航空飞行活动为核心，涵盖通用航空器研发制造、市场运营、综合保障以及延伸服务等全产业链的战略性新兴产业体系。气象敏感条件属于通用航空的综合保障方面，通过气象服务，使得航空器在飞行过程中更加安全为目标。
以下是针对“通用航空气象敏感条件预警服务系统”（后简称航空气象系统）设计的实现目标：
（1）在可用的雷达探测范围内，建立区域气象要素监测和预报服务系统，实现可测范围内的立体气象条件敏感性防护网，以保障飞行安全；
（2）针对飞行安全的气象要素敏感条件的权重级别，设立雷达预警产品级别，根据雷达回波强度、多普勒速度以及速度谱宽等探测信息建立一套完整的通用航空气象条件预警机制，实现灾害条件可调阈值的自动报警；
（3）在雷达监测分析得出的产品基础上，叠加地形地貌、气候参数、航空器飞行参数（无人机、热气球、救援机等会有不同的安全飞行系数）、特殊影响等信息，采用模糊集合的算法推断出飞行安全指数的风险判断产品；
（4）采用合适雷达外推算法，针对影响通用航空飞行器的湍流、风切变、下击暴流和强对流天气产生的强风暴进行短临预报，输出短临预报天气结果，并转换为通用航空器飞行条件预报为用户提供服务；
（5）建成基于GIS、雷达探测和多源探测数据为一体的可交互“通用航空气象敏感条件预警服务系统”，在接入本地雷达和可用的探测数据后实现通用系统服务。
2、技术路线
（1）技术储备
“航空气象系统”是与通用航空领域与气象服务的深度结合，即是气象服务领域的专业性服务方式，也是雷达气象应用的前沿科学，因此需要进行必要的技术储备来完成系统建设。需要以下专业的技术储备：
A、雷达气象学--包括雷达探测原理、雷达产品开发、流行的雷达算法、外推预报算法等
B、气象数值模式--常用数值模式预报的方法、数值模式预报的运行
C、气象探测数据的处理---数据质量控制、数据解析、数据存储和常用大数据算法
D、可视化技术---数据可视化、图形化展示方法等
E、航空气象学---航空气象学原理、探测、预报服务和飞行安全等。
（2）需求分析---设想
根据“航空气象系统”的保障要求，需求分析从以下几个方面入手：
A、在通用航空运营领域，对飞行器起降影响最大的气象条件有哪些？
根据通用航空器的分类，有固定翼、旋翼、滑翔机（动力和无动力）、伞翼、热气球、无人机、地效飞机等，飞行高度、飞行距离的不同造成对气象条件的敏感方向不同。不同于民用和商用航空，通用航空器主要在对流层飞行，飞行高度低，容易受到低空湍流、风切变和下击暴流的影响。所以这个空间内正是多普勒雷达的用武之地。先从雷达的探测优势出发，重点是突发性强对流引起的雷雨天气的监测，所以对通用航空最有效的气象产品就是风暴追踪。
B、通用飞行器执行任务的有效距离以及高度上对什么样的气象条件最敏感？
要弄清楚飞行器执行任务的有效距离以及飞行高度，因为雷达探测范围有限，而飞行器很容易就飞出监测空间，这个时候就需要其他探测手段或者方式来弥补，可以使用卫星数据、本地自动气象站等做补充。另外飞行轨迹的天气状况有时也复杂多变，飞行轨迹上的天气预报就变的至关重要。所以就需要数值模式预报以及专家系统集合应用。
C、在雷达探测范围内出现灾害性天气时最短预警时效是多少？
这个需求的重要性在于灾害防御的有效时间。不论依靠雷达监测预警还是依靠其他预报手段，都不能做到万无一失，最短预警时间正是用最有效的时间换取最大的利益，同时也是使得损失降到最低。根据目前的预警预报技术，来获得一个气象服务提供方和气象服务接收方的平衡，同时在系统开发时也保证在性能上的条件满足。
D、“航空气象系统”中服务产品最有效的表现方式和发布方式是什么？
将气象应用与通用航空领域，就不能按照气象部门的产品生成和展现方式。可以从两个方向进行服务产品的设计，一个是直观和可利用性，另一个是具备“航空”特性。我们气象中用的雷达图只显示出探测到的气象信号，需要预报员去分析和识别，如果在行业中应用，就需要去“气象专业化”，利用行业术语去转化。另外对用户最有效的发布方式，也需要按照用户的需求去实现。
（3）概念设计
“航空服务系统”的概念设计主要分两块，一个是服务产品设计，一个是系统组织架构设计。如下图：
系统组织结构图
产品概念设计图
（4）逻辑设计
系统逻辑设计图
（5）系统实现
系统实现图
3、行业应用分析
将雷达探测技术、数值模式以及GIS技术等多种先进技术应用在行业气象服务中将会非常有前景，难点在于如何做到真正的将行业特点与气象技术融合。气象技术得到发展，但长期的在气象领域内发展，难以有针对性的对相关行业进行气象融合技术的研发，大部分应用还是停留在“气象专业化”，而非“行业专业化”。因此我认为在做行业应用的气象服务系统时，前期最该做的工作是让懂气象的专业人员跨学科的去学习相关行业知识，挖掘行业中的气象需求，然后再依靠气象的知识和技术进行探索开发。
4、系统应用讨论
以上设计只是凭空设想的一种开发思考模式，不是真正的从用户需求（通用航空领域）去进行系统设计，因此可操作性上大打折扣。但是就目前我学习到的雷达知识以及对短临预警方面的了解，在系统搭建和应用上，美国的ANC是最值得借鉴的短临系统，BJ-ANC完成了北京地区的本地化改进，并且也是国内短临技术中较高的，但目前应用效果并不理想，主要原因是雷达对风暴追踪的命中率还不是太高，外推预报在时效上也难以满足要求。从服务系统开发和应用的角度考虑，只有气象知识和技术远远不够，用户需求才是最重要也是最难掌握的部分。
【全文结束】