民航黑龍江空中交通管理分局 黃紅兵

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哈爾濱機場相似預報系統(tǒng)的設計與研制

民航黑龍江空中交通管理分局 黃紅兵

【摘要】采用NECP資料建立歷史樣本數(shù)據(jù)庫，采用T639數(shù)值預報產(chǎn)品為當前數(shù)據(jù)，對各數(shù)據(jù)場都進行了標準化處理；采用相似系數(shù)、歐氏距離、相似離度等3個相似判據(jù)，經(jīng)過值域轉(zhuǎn)換后定義了3個相似指數(shù)；采用7個氣象要素、間隔12h的2個相鄰時刻的數(shù)據(jù)場，設計了1個建立在3個相似指數(shù)基礎上、用以描述天氣形勢演變過程的相似程度的綜合相似指數(shù)，并設計了哈爾濱機場24h短期天氣相似預報模式；利用哈爾濱機場現(xiàn)有的氣象網(wǎng)絡設備，研制了哈爾濱機場相似預報系統(tǒng)，實現(xiàn)自動讀入數(shù)據(jù)、自動分析、自動發(fā)布預報等功能；本文中演示了該系統(tǒng)在哈爾濱機場的應用效果。

【關鍵詞】相似分析；多元判據(jù)；短期天氣；預報系統(tǒng)

1 引言

數(shù)值預報是天氣預報的發(fā)展主流方向，是現(xiàn)代天氣預報業(yè)務的重要基礎[1]。雖然數(shù)值預報產(chǎn)品具有準確性好、時空分辨率高、連續(xù)性優(yōu)良、應用廣泛等特點，但是目前仍不能充分滿足日常業(yè)務需求，因此開發(fā)數(shù)值預報產(chǎn)品的釋用技術成為當前的重要研究課題，地方氣象部門已對此進行了多方面研究，其中，相似預報技術[2-8]成為其采用的主要釋用方法之一。由于種種原因，相似預報技術在民航氣象界還未得到有效開發(fā)，為將該技術應用到航空天氣預報中，民航黑龍江空管分局組成一個科研組，于2013年申請獲得了民航局空管局研發(fā)哈爾濱機場相似預報系統(tǒng)的科研項目?？蒲薪M基于前期技術試驗成果[9]，重新設計了多元判據(jù)相似預報模式，研發(fā)了哈爾濱機場相似預報系統(tǒng)，并于2015年7月在哈爾濱機場投入24h短期預報試用。

2 預報模式設計

2.1 基本設計思路

基于前期試驗成果，采用3個相似判據(jù)，經(jīng)值域轉(zhuǎn)換后定義3個新相似指數(shù)；采用7個氣象要素數(shù)據(jù)場，以其3個相似指數(shù)為基礎，定義1個綜合相似指數(shù)；計算代表天氣演變過程的2個相鄰時刻的綜合相似指數(shù)，并取其平均值為天氣演變的過程綜合相似指數(shù)；建立以起始時刻、結束時刻和演變過程的3個綜合相似指數(shù)為依據(jù)的相似樣本確定原則，選取當前最為相似的歷史樣本；基于相似樣本，計算并發(fā)出機場未來24h天氣預報信息。

2.2 樣本數(shù)據(jù)資料

2.2.1 數(shù)據(jù)資料來源

科研組采用了美國國家環(huán)境預報中心（NCEP）的數(shù)據(jù)來建立歷史樣本數(shù)據(jù)庫，這主要是因為NCEP歷史數(shù)據(jù)資料齊全；同時，考慮到發(fā)布航空天氣預報時效性的要求，科研組采用了中國氣象局T639數(shù)值預報產(chǎn)品作為當前預報樣本數(shù)據(jù)，這主要是因為當前最近的T639數(shù)據(jù)能夠在較短時間內(nèi)獲取。由于NCEP與T639數(shù)據(jù)格式、數(shù)據(jù)范圍、網(wǎng)格分辨率不同，因此在建立歷史樣本數(shù)據(jù)庫過程中，科研組參照T639數(shù)值預報產(chǎn)品目前的數(shù)據(jù)格式，對NCEP歷史樣本數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)一格式的轉(zhuǎn)換。

2.2.2 采用氣象要素

目前采用的氣象要素場有：500hPa、700hPa和850hPa的高度場和溫度場，海平面氣壓場等共7類氣象要素的數(shù)值預報場。計劃在下一階段的升級改造中嘗試引進渦度場、散度場、水汽通量場、垂直速度場、水汽通量散度場等的數(shù)值預報產(chǎn)品。

2.2.3 樣本年限時刻

當前預報樣本：采用預報有效時段的起始時刻前12 ~ 24小時發(fā)布的12 ~ 36h數(shù)值預報的格點場數(shù)據(jù)，其中以12小時前發(fā)布的12、24h預報為主用數(shù)據(jù)，以18小時前發(fā)布的18、30h預報為備用數(shù)據(jù)，以24小時前發(fā)布的24、36h預報為應急數(shù)據(jù)。每天使用的數(shù)據(jù)時間包括00、06、12、18UTC共4個時刻。

歷史樣本數(shù)據(jù)：歷史樣本數(shù)據(jù)年限越遠久，數(shù)據(jù)量越豐富，對找到最為相似的歷史樣本越有利。但鑒于哈爾濱太平國際機場24h氣象觀測始于2000年，之前為13h觀測、機場觀測數(shù)據(jù)缺測較多，因此只能使用2000年以來、截止2015年共16a的歷史數(shù)據(jù)來建立歷史樣本數(shù)據(jù)庫，并逐年累加。歷史樣本數(shù)據(jù)時刻與當前預報樣本數(shù)據(jù)時刻同步。

2.2.4 數(shù)據(jù)場的范圍

數(shù)據(jù)場數(shù)據(jù)范圍的劃分既不宜太大，又不宜太小，如果劃分太大可能摻雜進一些遠距離無關信息，如果劃分太小可能造成一些重要信息丟失，這兩種情況都將影響相似分析效果。

鑒于預報對象為24h短期天氣，科研組經(jīng)過前期技術試驗[9]，將用于大尺度形勢分析的高空數(shù)據(jù)場經(jīng)緯度范圍劃定為100~147.5°E、32.5~60°N（分辨率2.5°×2.5°），將海平面氣壓場關鍵區(qū)經(jīng)緯度范圍劃定為110~137.5°E、37.5~55°N（分辨率2.5°×2.5°）。

2.2.5 數(shù)據(jù)場標準化

考慮到不同氣象要素場量級、值域的差異和各相似判據(jù)的可比性要求，在進行多元判別相似分析前，科研組首先對預報樣本和歷史樣本的原始數(shù)據(jù)采取了標準化處理，計算方法略。經(jīng)過標準化處理后，數(shù)據(jù)場各點數(shù)據(jù)Xk（k = 1, 2, 3, … , K）的值域調(diào)整為[0, 1]，基于標準化處理后的兩個樣本數(shù)據(jù)場的相似判據(jù)，其值域也都是可確定的，這對下一步建立多元判據(jù)相似預報模式有利。

2.3 相似分析判據(jù)

常用相似預報判據(jù)主要有相似系數(shù)、相關系數(shù)、歐氏距離、海明距離、相似離度、羅陽相似量等。科研組在經(jīng)過大量試驗后，確定使用相似系數(shù)、歐氏距離、相似離度等3個相似判據(jù)。

2.3.1 相似系數(shù)

相似系數(shù)Ri,j的計算表達式略。Ri,j主要描述i、j兩個樣本“形”的相似程度，其值域為[-1, 1]，數(shù)值越大表示這兩個樣本越相似，數(shù)值越小則越不相似。

2.3.2 歐氏距離

歐氏距離Oi,j的計算表達式略。Oi,j主要描述i、j兩個樣本“值”的相似程度，其數(shù)值越小表示兩個樣本相似程度越高，數(shù)值越大則相似程度越低。如果樣本數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過標準化處理，那么Oi,j值域應該為[0, d），其中d的數(shù)值不確定。在樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過前期標準化處理后其值域調(diào)整為[0, 1]，Oi,j值域隨之調(diào)整為[0, K1/2]，K為數(shù)據(jù)場數(shù)據(jù)點數(shù)。

2.3.3 相似離度

相似離度Ci,j的計算表達式略。Ci,j考慮了i、j兩個樣本“形”的相似程度，又考慮了“值”的相似程度，其數(shù)值越小表示兩個樣本相似程度越高，數(shù)值越大則相似程度越低。如果樣本數(shù)據(jù)沒有經(jīng)過標準化處理，那么Ci,j的值域應該為[0, d），其中d數(shù)值不確定。在樣本數(shù)據(jù)經(jīng)過前期標準化處理后其值域調(diào)整為[0, 1]，Ci,j值域隨之調(diào)整為[0, 1]。

2.4 多元判據(jù)分析

2.4.1 定義相似指數(shù)

在應用多元相似判據(jù)過程中，由于各判據(jù)值域、量級不一致，不具備直接可比性，因此不宜直接接合起來使用[2]。為此，科研組基于相似系數(shù)Ri,j、歐氏距離Oi,j和相似離度Ci,j，經(jīng)過再處理后設計定義了3個新的相似指數(shù)。

1）基于相似系數(shù)的相似指數(shù)SRi,j，其計算表達式為：

式（1）中：Rmax、Rmin分別為相似系數(shù)最大值和最小值，可取理論上的最大值和最小值，分別為Rmax= 1、Rmin= -1。

2）基于歐氏距離的相似指數(shù)SOi,j，其計算表達式為：

式（2）中：K為數(shù)據(jù)場數(shù)據(jù)點數(shù)。

3）基于相似離度的相似指數(shù)SCi,j，其計算表達式為：

經(jīng)過式（1）~（3）的再處理后得到的相似指數(shù)SRi,j、SOi,j、SCi,j，其值域、量級是一致的，其中值域都調(diào)整為[0, 1]，而且都轉(zhuǎn)換為數(shù)值越大相似程度越高、數(shù)值越小相似程度越低，這樣有利于下一步建立多元判據(jù)綜合相似預報模式。

2.4.2 綜合相似分析

為了綜合評估各相似判據(jù)及基于各相似判據(jù)的相似指數(shù)的綜合作用，科研組在上述3個相似判據(jù)和基于這些判據(jù)設計的3個相似指數(shù)基礎上，定義了1個多元判據(jù)綜合相似指數(shù)Si,j，其計算表達式為：

式（4）中：N為氣象要素場數(shù)量，N = 7；n為序號，n = 1 ~ 7分別代表500hPa高度場、溫度場，700hPa高度場、溫度場，850hPa高度場、溫度場，海平面氣壓場；WRn、WOn、WCn分別為各氣象要素場的相似指數(shù)SRi,j、SOi,j、SCi,j在綜合相似指數(shù)Si,j中所占有的權重系數(shù)。

借鑒多元決策加權法，科研組經(jīng)過大量試驗，在分別驗證各氣象要素場的各相似指數(shù)的相似分析效果后，統(tǒng)計出各權重系數(shù)（數(shù)據(jù)表略），其中權重系數(shù)之和為1。

綜合相似指數(shù)Si,j是在綜合分析了i、j兩個樣本的各氣象要素場的各相似判據(jù)、相似指數(shù)后，綜合給出的一個描述整體相似程度的相似指標，其值域為[0, 1]，且數(shù)值越大表示兩個樣本的相似程度越高，數(shù)值越小表示相似程度越低。

2.5 相似預報方案

2.5.1 相似時域確定

由于哈爾濱機場部分重要天氣年際差異較大，比如在2000~2013年記錄中，初雷最早曾發(fā)生于3月底，最晚曾發(fā)生于5月下旬，因此相似時域不宜太短。經(jīng)科研組反復試驗證明，將相似時域確定在當前日期±15d的范圍內(nèi)較為適宜。

2.5.2 相似樣本確定

首先計算綜合相似指數(shù)Sn,m（n = 0, 1, 2；m = 1, 2, 3, … M，M為歷史樣本數(shù)），包括起始時刻的綜合相似指數(shù)S0,m、結束時刻的綜合相似指數(shù)S1,m、從起始到結束時刻的天氣演變過程的過程綜合相似指數(shù)S2,m（暫定S2,m= (S0,m+ S1,m)/2）。然后將Sn,m按照從大到小重新排序，同時調(diào)整Sn,m對應的日期序列Dn,m(n、m與前述相同)。最后依據(jù)天氣形勢演變過程的最大指數(shù)相似原則、近似最大相似原則、高值指數(shù)相似原則、樣本數(shù)量限制原則，依次篩選、確定當前的最佳相似歷史樣本（詳細過程略）。

2.5.3 相似預報方法

（1）天氣形勢分析：直接把第1個歷史樣本、也就是過程綜合相似指數(shù)最大的歷史樣本的天氣形勢前期分析結果，作為當前最為相似的天氣形勢分析結果予以輸出。

（2）重要天氣現(xiàn)象：考慮到民航氣象服務工作的特點，對重要天氣現(xiàn)象的預報，科研組采用計算并集的方法來確定，即對于前m個最為相似的歷史樣本，它們在指定的某個時段內(nèi)出現(xiàn)的各種重要天氣現(xiàn)象，是當前氣象條件下同時段內(nèi)最可能出現(xiàn)的重要天氣現(xiàn)象。

（3）氣象要素預報：

1）對日降水量、溫度、風速、相對濕度等氣象要素的預報，科研組用設計的以下預報公式來計算：

2）對低能見度、低云高度等氣象要素的預報，可以采用公式（5）來計算?？紤]到民航氣象服務工作的特點，科研組采用前m個最為相似的歷史樣本的最小值或最低值，作為當前氣象條件下可能出現(xiàn)的最小或最低預報值。

2.5.4 相似預報信度

借鑒鐘元的方法[2]，根據(jù)天氣演變過程第1綜合相似指數(shù)，將相似預報信度劃為3類：如果S2,1≥0.90，則相似預報信度較高；如果0.80 ≤S2,1< 0.90，則相似預報信度一般；如果S2,1< 0.80，則相似預報信度較差。

3 預報系統(tǒng)研制

3.1 硬件結構布局

科研組利用哈爾濱機場現(xiàn)有的氣象設備、設施，將預報系統(tǒng)的相關硬件作如圖1所示的結構布局，其中：（1）當前預報樣本數(shù)據(jù)，由預報系統(tǒng)訪問氣象信息網(wǎng)的地方信息終端，讀取省氣象局轉(zhuǎn)發(fā)的T639數(shù)值預報產(chǎn)品格點場數(shù)據(jù)；（2）歷史樣本數(shù)據(jù)，已事先保存在當前電腦指定的數(shù)據(jù)庫位置，并逐年累積；（3）機場觀測數(shù)據(jù)，由預報系統(tǒng)訪問氣象信息網(wǎng)的觀測終端，讀取機場觀測數(shù)據(jù)；（4）配置的音響和打印機，以備告警、提醒和預報產(chǎn)品輸出之用。

圖1 預報系統(tǒng)硬件結構示意圖

3.2 軟件研發(fā)情況

科研組在研發(fā)相似預報系統(tǒng)軟件過程中先后推出了HAFS1.01 ~ 1.06共6個版本，其中最初的5個版本均屬于測試版本，HAFS1.06為當前最新的應用版本。預報系統(tǒng)軟件始研于2013年，初步完成于2015 年7月并聯(lián)網(wǎng)試用，經(jīng)2015年7 ~ 12月試用、再測試和不斷完善，各項工作最后完成于2015年12月。

預報系統(tǒng)軟件設計在Windows XP及以上環(huán)境下運行，開發(fā)語言使用VB6.0，相關支持平臺主要有Oracle、Office Excel，其主窗體界面見圖2。該系統(tǒng)軟件基本結構按其功能和研發(fā)的技術需要，設計劃分為網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)監(jiān)控單元、數(shù)據(jù)采集和分析單元、相似計算和預報單元、查詢打印設置等綜合單元。限于論文篇幅，預報系統(tǒng)軟件及其各單元的研發(fā)技術原理、技術措施和操作方法等不再詳細介紹。

3.3 主要技術指標

1）具有標準、美觀、友好的Windows人機界面：相似預報系統(tǒng)實現(xiàn)簡體中文顯示，具有標準、美觀、友好和便捷的人機互動功能；操作方法簡便易懂，只需要短時間培訓，就能夠很快掌握操作和維護方法；

2）具有完備的網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)監(jiān)控、告警功能：監(jiān)控單元連續(xù)監(jiān)控需要訪問的氣象信息網(wǎng)和有關終端，定時監(jiān)控T639數(shù)值預報和機場觀測的數(shù)據(jù)，如果網(wǎng)絡正常、數(shù)據(jù)齊全、數(shù)據(jù)格式合格則發(fā)出可以讀取數(shù)據(jù)的信息，否則就以屏顯和音頻告警方式發(fā)出告警信息；

3）具有自動讀取、分析綜合數(shù)據(jù)的功能：當監(jiān)控單元發(fā)出網(wǎng)絡和數(shù)據(jù)正常、可以讀取數(shù)據(jù)的信息時，數(shù)據(jù)單元將按照預置時間段，依據(jù)“一主、二備、三應急”的方式，讀取、分析所需各類數(shù)據(jù)，并發(fā)出可以制作預報的信息；

4）具有自動制作、發(fā)布并輸出全方位相似預報產(chǎn)品的功能：當數(shù)據(jù)單元發(fā)可以制作預報的信息時，預報單元隨即啟動自動發(fā)布預報的程序，完成之后自動音頻提醒、打印輸出；

5）具有的其它綜合功能：綜合單元可隨時進行參數(shù)設置、打印輸出、查詢相似分析數(shù)據(jù)和預報產(chǎn)品、查看對比相似圖形、提供幫助信息等。

圖2 預報系統(tǒng)主窗體示意圖

4 試用預報效果

2015年7~12月，相似預報系統(tǒng)在哈爾濱太平國際機場投入試運行，試運行期間，根據(jù)民航局空管局關于發(fā)布航空天氣預報時間和內(nèi)容的相關要求，預報系統(tǒng)每天于04:00 ~ 06:00、10:00 ~ 12:00、16:00 ~ 18:00、20:00 ~ 24:00時段（北京時，下同），分別發(fā)布機場08:00 ~ 08:00、14:00 ~ 14:00、20:00 ~ 20:00、02:00 ~ 02:00航空天氣預報，預報項目包括：天氣形勢分析、重要天氣預報、重要氣象要素預報、主要要素逐時預報，取得了預期的效果。下面以在20:00 ~ 24:00時段內(nèi)利用12小時前發(fā)布的12、24h T639數(shù)值預報產(chǎn)品，來發(fā)布哈爾濱機場次日02:00 ~ 02:00預報為例，相似預報系統(tǒng)對出現(xiàn)的重要天氣現(xiàn)象的預報效果見表1，對達到中雨量級及以上的日降水預報效果見表2。

表1 2015年6~12月重要天氣預報統(tǒng)計表

表2 2015年6~12月≥10mm日降水量預報統(tǒng)計表

5 結束語

1）相似預報技術至今已發(fā)展成為一種成熟的預報技術?？蒲薪M基于相似系數(shù)、歐氏距離和相似離度3個相似判據(jù)，定義了3個相似指數(shù)、1個綜合相似指數(shù)和1個過程綜合指數(shù)，建立了綜合相似分析預報模式，研發(fā)了相似預報系統(tǒng)，經(jīng)試用證明，對短期重要天氣和主要氣象要素具有一定的預報效果，能夠為預報員提供一個可供參考的預報結果。

2）目前雖取得一些效果，但也發(fā)現(xiàn)一些問題：一是歷史樣本數(shù)據(jù)年限、數(shù)據(jù)量偏少；二是利用500hPa、700hPa要素場的相似分析效果比850hPa和地面要素場的效果差，這可能與數(shù)據(jù)場范圍大小有關；三是部分重要天氣例如雷暴大風的預報效果較差，這是因為目前還沒設計專門針對小概率事件的預報方案。歷史樣本可以逐年積累，其它問題有待試驗、改進。

3）科研組計劃在運行滿一年后，擇機升級相似預報系統(tǒng)，屆時除了繼續(xù)研究、完善前期科研成果外，還將嘗試引進新的氣象要素場，嘗試采用多級、逐步相似過濾法等來改進預報模式，使我們的相似預報系統(tǒng)逐步趨于完善、準確率不斷提高。

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黃紅兵（1965—），男，重慶忠縣人，教授級高級工程師，從事航空氣象研究。

作者簡介：

基金項目：中國民用航空局空管局科研項目(民航空發(fā)2013[323]號)。