路東林 段 煉 張 楊 趙 芮 趙 志 邱 雪

（中國(guó)民用航空飛行學(xué)院 廣漢 618300）

1 引言

對(duì)于空域來(lái)說(shuō)，除了空域本身因素的限制以外，還有諸多因素限制著空域的運(yùn)行和發(fā)展，其中天氣因素就是較為重要的一項(xiàng)?！?021 年民航行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》顯示，2021 年我國(guó)平均航班不正常率11.92%，其中天氣原因?qū)е潞桨嗖徽Ｕ嫉搅丝偛徽Ｒ蛩氐?9.56%［1］，呈增長(zhǎng)狀態(tài)。大氣狀態(tài)的任何一次變化都會(huì)對(duì)航空器飛行活動(dòng)造成一定影響，嚴(yán)重時(shí)甚至危及飛行安全，使空域通行能力降至零。

中尺度天氣系統(tǒng)是一種常見系統(tǒng)，通常表現(xiàn)為中尺度大小的云團(tuán)，水平尺度2km～2000km，主要包括中低壓、中氣旋、雷暴群和颮線等，受其影響通常會(huì)出現(xiàn)雷暴、冰雹、暴雨等惡劣的天氣現(xiàn)象［2］。中尺度對(duì)流系統(tǒng)（Mesoscale Convective System，MCS）的概念最早可追溯到20世紀(jì)50年代，后來(lái)在Maddox［3］于1980 年提出的中尺度對(duì)流復(fù)合體（MCC）的定義中形成。

之前己經(jīng)有不少學(xué)者對(duì)出現(xiàn)在我國(guó)及周邊地區(qū)的中尺度對(duì)流系統(tǒng)［4］進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，但主要集中在某一次MCS 的統(tǒng)計(jì)分析上，并沒(méi)有對(duì)某地區(qū)某時(shí)段多云團(tuán)的發(fā)展特性、移動(dòng)特性結(jié)合空域結(jié)構(gòu)進(jìn)行的規(guī)律統(tǒng)計(jì)。湖南地處云貴高原向江南丘陵和南嶺山脈向江漢平原過(guò)渡的地帶，全省東、西、南三面山地環(huán)繞，呈朝北偏東開口的不對(duì)稱馬蹄形地貌。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，特殊的山地環(huán)境導(dǎo)致湖南省內(nèi)強(qiáng)對(duì)流天氣頻繁發(fā)生，且多在夏季出現(xiàn)，常伴隨冰雹和短時(shí)強(qiáng)降水［5］，例如2016年7月17日副高控制下的湘西北暖區(qū)暴雨［6］、2019 年8 月21 日，受東風(fēng)波準(zhǔn)正壓系統(tǒng)影響出現(xiàn)的區(qū)域性強(qiáng)對(duì)流天氣［7］、2020 年1 月6 日斜壓鋒生型區(qū)域強(qiáng)對(duì)流天氣［8］等等，這些對(duì)流天氣突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大，對(duì)空域通行影響極深。

關(guān)于惡劣天氣規(guī)避區(qū)的劃設(shè)以及空域通行能力分析，葉志堅(jiān)［9］等在2014年對(duì)對(duì)流天氣下的空域通行能力梳理了國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，建議綜合分析對(duì)流天氣對(duì)空域的影響。毛永慶［10］等研究了組合反射率數(shù)據(jù)和危險(xiǎn)天氣規(guī)避區(qū)生成算法，并設(shè)計(jì)了輔助系統(tǒng)。此外，魏凡等開展了利用氣象雷達(dá)信息劃設(shè)雷暴飛行限制區(qū)的研究［11］等。

故本文針對(duì)湖南地區(qū)夏季的中尺度對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和可視化處理，從對(duì)流云團(tuán)的水平尺度、面積大小、高度分布、時(shí)空位置分布等特征展開分析，研究中尺度對(duì)流系統(tǒng)的移動(dòng)變化特性，并劃設(shè)惡劣天氣規(guī)避區(qū)，為空中交通流量管理制定管制預(yù)案提供依據(jù)。

2 資料來(lái)源

本文所使用的云圖資料和亮溫資料來(lái)源于向日葵8 號(hào)氣象衛(wèi)星（Himawari-8 衛(wèi)星）的數(shù)據(jù)集。選取Himawari-8 衛(wèi)星紅外7（10.4um）通道的HDF（Hierarchical Data Format）數(shù)值資料，經(jīng)過(guò)可視化處理提取紅外衛(wèi)星云圖，經(jīng)過(guò)定標(biāo)轉(zhuǎn)化提取格點(diǎn)的紅外亮溫?cái)?shù)據(jù)，空間分辨率2km×2km，時(shí)間分辨率10min，資料的時(shí)間范圍是2019 年5 月至7 月，覆蓋范圍為北緯23°～32°，東經(jīng)107°～116°。Himawari-8衛(wèi)星，是世界首顆可拍攝彩色圖像的靜止氣象衛(wèi)星［12］，搭載可見光和紅外掃描輻射計(jì)（AHI），可得到包括可見光和紅外的16 個(gè)通道數(shù)據(jù)，完成一次全圓盤圖的時(shí)間少于10min，還可以在選定時(shí)間對(duì)特定的區(qū)域進(jìn)行掃描。

本文所使用的溫度氣壓層資料是來(lái)自歐洲天氣預(yù)報(bào)中心第五代大氣再分析資料（ERA5）。選取ERA5 在2019 年5 月至7 月的逐小時(shí)溫度氣壓層數(shù)據(jù)，向上劃分為37 個(gè)氣壓層，最高1hpa，最低1000hpa，水平分辨率0.25°×0.25°，時(shí)間分辨率1h。ERA5 再分析資料以30km×30km 的網(wǎng)格覆蓋全球，擁有先進(jìn)的資料同化系統(tǒng)，可將模型數(shù)據(jù)與各地觀測(cè)數(shù)據(jù)形成一個(gè)完整一致的數(shù)據(jù)集。

本文所使用的空域資料來(lái)源于全國(guó)航路圖，選取北緯24°～31°，東經(jīng)107°～116°范圍，得到湖南全空域的簡(jiǎn)化資料，包括A461航路、R343航路、A581航路、H10 航路、W46 航路等8 條主要航路、長(zhǎng)沙黃花機(jī)場(chǎng)、張家界荷花機(jī)場(chǎng)等7 個(gè)主要機(jī)場(chǎng)以及導(dǎo)航點(diǎn)的精確經(jīng)緯度坐標(biāo)。

3 數(shù)據(jù)處理及可視化過(guò)程

目前國(guó)內(nèi)外氣象學(xué)者已對(duì)中尺度對(duì)流系統(tǒng)進(jìn)行了大量研究，形成了較為成熟的理論和方法。關(guān)于中尺度對(duì)流系統(tǒng)的識(shí)別判定，束宇和潘益農(nóng)［13］致力于基于靜止衛(wèi)星紅外云圖的MCS 計(jì)算機(jī)識(shí)別方法的開發(fā)。費(fèi)增坪［14］等根據(jù)造成我國(guó)劇烈災(zāi)害性天氣的對(duì)流系統(tǒng)的空間尺度特征，修訂了MCS 的最小尺度標(biāo)準(zhǔn)，由此確定本文識(shí)別與判定MCS 的依據(jù)，即亮溫（TBB）≤-52 ℃的連續(xù)冷云區(qū)面積≥6400km2，持續(xù)時(shí)間≥1h，最大尺度橢圓率≥0.5。綜合考量，本文首先采用引導(dǎo)濾波方法對(duì)紅外衛(wèi)星云圖進(jìn)行降噪處理，消除接收數(shù)據(jù)過(guò)程中因受到電波干擾而出現(xiàn)在云圖上的噪點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)云圖邊緣平滑，吳一全［15］等通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)確定了引導(dǎo)濾波后的增強(qiáng)圖像I，線性簡(jiǎn)化公式為

其中，Ia是原紅外圖像，Ib是輸出圖像，δ是最佳增強(qiáng)因子，是圖像的全局灰度均值；隨后對(duì)所選區(qū)域內(nèi)的云團(tuán)進(jìn)行二值化閾值處理和面積篩選，把-52℃的亮溫閾值作為二值化的依據(jù)，將TBB≤-52℃的像素點(diǎn)標(biāo)記為“1”，TBB＞-52℃的像素點(diǎn)標(biāo)記為“0”，同時(shí)設(shè)置1600 為像素點(diǎn)面積最低閾值（由于Himawari-8 衛(wèi)星紅外7 通道的分辨率為2km×2km，且MCS 云團(tuán)要求連續(xù)冷云區(qū)面積≥6400 km2，所以最低閾值取1600）判斷并剔除像素點(diǎn)總數(shù)小于1600的區(qū)域，面積S的計(jì)算公式如下：

其中X 是分辨率，N 是像素點(diǎn)總數(shù)；然后采用Canny檢測(cè)算子對(duì)目標(biāo)云團(tuán)進(jìn)行邊緣檢測(cè)提取輪廓，Canny算子出現(xiàn)早、誤判率低、定位精度高，能夠?qū)λ羞吘夁M(jìn)行檢測(cè)提取，而且能夠抑制虛假邊緣［16］，算子公式如下：

其中，?2f(x,y)是像素(x,y)處的灰度值，f(x,y)表示具有整數(shù)像素坐標(biāo)的輸入圖像；最后篩選目標(biāo)云團(tuán)的橢圓率，得到符合條件的MCS云團(tuán)。

對(duì)于目標(biāo)中尺度對(duì)流云團(tuán)云頂高度的反演過(guò)程，李五生［17］等基于紅外亮溫法計(jì)算云頂高度，探究了云位置偏差及幾何校正問(wèn)題；王根［18］等開展了基于Himawari-8 衛(wèi)星AHI 資料的反演降水初步應(yīng)用研究。本文選擇單通道云頂紅外亮溫與ERA5再分析資料反演云頂高度。假設(shè)云發(fā)射率為1，將云視作黑體，利用普朗克公式將輻射亮度轉(zhuǎn)為云頂亮溫從而得到云頂高度。資料使用Himawari-8 衛(wèi)星10.4 um 通道數(shù)據(jù)，將等效黑體亮溫與大氣溫度廓線直接插值轉(zhuǎn)化為氣壓和云頂高度。衛(wèi)星資料獲取紅外亮溫T0，假設(shè)T0位于兩個(gè)氣壓溫度（T1，T2）間，（T1，T2）對(duì)應(yīng)的氣壓高度層為（P1，P2）。若相鄰氣壓層間溫度近似線性變化，則通過(guò)線性插值計(jì)算衛(wèi)星紅外亮溫T0對(duì)應(yīng)的大氣壓值P0，公式如下：

最后，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)大氣模型計(jì)算出云頂高度H，公式為

湖南的簡(jiǎn)化空域，利用Arcgis10.8 軟件繪制。首先在ArcCatalog 平臺(tái)指定數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建新的shapefile線要素圖層并在Arcmap中加載出來(lái)，同時(shí)在Arcmap 中添加gadm36_CHN 中國(guó)省級(jí)行政區(qū)劃圖數(shù)據(jù)，選取研究范圍導(dǎo)出數(shù)據(jù)生成研究范圍圖層；然后借助EXCEL 對(duì)導(dǎo)航點(diǎn)、機(jī)場(chǎng)的點(diǎn)坐標(biāo)經(jīng)緯度、名稱等屬性進(jìn)行賦值，并轉(zhuǎn)換成導(dǎo)航點(diǎn)、機(jī)場(chǎng)Table表，以X為經(jīng)度，Y為緯度顯示生成圖層；最后“捕捉”導(dǎo)航點(diǎn)，在新建的線要素圖層繪制航路，并把四個(gè)圖層及標(biāo)注放置在一張圖中可視化顯示，如圖1所示。

圖1 湖南空域簡(jiǎn)化航路

4 MCS云團(tuán)統(tǒng)計(jì)及特征分析

2019年5 月至7月，湖南地區(qū)總共有96個(gè)MCS樣本，其中5 月14 個(gè)，6 月52 個(gè)，7 月30 個(gè)。計(jì)數(shù)規(guī)則為第一類是在湖南界內(nèi)初生發(fā)展的MCS 云團(tuán)；第二類是在湖南邊界初生發(fā)展的MCS 云團(tuán)，要求在湖南地區(qū)的云區(qū)面積≥6400km2且持續(xù)時(shí)間≥1h；第三類是穿過(guò)湖南的MCS，同樣要求在湖南地區(qū)的云區(qū)面積≥6400km2且持續(xù)時(shí)間≥1h；同時(shí)，若云團(tuán)一分為二，且都符合MCS 判據(jù)，記為2個(gè)，若多云團(tuán)合而為一，且符合MCS判據(jù)，記為1個(gè)。

4.1 水平尺度與面積特征

依據(jù)Orlanski［19］對(duì)α-中尺度（200km～20000km）和β-中尺度（20km～200km）的劃分標(biāo)準(zhǔn)和本文的判定標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)普查與統(tǒng)計(jì)MCS 可以得到每個(gè)月屬于α和β中尺度的成熟期云團(tuán)頻數(shù)以及每月成熟期MCS的最大和最小面積，如圖2所示。其中，5月中下旬開始出現(xiàn)MCS 對(duì)流天氣，頻次不高；6 月的MCS 頻次最高，且α和β中尺度云團(tuán)均最多，分別達(dá)15 次和37 次；7 月相對(duì)6 月來(lái)說(shuō)，云團(tuán)頻次降低。總體來(lái)說(shuō)，β-中尺度云團(tuán)出現(xiàn)頻率較高，占總次數(shù)的76%，面積大小不一，最小面積是5 月26 日一次云團(tuán)10 時(shí)50 分的6800km2；α-中尺度云團(tuán)雖然頻次不高，但尺度大，像6 月28 日的一次云團(tuán)，在20點(diǎn)50 分發(fā)展到234024km2，對(duì)空域影響很大；夏季MCS 多發(fā)且涉及廣泛，應(yīng)注意防范MCS 對(duì)空域的影響。

圖2 尺度與面積特征

4.2 云頂高度特征與飛行高度層

通過(guò)對(duì)樣本進(jìn)行亮溫篩選，將篩選的最大降溫值線插入ERA5 數(shù)據(jù)中，得出相應(yīng)的云頂高度，進(jìn)而討論樣本云團(tuán)的高度分布狀況。圖3 為每月中成熟期云團(tuán)的最高云頂、最低云頂、平均云頂高度分布，每月的平均云頂高度分別為13262m、13410m、13407m。依據(jù)我國(guó)飛行高度層配備原則和實(shí)情表現(xiàn)，民用航空器的飛行高度一般不會(huì)超過(guò)12500m，云團(tuán)均在航路之上，因此，當(dāng)滿足本文判定標(biāo)準(zhǔn)的MCS 出現(xiàn)時(shí)，航空器的飛行會(huì)很大可能受到惡劣天氣影響，空域通行能力會(huì)降低。

圖3 云頂高度特征

4.3 時(shí)空特征與空域結(jié)構(gòu)

上述統(tǒng)計(jì)是針對(duì)MCS 成熟期的特征角度出發(fā)，下面將從相同的樣本中以動(dòng)態(tài)變化過(guò)程著手分析樣本的時(shí)空特征與空域結(jié)構(gòu)的關(guān)系。湖南空域簡(jiǎn)化航路如圖1 所示，假設(shè)以老糧倉(cāng)導(dǎo)航點(diǎn)為中點(diǎn)，依據(jù)R343 航路和H24-W46 航路將湖南空域劃分為東、西、南、北四部分空域來(lái)分析樣本云團(tuán)的空間特征。據(jù)統(tǒng)計(jì)，就云團(tuán)初生位置（如圖4（a））而言，南部空域出現(xiàn)MCS 最多，達(dá)38 次，其次是西部空域，有26 次MCS，相對(duì)來(lái)說(shuō)出現(xiàn)最少的為東部空域，這主要是受大部分南部云團(tuán)和東行天氣系統(tǒng)影響；其次，就云團(tuán)移動(dòng)路徑（如圖4（b））而言，樣本云團(tuán)受氣流影響，基本上以西-東走向初生發(fā)展，少部分云團(tuán)以西北-東南和西南-東北走向移動(dòng)，還有少部分云團(tuán)受氣旋影響，自東北向西南方向緩慢變化，且持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；此外，對(duì)各樣本云團(tuán)的持續(xù)時(shí)間分1h～2h、2h～4h、4h～6h、6h～12h、≥12h 四個(gè)階段左閉右開進(jìn)行頻數(shù)統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖4（c）所示，發(fā)現(xiàn)云團(tuán)持續(xù)時(shí)間主要集中在1h～4h 范圍內(nèi)，僅1h～2h 時(shí)間段內(nèi)的云團(tuán)就占到總數(shù)的44%，持續(xù)時(shí)間超過(guò)6h的頻次很低，不常發(fā)生。

圖4 時(shí)空特征

5 算例分析與MCS天氣規(guī)避區(qū)的劃設(shè)

選取6 月8 日14 時(shí)22 時(shí)的MCS 樣本展開特例分析，MCS云團(tuán)在14時(shí)30分左右初生，從湖南中部開始自西向東發(fā)展成熟，21 時(shí)左右離開湖南省內(nèi)，移動(dòng)到江西，并逐漸消亡，持續(xù)7h 以上。如圖5 所示，本文基于Anaconda 的Python 環(huán)境處理云圖，選取16：40、18：40、20：40 三個(gè)時(shí)間點(diǎn)直觀表示出MCS 的判定過(guò)程和MCS 從初生到成熟再到消亡的過(guò)程，圖5（a）為引導(dǎo)濾波消除噪點(diǎn)后的紅外云圖，圖5（b）為二值化處理及面積篩選后的云圖，圖5（c）為橢圓率計(jì)算后目標(biāo)云團(tuán)的提取輪廓圖，即判定后的MCS云團(tuán)輪廓。

圖5 云團(tuán)的判定過(guò)程

云團(tuán)面積及反演云頂高度的逐小時(shí)變化態(tài)勢(shì)如圖6 所示，可以發(fā)現(xiàn)此云團(tuán)達(dá)到MCS 標(biāo)準(zhǔn)后，云頂高度均在12000m 以上，面積均在7000km2～90000km2范圍。此云團(tuán)云頂高度變化態(tài)勢(shì)不穩(wěn)定，在14 時(shí)至16 時(shí)是初生階段，分布在12035m 左右，從16 時(shí)至18 時(shí)呈上升趨勢(shì)，達(dá)到18 時(shí)的12232m，此后開始降低；云團(tuán)面積變化態(tài)勢(shì)比較穩(wěn)定，隨著時(shí)間的推移，從14時(shí)開始逐漸發(fā)展擴(kuò)大，達(dá)到21時(shí)的90152km2。21 時(shí)至22 時(shí)，云團(tuán)逐漸離開湖南省內(nèi)，部分云團(tuán)不計(jì)入內(nèi)，且又激增了新的MCS 云團(tuán)，故出現(xiàn)云團(tuán)面積數(shù)值降低，云頂高度數(shù)值升高的現(xiàn)象。

圖6 云團(tuán)面積及云頂高度的逐小時(shí)變化態(tài)勢(shì)

MCS引起的強(qiáng)對(duì)流天氣，會(huì)使空域利用率大大降低，單純的地面等待、備降返航或空中盤旋效果不顯，有必要?jiǎng)澰O(shè)天氣規(guī)避區(qū)為航班繞飛以及空中交通管制提供態(tài)勢(shì)判斷。因此，本文提出MCS 天氣規(guī)避區(qū)，以TBB ≤-52℃的云團(tuán)輪廓作為對(duì)流強(qiáng)度較大的區(qū)域進(jìn)行安全飛行條件外擴(kuò)，并疊加空域分析具體影響。

具體方案是：首先，以上述18 時(shí)40 分MCS 云團(tuán)為例，提取出云團(tuán)輪廓線，依此對(duì)輪廓化曲為直，形成呈凸多邊形的MCS 強(qiáng)對(duì)流危險(xiǎn)區(qū)（如圖7（a））；然后，依據(jù)通告AC-91-FS-2014-20（《航空器駕駛員指南：雷暴、晴空顛簸和低空風(fēng)切變》）［20］中航空器在遇到雷暴需要繞飛或需要在兩個(gè)云團(tuán)之間穿越時(shí)應(yīng)保證航空器與云團(tuán)邊界至少30km距離的規(guī)定，對(duì)危險(xiǎn)區(qū)邊界進(jìn)行外擴(kuò)緩沖區(qū)，劃設(shè)出MCS 天氣規(guī)避區(qū)（如圖7（b））；最后將規(guī)避區(qū)與湖南空域疊加顯示（如圖7（c）），可直觀地看到對(duì)相關(guān)航路的阻塞情況，得到對(duì)相關(guān)空域通行能力的判斷。

圖7 惡劣天氣規(guī)避區(qū)的劃設(shè)

據(jù)圖1和圖7（c）分析，此MCS云團(tuán)由西向東運(yùn)動(dòng)發(fā)展，對(duì)湖南東部和南部空域產(chǎn)生較大影響，在18 時(shí)40 分左右，航路R343 龍口-老糧倉(cāng)段、航路A461 龍口-黃花-英德段、航路W46 等均受到不同程度的阻塞。根據(jù)云團(tuán)運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)和規(guī)避區(qū)可進(jìn)行類似調(diào)整：由于龍口-老糧倉(cāng)段以及龍口-黃花段均受到阻塞，則龍口方向的航空器可以向西（云團(tuán)行進(jìn)反方向）繞飛，并結(jié)合空中等待策略，匹配適宜時(shí)間著陸。相關(guān)航路的航空器可根據(jù)規(guī)避區(qū)范圍選擇適宜的改航策略，空中交通管制單位也可以根據(jù)云團(tuán)的發(fā)展趨勢(shì)和規(guī)避區(qū)的劃設(shè)為空中交通提供流量管理措施，提高空域通行能力。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)湖南地區(qū)夏季的MCS 做了識(shí)別判定、普查統(tǒng)計(jì)與特性分析，并結(jié)合一次MCS 特例敘述了MCS 天氣規(guī)避區(qū)的劃設(shè)，此研究體現(xiàn)出湖南地區(qū)夏季MCS 的主要發(fā)展情況，可以為空中交通管理決策者提供輔助決策信息。但是，本文實(shí)踐發(fā)現(xiàn)MCS的變化是迅速且多樣的，在移動(dòng)變化過(guò)程中可能會(huì)逐漸消亡，也可能會(huì)激發(fā)新的對(duì)流，因此仍需要對(duì)MCS 深入研究，探討中尺度對(duì)流旋渦與深對(duì)流中心之間的關(guān)系；同時(shí)，MCS 天氣規(guī)避區(qū)的劃設(shè)應(yīng)考慮多云團(tuán)規(guī)避區(qū)的邊界融合問(wèn)題，此后需要對(duì)此綜合考慮，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并將云團(tuán)運(yùn)動(dòng)發(fā)展趨勢(shì)與規(guī)避區(qū)的劃設(shè)作為容量預(yù)測(cè)的影響因子和優(yōu)化權(quán)值因素加入動(dòng)態(tài)容量評(píng)估模型中。