1. 引言
eVTOL，即电动垂直起降飞行器，以其环保、高效、低噪音等优势，成为未来城市空中交通的重要组成部分。然而，国内eVTOL在未来的广泛应用对航空气象提出了新的要求。本文旨在探讨航空气象系统如何应对eVTOL的发展趋势，确保其安全和高效运行。
2. eVTOL的发展趋势
eVTOL技术在电池、电机、控制系统等方面取得了显著进展[1]，预计在2025~2026年将进入商业化运营阶段。市场预测显示，到2035年，中国eVTOL市场规模将达到5292.8亿元[2]。eVTOL主要应用于城市客运、物流运输、医疗急救等领域。其运行高度通常在100~1000米之间，主要覆盖城市中心及城郊区域。eVTOL的商业化进程正在加速，多个国家和地区的企业积极参与研发和测试。美国、德国等国家在eVTOL领域处于领先地位，中国的eVTOL研发也不落后，尤其在亚太地区具有显著优势。eVTOL的广泛应用面临着多重技术挑战，包括电池能量密度、智能驾驶系统、航路规划等方面的技术难题。特别是在低空飞行环境中，eVTOL需要应对复杂的地形和气象条件，这对航空气象服务提出了诸多挑战。
在全球范围内，各国都在积极探索应对这些挑战的有效途径，以推动eVTOL产业的健康发展。美国在eVTOL气象服务领域处于领先地位。NASA开展了相关项目，研究利用高精度激光雷达和多普勒雷达等组成三维气象监测网络，对低空复杂气象环境进行实时监测和建模，同时开发基于人工智能的气象风险评估系统。商业气象服务公司如Weather Underground，利用其观测站网络和预报模型，为eVTOL运营企业提供个性化气象服务。清华大学建立城市街区尺度气象模型，开发气象监测系统和预报平台；北京航空航天大学提出基于风险评估的eVTOL气象适航标准体系框架。中国航空运输协会通用航空分会组织制定eVTOL气象服务标准和规范草案。
3. eVTOL发展对航空气象服务的挑战
3.1. 受低空气象条件的影响显著
eVTOL的低空运行特性使其面临独特的气象挑战。低空区域的气象条件变化迅速且复杂，如风切变、湍流、低云、雾和降水等，这些因素都可能对eVTOL的飞行稳定性和安全性造成显著影响。例如，风切变可能导致飞行器突然失去升力或遭遇意外的侧向力，增加飞行控制的难度。湍流则可能引起飞行器的剧烈颠簸，影响乘客的舒适度和飞行安全。此外，低空的能见度问题，如雾和低云，可能限制飞行员的视线，增加起降和导航的难度。因此，对这些低空气象现象的准确监测和预警对于保障eVTOL的安全运行至关重要。
3.2. 对气象预报需求提升
eVTOL的运营模式要求气象预报服务具备更高的时效性和精细化水平。由于eVTOL飞行路径短、起降频繁，对气象条件的实时变化极为敏感。这就要求气象预报不仅要准确预测天气的整体趋势，还要能够提供局部区域、短时间内的详细气象信息。例如，预报系统需要能够及时更新低空风速、风向、温度和湿度等数据，以及可能影响飞行的降水、云层和能见度等信息。此外，预报服务还需具备快速响应能力，以便在气象条件发生突变时，能够立即通知eVTOL运营商和飞行员，采取相应的应对措施。
3.3. 对创新气象监测技术需求迫切
为了满足eVTOL对气象监测的高要求，需要开发和部署更加先进的监测技术。传统的气象监测站和雷达系统主要针对高空气象条件设计，可能无法提供足够的低空气象数据。因此，需要引入如激光雷达(LIDAR)、无人机、固定翼飞机、气球等新型监测工具，以实现对低空气象条件的实时、高分辨率监测。这些技术可以提供更为精确的风速、风向、温度和湿度等数据，帮助预测和监测风切变、湍流等影响飞行安全的关键气象因素。同时，通过集成这些监测数据到气象预报模型中，可以提高预报的准确性和可靠性。
3.4. 更高的气象数据的集成与应用要求
通过各类方式收集到的低空气象数据需要被有效集成和应用于eVTOL的飞行决策支持系统中，这要求建立一个高度集成的数据平台，能够实时接收、处理和分析来自各种监测源的数据，并将其转化为飞行员和空管人员易于理解的格式。此外，这些数据还应与eVTOL的飞行管理系统和自动飞行控制系统相结合，实现对飞行路径的动态调整和优化，以适应不断变化的气象条件。
3.5. 飞行员对气象相关培训的需求增加
鉴于低空气象条件的复杂性，飞行员需要接受专门的气象相关培训，以提高他们对这些条件的认识和应对能力。培训内容应包括对低空气象现象的理解、飞行中的气象数据解读，以及在遇到不利气象条件时的应急操作程序。此外，飞行员还应熟悉使用先进的气象监测和预报工具，以提高他们的飞行决策能力。
3.6. 新的政策法规亟待制定
为了确保eVTOL在各种气象条件下的安全运行，需要制定相应的政策和法规，对气象服务标准、飞行安全标准，以及飞行员培训标准等进行规范。这些政策和法规应与国际标准接轨，同时考虑到eVTOL运行的特殊性和地区性气象特点，以实现不同地域条件范围内eVTOL运行的安全与高效运行。
为了确保eVTOL在各种气象条件下的安全运行，需要制定相应的政策和法规，对气象服务标准、飞行安全标准，以及飞行员培训标准等进行规范。这些政策和法规应与国际标准接轨，同时考虑到eVTOL运行的特殊性和地区性气象特点，以实现不同地域条件范围内eVTOL运行的安全与高效运行。然而，目前eVTOL相关管理法规滞后，专项法规缺位[3]。低空空域管理缺少总体规划和分类指导细则，各地发展战略规划呈现碎片化状态，各地区之间缺乏整体谋划和协调，存在发展不统一、资源利用不高效等现象。
4. 空管气象系统的应对策略
4.1. 布控精细化气象监测网
建立覆盖城市及城郊区域的高密度气象观测站点，形成全面的观测网络，以实现对关键气象参数的连续监测。在机场附近、主要航线和气象敏感区域增设观测点，提高监测的针对性和有效性。根据eVTOL的飞行特点和城市及城郊区域的地理环境，运用地理信息系统(GIS)技术，对气象观测站点进行科学合理的布局规划。综合考虑飞行航线、起降点分布、地形地貌、气象灾害易发区域等因素，确定监测站点的具体位置和数量，确保监测网络能够全面覆盖eVTOL的主要活动区域，并对关键区域进行重点监测。利用无人机、激光雷达等新技术，进行高精度的风速、风向和大气湍流监测，为低空飞行提供关键数据支持，提升气象数据的时空分辨率[4]。
4.2. 发展智能化气象预报
运用人工智能和大数据技术，开发针对eVTOL的智能气象预报系统，提供局部区域的高分辨率预报，满足eVTOL起降和航线的精确气象需求。此外，还应专注于短期预报的准确性，为eVTOL提供临近起飞和降落的即时气象信息。通过机器学习算法，模拟复杂的气象现象，提升气象预报的准确性和时效性。同时，通过收集大量的历史气象数据和eVTOL飞行数据，包括不同季节、不同地区、不同气象条件下的数据，运用数值天气预报模式和人工智能算法相结合的方法，建立针对eVTOL的智能化气象预报模型。在模型建立过程中，充分考虑低空气象要素的特点和eVTOL的飞行特性，对模型进行反复的训练、验证和优化，不断提高预报的准确性和分辨率。例如，采用物理过程参数化方案与机器学习算法相融合的方式，对低空风切变、湍流等复杂气象现象进行精细模拟和预报，为eVTOL的起降和飞行安全提供有力保障。
4.3. 建立eVTOL气象服务平台
建立一个综合性的eVTOL气象服务平台，该平台将作为航空气象信息的中心枢纽，提供包括但不限于实时气象数据、精确预报、即时预警和专业飞行建议等多元化服务。eVTOL气象服务平台应采用分层架构，包括数据采集层、数据处理层、服务层和应用层。利用5G、云计算和大数据技术，平台能够实现气象数据的收集、存储、管理和分析、分发功能，并提供气象预报、预警、飞行建议等核心服务，确保飞行员和空管人员能够实时获取到最新、最准确的气象数据。通过与飞行计划系统、飞行管理系统和自动飞行控制系统的无缝集成，气象服务平台能够自动调整和优化飞行路径，以适应不断变化的气象条件，从而最大程度地提高飞行安全和效率。
4.4. 强化多部门协同合作
为有效应对eVTOL运营中可能遇到的复杂气象挑战，强化多部门协同合作策略至关重要。这涉及空管气象及管制部门以及eVTOL运营企业之间的紧密合作，共同构建一个全面的信息共享机制。通过这一机制，各方能够实时交换关键数据和情报，确保在气象信息、飞行计划和运营决策方面的透明度和一致性。此外，通过定期的联合演习，相关部门和企业能够检验和完善应急预案，提高对突发事件的响应速度和处理效率。
4.5. 制定政策和标准
在eVTOL气象服务领域，制定针对eVTOL的气象服务标准和政策，是确保服务规范化和标准化的关键。这些政策和标准将为气象服务的各个方面提供明确的指导和规范，包括但不限于气象监测、预报准确性、信息发布的及时性以及数据共享的安全性。通过这些政策和标准，可以建立起一套完善的气象服务管理体系，从而为eVTOL的安全运行提供坚实的支撑。
5. 结论
随着技术创新的不断推进，尤其是人工智能、电池技术和通讯导航等领域的进步，eVTOL的性能和安全性预期将得到显著提升，这将为其在旅游观光、物流运输、医疗急救等多个领域的广泛应用铺平道路。展望未来，eVTOL市场的巨大潜力预示着在未来十年内，我们将迎来其快速增长期，特别是在城市客运和物流运输方面，eVTOL有潜力成为替代部分传统交通工具的主要交通方式。eVTOL的发展为城市空中交通带来了新的机遇，但也对航空气象提出了更高的要求。未来，航空气象系统需要通过精细化监测、智能化预报、信息化服务和多部门协同合作，全面提升应对eVTOL发展趋势的能力，确保其安全、高效运行。