1. 引言
我国西南地区地形复杂，受青藏高原及其东侧陡峭地形影响，观测资料匮乏，数值模式预报能力受限，严重制约天气预报业务水平。同时，夏季强对流天气频发，是导致飞行延误的主要因素。目前，航班延误响应等级的发布依赖流量部门基于气象部门主观分级的MDRS概率预警产品进行判断，该产品缺乏对天气强度及航班延误影响程度的客观评估，无法为管制和流量部门提供精准决策依据。
在航空气象支持产品方面的研发与应用，国外起步较早。其中，美国的联邦航空管理局开发了NextGen天气处理器(NextGen Weather Processor, NWP)，该产品将多个观测平台与数值预报模型信息进行集合展示，重点关注降水、微下击暴流的预报，并将其转化为适用于空管决策的相关信息[1]。欧洲通过单一天空空中交通管理研究项目研发了四维天气立方体(4-Dimensional Weather Cube, 4DWC)平台[2]。该平台通过信息管理整合欧洲多个气象服务预报者的结论，实现了气象信息的共享与集成，帮助管制、机场等用户及时掌握天气状况并提前规划。此外，国外已开发可用于检测和报告风切变和微下击暴流的相关系统，并在全球数百个机场部署。目前，国内民航气象部门也在不断推进航空气象支持产品的研究与使用。例如，中国民用航空华东地区空中交通管理局气象中心研发的华东地区机场及终端区风场预报预警系统[3]，基于多模式集成预报技术，可提供逐小时的机场及终端区3000米以下各管制高度层的风场预报产品，并提前发布机场跑道风重大变化预警信息，为管制员调配航空器间隔提供量化数据。该系统在上海浦东、虹桥等四个国际机场运行后，提高了风的预报准确率，满足了不同地区管制单位对风场预报产品的个性化需求，产生了显著的经济效益和社会效益。另外，首都机场的航班起降窗气象指数预报、基于温湿–降水耦合模型跑道冰雪预警为航班的起降提供气象支持，浦东机场的“低云低能见度决策支持系统”可动态计算航班延误风险，为塔台调度提供量化建议。
而目前国内针对西南地区管制用户的气象支持产品的研究还较少，在满足管制实际需求方面存在较大差距，有必要对其进行深入研究。夏季强对流天气预警技术一直是航空气象服务的重点之一[4]，故本文基于高分辨率、高时效性的西南区域数值预报模式系统SWC-WARMS的预报资料，面向管制用户开发针对强对流天气的定制化气象预报支持产品，精准聚焦航空管制运行的核心需求，为管制和流量部门提供客观、精细化的决策支持，提升航空气象服务能力。
2. 资料介绍
2.1. 西南区域数值预报模式SWC-WARMS
数值天气预报模式是现代气象预报的基石，随着信息化时代的到来，数值预报模式在集合预报、资料同化、公里级分辨率和地球系统模式等方面蓬勃发展，不断提高预报能力[5]。而我国西南地区地形陡峭复杂，每年暴雨频发，常常造成洪涝以及滑坡泥石流等自然灾害。同时，由于青藏高原及其东侧复杂地形的存在，观测资料相对匮乏，数值模式对该地区的预报能力普遍低于我国其它地区，严重制约了西南地区天气预报业务水平，建立和研发适于西南区域的数值天气预报系统具有重要意义。为解决西南区域高分辨率、高时效性的模式预报难题，中国气象局成都高原气象研究所研发了西南区域数值预报模式系统SWC-WARMS。SWC-WARMS是基于西南地区独有的地形地貌开发研究的区域数值天气预报系统，针对该区域复杂地形和高分辨率预报需求进行优化[6]。该系统可提供36小时时效的逐小时预报数据，特别是回波反射率(DBZ)等关键气象要素，为精细化气象服务提供了坚实的数据基础。同时，经过业务应用与评估，发现该区域模式与其他模式对比，对西南区域暖区暴雨有较好的预报效果，同时降水漏报较少。采用此模式数据，有利于减少西南地区雷雨季节重要天气过程的漏报，为管制运行提供更好的预报支持。
2.2. 研究对象与预处理数据
为研发一种适用于西南地区管制运行的气象预警产品，根据管制用户的实际运行需求，筛选出主要航路、重要导航点和终端区，并对其进行预处理，具体方法如下：
(1) 针对重要航路：选取西南地区B213、B330、G212、W30、A581、H24重要航路，并将其进行分段处理(每段约50~100公里)，形成包含经纬度位置的航路分段文本文件，以便更精准地分析天气对航路的影响。
(2) 针对终端区导航点：针对成都双流、天府两场及终端区8进8出重要导航点、繁忙导航点(共23个)，精确提取单点经纬度坐标，用于评估天气对导航点附近飞行程序的影响。
(3) 针对终端区分区：将成都终端区划分为1~6区，同时在1区及2区内划分更精确的双流和天府机场关键区，借助地理信息系统(GIS)完成分区边界定义，为分析终端区不同区域的天气影响提供空间划分依据。
3. 管制运行气象支持产品介绍与实现
本文最终开发了一款多类型、多时效，包含航路分段、重要导航点与终端区回波覆盖率三个模块的气象预报支持产品，为管制部门提供全面且精细化的气象支持。为便于用户理解，按照天气影响严重程度将结果分为绿色、黄色、红色三个等级进行展示，绿色代表无天气影响或天气影响较弱，黄色代表有一般程度天气影响，红色代表天气有强影响。
3.1. 西南主要航路预报产品
3.1.1. 产品功能
该产品提供36小时逐小时及综合分析的航路分段天气影响等级(绿色、黄色、红色)，全面覆盖西南地区6条重要航路。通过分段展示回波反射率(DBZ)的平均值与最大值，能够直观反映强对流天气(如雷暴、强降水)对航路的影响程度，帮助管制部门提前做好应对准备。
3.1.2. 实现方法
读取SWC-WARMS模式的逐时DBZ数据，运用统计算法对管制区域内由于地形等因素导致的异常高值(如虚假回波)进行订正，确保数据的准确性。同时设置分级标准，依据航空气象运行标准，科学设定DBZ阈值(例如黄色 ≥ 30 dBZ，红色 ≥ 40 dBZ)，同时结合影响时长(如黄色持续 ≥ 1小时，红色持续 ≥ 2小时)生成逐小时及综合分级预警，使预警更具科学性和实用性。
3.1.3. 产品形式
采用热力图与折线图相结合的形式，逐小时清晰显示各航路段天气等级。综合分析图则标注36小时内高影响天气的持续时段及覆盖范围，以直观的可视化形式呈现给用户，便于快速掌握整体情况。
3.2. 终端区重要导航点预报产品
3.2.1. 产品功能
针对双流、天府两场及终端区繁忙导航点，提供单点36小时逐小时及综合天气影响等级，精准定位强对流天气对导航点附近飞行程序的影响，为管制部门制定针对性的飞行程序调整策略提供依据。
3.2.2. 实现方法
准确提取导航点经纬度对应网格的DBZ值，直接按照与航路相同的阈值标准进行分级，确保评估标准的一致性。另外，详细统计36小时内各导航点受黄色、红色天气影响的累计时长，进而生成综合影响等级(例如红色影响时长 ≥ 3小时则综合等级为红色)，从时间维度全面评估天气影响。
3.2.3. 产品形式
以表格与时间序列图相结合的形式，逐小时展示单点天气等级。综合分析图标注每个导航点在36小时内的天气影响综合情况。
3.3. 终端区覆盖率预报产品
3.3.1. 产品功能
按管制分区(1~6区)展示30 dBZ以上回波覆盖率，清晰反映终端区各区域强对流天气的空间分布及影响范围，为管制部门合理调配空域资源提供科学依据，提高空域使用效率。
3.3.2. 实现方法
针对覆盖率的计算，采用射线法精确计算每个分区内DBZ ≥ 30 dBZ的网格占比，逐小时生成覆盖率等级(如黄色：覆盖率20%~50%，红色：覆盖率 > 50%)，实现对各区域天气影响程度的量化评估。同时结合36小时逐时覆盖率数据，生成各分区综合影响等级(如红色覆盖率持续 ≥ 2小时则综合等级为红色)，从时空两个维度综合评估天气影响。
3.3.3. 产品形式
采用分区填色图与直方图相结合的方式，逐小时直观显示各分区覆盖率等级。综合分析图通过红、黄、绿三色标注各区域的天气覆盖综合影响等级，帮助管制人员快速把握终端区整体天气态势。
4. 应用验证
该管制运行气象支持产品摒弃了传统气象信息中的冗余信息，为不同的管制员提供简洁、高效且直接相关的气象信息。此产品可将数值预报的结果以直观、易懂的方式呈现，使管制员能够在短时间内迅速把握天气状况的关键要点，快速做出科学合理的决策。为进一步验证该产品的准确率与适用性，选取2025年夏季西南地区四个天气案例进行评估分析。评估主要分为预报时间和预报强度两个维度。其中，预报时间的评估方法借鉴2019年民航局空管局下发的强对流天气MDRS评估办法，具体如表1所示；预报强度的评估，则参考产品开发时定义的颜色等级所对应的回波反射率(DBZ)，若实况DBZ平均值 ≥ 30 dBZ，则为黄色，若实况DBZ平均值 ≥ 40 dBZ，则为红色。
Table 1. Evaluation method for comparison between observed and forecast data of air traffic control operation meteorological support products
表1. 管制运行气象支持产品实况与预报对比评估办法
预报误差(分钟) |
≤120 |
120 (不含)~240 (含) |
>240 |
评估结果 |
准确 |
基本准确 |
不准确 |
4.1. 案例1：2025年7月23日川渝黔午后热力性雷雨
4.1.1. 评估结果
2025年7月23日午后，川东重庆至贵州北部出现一次较强的热力性雷雨天气过程，自东向西推进，对当日西南地区整体的运行有较大影响。图1(a)和图1(b)分别为管制运行气象支持产品对应时段分段航路及终端区重要导航点的逐时预报，利用当日雷达图进行对比验证，评估结果如表2所示，影响较大的三条分段航路预报的开始时间均为准确，结束时间为基本准确以上，强度多为准确；重要导航点的影响开始时间及结束时间为基本准确以上，但强度整体略偏弱。
Table 2. Comparative evaluation of route segmentation and important navigation points for air traffic control operation meteorological support products
表2. 管制运行气象支持产品航路分段及重要导航点对比评估
地理位置 |
预报 |
实况 |
开始时间评估 |
结束时间评估 |
强度评估 |
时段 |
强度 |
时段 |
强度 |
航路 |
B330航路 IDBOR-QNX |
23日14:00~19:00 |
红色 |
23日13:50~22:00 |
35~45 dBZ |
准确 |
基本 准确 |
准确 |
G212航路 BUPMI-JTG |
23日16:00~20:00 |
红色 |
23日17:40~20:30 |
40~50 dBZ |
准确 |
准确 |
准确 |
W30航路 DADIR-CKG |
23日13:00~18:00 |
黄色 |
23日13:00~20:54 |
40~50 dBZ |
准确 |
基本 准确 |
偏弱 |
导航点 |
ATVAX |
23日10:00~15:00 |
黄色 |
23日14:00~18:00 |
40~50 dBZ |
基本 准确 |
基本 准确 |
偏弱 |
LUVEN |
23日10:00~16:00 |
黄色 |
23日09:00~12:00 |
30~35 dBZ |
准确 |
基本 准确 |
准确 |
BHS |
23日16:00~20:00 |
黄色 |
23日18:50~23:00 |
40~50 dBZ |
基本 准确 |
基本 准确 |
偏弱 |
FJC |
23日17:00~20:00 |
黄色 |
23日18:30~21:00 |
40~50 dBZ |
准确 |
准确 |
偏弱 |
4.1.2. 航路影响
B330航路IDBOR-QNX段在23日15~19时出现持续红色等级(DBZ ≥ 35 dBZ)，管制部门依据产品预警提前削减航班，有效降低航班延误率，减小了雷雨天气对航班运行的影响。
4.1.3. 导航点影响
双流进近区域多个导航点在10~21时连续出现黄色等级，虽强度以黄色为主，但持续时间长，且处于航班高峰期，管制员依据产品预警提前启动绕飞程序，避免了遭遇战的压力，有效保障了航班运行的安全与效率。
(a)
(b)
Figure 1. Hourly forecasts of segmented air routes (a) and important navigation points in terminal areas (b) for air traffic control operation meteorological support products
图1. 管制运行气象支持产品分段航路(a)及终端区重要导航点(b)逐时预报
4.2. 案例2：2025年6月14日四川盆地雷雨
Table 3. Comparative evaluation of segmented w30 air route for air traffic control operation meteorological support products
表3. 管制运行气象支持产品W30航路分段对比评估
导航点 |
预报 |
实况 |
开始时间评估 |
结束时间评估 |
强度评估 |
时段 |
强度 |
时段 |
强度 |
LADUP |
14日10:00~17:00 |
红色 |
14日11:00~14:00 |
35~45 dBZ |
准确 |
基本 准确 |
准确 |
BOKIR |
14日13:00~17:00 |
黄色 |
14日13:00~14:30 |
35~40 dBZ |
准确 |
基本 准确 |
准确 |
UBRAB |
14日13:00~18:00 |
黄色 |
14日13:30~16:00 |
35~40 dBZ |
准确 |
准确 |
准确 |
IDBOR |
14日20:00~24:00 |
黄色 |
14日20:00~21:10 |
30~35 dBZ |
准确 |
基本 准确 |
准确 |
LUVEN |
14日16:00~22:00 |
黄色 |
14日17:30~20:00 |
30~35 dBZ |
准确 |
准确 |
准确 |
MUMGO |
14日10:00~18:00 |
红色 |
14日11:00~14:00 |
30~35 dBZ |
准确 |
基本 准确 |
偏强 |
4.2.1. 评估结果
2025年6月14日，四川盆地西部及南部出现一次自西向东的分散雷雨天气，虽然整体的天气进程较快，但天气落区在14日当天依次短时覆盖终端区的进出导航点，对运行影响较大。图2为管制运行气象支持产品终端区繁忙导航点的逐时预报，经过对比验证，结果如表3所示，影响较大的6个导航点预报的开始时间均为准确，结束时间为基本准确以上，强度评估以准确为主。
4.2.2. 导航点影响
通过成都终端区繁忙导航点36小时综合分析图(图3)即可快速判断出未来36小时终端区的东西南北向进出导航点均有天气影响。而进一步通过图2可知，西侧进出导航点影响时段在中午，北侧进出导航点影响时段在午后，南侧进出导航点影响时段在傍晚至夜间。根据不同方向、不同时段的产品预警，管制部门可提前调整成都进近航线，成功避免了临时绕飞程序的启动，有效保障了航班的有序运行，降低延误率。
Figure 2. Hourly forecasts of busy navigation points in Chengdu terminal area for air traffic control operation meteorological support products
图2. 管制运行气象支持产品成都终端区繁忙导航点逐时预报
Figure 3. 36-Hour comprehensive forecasts of busy navigation points in Chengdu terminal area for air traffic control operation meteorological support products
图3. 管制运行气象支持产品成都终端区繁忙导航点36小时综合预报
4.3. 案例3：2025年8月10日川渝地区雷雨
4.3.1. 评估结果
2025年8月11日凌晨，川东南生成成片雷雨云团影响，后逐渐向东北方向移动，在11日早间开始影响重庆区域，重点影响的航路为B330东南段及W30川渝段，尤其是W30航路整体影响时间较长。图4为管制运行气象支持产品当日W30航路分段预报结果，利用当日雷达图进行对比验证，结果如表4所示，分段航路影响的开始时间与结束时间均为基本准确以上，强度多为准确。
Table 4. Comparative evaluation of W30 route segments for air traffic control operation meteorological support products
表4. 管制运行气象支持产品W30航路分段对比评估
航路 |
预报 |
实况 |
开始时间评估 |
结束时间评估 |
强度 评估 |
时段 |
强度 |
时段 |
强度 |
W30航路 SABED-HX |
11日00:00~10:00 |
黄色 |
11日00:00~07:00 |
35~40 dBZ |
准确 |
基本 准确 |
准确 |
W30航路 QJG-SABED |
11日02:00~12:00 |
黄色 |
11日00:30~09:30 |
40~50 dBZ |
准确 |
基本 准确 |
偏弱 |
W30航路 CKG-QJG |
11日03:00~10:00 |
红色 |
11日00:50~11:30 |
40~50 dBZ |
基本 准确 |
准确 |
准确 |
W30航路 DADIR-CKG |
11日07:00~10:00 |
黄色 |
11日04:30~11:00 |
30~35 dBZ |
基本 准确 |
准确 |
准确 |
Figure 4. Hourly forecast of W30 route segments for air traffic control operation meteorological support products
图4. 管制运行气象支持产品W30航路分段逐时预报
Figure 5. 36-Hour comprehensive forecast for key route segments in the southwest China region for air traffic control operation meteorological support products
图5. 管制运行气象支持产品西南地区重要航路36小时综合预报
4.3.2. 航路分段差异
通过36小时综合分析图可首先判断出此次天气过程影响最大的航路为W30 (图5)，而W30航路的分段预报则进一步描述了天气何时对其产生影响。通过以上评估可知，预报结果与实况一致，W30航路HX-XFA完全无影响，后逐次影响SABED-HX段、QJG-SABED段、CKG-QJG段及DADIR-CKG段。针对系统性成片雷雨天气，航路分段细化了天气对航路的影响，有利于管制员在天气前期关注到天气演变对运行的影响，为提前规划绕飞策略提供了有力支持。W30航路CKG-QJG段在11日05-08时出现持续红色等级(DBZ ≥ 35 dBZ)，管制部门依据产品预警提前削减航班，有效降低航班延误率，减小雷雨天气对航班运行的影响。
4.4. 案例4：2025年5月4日四川区域短时强降水
4.4.1. 评估结果
2025年5月4日~5日凌晨，四川地区自西北向东南有一次雷雨天气过程影响，而强天气的落区主要集中于成都终端区内，期间出现局地大阵雨，并伴有大风的影响。图6为管制运行气象支持产品对应时段终端区分区的预报结果，经过对比验证，结果如表5所示，各分区的开始时间准确占60%，结束时间准确占50%，强度准确占60%。
Table 5. Comparative evaluation of zonal division in Chengdu terminal area for air traffic control operation meteorological support products
表5. 管制运行气象支持产品成都终端区分区对比评估
终端区 |
预报 |
实况 |
开始时间评估 |
结束时间评估 |
强度评估 |
时段 |
强度 |
时段 |
强度 |
双流机场关键区 |
4日21:00~5日05:00 |
黄色 |
4日22:50~5日01:40 |
40~50 dBZ |
准确 |
基本准确 |
偏弱 |
天府机场关键区 |
4日23:00~5日03:00 |
黄色 |
5日00:30~02:00 |
30~35 dBZ |
准确 |
准确 |
准确 |
1区 |
4日21:00~5日05:00 |
黄色 |
4日22:40~5日01:40 |
40~50 dBZ |
准确 |
基本准确 |
偏弱 |
2区 |
5日00:00~06:00 |
黄色 |
5日00:00~02:00 |
35~40 dBZ |
准确 |
基本准确 |
准确 |
3区 |
5日00:00~03:00 |
黄色 |
4日20:30~5日01:00 |
40~50 dBZ |
基本准确 |
准确 |
偏弱 |
4区 |
5日05:00~06:00 |
黄色 |
5日01:00~04:00 |
35~40 dBZ |
基本准确 |
准确 |
准确 |
5区 |
4日23:00~5日06:00 |
红色 |
5日02:40~04:40 |
40~50 dBZ |
基本准确 |
准确 |
准确 |
6区 |
4日23:00~5日05:00 |
黄色 |
4日22:00~5日01:30 |
40~50 dBZ |
准确 |
基本准确 |
偏弱 |
宜宾分区 |
5日00:00~07:00 |
红色 |
4日23:30~5日04:00 |
40~50 dBZ |
准确 |
基本准确 |
准确 |
泸州分区 |
5日03:00~08:00 |
黄色 |
5日07:00~08:50 |
30~35 dBZ |
基本准确 |
准确 |
准确 |
4.4.2. 终端区覆盖率
5区及宜宾分区在5日01~03时覆盖率超20% (红色等级)，另根据36小时成都终端区综合影响图(图7)，可以看出5区及宜宾分区影响较大。根据产品提前预警，管制部门实时调整进离场航线，成功避免了多架次航班空中等待，显著提高了终端区的运行效率。
Figure 6. Hourly forecast of zonal coverage rate in Chengdu terminal area for air traffic control operation meteorological support products
图6. 管制运行气象支持产品成都终端区分区覆盖率逐时预报
Figure 7. 36-Hour comprehensive forecast of zonal division in Chengdu terminal area for air traffic control operation meteorological support products
图7. 管制运行气象支持产品成都终端区分区36小时综合预报
5. 结语
本研究基于西南区域模式SWC-WARMS，成功研发了覆盖重要航路、终端区导航点及分区的管制运行气象支持产品。通过高分辨率数值预报数据与科学的客观分级算法，实现了定时、定量、定点的精细化预报。产品以直观的图形化分级方式展示天气影响程度，有效克服了传统MDRS概率预警主观分级的不足，为管制和流量部门提供了可靠的科学决策依据。同时，本研究为西南地区的管制运行提供了新的预警产品，解决了目前在业务工作中，管制运行缺乏针对性气象预警产品的问题，有助于提升航空气象预报员对管制运行的预报服务能力和对流天气的预报准确率。
未来，可进一步优化算法，如融合雷达实时观测数据，以提高预报的准确性和时效性；扩展覆盖区域，如将重庆终端区纳入产品覆盖范围，提升产品的应用广度；探索与航班流量管理系统的自动化对接，实现气象信息与航班运行的深度融合，提升航空气象服务的智能化水平，为保障航空安全、提高运行效率提供更强大的支持。