航线危险天气气象模型分析

航线危险天气气象模型分析

周丽君 孟珍

浙江省气象服务中心 浙江省 310017

摘要：航线危险天气对航班的影响巨大,轻则造成航班的返航备降,重则可能引发航空事故,建立一套完善的空间和时间航线危险天气预测模型,开发出完善的气象数据和航班数据紧密结合的气象系统,是航空公司所需要的。

关键词：航线;机场;危险天气;风险;自动告警

引言

航线天气预报是指航海人员利用气象部门的预报成果，自行制作航线上的短期天气预报。制作航线天气预报与制作某一海域的天气预报的不同之处在于，后者只须考虑天气系统的移动，而前者不仅要考虑天气系统的移动，而且还要考虑船舶本身的运动。因此制作航线天气预报的关键是要知道未来船舶与影响其航行的主要天气系统之间的相对位置，从而根据天气系统的一般天气模式，结合船上收到的天气报告及船舶实测气象资料等作出航线天气预测。本文阐述了航线天气预报的一般制作方法，并利用日本发布的气象传真图，举实例进行了说明，为航行船舶准确、有效利用传真天气图进行航线天气预报提供参考。

1危险天气下进离场航线网络设计问题

进离场航线是指，为提高机场航空器起降效率、避免对头穿越时发生安全事故，提供航空器在机场起飞、离场和进场、进近、着陆而在终端区内设置的满足一定导航监视要求的飞行路径。当出现危险天气、军航活动等限制因素时，为保障航空器的运行安全可对其进行临时调整。危险天气影响下的航线优化实质上就是具有动态障碍物的空间路径规划问题，即在终端区空域内寻找符合避让危险天气以及各种限制空域并满足一定优化目标的可飞行路径，可以分为如下三个阶段进行研究:(1)根据观测到的实际位置预测未来位置的危险天气位置预测问题。(2)在指定独立航线起点和终点条件下，寻找有效并安全避让危险天气等活动限制区的最优且具可飞性的3D空间路径规划问题。(3)在独立航线优化基础上，研究多条路径组成网络的次序优化问题。

2航线危险天气空间尺度模型

2.1线段与多边形的关系

线段与多边形的关系有3种:无关联、相交以及包含。1)判断线段与多边形的各条边是否相交,若是,则线段与多边形属于相交关系,即航线受危险区域影响。2)如果线段与多边形的任何边都不相交,接着判断线段的任意一个端点是否都在多边形内部,若是,则整条线段肯定在多边形内(即包含关系),即航线受危险区域影响。若不是,则整条线段肯定都在多边形外部(即无关联关系),即航线不受危险区域影响。即需要研究如下3种关系:点与线段的关系;线段与线段的关系;点与多边形的关系。

2.2耐波性风险指数计算

船舶受到海浪干扰时，是否具有足够的船体结构强度与稳性以及能否保持一定的航速继续航行需要用耐波性衡准。影响船舶安全的耐波性因素有很多，通过查阅相关文献及调研，选取影响船舶安全最为显著的7个因素：横摇、纵摇、升沉、船首垂向加速度、砰击概率、拍底概率及螺旋桨出水概率。

2.3解析几何法

解析几何法先判断点在线段端点、点在线上等特殊情况,再逐步由特殊到一般。当忽略点在线段上的特殊情况时,判断点到线段方向的垂线是否落在线段上时,通过比较横纵坐标的方式来判断,最后把不同的判断情况用不同的几何方式来进行处理计算得出结果。此算法优点是易理解和接受,但缺点一是算法复杂,计算量巨大,距离计算、角度计算等,实际应用中往往是需要求由大量线段组成的折线到某点的最短距离;其次是不利于编程语言的重新包装。

2.4点与多边形的关系

点与多边形有3种关系:点与多边形无关联;点在多边形上(某条边上);点在多边形内部。判断点是否在多边形上,回归判断点与线段的关系,上文已阐述。如果点不在多边形上,则需要判断点在多边形内部还是外部,可简化为判断点在多边形每条边的左边还是右边(注意左边和右边的定义,是以光源方向确定)。如图1,多边形ABCDE在右侧光源的照射下,它的每条边(如AB、BC等)会与Y轴上各自的投影(如A′B′、B′C′等)之间形成一个梯形区域,如ABB′A′、BCC′B′等。我们只需要统计给定点P在这些梯形区域中的次数,若点P在某条边对应的梯形区域内,那么计数N加1,最后看N是否为偶数,如果N为偶数(包括0),那么说明点P不在多边形内部;否则,点P在多边形内部。上图中P1的计数N=1(只在ABB′A′内部),所以点P1在多边形ABCDE内部,而点P2的计数N=2(同时在AEE′A′和BCC′B′内部),所以点P2不在多边形ABCDE内部,同理,点P3的计数N=0,所以它也不在多边形内部。

图4　点与多边形的关系

2.5危险天气影响下的进离场航线网络的优化

当有危险天气出现时，根据实际观测到的位置，使用卡尔曼滤波预测危险天气下一时刻的位置。填充的凸多边形表示危险天气的实际位置，未填充的凸多边形表示危险天气的预测位置。为在危险天气实际影响航线网络之前制定优化方案，根据危险天气的预测位置绘制MAKLINK线并进行优化。

2.6面积算法

该方法主要是先判断投影点是否在线段上,投影点在线段延长线上时,最短距离长度为点到端点的线段长度;当投影点在线段上时,先使用海伦公式计算三角形面积,再计算出三角形的高,即为最短距离。运用面积算法求解点到线段最短距离易理解,但从效率方面考虑,比如需要多次计算平方、根号,这对于进行大量数据运算是负担很重的。求面积就必须把三条边长全部求出,并且用到的海伦公式也需要进行开方运算,计算过程显得繁琐。

2.7风的预报

（1）风向预报。风向预报可通过气压场的情况，按照风压定律作出（风向与等压线平行。北半球，背风而立，高压在右，低压在左；南半球，则相反），还要考虑摩擦力的影响（摩擦力使风向偏离等压线由高压指向低压）。在海面上，摩擦力使风向偏离等压线约10°～20°。

结语

1)航线危险天气对航路的影响,可以简化为求解多边形、圆与线段的关系。对于多边形,判断线段与多边形的各条边是否相交,若是,则线段与多边形属于相交关系,即航线受危险区域影响。如果线段与多边形的任何边都不相交,再判断线段的任意一个端点是否在多边形内部,若是,则整条线段肯定在多边形内(即包含关系),即航线仍受危险区域影响,若不是则航线不受危险区域的影响。对此提出点与线段、线段与线段、点与多边形的3种情况,通过建模,一一解决。对于台风(圆形区域),可简化判断台风圆心(点)与航线(线段)的最短距离是否小于圆半径,若小于则说明航线在台风的影响区域内,如不是,则说明航线在台风影响的区域外。经过比较分析,矢量算法具有运算量低的优势,便于实现程序开发。上述危险天气对航班的影响,已完成程序开发并业务化。2)对于雷暴、台风、颠簸、积冰、火山灰等航线危险天气信息,对其影响航线的比例可以进行风险等级划分,定义航线危险天气风险值R,实现自动化告警功能。当风险值大于5时,必须进行缓解。3)终端区机场危险天气自动告警功能,对于航路的起始点(机场)天气,通过解析气象报文,对风、能见度、云高、各种天气现象等设置告警阈值,通过创新的填图格方式,实现了抽象气象报文的可视化告警,已完成程序开发并业务化。

参考文献

[1]王慕华,唐卫,渠寒花,等.面向公众出行的公路交通气象服务系统[J].气象科技,2015,43(5):992-997.

[2]李海龙,曹梅,文凤洁.基于深圳天气移动互联网渠道用户行为分析的智能气象服务模型构建[J].气象科技进展,2019,9(3):222-224.

[3]朱衍波,郭运韬,张军,等.基于AMDAR的航路气象模型研究[J].航空电子技术,2009,40(2):18-23.