徐 娓 潘維多

廣漢機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度預(yù)報(bào)建模

徐 娓 潘維多

利用2011年至2014年逐年12月和1月廣漢機(jī)場(chǎng)人工觀測(cè)能見(jiàn)度數(shù)據(jù)、地面遙測(cè)氣象數(shù)據(jù)及常規(guī)探空氣象資料，采用最小二乘支持向量機(jī)回歸方法，對(duì)廣漢機(jī)場(chǎng)08時(shí)能見(jiàn)度進(jìn)行24小時(shí)、12小時(shí)及2小時(shí)預(yù)報(bào)建模。按照民航局空管局航站重要天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定辦法進(jìn)行評(píng)定，該模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率分別為：62.71%、73.08%、75%。平均絕對(duì)誤差分別為：0.62Km、0.49Km、0.52Km。結(jié)果表明最小二乘向量機(jī)算法在廣漢機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度的預(yù)報(bào)應(yīng)用中有一定效果。

能見(jiàn)度是影響航空飛行安全的主要?dú)庀笠蛩刂?，機(jī)場(chǎng)低能見(jiàn)度嚴(yán)重制約著飛機(jī)的起飛和著陸，低能見(jiàn)度造成的視程障礙嚴(yán)重威脅著飛行安全。國(guó)內(nèi)外眾多的專家和學(xué)者對(duì)能見(jiàn)度預(yù)報(bào)進(jìn)行了探索和研究。廣漢機(jī)場(chǎng)地處四川盆地，低能見(jiàn)度有著明顯的季節(jié)特征，以冬季為最多。且具有明顯的日變化，低能見(jiàn)度集中時(shí)段多出現(xiàn)在北京時(shí)7：00到9：00（以下均為北京時(shí)）之間。而這個(gè)時(shí)段正是廣漢機(jī)場(chǎng)白天飛行訓(xùn)練正常出場(chǎng)時(shí)間，預(yù)報(bào)該時(shí)段的能見(jiàn)度是否能達(dá)到飛行氣象標(biāo)準(zhǔn)，直接決定著飛行訓(xùn)練是否能按時(shí)出場(chǎng)，訓(xùn)練進(jìn)度是否能正常進(jìn)行。導(dǎo)致低能見(jiàn)度出現(xiàn)的因素較多，預(yù)報(bào)難度也較大。如何盡可能提前較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)出該時(shí)段的能見(jiàn)度，一直是機(jī)場(chǎng)氣象預(yù)報(bào)工作者最為重視的問(wèn)題之一。當(dāng)前廣漢機(jī)場(chǎng)對(duì)能見(jiàn)度的預(yù)報(bào)多限于常規(guī)的天氣圖天氣形勢(shì)分析及物理量場(chǎng)診斷分析，所以具有較大的主觀性。近年來(lái)越來(lái)越多的算法融入到能見(jiàn)度的預(yù)報(bào)當(dāng)中，也取得了一定成效。如路爽等使用UPS訂正預(yù)報(bào)方法對(duì)沈陽(yáng)的大霧天氣進(jìn)行預(yù)報(bào)；李沛等使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)北京地區(qū)的能見(jiàn)度逐級(jí)分類建模。

最小二乘支持向量機(jī)算法（Least Squares Support Vector Machines，簡(jiǎn)稱LS-SVM） 是近年來(lái)統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的重要成果之一，源于1999年SuykensJ.A.K和Vandewalb提出的一種支持向量機(jī)變形算法。支持 向量機(jī)（Support Vector Machin，簡(jiǎn)稱SVW）最早由Vapnik和Corets于1995年提出，是基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論的一種新的通用學(xué)習(xí)方法，通過(guò)核函數(shù)實(shí)現(xiàn)非線性映射，把樣本空間映射到高維特征空間，實(shí)現(xiàn)分類和回歸。最小二乘支持向量機(jī)（LS-SVM）是在標(biāo)準(zhǔn)SVM基礎(chǔ)上，通過(guò)采用最小二乘價(jià)值函數(shù)和等式約束得到。具備很強(qiáng)的非線性映射能力且運(yùn)算簡(jiǎn)單。 LS-SVM能非常成功地處理具有非線性特征的模式識(shí)別和回歸估計(jì)等諸多問(wèn)題，在進(jìn)行小樣本、高維數(shù)預(yù)測(cè)方面具有的顯著優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)在氣象界得到了較好的應(yīng)用。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證該模型收斂速度快、預(yù)測(cè)精度高，表明該方法在氣象領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

本文使用2011年12月、2012和2013年12月及1月及2014年1月共6各月基礎(chǔ)探空資料、廣漢機(jī)場(chǎng)遙測(cè)資料及人工觀測(cè)能見(jiàn)度數(shù)據(jù)資料，選取常用物理量，使用LS-SVM對(duì)廣漢機(jī)場(chǎng)08時(shí)能見(jiàn)度進(jìn)行24小時(shí)、12小時(shí)及2小時(shí)預(yù)報(bào)建模并驗(yàn)證。以期對(duì)廣漢機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度預(yù)報(bào)實(shí)際工作提供新的參考。

廣漢機(jī)場(chǎng)08時(shí)能見(jiàn)度分布特征

根據(jù)廣漢機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度標(biāo)準(zhǔn)，將能見(jiàn)度分為幾個(gè)區(qū)間：能見(jiàn)度≤3.5 Km、能見(jiàn)度≤1.6 Km、能見(jiàn)度≤0.8 Km和能見(jiàn)度≤0.05 Km。結(jié)合這個(gè)區(qū)間對(duì)廣漢機(jī)場(chǎng)2009年2月至2014年1月5年08時(shí)能見(jiàn)度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)：月平均能見(jiàn)度最低值是出現(xiàn)在每年的1月和12月且低于2Km； 1月和12月2個(gè)月08時(shí)能見(jiàn)度低于3.5 Km、1.6Km、0.8Km、和0.05Km的天數(shù)分別占總天數(shù)的36.4 %、59.5 %；78.3%和100%。說(shuō)明廣漢機(jī)場(chǎng)低能見(jiàn)度主要集中在1月和12月。1月和12月能見(jiàn)度的分布情況為：能見(jiàn)度低于5 Km、3.5 Km、1.6 Km、0. 8 Km和0.05Km的天數(shù)分別占2個(gè)月總天數(shù)的94.7 %、89.7 %、60.4 %、54%和8.3%。

資料的選擇、處理及因子的篩選

影響廣漢機(jī)場(chǎng)冬季低能見(jiàn)度的天氣現(xiàn)象多為霧，且主要為輻射霧和輻射平流霧。輻射霧的形成的有利條件為：晴朗的夜間，有強(qiáng)烈的地面有效輻射；近地面水汽含量充沛，有穩(wěn)定的溫度層結(jié)；低層有微風(fēng)和一定強(qiáng)度的湍流。從形成霧的條件出發(fā)，選擇地面及925HPA、850HPA、700HPA、500HPA共5個(gè)層次。地面資料為廣漢機(jī)場(chǎng)遙測(cè)資料。探空站選取距離廣漢機(jī)場(chǎng)最近的溫江站，考慮到天氣系統(tǒng)的移動(dòng)及地形的影響，同時(shí)引入漢中站和達(dá)州站資料。選取與天氣系統(tǒng)及溫度、濕度和穩(wěn)定度有關(guān)的物理量及部分計(jì)算量：地面氣壓、最低及最高溫度、各等壓面位勢(shì)高度、有關(guān)氣壓差和位勢(shì)高度差、溫江站分別與達(dá)州站和漢中站的各等壓面位勢(shì)高度差等；選擇與水汽及冷暖平流有關(guān)的溫度T、露點(diǎn)溫度、溫度露點(diǎn)差TTD，近地層溫度露點(diǎn)差（TTD=（T一TD）S +（ T—Td）925/3+（T—Td）850/4，）、相對(duì)濕度、溫江站分別與達(dá)州站和漢中站的溫度差、露點(diǎn)溫度差、相對(duì)濕度差等；5個(gè)層次上的風(fēng)向、風(fēng)速、各層次間的風(fēng)向變量及風(fēng)速差、各等壓面上溫江站分別與達(dá)州站和漢中站的風(fēng)向變量及風(fēng)速差；共計(jì)144個(gè)量。使用相關(guān)因子分析法；選取與能見(jiàn)度相關(guān)性較顯著的因子。

24小時(shí)能見(jiàn)度預(yù)報(bào)因子篩選

選取相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.27的11個(gè)物理量作為08時(shí)能見(jiàn)度24小時(shí)預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)因子：廣漢機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度；溫江站850HPA上風(fēng)速；850HPA溫江站與漢中站的溫差；廣漢機(jī)場(chǎng)地面相對(duì)濕度；廣漢機(jī)場(chǎng)地面溫度露點(diǎn)差；溫江站上空700HPA和850HPA之間的風(fēng)向變量；溫江站上空700HPA和925HPA之間的相對(duì)濕度差；溫江站上空700HPA和850HPA之間的風(fēng)速變量；廣漢機(jī)場(chǎng)近地層溫度露點(diǎn)差；溫江站上空700HPA和850HPA之間的相對(duì)濕度差；漢中站850HPA上的溫度。

12小時(shí)能見(jiàn)度預(yù)報(bào)因子篩選

選取相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.3的14個(gè)物理量作為08時(shí)能見(jiàn)度12小時(shí)預(yù)報(bào)的預(yù)報(bào)因子：廣漢機(jī)場(chǎng)地面溫度露點(diǎn)差；廣漢機(jī)場(chǎng)地面相對(duì)濕度；廣漢機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度；850HPA上溫江站與漢中站的溫度差；廣漢機(jī)場(chǎng)地面露點(diǎn)溫度；廣漢機(jī)場(chǎng)地面溫度露點(diǎn)差24小時(shí)變量；漢中站850HPA上的溫度；溫江站925HPA上的溫度；廣漢機(jī)場(chǎng)地面相對(duì)濕度24小時(shí)變量；溫江站850HPA上的風(fēng)速；漢中站925HPA上的溫度；溫江站700HPA和925HPA之間的相對(duì)濕度；溫江站500HPA和925HPA之間溫度露點(diǎn)差；850HPA上溫江站與漢中站之間的高度差。

2小時(shí)能見(jiàn)度預(yù)報(bào)因子篩選

選取相關(guān)系數(shù)絕對(duì)值大于0.3的16個(gè)物理量作為08時(shí)能見(jiàn)度2小時(shí)預(yù)報(bào)預(yù)報(bào)因：前一日20時(shí)廣漢機(jī)場(chǎng)地面溫度露點(diǎn)差；前一日20時(shí)廣漢機(jī)場(chǎng)地面相對(duì)濕度；前一日20時(shí)廣漢機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度；前一日20時(shí)850HPA上溫江站與漢中站的溫度差；前一日20時(shí)廣漢機(jī)場(chǎng)地面露點(diǎn)溫度；前一日20時(shí)廣漢機(jī)場(chǎng)地面溫度露點(diǎn)差24小時(shí)變量；前一日20時(shí)漢中站850HPA上的溫度；前一日20時(shí)溫江站925HPA上的溫度；06時(shí)廣漢機(jī)場(chǎng)地面相對(duì)濕度；06時(shí)廣漢機(jī)場(chǎng)地面溫度露點(diǎn)差；前一日20時(shí)廣漢機(jī)場(chǎng)地面相對(duì)濕度24小時(shí)變量；前一日20時(shí)溫江站850HPA上的風(fēng)速；前一日20時(shí)漢中站925HPA上的溫度；前一日20時(shí)溫江站700HPA和925HPA之間的相對(duì)濕度；前一日20時(shí)溫江站500HPA和925HPA之間溫度露點(diǎn)差；前一日20時(shí)850HPA上溫江站與漢中站之間的高度差。

模型的建立及驗(yàn)證

建模樣本選取2011年12月、2012年1月及12和2013年1月及12月共5個(gè)月153天，檢驗(yàn)樣本選取2014年1月31天。184天中只有6天08時(shí)能見(jiàn)度大于5000米，考慮到模型的穩(wěn)定性，剔除了能見(jiàn)度高于5000米的樣本和有物理量缺差的樣本。最小二乘支持向量機(jī)常用的核函數(shù)有多種，根據(jù)參考文獻(xiàn)選取RBF徑向基函數(shù)為預(yù)報(bào)模型核函數(shù)，再通過(guò)采用交叉驗(yàn)證方法在0.1至1000之間搜索并確定參數(shù)和核參數(shù)的最佳值。

圖1是使用LS-SVM方法所建的模型對(duì)訓(xùn)練樣本前24小時(shí)、前12小時(shí)、前2小時(shí)的能見(jiàn)度觀測(cè)值進(jìn)行回歸擬合的結(jié)果?？梢钥闯鲈撃Ｐ蛯?duì)4000米以上的能見(jiàn)度及500米以下的能見(jiàn)度擬合得不夠好，但對(duì)500米以上4000米以下的能見(jiàn)度擬合效果較好。前12小時(shí)、前2小時(shí)的回歸擬合效果好于前24小時(shí)的擬合效果。

圖1　模型擬合圖

使用LS-SVM方法所建的模型對(duì)檢驗(yàn)樣本進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖2分別為08時(shí)能見(jiàn)度24小時(shí)預(yù)報(bào)模型、12小時(shí)預(yù)報(bào)模型和2小時(shí)預(yù)報(bào)模型所做的預(yù)測(cè)值和實(shí)測(cè)值進(jìn)行的比較。并按照民航局空管局《航站重要天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定辦法》中能見(jiàn)度的預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定辦法計(jì)算準(zhǔn)確率。其辦法為：水平能見(jiàn)度≤P值進(jìn)行評(píng)定。P值可根據(jù)機(jī)場(chǎng)天氣標(biāo)準(zhǔn)選定，廣漢機(jī)場(chǎng)P值選定為3500米。能見(jiàn)度預(yù)報(bào)≤700米，能見(jiàn)度實(shí)況值≤900米為正確，否則為錯(cuò)：預(yù)報(bào)能見(jiàn)度＞700米并且預(yù)報(bào)能見(jiàn)度≤P時(shí)，允許的誤差范圍為±30%。當(dāng)預(yù)報(bào)能見(jiàn)度＞P，而實(shí)況能見(jiàn)度≤P-P×20%，則評(píng)定為不正確；預(yù)報(bào)能見(jiàn)度＞P，，實(shí)況＞ P-P×20%且≤P，則評(píng)定為不正確。

根據(jù)以上規(guī)定對(duì)模型準(zhǔn)確率進(jìn)行計(jì)算：24小時(shí)能見(jiàn)度預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為17/28=62.71%；12小時(shí)能見(jiàn)度預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率19/26=73.08%；2小時(shí)預(yù)報(bào)能見(jiàn)度模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為18/24=75%。平均絕對(duì)誤差分別為：0.62Km、0.49Km和0.52Km。對(duì)低于3.5Km的能見(jiàn)度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率略高一些，分別為 69.23%、75%、77.27%。平均絕對(duì)誤差分別為：0.48Km、 0.41Km和0.38Km.

圖2　實(shí)況值及模型預(yù)測(cè)值

誤差原因分析

1）廣漢機(jī)場(chǎng)1月及12月能見(jiàn)度大于3.5KM的日數(shù)少，所選樣本中只占7%左右，致使較高能見(jiàn)度訓(xùn)練樣本過(guò)少，造成該模式對(duì)較高能見(jiàn)度的預(yù)報(bào)誤差較大。

2）廣漢機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度資料為人工觀測(cè)，能見(jiàn)度值較高時(shí)由于缺少目標(biāo)物而使得觀測(cè)值與實(shí)際情況存在偏差，造成較高能見(jiàn)度真值本身有一定誤差存在。

3）廣漢機(jī)場(chǎng)實(shí)行13小時(shí)觀測(cè)，6時(shí)能見(jiàn)度觀測(cè)記錄不全，所以在2小時(shí)預(yù)報(bào)模式因子選區(qū)中沒(méi)有引入，而6時(shí)能見(jiàn)度對(duì)8時(shí)能見(jiàn)度的預(yù)報(bào)是一個(gè)重要的因子。所以2小時(shí)預(yù)報(bào)較12小時(shí)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提高幅度不大的原因就可能是沒(méi)有基礎(chǔ)能見(jiàn)度即6時(shí)能見(jiàn)度的引入。

結(jié)語(yǔ)

本文利用探空基礎(chǔ)資料、廣漢機(jī)場(chǎng)遙測(cè)資料及人工觀測(cè)能見(jiàn)度數(shù)據(jù)資料，選取24小時(shí)前、12小時(shí)前及2小時(shí)前的基本物理量及其部分計(jì)算量，篩選出與能見(jiàn)度相關(guān)性較好的物理量，嘗試使用最小二乘向量機(jī)算法分別對(duì)廣漢機(jī)場(chǎng)24小時(shí)能見(jiàn)度、12小時(shí)能見(jiàn)度及2小時(shí)能見(jiàn)度建模。并按照民航局空管局航站重要天氣預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定辦法中能見(jiàn)度的預(yù)報(bào)質(zhì)量評(píng)定辦法計(jì)算準(zhǔn)確率。24小時(shí)能見(jiàn)度預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為17/28=62.71%；12小時(shí)能見(jiàn)度預(yù)報(bào)模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為19/26=73.08%；2小時(shí)預(yù)報(bào)能見(jiàn)度模型預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率為19/25=75%。對(duì)低于3.5Km的能見(jiàn)度預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率略高一些。表明LS-SVM方法所建的模型對(duì)廣漢機(jī)場(chǎng)能見(jiàn)度有一定預(yù)報(bào)效果。

本文主要從預(yù)報(bào)員實(shí)際工作快速實(shí)用角度出發(fā)，只選用了基本物理量及其部分計(jì)算量。并嘗試加入上游站點(diǎn)資料，將其部分物理量及其與本站部分物理量間差值引入，結(jié)果表明850Hpa上漢中站的溫度、850Hpa上溫江站與漢中站的溫度差及高度差與廣漢未來(lái)能見(jiàn)度都有一定相關(guān)性。誤差原因分析顯示進(jìn)一步擴(kuò)展因子、擴(kuò)大樣本，對(duì)增強(qiáng)模式的穩(wěn)定性和預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性將會(huì)有積極作用。

徐 娓 潘維多

中國(guó)民航飛行學(xué)院廣漢分院

徐娓（1976-）女，高級(jí)工程師，從事航空氣象預(yù)報(bào)工作。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.18.007