1. 引言
21世纪以来，随着气象强国战略的不断深入推进，我国民航运输需求与气象业务发展相结合，民航气象逐渐从经验性气象预报转向以大数据分析、人工智能、数值同化资料等技术手段相结合的技术路线，民航气象精细预报实现了历史性的进步[1]。
其中数值预报作为现代天气预报的基础[2]，目前已广泛地应用于民航气象预报中，并取得了不错的效果。民航华北空管气象中心自主研发了第一代快速更新循环同化数值预报系统(NMC-RAP)和更新的第二代快速循环同化数值预报系统(NMC-HRRR)，两代系统均能较好体现雷达回波的空间分布特征，回波强度也与区域雷达拼图实况资料比较接近[3]，古文龙等人在对民航京沪穗数值预报系统在中南气象中心应用情况中指出，该系统自从试用期直至最后使用，整体运行情况和预报效果都较为稳定[4]。但是随着数值预报技术的普及，越来越多预报人员尤其是年轻预报人员对数值预报产品的使用和认识存在一定误解，从而导致过度依赖模式产品，甚至在调整数值模式产品过程中出现无从下手的现象。
由于航空气象不同于一般的气象业务工作，其突出特点在于及时性、实用性、准确性。因此，本文旨在为了能更加规范、正确地使用数值预报产品，以满足当前民航产业对气象服务中关于“实用性”和“准确性”的要求。将中国气象局科教司提出的“以数值分析预报产品为基础”的天气分析思路，进行改良、细化，并通过2024年7月13日，FT1818时次的民航机场预报(TAF)制作流程，梳理数值产品使用各个步骤。以提高民航气象等相关人员对数值预报产品的认识和使用，从而形成合理预报思路，增强数值预报产品使用的规范性。
2. 数值预报的简介及其误差来源
数值预报是指应用数学和物理相关知识，建立大气方程组，根据大气实际情况，在一定的初值和边值条件下，对大气方程组进行时间纬度方面的积分，从而求解一系列方程组，进而对未来一定时段的大气运动状态的预测。
由于数值预报不可避免地把复杂的大千世界简单化，几条已经被大大简化的物理定律并不能概括全部天气变化事实，同时数值预报系统所包含的大量计算方案与参数的设定带有一定的经验性与一定程度的主观性。因此，其误差来源大致归纳为以下四点：1、对大气运动规律数学描述的数值预报的不完备性；2、初始场不可能绝对准确；3、求解计算的高难度；4、次网格物理参数化问题。
3. 如何对数值产品进行使用与分析
通过对业务经验不断积累以及总结，对数值产品的使用思路概括为以下三个大方向：即1、实况气象资料作为预报的着眼点；2、分析数值预报产品为基础；3、多角度对比数值产品以及综合上级部门的指导意见。
其中在“分析数值预报产品为基础”中，气象人员可以通过以下三个步骤进行：a、气象要素场直接解读；b、物理量诊断分析；c、天气学诊断分析。
在“多角度对比数值产品以及综合上级部门指导意见”时可通过以下四个角度进行：a、时效连续对比；b、系统动态分析；c、近日类比分析结合上级指导意见；d、参考不同数值产品的特点。
3.1. 实况气象资料作为预报的着眼点
通过分析当前的天气实况以及对比前一个时次的天气实况，了解近期天气演变的特点，先做出对天气的预判。对于2024年7月13日夜间天气实况(见图1)。
Figure 1. Analysis of the real weather situation at 20:00 on July 13, 2024
图1. 2024年7月13日20时实况天气形势分析
500 hPa副高较昨日有所加强西伸，南海南部洋面上扰动已发展为热带低压，低压随副高引导气流向偏北方向移动，本岛主要受东南气流影响，水汽来源有两条：一是副高东南引导气流，二是低压环流输送而来的水汽，850 hPa本岛处在低层显著湿区中。
通过13日21时30分、21时50分卫星云图(见图2(a)、图2(b))，可观察到低压结构较为松散，低压后部与水汽通道主体连接不够紧密，仅依靠少数云线连接，探空图表明大气层结十分不稳定(图略)。
综合上述，由13日的实况预判14日凌晨至早间三亚机场天气：考虑海南岛东南洋面有分散对流自东南向西北方向移动影响机场，但由于低压距离海南岛较远、低压结构较为松散且根据实况云图显示低压与水汽通道联系较为疏松，又因为海南岛东南部山脉等地形会对对流会有一定的削弱作用，因此初判机场当天夜间虽然会有分散对流影响，但对流强度考虑偏低。
3.2. 分析数值预报产品为基础
3.2.1. 气象要素场直接解读
由于数值预报模式在形势场、温度场等方面已经具有了很高的准确度和可靠性，对气压、高度、温度、降水等形势要素场的预报能力早已超过了预报员。其中对要素场的分析主要是对地面要素和高空要素的分析。
(a) (b)
Figure 2. Live cloud map at 21:30 on July 13, 2024
图2. 2024年7月13日21:30实况云图
Figure 3. EC mode 9250 hPa situation field on July 14, 2024 (time: 02 (a), 05 (b), 08:08 (c) on July 14) 3 h precipitation in EC mode (time: 02 (c), 05 (d), 08 (e) on July 14)
图3. 2024年7月14日EC模式9250 hPa形势场(时间：14日02 (a)、05 (b)、08时 (c)) EC模式3 h降水(时间：14日02 (c)、05 (d)、08时(e))
实际操作中针对要素场的预报，有两条途径：一是定性判断，二是定量计算。定性判断有两套预报思路：一是以数值预报作出的形势预报为基础，运用天气学概念模式，作出可能出现何种天气的判断；二是对数值预报能够预报的要素，以数值预报的结论为基础，再综合分析数值预报给出的形势、物理量等产品，看其分布和配置是否与所预报的结果相矛盾，若有矛盾则需进一步运用其他资料和方法作出最终判断。
在EC数值模式预测2024年7月14日凌晨的形势场中，海南岛受南海季风槽分类中的越南低压槽[5]影响(见图3(a)~(c))，该系统下海南的降水特点多为小到中阵雨，主要分布在西部、中部和南部地区。
在海南暴雨预报概念模型中可将当天形势与低压槽影响下的“副高配合辐合带”这一类型进行对比：可以看到，虽然在500 hPa，海南岛受副高边缘与南海低压槽相互作用，但副高并不强盛，西脊点并未西伸至100˚E附近，副高主体并未控制我国华南一带，850 hPa弱的低压环流中心沿着副高引导气流向西北方向移动，此类型特点多给海南岛北部造成暴雨，对海南岛南部影响较小，所以考虑14日机场凌晨时段为弱的分散对流影响，以弱降水为主。
7月14日凌晨EC模式所给的降水预测中(见图3(d)~(f))，在14日02时(见图3(d))，预测海南岛东南面有大片系统性强对流自东南向西北移动，05时(图3(e))对海南岛南部影响达到最强，到了08时(图3(f))海南岛南部对流强度有所减弱。根据降水出现的时间和强度情况，结合前文实况分析和对相关天气模型理解，主观判断EC模式预估14日夜间影响机场的对流偏强，出现时间偏早，实况分析与模式结果两者出现分歧，因此还需要结合其他资料进行综合判定。
3.2.2. 物理量的诊断分析
Figure 4. Vertical speed over Sanya Airport from 08:00 on July 13 to 08:00 on July 16, 2024
图4. 2024年7月13日08时~16日08时三亚机场上空垂直速度
数值产品的物理量诊断分析解读在预报复杂天气时非常有用，为我们增加了对水汽含量、相对湿度、稳定度指数、散度等的诊断分析，为定量分析提供参考[6]，降水的发生一般包含三个方面的因素，首先是降水由源地水平输送到降水地区，其次水汽要在降水地区辐合上升，绝热膨胀冷却凝结成云，最后云滴增长变为雨滴下降[7]。在众多物理量参数中，垂直速度主要提供上升运动，将低层水汽输送至高空，高空水汽饱和后降落成雨[8]。
此次天气分析中，在14日00~07时期间(见图4)，三亚机场上空并未出现明显垂直上升速度，到了08时左右对流层中、高层出现强垂直速度−1.3 Pa/s，结合数值形势场由于08时低压槽接近本岛南部，因此考虑低层会有较强的辐合抬升作用，同时，相对湿度在08时前后上升至90%。因此，综合考虑垂直速度、相对湿度和形势场的配置等因素，判断机场在14日07~08时天气开始增强。
3.2.3. 天气学诊断分析
天气预报的基础就是天气学原理的掌握和运用，数值预报提供了大量可供分析的气象资料，各个高度的形势场分布、各个时次可能出现的对流分布区间、以及各个气象物理量的具体数值，做好一次天气预报，必须要熟练将各个气象要素结合原理知识进行综合运用，并对数值结论进行调整。
结合图3所示的数值形势场，在14日05时前为一致的东南气流影响，此时低压环流距离还较远，本岛处在低压槽前，有一定的对流触发机制，但是形势场表明14日08时低压槽距离机场相较02时与05时更为接近，综合低压环流位置、越南低压槽的特点、引导气流的作用，判断影响三亚机场的强降水大概率开始时间在07~08时而不是05时，此处主观对数值预报给出的降水参考进行调整。
3.3. 多角度对比数值产品及综合上级指导意见
3.3.1. 数值产品的时效连续对比
数值产品的时效连续对比主要指两个方面，一是预报可信度分析判断，二是系统动态调整分析判断。由于数值预报本身存在“单一的”确定性特点，造成数值预报结果也很不稳定，即有时同一次天气过程，不同数值预报系统的预报结果相差很大，或者对于同一次天气过程、同一套业务数值预报系统，该数值预报系统提前5天作出的预报准确率可能比提前2天的预报准确率还高。
因此在预报可信度分析判断中需将多家数值模式资料的同一层次、同一时效、同一形势场显示在同一屏幕上进行对比分析。进行对比性的分析解读，查看其相同或不同处，给预报员一个不同可能性分析和相同把握性分析，从而可以在主观判断某次过程的差异和有多大的可能性。同时，随着数值预报随着时效的延长，其可靠性和准确性将明显下降。如何分析判断数值预报形势的可靠性和稳定性，除了上述的多模式对比外，还需要将同一模式不同预报时效的连续对比分析解读。
将不同时效同一层次要素预报场放在一起对比分析，逐一时次查看天气形势的一致性和差异性，如果差异变化很小，则预报稳定性可靠性高；如果变化无规律或变化很大，则表示数值预报不稳定、可信度不高。
(a) (b)
Figure 5. Each mode on July 13, 2024 (starting from 08:00 on 13th (a) and starting from 20:00 on 13th (b))
图5. 2024年7月13日各家模式(时间：13日08时起报(a)、13日20时起报(b))
对14日02~08时段各家模式所给对流影响参考中，13日08时起报(见图5(a))的产品中，华东区域、EC和多模式集合模式均在05~08时期间(图中红框所标式区域)不同程度预测海南岛东南部出现对流，华东和多模式预测08时对流开始出现，但仅影响海南岛东南部，而EC预测05时开始出现且影响机场。但在13日20时起报模式(见图5(b))中，结果却出现三家模式均预测14日02~08时段海南岛东南部无对流影响，两个时次出现了较大的偏差，存在较大的不稳定性，根据形势场的分析以及其他要素的考虑，当时的业务人员主观上还是维持14日07~08时影响机场的对流开始有增强，07时前依旧仅考虑弱降水天气的预报结论。
3.3.2. 系统动态分析
连续对比解读分析的另一作用是可以判断天气系统是否在动态调整。数值模式所使用的资料，90%以上是非常规资料，大量的实测遥感数据通过四维变分同化到数值模式中，对短期数值天气预报影响很大。
从13日08时起报的多家数值模式(见图5(a))，对流由洋面生成并向东南以西北移动，但是在13日20时起报产品(见图5(b))中，东南部预测的对流基本消失，不符合当下系统的移动规律，所以业务员并未参考20时数值预报产品结论。
3.3.3. 近日类比分析结合上级指导意见
Figure 6. Forecast of severe convective weather in the next 12 hours from 00:00 to 12:00 on July 14, 2024
图6. 2024年7月14日00时~12时未来12小时强对流天气落区预报
相似预报方法是一种基于历史相似个例的预报方法，在综合考虑天气发生的环境场和气候场的条件下，可实现高时空分辨率强对流天气的客观预报[9]。同一季节同类影响系统的天气形势是基本相似的，所以在近期出现相似的形势和状态的情况会非常多，在相似预报法基础上，需要对上一级预报单位的指导预报意见进行综合考虑，听取其他单位会商的预报思路、意见和预报结果，并找到差别，对预报思路加以改进和完善。
首先结合近日机场实况，发现02~08期间机场频繁有对流自洋面移来，造成阵雨或雷雨天气，近日的形势场与14日凌晨情况较为相似，同时海南省局、三亚市局等气象部门对14日夜间预测(见图6)，在海南岛东部、东南部大部分地区会有阵雨或雷雨，三亚市天涯区、吉阳区预测未来12小时内将出现阵雨或雷雨天气，故维持之前的判定结论。
3.3.4. 熟悉不同数值产品的特点
最后，在所有的数值预报模式特点中，无论格距再多么细，也都难以考虑地形和局地因素产生的影响。同时，不同季节、不同形势下的数值模式有不同的预报能力。分析数值预报在本地的预报误差，总结和积累数值预报解读应用经验，对提高主观天气预报准确率来说非常重要。
在民航中南气象中心对大量数值产品释用评估中，指出如EC模式对于大型降水天气过程的中期天气预报能力较强，主要偏差表现在降水量级预报偏弱，位置出现或北或南偏差、NCEP-GFS模式不涉及大范围对流性降水时可参考性较高、GRAPES对流尺度模式CMA-MESO对弱强迫背景的华南暖区对流、强强迫背景下的带状对流等全球模式预报能力有限的中尺度过程在起始、发展、形态和雨强预报上具有较好的指示意义等特点。因此在进行数值产品使用时需要结合其本身特点进行相应调整。
Figure 7. NCEP Precipitation forecast at July 14, 2024 (02 (a), 05 (b), 08 (c))
图7. 2024年7月14日(02 (a)、05 (b)、08 (c)时)NCEP降水预报
此次天气分析过程中，由于前文的分析、判定13日20时起报资料与分析结论相差较大，因此不予使用，而考虑使用08时起报的产品，在对EC模式使用中，结合形势场，此时低压还较远考虑其预测的对流位置偏北，同时因为当下并不考虑会出现大范围的对流影响，影响区域整体以海南岛东部为主，所以采纳了NCEP模式对对流落区的预测(见图7(a)~(c))。
3.4. TAF报的制作
TAF (Terminal Aerodrome Forecasts)终端机场天气预报的缩写。每一份TAF报告有效期一般为24小时或30小时，范围大约在从机场跑道中心8公里之内，TAF一般每天更新4次，TAF通常比数值天气预报更准确，因为它们考虑到了局部的、小规模的地理环境影响。
在FT1818产品发布中，结合前文的各个要素分析，考虑机场在01~07时，机场多以CB (积雨云)影响，对外服务中补充说明机场在此期间若出现降水多以小阵雨影响，能见度在8~10 km。07~12时由于低压的进一步西北移，预测三亚机场将出现较大偏东阵风8~9 m/s，同时由于日变化的因素，考虑期间会有短时中等强度阵雨或雷雨出现，结合机场历史记录以及主观对天气的判断，对外服务中补充说明每波雷暴持续时间约60~70 min，其中强降水维持时间为20~30 min，天气与天气之间有20 min左右无天气或弱降水的飞行空隙。
4. 结论
1) 本文通过详解一次TAF预报的制作流程，将如何规范使用数值产品进行天气分析整理为以下三个大方向：“实况气象资料的分析作为预报的着眼点、分析数值预报产品为基础、多角度对比数值产品以及综合上级部门指导意见”。
2) 对“实况气象资料进行分析”的目的在于业务人员需要主观先对未来的天气做出预判。
3) 在“分析数值预报产品为基础”方向中业务人员可从以下三个步骤进行气象分析：“气象要素场直接解读、物理量诊断分析、天气学诊断分析”，该方向的目的在于对未来可能的天气进行定性、定量的判断。
4) “多角度对比数值产品及综合上级部门指导意见”可从以下四个角度开展：“数值产品时效连续对比、系统动态分析、近日类比分析结合上级指导意见、参考不同数值产品的特点”，这一方向的目的是更加科学地对前一个环节所做产品进行完善和修订。
5) 对于以上的数值预报产品天气分析思路以及具体使用步骤，只有通过业务人员不断训练和思考才能熟悉掌握，并在此基础上进一步进行完善和补充，唯有不断深化思考，才能逐步培养较为完备的数值预报天气分析思路。
注 释
本文使用的图片分别来自中国气象局MICAPS软件实况数据、观测云图来自Himawari-8卫星观测数据、中国民航中南气象中心数值预报系统提供的数值预报产品、海南省气象局提供的区域数值预报产品、用于制作的地图底图基于自然资源部标准底图服务网站下载的审图号为GS(2016)1665号的标准地图制作，底图无修改。