我国飞机试飞气象保障服务的发展现状与展望

李佰平 李静 杨筝 倪洪波 吕青 王平

摘要 随着我国航空工业的发展，特别是国产民机型号研制的不断突破，飞机试飞气象保障服务与技术研究不断受到各界的重视。飞机试飞场景特殊性、高风险性、复杂性的特点，对气象服务提出了全新的要求。本文阐述了试飞气象保障服务的主要内容，结合在保障型号取证试飞过程中的里程碑事件和重点科目，分析了当前试飞气象保障服务的发展现状，并考虑到未来随着飞机制造和试飞事业进一步发展的需求，以飞机结冰和颠簸为例，讨论了下一阶段试飞气象保障技术研究的重点方向，希望能为将来更好地保障国产大飞机事业发展提供气象参考意见。

关键词飞机试飞;气象服务;C919;飞机结冰;过冷大水滴;飞机颠簸

试飞是飞行试验的简称，是在真实大气条件下进行科学研究和产品试验的过程。在飞机交付使用之前，飞机主制造商需对飞机进行飞行测试，采集飞机飞行数据，使飞机在交付之前处于最稳定的飞行状态，保证飞机飞行结果的准确科学。因此，试飞被喻为“驾驶一辆性能不确定的车在悬崖上高速行驶”，因其危险性、艰巨性，又被喻为“刀尖上的舞蹈”。试飞是一款新机型取得型号合格证前的重要环节（欧阳亮，2021）。

试飞需要专门在最临界预期环境或飞行条件下来表明或确认适航规章要求的符合性（欧阳亮，2021）。其中部分最临界预期环境与极端气象条件紧密相关，如高温、高湿、高寒、自然结冰、大侧风等（孙俊颖等，2021）。相应地，飞机试飞中的气象保障工作可以分为特殊天气和常规气象保障（李佰平等，2017）。特殊天气就是指为完成某些临界气象条件下的试飞科目所要求抓取和捕捉的天气。常规气象保障是指，在一些无特殊气象要求的试飞科目中，气象工作人员要为试飞提供气象支持，帮助试飞团队避开危险天气，保证试验科目的正常试飞。常规天气保障类似于一般民航运行中的航空气象服务，但运行标准有较大差异，如对风、能见度、云、强对流等高影响天气更敏感，因此对天气的监测预报有更高的实时性与准确性要求，且对相关天气影响阈值需要重新分析和评估。对于特殊天气气象保障，需要解决的关键问题包括：相关特殊天气科目应在何时何地开展以及重现期如何、如何准确监测和预报各种特殊天气。在保障型号试飞的过程中发现，如何精准预测飞机结冰和颠簸的问题最为突出，因此在后续讨论的过程中，多以上述两个问题为主。

近年来，随着我国航空工业的发展，特别是国产民机的进步，试飞气象保障服务日益受到飞机主制造商和民航业的重视。自20世纪80年代以来，通过对运12、新舟60、ARJ21、C919等机型的试飞验证工作，我国已经逐步建立起完善的适航规章、管理程序和咨询通告等适航文件体系，建立了分工合作的审定中心体系，在试飞方法、试飞技术等方面取得了长足的进步。在这个过程中，气象保障服务也实现了突破，特别是在为型号试飞捕捉特殊天气、确保试飞安全、保证试飞进度、保障试飞质量和特殊天气气象条件研究等方面。其中国产新支线飞机ARJ21是我国第一款完全按照中国民航局CCAR-25部运输类飞机适航标准要求开展审定的民用客机，作为国产商用飞机“探路者”的摸索和积累，为C919适航取证积累了宝贵财富（贾远琨，2022）。以往我国围绕试飞气象保障服务的研究多是围绕某个特定科目或特定试飞区域的气象需求和技术研究开展，尤以飞机自然结冰（孙晶和李想，2020;丁军亮等，2023）和大侧风试飞（吕碧江等，2017）最受关注，但未从飞机试飞对气象服务总体需求的角度开展讨论;此外虽然有部分工作较为系统地涉及了试飞气象保障业务整体发展情况，但多停留在需求分析层面，且由于时间问题，未能涵盖近几年与国产民机事业发展相伴随的试飞气象业务所取得的突破性进展（李佰平等，2017）。因此，本文基于笔者长期参与试飞气象服务的经验与认知，围绕飞机试飞场景较为完整地讨论了气象服务的需求，分析了近几年来我国试飞气象保障服务的发展现状和突出成果，并展望了将来试飞气象保障技术研究的若干重点，以期能更好地为国产飞机研制和我国航空产业又好又快发展提供高质量的气象保障服务。

1 飞机试飞场景及对气象服务的需求

在我国，试飞场景是随着大飞机事业发展应运而生的需求。一般航空气象保障的对象是拥有较大用户群的空管、航司或通航等用户，而试飞气象服务作为航空气象服务的一个分支，对象主要是飞机主制造商，在国内和国外均属于较为冷门的个性化、定制化用户需求，与一般的航空气象服务既有差别又有共同点。如试飞场景与航空场景均对天气预报的准确性与实时性要求更高，特别是时空尺度小、发展演变快、预报难度大的强对流天气，因其常伴有强雷暴与下击暴流等，对飞行安全的保障工作至关重要（杨波等，2021）。

从不同点来看，试飞场景与一般航空气象服务场景相比，其对气象条件要求更为严苛，对高影响天气的关注阈值不同，且与民航运行需要避开危险天气不同，试飞还需要捕捉特殊天气，因此对高影响天气预报的精准程度要求更高，尤其是对空报的容忍度低。

具体而言，与民航运营相比，常规试验飞行时，运行标准一般偏高。试飞本身是一种高风险飞行，试验机的成熟度不够，不允许多种风险叠加，需要比民航航线运行更加宽松和安全的气象环境;试验机的构型完整性也会对气象条件提出更高要求，比如气象雷达是否安装到位会影响对雷暴天气的探测能力，仪表着陆系统的验证会影响低云、低能见度条件下的着陆能力，照明系统的完善会影响飞机的穿云能力等;此外试验机的飞行包线是一个逐步扩展的过程，如雨天、夜间、大侧风等条件下的飞行限制都需要通过试飞试验逐步放开。因此试飞对风、能见度、云、强对流等高影响天气的监测预报有更高的实时性与准确性要求;同时由于前述运行标准的差异，对风、能见度和云底高度等高影响天气监测预报的关注阈值需要重新分析和评估。如C919首飞时，对当天浦东机场的云和能见度都提出了更高的要求;某些特定的科目也会对试验期间的天气（如风向风速）提出要求。

气象环境是飞机在飞行过程中最直接的运行环境。为了保证航线商业运营的安全性、舒适性和经济性，一款新型号飞机需要考虑各种极端气象条件下的运行能力。因此，如何高效捕捉特殊天气是试飞气象保障中的一个重要课题。特殊天气具有适航标准要求高、极端性强等特点，在某种程度上，甚至成为限制飞机完成适航取证的关键因素之一。以自然结冰试飞为例，以往由于受限于我国民机事业的发展和飞机自然结冰气象条件的研究，国内飞机自然结冰试飞受到极大的影响，国产ARJ21飞机曾在乌鲁木齐试飞4 a未果，直至2014年远赴北美才完成试验;而运12F则于2017年直接在北美完成试验。针对飞机结冰，以往的研究都是防止航线飞机进入可能的结冰环境。但对于自然结冰试飞，则必须反其道而行之。气象服务最重要的工作就是提供云中过冷水的精准预报，不仅要引导飞机通过穿云飞行，使得飞机非防护表面产生结冰，而且对于结冰的厚度、时间均有严格的要求，同时云层液态水含量（Liquid Water Content，LWC）、中值体积直径（Medium Volume Diameter，MVD）、周围空气温度等云层的物理特征均需满足相关适航条款的要求。此外对于其他大部分特殊天气科目的试飞而言，也都存在找天气难、风险高、组织复杂这三大难点。相应地，对气象保障的“监测精密、预报精准、服务精细”都提出了更高、甚至是新的要求。

2 飞机试飞气象服务的主要内容

由于试飞场景独特的保障需求，决定了气象服务需要涵盖以下几个方面，包括预报预测服务、气候条件分析、观测方案设计、适航标准气象解释等。具体而言，预报预测服务即从决策服务的角度出发，气象服务需要为试飞团队提供从气候、中短期到短时临近监测的无缝隙预报服务。气候条件分析主要是为选择特殊天气试飞机场、空域或时间窗口期提供前置的气象评估意见，试飞团队再综合型号研制进度、机场保障条件、空域申请等因素综合确定试验时间和区域。此外，气候条件分析也可以为选择日常试飞的基地机场提供参考意见。观测方案设计主要指针对特定的试飞科目（如自然结冰、大侧风）设计特定的气象观测方案，以提高气象支持水平进而提升试飞效率。随着航空事业的发展和新需求的涌现，围绕与试飞相关的特定研究对象，开展观测方案设计，组织开展相应的观测研究试验，正不断得到各方的关注。适航标准气象解释是指针对相关适航大纲中的与气象相关的条款从气象专业角度给出解释，并从气候条件分析、预报预测、观测方案设计等方面提供具有较强操作性的、有效的气象解决方案。一般而言，适航标准仅给出原则性的、简单的说明，如与自然结冰有关的CCAR-25部附录C仅利用六张图给出了连续最大和间断最大情况下云中液态水、中值体积直径、温度、高度、飞行距离的相关关系，国内几乎没有其他可供自然结冰试飞参考使用的结冰气象条件标准，而附录C是根据五大湖的气象条件制定的，那么国内是否有相似的结冰气象？如何准确地预测结冰气象？是否需将该标准进行本土化处理？这些在当时都是未知的（张晓和王学良，2022）。气象专业需要深入了解附录C的来源与发展历程，评估当前气象预报业务对飞机结冰相关参数的预报水平，并围绕试飞场景建立飞机结冰的监测预报方法，将其转化为当前天气预报预测业务中的一部分。

3 我国飞机试飞气象服务的发展现状

在我国承担型号飞机试飞任务的机构主要是中国飞行试验研究院（以下简称试飞院）和中国商飞民用飞机试飞中心。试飞院，又称航空工业试飞中心，创建于1959年，是我国唯一经国家授权的军民用飞机、航空发动机、机载设备等航空产品国家级鉴定试飞机构，是国家级的飞行试验技术研究机构，同时也是国家“飞机适航认可实验室”。中国商飞民用飞机试飞中心成立于2012年9月，是中国商飞公司专业的民用飞机试飞研制实施机构，主要负责民用飞机飞行试验的实施规划和能力建设，建立飞行试验工作的制度、程序、标准和规范，承担公司研制飞机的科研试飞、取证试飞、生产交付试飞及客户支援试飞等实施工作。在我国航空事业创立和初步发展时期，气象服务以保障试飞安全为主，受到的关注度并不高。随着我国航空事业的蓬勃发展，尤其是以ARJ21和C919为代表的民机成功获得型号合格证并实现商业化运营，试飞气象服务逐渐受到各方关注，并在相关型号研制过程中得到了进一步发展。在此期间，气象部门与相关试飞任务承担单位精诚合作，逐渐形成了全方位、一体化的试飞气象保障服务解决方案和工作机制，并在保障相关型号试飞的过程中不断取得突破，基本实现国内试飞气象服务的自主可控。由于飞机试飞科目众多，本节选择试飞气候资源、飞机结冰和阵风载荷试飞为例，简要阐述我国飞机试飞气象服务的发展现状。

3.1 我国试飞气候资源

分析试飞气候资源对于提高试飞计划任务安排的合理性和科学性具有重要意义。特殊天气的再现周期一般以“年”为单位计，出现在一年特定的季节里。其一旦错过，将会延误型号的试验进度，影响飞机交付，从而增加飞机研发成本。

由于我国航空工业和试飞事业起步较晚，所以对于试飞天气气候资源的评估亦存在较多的认识偏差，甚至一度有种观点认为国内没有适合进行自然结冰试飞的气象条件（欧阳亮，2022）。从国际航空制造巨头的试飞来看，由于民用飞机的研制考虑经济效益优先，所以他们多采用现成的经验和体系在全球适宜的地方开展，如巴航工业ERJ-170和ERJ-190系列的结冰试飞在北美五大湖区域完成（Bernstein et al.，2006），波音MAX8在俄罗斯雅库茨克开展高寒试飞、在澳大利亚达尔文开展高温试飞（马援，2018），空客A320的高寒试验也在俄罗斯完成，大侧风试验试飞则在冰岛完成。这一方面是由于部分国家的自然资源条件所限，另一方面与当地机场的基础设施条件有关，如大侧风试验对风相对于跑道的方向有严格的要求，因此大部分机场难以捕捉到较大量级的侧风。

无论是从实现试飞保障自主可控考虑，还是从提高经济效益考虑，对国内试飞气候资源开展摸底评估，并合理规划、优先在国内完成相关试飞任务都是最优选择。因此，本小节结合飞机适航审定试飞中特殊天气的要求（包括大风、侧风、高温、高温高湿、高寒以及飞机自然结冰等），基于若干年的全国机场观测报文、站点气象探空资料、再分析资料等，采用特定的算法分析评估了上述特殊天气出现的机场和空域以及出现的时间、伴随的天气现象等，为特殊天气条件试飞寻找合适的机场、空域和时间窗口期提供了重要的决策依据。

总体而言，我国的试飞气候资源相对比较丰富（图1），如高寒科目可以选择以海拉尔为代表的高纬度机场在冬季实施、高温科目可以选择吐鲁番机场在夏季实施、高原或高高原试飞可以选择以青海格尔木和四川稻城亚丁为代表的高海拔机场进行、大侧风（地面试验和起降飞行）可以选择以内蒙古锡林浩特为代表的我国北方机场、高温高湿试验可以选择以南昌瑶湖为代表的我国南方机场。即使是难度较大的自然结冰试飞，基于相关的算法和资料分析，发现以西南地区为中心，我国大部分地区冬半年也常有中度以上的结冰条件发生（倪洪波等，2023）。事实上，C919历经5 a时间克服了“新冠”疫情等复杂环境的不良影响，基于国内的天气气候资源完成了取证所需的全部特殊天气试飞科目（贾远琨，2022）。这些都说明在我国境内有较为丰富的特殊气象条件科目试飞气候资源。

3.2 自然结冰试飞气象服务发展现状

自然结冰试飞，是在真实的结冰气象环境中，使用科学的试飞方法、程序和准则，去刻画、揭示结冰云层物理性质和飞行器技术特性的过程。由于自然结冰气象条件动态变化及难以捕捉性、与适航规章附录C规定最大结冰条件的差异性、结冰大气参数的非稳定性、试验科目的综合性、试验的高风险性等原因，自然结冰试飞成为型号取证期间环境条件最为严苛、风险最大、技术复杂性最高、执行实施难度最大的试飞科目，被认为是取证道路上最大的“拦路虎”（丁军亮等，2023）。其中如何建立符合试飞场景需求的飞机结冰预报方法，提高预报准确率，并在短时临近监测预报及飞行实施时提供协同指挥，是需要解决的关键气象问题。

在结冰条件诊断和预测方面，基于多源探测资料和（或）数值模式的飞机结冰诊断（预报）方法较多，如建立基于温度和湿度阈值的数值模式结冰潜势算法，以及结合垂直热力结构对结冰区域预报识别。许多学者根据所收集的飞机结冰报告，分析了飞机结冰发生时的大气环境条件统计特征，设计了分别考虑云中液态水含量、大气温度、湿度、冷暖平流、垂直速度、大气稳定度、降水类型、云状等因素的多种积冰预报方法，如RAP积冰预报方案、NAWAU积冰预报方案、RAOB积冰方案，这些积冰预报方法均能在一定程度上指示飞机积冰的发生（Schultz and Politovich，1992;Thompson et al.，1997）。随着数值模式云微物理方案的改进，直接引入模式输出的云微物理参数构建飞机结冰潜势算法成为一种有效的方式。Morcrette et al.（2019）基于Met Office Unified Model（MetUM）全球模式输出的液态水含量、相对湿度、垂直速度和温度，给出SFIP结冰指数（Simplified Forecast Icing Potential），在此基础上利用模式云微物理方案中的LWC、IWC（Ice Water Content）以及云分量替代简单的LWC和相对湿度，可以有效降低云发生频率的预测误差，提高结冰诊断准确率。Bernstein et al.（2005）发展了当前结冰潜势（Current Icing Potential，CIP）分析方法，其方法是基于模糊逻辑（Fuzzy-Logic）概念将与结冰有关的温度、湿度、云量、云水等与结冰的可能性相联系，做成曲线，找出各种情况下结冰可能性和结冰强度，并发展为预报结冰潜势（Forecasting Icing Potential，FIP），在NCAR（National Center for Atmospheric Research）开展业务应用。CIP通过云顶温度的关系考虑了云相态对飞机结冰的影响，提高了诊断的准确率，减少了空报。李佰平等（2018）在CIP算法的基础上，构建了一种改进的飞机自然结冰潜势算法，并在国内型号结冰科目试飞等得到了有效应用（倪洪波等，2022;丁军亮等，2023）。

由于飞机结冰是因为大气中过冷却水的存在，所以直接利用模式输出的云微物理参数开展结冰诊断和预报也是一个常用的方法。以往利用WRF模式对天气过程的数值研究多集中在气温、降水等气象要素的模拟性能评估上，而对云量、云水含量等多尺度的云水物理过程关注较少（黄乾和钱悦，2021）。随着双参数云-气溶胶微物理方案的应用，在模式预测水物质含量的基础上，又增加数浓度的分布和变化预测，有效地改进了云和降水的预测技巧（Abel and Boutle，2012;Thompson and Eidhammer，2014;Grabowski et al.，2019）。Thompson et al.（2017）利用双参数Thompson方案的WRF10年回算资料和FAA（Federal Aviation Administration，美国联邦航空管理局）结冰数据集开展了对比分析，并指出模式显式输出的LWC、MVD、数浓度和温度与飞机观测具有较高的一致性。在飞机结冰的业务预报中，全球和区域数值模式提供的相关云微物理参数输出也是一个重要的参考，如云中水物质的分布能为判别云层相态提供依据，特别是在冬季稳定层状云中，模式提供的云中液态水与飞机实际观测在量级上以及表征飞机结冰严重程度上具有较好的一致性。

由于飞机结冰天气本身的特点和变化，在现场指挥保障方面如何基于多源气象观测和飞行反馈及时指挥飞机进入适合的结冰云层，是结冰试飞成败的“最后一公里”。以往由于飞机结冰试飞气象保障经验的不足以及对于飞机结冰发生的气象条件和云微物理特征认识不深，导致不能给飞机追云提供有效的气象决策支持。飞机探测是认识飞机结冰区域云物理特征最有效的手段之一，目前常用的是美国粒子测量公司（Droplet Measurement Technology，DMT）的机载云微物理测量系统，相关设备除了应用于云降水物理与人工影响天气研究外，还为遥感技术、云模式等提供数据校验以及为民机研发取证提供辅助（黄敏松等，2021;黄敏松和雷恒池，2022）。结合国内的飞机结冰探测试验和型号试飞的典型个例评估（陈跃等，1989;仝建辉，2000;孙晶等，2019;倪洪波等，2022）和多源观测资料分析，本文给出了我国冬季层状云中飞机结冰发生时的典型云微物理参数特征，以及在地面、探空、卫星、雷达等多种观测上的主要特征（表1），可为飞机结冰试飞协同指挥现场保障提供重要参考，以弥补中短期内基于数值模式的飞机结冰预报产品精细化程度和预报偏差等问题造成的不足。

基于上述飞机结冰气象研究成果，相关气象团队于2020年3月完成了国产某大型重点型号运输机自然结冰试飞任务（倪洪波等，2022），并在2022年1—2月完成了C919国产大型客机适航审定自然结冰试飞任务（图2；丁军亮等，2023;倪洪波等，2023）。有赖于精准的飞机结冰气象条件预测，C919结冰审定试飞在陕西地区仅耗时一个月，试飞效率与相关型号在北美试飞的效率基本相当（Bernstein et al.，2006），实现了飞机结冰气象条件的精准监测和预报，有力保障了型号研制进度。

此外，过冷大水滴下的结冰环境以及不同结冰环境之间的转化、高空冰晶对发动机的影响等试飞气象需求越来越受到业内的关注。过冷大水滴（Supercooled Large Droplet，SLD）的直径超过100 μm，超出了附录C结冰适航条款范围。1994年美国一架ATR72飞机因遭遇冻毛毛雨而积冰坠毁，Marwitz et al.（1997）利用多种气象观测和模式资料开展了分析，并指出过冷大水滴的存在是此次事故的主要原因，其中-10～-15 ℃的云顶温度、弱雷达回波、强垂直风切变均有利于强锋区中冻毛毛雨的形成。此后，北美的学者们通过1995—1999年NASA、FAA 和加拿大环境部门等机构组织的北美飞机结冰外场试验（如1995—1998年的加拿大冻毛毛雨观测试验（Canadian Freezing Drizzle Experiment，CFDE）、1999—2000年的联合结冰研究（AIRS）），形成了过冷大水滴（>100 μm）结冰数据集（包含6个外场试验、134次飞行、2 444个结冰环境）。他们根据最大粒子直径（dmax）将SLD结冰环境分为冻毛毛雨（100～500 μm）和冻雨（>500 μm）两种场景，而两种场景又根据MVD大小（40 μm），再分为两个子集，以上这4种结冰条件基本上包含了SLD结冰环境。由此他们基于极端值分析技术，给出了99％和99.9％阈值的SLD结冰限制包线（Cober and Isaac，2006，2012;Cober et al.，2009;Jeck，2010）。同时Cober and Isaac（2012）研究指出，88％冻毛毛雨的形成机制为碰并融合（collision-coalescence），而92％冻雨的形成是由于融化（melting）机制。“冰相融化”过程中，冰粒子从高空下落到温度在0 ℃以上的大气层中，融化为雨滴;“碰并融合”过程为地面至高空气温均低于0 ℃，冻雨或冻毛毛雨由液滴碰并形成（牛生杰等，2021）。2019年，FAA联合相关机构组织了ICICLE（FAA-led In-Cloud ICing and Large drop Experiment）试验。该试验的目标为，观测、记录和分析冻毛毛雨、冻雨、小水滴结冰的环境场特征和云微物理特征，几种结冰环境与非结冰环境的转化，并评估当前模式预报水平（Rugg et al.，2022）。基于上述研究成果，FAA于2014年颁布了针对过冷大水滴试飞要求的附录O，紧接着EASA（European Aviation Safety Agency，欧洲航空安全局）也发布了关于SLD结冰的适航规范修正案CS-25第16号修正案（https：／／www.gpo.gov／fdsys／pkg／FR-2014-11-04／pdf／2014-25789.pdf）。

除由过冷水产生积冰外，还有由高含水量的冰晶粒子（HIWC，High Ice Water Content）引起的发动机积冰，其通常发生于热带对流系统附近，并在近几年受到科学家的关注（孙晶和李想，2020）。相关研究机构在热带附近地区（如澳大利亚达尔文、法属几内亚、美国佛罗里达等）陆续组织开展了相关外场观测试验（Haggerty et al.，2019），并基于多源观测资料利用机器学习方法开展了HIWC环境识别方法研究（Haggerty et al.，2020）。

3.3 阵风载荷（飞机颠簸）试飞气象条件

阵风载荷指飞行器穿越阵风时，升力面产生的载荷增量，是大气扰动的客观表现。气象学上把阵风载荷称为飞机颠簸。颠簸特别严重时会破坏飞机结构，形成安全隐患，甚至造成飞行事故。民机阵风载荷测量试飞是为了拓展民机遭遇飞机颠簸时的飞行包线、提升飞机品质、完善民航适航取证大纲（闫文辉等，2022）。

在航空气象预报业务中，利用数值模式输出量计算飞机颠簸指数进行颠簸诊断和预报已经成为主流，并建立了大量的飞机颠簸单一指数（胡伯彦等，2022）。Sharman et al.（2006）提出了GTG（Graphical Turbulence Guidance）方法，将几种颠簸指数组合使用，其总体预报性能比使用单一指数诊断效果要好。集成指数预报的思路在颠簸的监测和预报业务中得到了广泛的应用（Lee et al.，2022;蔡雪薇等，2023）。出于航线运行安全的考虑以及对颠簸产生机制的研究不足，相关指数预报算法存在一定的“过度预报”现象（Kim et al.，2018）。例如受限于人们对大气湍流现象的理解，飞机颠簸诊断方法的发展也受到了限制（Venkatesh and Mathew，2013），湍流的高瞬态和局地性意味着从根本上来说可预测性很低，提供有意义的确定性预报仍然很困难（Sharman and Pearson，2017）。在国内的阵风载荷试飞中，ARJ21飞机是首次，具有技术新、风险高及工作量大等特点，同时与飞机结冰等特殊天气试飞类似，也存在“找风难”问题。上述问题与当前飞机颠簸监测和预报水平距离在试飞场景中能较为准确地捕捉颠簸现象仍有差距密切相关。

此外，基于再分析资料的研究指出，在过去的40 a里，全球晴空颠簸特别是严重颠簸的发生频率明显增加（Prosser et al.，2023），因此提高飞机颠簸的诊断预报能力对于提升飞机航线运行保障能力具有重要意义。

4 我国飞机试飞气象保障技术研究展望

国内的试飞气象保障服务在保障国产飞机型号研制中取得了长足的进步，但随着民机事业的发展，飞机试飞、航线运营场景的不断深化以及适航标准的发展，气象保障能力仍有诸多不足，一些新需求的涌现对气象保障和研究也提出了更高的要求。如在飞机取证之后，如果将客机更改为特殊型号，如医疗机、公务机等，则需要补充型号合格证，后续将按照新的型号合格证的适航要求进行试飞（杨春霞和刘皖媛，2022）。相应改装机型的设计研发与试验试飞均有可能对气象条件研究提出新的需求。本小节以飞机结冰和阵风载荷试飞气象条件研究为例，展望了未来一个时期的我国试飞气象保障领域需要重点关注的问题。

4.1 飞机结冰气象条件

如前文所述，飞机结冰适航标准的发展将对当前国内的飞机结冰气象条件研究提出新的挑战。目前我国大型客机在国际上主要取EASA适航证，无法回避附录O条款的取证要求（陈勇等，2023）。因此加强过冷大水滴等不同飞机结冰环境的研究及其转化机理分析，对于进一步推动国产民机走出国门，提升航线运行能力具有重要意义。从飞机结冰适航标准的发展历程也可以看到，从事故的发生、事故原因的分析，到围绕某种气象条件开展试验，到最终形成适航标准，需要漫长的周期，亦需要稳定、持续的项目来支持相关观测试验的实施和技术研究的开展，这对于发展我国自有的飞机结冰相关适航标准亦是一个重要的参考。

4.2 阵风载荷（飞机颠簸）气象条件

飞机颠簸的准确预报对于开展阵风载荷试飞以及在民航运行中减轻灾害影响具有十分重要的意义。飞机颠簸预报系统的发展受到现有观测技术的制约，缺乏充足的高精度观测资料给模型的拟合和验证带来困难。在最新一代GTG3系统（Sharman and Pearson，2017）中，颠簸观测资料已从主观性较强且数量少的飞行员报告（PIREPs）发展为不受机型差异影响的客观观测值：湍能耗散率（Energy Dissipation Rate，EDR）。GTG3颠簸集成预报产品在命中率方面有了较大的提升，同时还开发了与实时观测资料相结合的湍流临近预报系统GTG-N（Pearson and Sharman，2017）。基于EDR单位量级的颠簸集成预报系统的误差与对EDR强度的等级划分标准不统一有关（Sharman et al.，2014），尤其是训练集中大量重复的无颠簸个例会对系统的预报准确率产生影响（Lee et al.，2022）。可见，面向试飞场景，如何合理依托大量主观报告及客观观测，完善预报方法，以规避颠簸空报、保证高效试飞，是阵风载荷气象条件研究需要解决的问题。人工智能技术的发展为开展更深入的研究并用来提高飞机颠簸的预报准确率提供了条件。对于气象预报和飞机湍流预报来说，把基于数据驱动的人工智能与以牛顿力学为基础的物理定律相融合，是增强气象大模型或湍流预报大模型的可解释性、鲁棒性并且提高预报准确率的重要途径（朱玉祥等，2023）。

5 总结与讨论

本文结合我国民机型号试飞取证的历程，讨论了飞机试飞场景对气象服务的特殊需求，回顾了在保障国产大飞机适航取证历程中我国试飞气象保障取得的突破性成绩，并展望了将来需要重点攻关的试飞气象保障技术研究领域。

飞机试飞以及飞机产业链上下游对气象服务的需求纷繁复杂，受篇幅和水平限制，本文未能一一列举，仅就笔者参与程度较深的试飞气象科目进行了阐述和展望，且对气象研究如何深度融入适航标准的发展部分亦未涉及。此前，随着我国大飞机事业的不断发展，以及航空制造业绿色低碳化发展的趋势，相应的气象技术研究与服务需求将会不断涌现，需要气象行业给予更多的关注。

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