蔡银寅：气象科技在低空基础设施建设中的作用及其底层逻辑

基础设施建设是发展低空经济的基础条件，也是天空之城竞争的关键点。谁能够在最短的时间内建设完成低空基础设施建设，就有较大的概率成为低空经济第一城。气象科技作为低空基础设施建设中的重要一环，其核心作用和战略意义不容忽视。

在这四大基础设施中，就科技水平和创新程度而言，低空信息基础设施建设的难度最大、创新性最强、也最重要，是低空基础设施建设实施过程中首要解决的问题。气象因其特殊的作用和地位，是低空信息基建的重要切入点，也是低空信息基建的潜在集成方，我们可以从以下几个方面来理解这一底层逻辑。

蔡银寅教授在“首届低空经济气象前沿科技研讨会”上作特邀报告。

天气影响航空安全，一直是人们对气象信息作用的直觉认识。在传统大航空（民航交通）体系下，这一认识并无什么不妥。针对飞机失事的事故原因调查分析结果表明，有接近一半的飞行事故源于人为因素，有四分之一的原因是技术故障，有十分之一左右是机场和跑道问题。此外，除少部分特殊因素引起的事故外，还有约10%的事故是天气因素导致的。这个比例虽然看起来不是很高，但它却是导致飞行事故的自然因素的主要构成。事实上，天气情报在大航空中的作用，就是保安全。

在传统的大航空体系中，飞机的起飞重量多则大几十吨甚至数百吨，小则也有十几吨，即使最小的飞机，也有数吨之重。这个起飞重量决定了这些飞机的天气安全阈值基本都在一个较高的，且相对统一的标准线上，足矣应对一般天气。而遇到恶劣天气时，除极个别超高性能的具有特殊用途的飞机外，大部分飞机是不飞的。相关数据显示，全年来看，大航空体系下，不能飞的恶劣天气占比约为12-18.5%。各地由于气候不同，这个比例会存在一定差异，但最高一般也不超过20%。

由于大航空的技术体系和管理体系已经非常成熟，其对气象信息的判断也是采用简单的二分法，符合飞行标准，正常飞行，不符合飞行标准，就回避不飞。这种处理模式让气象信息在大航空体系中保安全作用的首位度非常突出，以至于都忽略了气象信息本身的经济属性。遇到恶劣天气不飞，本身就是一种经济损失，大航空的飞行计划，需要根据天气调整，这个调整过程就是成本。只不过，这个成本早已通过航司的管理设计，把它们内化到整个航空业体系之中了而已。

当然，对于大航空体系来说，气象信息本身虽然也具有经济属性，但却不具有经济上的可开发性。一方面，如前面所说，大航空对天气的处理是二分法，是0和1的问题，不存在经济上的选择性，遇到差天气就全部不飞，几乎不存在机型的选择问题，一般不会出现某种天气，安排某种机型特飞的情况；另一方面，随着大航空技术体系的提升及高铁的发展，不飞天气的比例还在下降，等待恶劣天气好转的成本越来越低，短距离运输的替代方案也越来越多，使得气象信息的经济属性在大航空体系下被进一步弱化。

然而，在低空飞行领域，气象信息的作用却发生了本质的变化，其经济属性在某种意义上要大过其安全属性。

首先，在低空飞行领域，飞行器的种类繁多，从十几吨的直升机到数吨重的载人eVTOL，再到大中小轻微型无人机，几乎包括所有能想到的飞行器。这些飞行器从功能设计到实际用途都有非常大的差异性，决定它们对天气反馈也完全不同。对于某一种特定性能的飞行器来说，它存在一个应对天气的安全阈值，在处理气象信息时，我们可以清楚地知道这种飞行器能不能飞，看起来与大航空体系下的0和1判断并无区别。问题是，当很多种类的飞行器同时在一个低空领域飞行时，低空的天气管理就不可能再像大航空体系那样，采用统一的0和1判断法了，因为不同飞行器的0和1阈值差别很大，如果采用一刀切的方法，就会出现很多可以飞的飞行器，因为天气管理而不能飞的情形，将会大大影响低空飞行的经济性。

其次，由于存在种类繁多的飞行器，就会导致在低空飞行领域，高影响天气的比例大大增加，对于某种特定的飞行器来说，全年不能飞的天气比例可能超过50%，这些不能飞的天气情况，可能又零散分布到每一天，如果没有好的气象信息管理体系，同样会造成飞行器产能的大量浪费。

再次，低空气象信息对于不同的飞行单位来说，不仅仅是安全规划，更是经济规划。在大航空体系，行业标准、价格形成等具有一定的自然垄断属性，是典型的成本外推型行业，业内竞争程度较低。低空领域则不同，未来的低空运输业，将会是一个充分竞争的领域，竞争的核心要素之一是成本竞争，这会在很大程度上促使低空运输业的市场主体采用各种方法压低成本，其中一个非常重要的手段必然是进行飞机性能与飞行时间的平衡，实际上就是一个对飞行天气的管理过程。

因此，低空气象信息的作用，表面上也是在保安全，本质上却是在保经济。与传统大航空体系相比，低空气象信息的作用已经发生了质的变化。这也决定了我们不能像对待民航气象那样对低空气象，低空气象基建是一个全新的领域，除安全管理外，它还要承担更多的经济保障职能。

在整个低空信息基础设施框架中，唯有天气是低空经济管理体系的自然环节，不具有计划性。与通讯、导航、监视、频域、时钟相比，气象信息具有以下不同。

第一，通讯、导航、监视三种信息基础设施具有很强的对象稳定性，可以看作是广播系统，不管飞行活动如何，他们就在那里。通讯连接良好，意味着飞行过程中可以进行实时通讯，某处空间没有通讯信号，就不具备飞行通讯的能力，一旦补充上，默认为已是全天时全天候保障，具有很强的可靠性。导航和监视也是类似，导航信号覆盖，技术可靠，空间位置报送准确，默认保障，监视覆盖，有飞行物即可被发现，默认保障。天气则不同，它是一个变化的因素，特别是在转换中还是一个快变的过程，需要时刻关注。

第二，频域管理作为基础设施中环境信息保障的一部分，虽然与气象信息有一定的相似性，但也有本质不同。一方面，频域管理的任务是发现和应对低空飞行区域是否存在飞行方面的通讯风险，包括是否存在诱骗、伪基站、设备干扰等，虽然也存在快变的可能性，但大部分是人为因素导致的，具有一定的主动防御性，气象信息只能被动管理，不具有主动性；另一方面，频域问题可以通过管理手段，把它变成像通讯、导航、监视一样具有稳定性，比如通过立法、处罚等手段，清除频域管理障碍，让频域管理变得简单，而我们不可能使用类似手段来解决气象问题。

第三，时间管理的目的是避免飞行时的时间冲突，可以通过统一计时工具和对时方式解决。天气管理则是一个时域管理的问题，它解决的是飞行的时间窗口问题，是一种被动管理方法。天气的快变过程，决定了天气管理的难度和经济性，不可能采用主动的手段解决。

基于以上三点可以看出，低空气象基础设施作为解决低空飞行时域管理的手段，被动性是其区别于其他几种信息基础设施的主要特征。被动性决定了低空气象基础设施不仅要关注其建设过程，更重要的是关注其运营过程。换句话说，低空气象基础设施建设的技术含量，不仅在于其建设过程，还在于其运营过程，且运营过程中的技术含量还比较高，不好替代。

当前的气象科技以天气预报为核心，早已自成体系，其技术路线包括天气观测、数据处理、预测预报等。长到数百年的气候预测、短到十几分钟的天气趋势判断，都属于气象科技的范畴。这是一种普惠型的技术路线，基础性很强，覆盖面很广，在天气风险管理中发挥了一定的作用，但在天气效率管理领域的适用性较弱，只能作为一种原材料。

前面我们分析了低空气象信息的经济属性，可以清楚地看到。低空经济中的天气管理，并不简单是风险管理的问题，更多是效率管理的问题。这就决定了低空气象基础设施建设必须以效率为中心，同时还要充分利用好现有的气象科技体系，这无疑给低空气象基建的工程技术设计提出更高的要求。当然，在考虑这个问题之前，我们需要充分认识到气象科技的独特性和壁垒性。

气象科技的独特性主要体现在两个方面：一方面，气象科技既是理论科学，也是经验科学，天气预报的物理框架来自物理学方程，而在实际操作中又不得不靠经验来补充纠偏；另一方面，作为气象科技研究对象的天气系统是一个海量的样本，它会不断出现新的天气类型，很多时候，我们对天气历史规律的总结，似乎还跟不上它的变化速度，使得天气预报的准确性始终被锁定在某个瓶颈上。

生活中，我们大致也会发现，天气预报在大的天气趋势判断上似乎都是对的，但这种对好像又经不起深究。随着信息科技的飞速发展，人们对天气预报的这种感受会越来越强烈。本质上说，在现有的气象技术框架下，无论从理论上，还是从技术上，其预报的空间精度、时间精度、强弱精度，都不足以支撑现代信息技术激发的需求精度。

对现有预报技术进行人为的降尺度处理，虽然可以得到任意空间、时间、强弱精度上的预报数据，但这种强势的做法，会带来海量的偏差很大的预报信息，进一步增加人们对天气预报的不信任感。换句话说，天气预报的准确性，要与其空间范围、时间范围、强弱范围相适应，只有这样才能有最佳的体验。

从这个角度讲，低空气象基础设施建设，不应该对天气预报抱有太大的期待，低空飞行的一高两短（高密度、短航时、短距离）特征决定了低空气象支撑体系不可能依靠现有的预报技术来实现。作为一种预测科学，我们不能单方面地干预其客观性。气象科技水平，实际上已经暗含了使用它时最佳的空间分辨率、时间分辨率、强弱分辨率。要理解局部有雨、多云转晴这些气象学术语的含义，不是不能给出更具体的预报信息，而是更具体的预报信息，没有实际意义，局部到底有多大，什么时候下雨，实际上是由气象科技水平决定的，而不是气象术语本身所能选择的。

理解气象科技的独特性，本身就是一种壁垒性。除此以外，气象科技还有其他几个壁垒性。首先是规模壁垒性，天气预报的技术框架，决定了必须对天气实施一定范围的监测后，才可能生产出预报数据。同时，要想预报的时间更长，需要监测的范围就越大。这样的技术特征，决定了开展天气预报活动，起点规模也不能太小，数据量也要满足，而规模一旦有要求，壁垒就会升高。其次是制度壁垒性，天气预报从观测到预报，每个环节都或多或少存在一些法律法规等方面的约束，使得打通整个链条的难度增加。再次是技术壁垒性，天气预报的技术路线很长，每个环节都有技术难题，而这些技术难题最终都会反映到预报结果中，甚至有些技术问题不解决，连有效的结果都得不到。最后是要素获取的壁垒性，天气预报所需的数据要素、人才要素、技术成果等都存在一定的障碍。

低空信息基础设施建设中，只有充分认识到气象科技的独特性和壁垒性，才能有针对性地解决问题，否则，很容易成为低空基建的短板，缺一发而弱全身。反过来说，按照替代性难易程度原理，这也是低空气象基建能成为潜在集成方的原因。

在低空信息基础设施建设中，通讯、导航、监视的技术难度主要是解决成本问题，频域管理和时钟管理在没有达到高密度飞行时还不是当务之急。低空气象基础设施则不同，从安全角度看，它像通导监一样，必须一开始就具备收集掌握天气信息的能力，否则低空飞行就无法开展。

低空气象基础设施建设就像大桥的栏杆、大厦的玻璃，虽然行驶的车辆可能一次也没有碰到它，但试想一下，在没有栏杆的大桥上行驶、站在没有玻璃幕墙的大厦高处，你是一种什么感受。在平坦的地面上，2米宽的小路，你可能可以骑上自行车纵横驰骋，如果将这条小路放在楼顶，即使它有5米宽，你可能也会腿软，站都站不稳，更别说骑自行车了。道路的宽度没变，挪到了高处，就需要栏杆了，这是主观需求，也是客观需求。如果我们从这个角度来理解低空气象基建，问题似乎就会变得更形象一些。低空飞行天气风险的管理，实际上就像大桥的栏杆一样，不解决问题，却能避免悲剧的轻易发生。

概括起来，通导监气四项，是低空信息基础设施建设一开始就必须完成的，在时间优先级上排在前面。频域管理和时钟管理可以根据发展后期补充设置。那么，一体化解决通导监气的思路是什么呢？我们可以从以下几个原则性角度考虑。

第一，场景原则。至少要以满足某种低空飞行场景为目标，构建低空信息基础设施建设。通讯、导航、监视、气象的建设要能够满足该场景的最低需求。

第二，成本原则。在满足某种场景最低需求的前提下，低空信息基础设施建设的成本应该满足预算需求和财务盈亏条件，不具备经济性的基建没有实际意义。

第三，功能原则。低空信息基础设施建设应以场景为依据，围绕飞行器特征做功能设计，功能配置要与适飞飞行器的需求相匹配，同时具有一定的可扩展性。

第四，系统原则。低空信息基础设施建设应着眼全局，通讯、导航、监视、气象的功能要协同考虑，综合设计匹配，以保障整体的最优性。

第五，集成原则。分场景的低空信息基础设施建设应该有统一的牵头方，由牵头方负责整体设计并集成剩余所有功能，并确保该集成方案能够符合场景适用、成本合理、功能完备、系统集约等原则，最终一体化解决。

 低空气象示范点。

不难看出，气象因其独特的技术特点和壁垒性，在低空信息基础设施建设中具有特殊的地位，是一个重要的潜在集成方。气象如何才能做好集成方，而不成为一个短板呢？这是低空信息基础设施建设中需要思考的问题。

按照上面的逻辑线，气象作为集成方，首先要考虑如何解决规模壁垒问题。事实上，从技术本身的底层而言，通讯和导航，同样都存在规模壁垒问题，它们也需要很大的规模才能发挥效用。中国的通讯组网早已完成，基站建设实现了高密度覆盖，北斗星座系统的功能也日臻完善，且通讯和导航并不像气象那样，不仅存在规模壁垒，还需要在规模的基础上扩展很长的技术链（如数据处理、资料同化、数值模式、再分析等）。目前低空通讯和导航建设，只需要做数量上的补充和覆盖即可，已经不存在规模壁垒。

气象则不同，它的监测密度还远远不够，低空适飞区域的气象观测是首要解决的问题。这意味着，低空气象基建的最小规模，是决定低空信息基础设施建设最小单元的主要因素。因此，气象需要根据自身特征，设计出一个工程技术方案，尽可能地压缩气象基建的最小适用规模，则有这样，才能顺利推动整个低空基础设施建设。考虑到气象科技的典型特征，一个大原则是，低空气象基建可以按照“实况为主、预报为辅、疏密有致、多源融合、统计基本”方向来设计，尽可能满足场景适用、成本合理、功能完备、系统集约的整体要求。

截至目前，按功能特征分，低空经济的场景大致可以分为八个大类，依次为：通航机场、测试场、起降场、集散点、试验区、特定航线、全市低空适飞区、临时飞行区。具体而言，通航机场又可以分为大中小三类，测试场分为AB两类，起降场分为大中小微四类，特定航线又包括观光旅游线、通勤线、医疗应急线等等。这些场景的功能不同、飞行器种类不同、对低空信息基础设施的需求也不同。

比较而言，几乎所有的场景中，飞行器对通讯、导航、频域、时钟的需求基本上都是相同的，可以统一标准。监视方面，可能会因为飞行器的大小规格不同而有所差别，但还算相对统一。对于气象而言，这些场景的需求则会出现很大的不同。例如，以目视飞行为主的通航机场，对能见度关注会比较高，而对于微型无人机落点而言，它只关注降落时的侧面风速。类似地，测试场除了关注常规气象信息以外，可能还会关注特定的气象要素，以满足不同类型飞行器的测试需求。

因此，仅仅从实况监测的角度，低空气象基建的设计本身就会成为一个难题。它不像通导监频时那样，基本上可以利用通用技术解决大部分场景的问题。同时，再考虑到不同场景下所需的天气预报数据的空间范围、时间范围、强弱精度等多种因素，使得任一场景的低空气象基础设施建设都是一个个性化问题。

如果我们从分场景低空信息基础设施的设计出发，由气象基建方牵头，作为整个低空信息基建的集成方成本会低一些，也利于保障工程质量。但是，气象作为集成方，必须打通气象科技链条的能力，能够解决观测技术、预报技术、数据获取、产品设计等一系列难题，还要能够集成通讯、导航、监视、频域、时钟等通用技术，以最低的系统成本、完善的技术方案参与市场竞争。

总之，气象科技在低空信息基础设施建设过程中，必然处于核心关键的地位，会成为低空经济快速发展期的一个重要技术抓手。