民航飛機(jī)氣象資料的應(yīng)用及探討

沈越婷, 向衛(wèi)國(guó),2

（1.成都信息工程學(xué)院大氣科學(xué)學(xué)院,四川成都 610225;2.成都信息工程學(xué)院高原大氣與環(huán)境研究中心,四川成都 610225）

AMDAR（Aircraft Meteorological Data Relay）是通過民航班機(jī)上的自動(dòng)觀測(cè)儀器獲得的氣象報(bào)告,是國(guó)際民航組織和世界氣象組織在全球范圍內(nèi)積極推動(dòng)的項(xiàng)目。目前AMDAR資料在航空運(yùn)輸業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū),諸如歐洲和北美已得到較為廣泛的應(yīng)用[1-2]。早在第一次世界大戰(zhàn)期間的1919年,美國(guó)天氣局就在當(dāng)時(shí)美軍使用的活塞式戰(zhàn)斗機(jī)上捆綁了“高空氣象計(jì)”,飛機(jī)飛行期間的觀測(cè)結(jié)果被記錄在圓柱狀滾筒記錄紙上,在飛機(jī)著陸后被機(jī)場(chǎng)氣象人員取出并編發(fā)以“APOB”為指示碼的飛機(jī)觀測(cè)報(bào)與其他氣象人員共享珍貴的高空記錄[3]。2004年中國(guó)AMDAR數(shù)據(jù)開始參與全球電信系統(tǒng)（GTS）交換,標(biāo)志著中國(guó)AMDAR項(xiàng)目的數(shù)據(jù)采集和傳輸部分基本完成[4]。

劉小魏等[5]對(duì)AMDAR資料特征進(jìn)行分析,得出AMDAR資料是一種高時(shí)空密度的觀測(cè)資料,航站上的AMDAR資料的質(zhì)量接近探空資料,但其時(shí)間密度大約是探空資料的10倍。因此,AMDAR資料可以用來監(jiān)測(cè)航站及附近地區(qū)天氣系統(tǒng)及其演變的更細(xì)微的特征,為短時(shí)特別是臨近預(yù)報(bào)提供更多的參考依據(jù)。

由于AMDAR數(shù)據(jù)在時(shí)間、空間分布上的特殊性,在國(guó)內(nèi)開展AMDAR資料應(yīng)用的工作較少。文中分析AMDAR數(shù)據(jù)特點(diǎn),開展AMDAR資料處理技術(shù)研究,對(duì)推動(dòng)AMDAR應(yīng)用,促進(jìn)對(duì)中小尺度系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),提高天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率都具有重要意義。

由于現(xiàn)在氣象臺(tái)預(yù)報(bào)天氣使用的都是MICAPS系統(tǒng),所以,要使AMDAR資料得以充分的利用,最好的方法就是將AMDAR資料轉(zhuǎn)化為MICAPS系統(tǒng)所需要的資料。而AMDAR資料具有很高的時(shí)間密度,這樣不但可以幫助預(yù)報(bào)天氣,還可以將天氣系統(tǒng)的細(xì)微特征展現(xiàn)出來。

1 AMDAR資料的特征分析

1.1 AMDAR資料概述

AMDAR是一個(gè)全自動(dòng)的高空觀測(cè)系統(tǒng),收集高精細(xì)度的高空資料,當(dāng)然包含了傳統(tǒng)探空觀測(cè)的氣象因子,溫度、露點(diǎn)、風(fēng)向、風(fēng)速,唯一比較不同的是還有高空亂流的資料[6]。

由機(jī)場(chǎng)直接獲得的AMDAR原始資料由空管局經(jīng)過提取后下傳到氣象部門,AMDAR氣象公報(bào)格式如表1所示。

SETION1 AMDAR YYGG（日時(shí)）

SETION2 iii I…I LLLLA LLLLLB YYGGgg Shhh SSTTT{SST1T2T3 or UUU}ddd/fff TBb Ssss

表1 AMDAR氣象公報(bào)格式[7]

1.2 AMDAR資料的時(shí)空分布特點(diǎn)

常規(guī)高空觀測(cè)只有00時(shí)和12時(shí)（UTC）,其他時(shí)間沒有觀測(cè);而AMDAR資料是飛機(jī)觀測(cè),時(shí)間密度明顯大。常規(guī)高空觀測(cè)站點(diǎn)全國(guó)只有120多個(gè),而在飛機(jī)航線上AMDAR資料較為密集。將全球觀測(cè)資料的高度以100m為間隔分類統(tǒng)計(jì)得出以下結(jié)果:在飛機(jī)飛行的各個(gè)高度都有觀測(cè);由于民航客機(jī)的型號(hào)種類及飛行安全規(guī)則,飛機(jī)的飛行高度高、低不等;從整體來看主要的飛行高度在8000～10000m[5]。

選用2011年5月2日AMDAR資料,分析其時(shí)空分布,可以看出一天的AMDAR資料有9362條氣象報(bào)文,空間分布如圖1所示。時(shí)間分布如表所示。從圖1可以看出,AMDAR資料是分布在航線上的,航站附近密集,主要是由于起飛和降落引起的,時(shí)間上可以看出高度的密集型。

圖1 2011年5月2日雙流機(jī)場(chǎng)AMDAR資料分布

表2 2011年5月2日雙流機(jī)場(chǎng)AMDAR氣象報(bào)文時(shí)間分布（UTC）

分析表2可知,AMDAR資料的時(shí)間分布特點(diǎn)是,主要分布在00:00（UTC,下同）至08:00但00:00和08:00時(shí)間,氣象報(bào)文時(shí)間較少,報(bào)文數(shù)量從00:00開始曾多,到07:00達(dá)到最多,然后迅速減少,到10:00減少到最少（圖 2）。

圖2 2011年5月2日雙流機(jī)場(chǎng)AMDAR氣象報(bào)文時(shí)間分布（UTC）

2 AMDAR資料的處理技術(shù)研究

2.1 AMDAR資料與探空資料對(duì)比

與常規(guī)探空資料相比,雖然航空氣象資料在準(zhǔn)確性、數(shù)據(jù)在不同高度分布的均勻性還存在缺欠,但其優(yōu)勢(shì)也是明顯的。首先在觀測(cè)的時(shí)間分布上,常規(guī)探空資料一般僅限于每天2次觀測(cè),12 h的間隔很可能比一些中小尺度天氣系統(tǒng)的生命期都長(zhǎng),也足以使一些大尺度的天氣系統(tǒng)產(chǎn)生性質(zhì)上的變化而給天氣分析和預(yù)報(bào)帶來困難。航空資料的時(shí)間分布相對(duì)要密集,可以在兩次探空之間提供更多的高空大氣信息。另外,當(dāng)機(jī)場(chǎng)附近沒有探空站,飛機(jī)起飛和降落時(shí)得到的大氣廓線數(shù)據(jù)是最好的替代資料;航空氣象資料在海洋上得到的海洋逆溫層觀測(cè)數(shù)據(jù),大大改進(jìn)了海面霧和層云的預(yù)報(bào);航空氣象觀測(cè)在大氣邊界層和近地面得到的資料,對(duì)于預(yù)報(bào)和研究危害性很大的低層風(fēng)切變、急流導(dǎo)致的劇烈湍流等現(xiàn)象都有不可替代的作用;具有較高時(shí)空分辨率的航空氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)在中尺度氣象研究上具有特殊的意義[8]。

AMDAR觀測(cè)資料是由飛機(jī)在整個(gè)飛行過程中探測(cè)到的機(jī)外的環(huán)境氣象要素,這個(gè)過程類似于探空資料的觀測(cè);如果AMDAR資料的觀測(cè)結(jié)果與同地點(diǎn)、同時(shí)次觀測(cè)的探空資料具有相似性,就可以像利用探空資料一樣在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中使用AMDAR資料。對(duì)于各種氣象要素的測(cè)量,AMDAR和探空氣球一樣,都不是直接測(cè)量得到的,探空氣球在升空過程中并不能直接測(cè)氣壓,風(fēng)速風(fēng)向等要素,只能測(cè)自己精確的地理位置,上升速度,所受壓力等探空記錄,而且常常使用的氣壓等氣象要素都是根據(jù)氣球獲得的資料計(jì)算出來的,如高空風(fēng)的測(cè)量按照定位方法,氣球軌跡法測(cè)風(fēng)可分為3類:單點(diǎn)測(cè)風(fēng)、基線測(cè)風(fēng)和導(dǎo)航測(cè)風(fēng)[9]。

國(guó)家氣象中心的劉小魏等[5],以北京探空資料為例與AMDAR資料對(duì)比分析。得出結(jié)論:國(guó)內(nèi)AMDAR資料涵蓋4種要素（高度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速）,與同時(shí)次、同城市航站探空資料有一定相似性,可參照探空資料使用。而對(duì)于各種氣象要素的測(cè)量,AMDAR和探空氣球一樣,也不是直接測(cè)量得到的,探空氣球在升空過程中并不能直接測(cè)氣壓,風(fēng)速風(fēng)向等要素,這些要素都是根據(jù)氣球獲得的資料計(jì)算出來的。所以,雖然AMDAR資料的元素過少,要素種類較為單一,但是可以參照探空資料的觀測(cè)方法,在現(xiàn)有資料的基礎(chǔ)上通過計(jì)算得到。

2.2 AMDAR資料氣象公報(bào)的處理方法

以2011年5月3日AMDAR資料為例:

由于AMDAR資料包含了經(jīng)緯度,時(shí)間,高度,溫度以及風(fēng)向風(fēng)速,但是一般的氣象資料還需要露點(diǎn)和氣壓,所以除了將已有的資料進(jìn)行處理外,還需要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上計(jì)算出所需要的其他氣象要素。對(duì)于飛機(jī)飛行高度的資料的處理,經(jīng)過高度單位換算后,得到[10]:

式中,H為目標(biāo)物的海拔位勢(shì)高度（gpm）;Z拔為目標(biāo)物在球坐標(biāo)系中的海拔幾何高度（m）;R為地球平均半徑,取值6371000m;G為標(biāo)準(zhǔn)重力加速度,取值9.80665m/s2;φ為緯度;gφ,0為緯度 φ對(duì)應(yīng)海平面處的重力加速度。

計(jì)算露點(diǎn)時(shí),對(duì)于現(xiàn)有的AMDAR資料,只有測(cè)量點(diǎn)的經(jīng)緯度、飛行高度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速,通過溫度,計(jì)算飽和水汽壓、露點(diǎn),從而可以得到露點(diǎn)溫度差。飽和水汽壓力:

式中,t為溫度,單位為攝氏度。

式中,td為露點(diǎn)溫度,單位為攝氏度。

則露點(diǎn)溫度為:

已知溫度和露點(diǎn)溫度,可計(jì)算出露點(diǎn)溫度差,根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),溫度露點(diǎn)差范圍在-0.1℃到+0.1℃,此處將符號(hào)位負(fù)的溫度露點(diǎn)差處理為0℃,也就是說,可認(rèn)為水汽處于飽和狀態(tài)。

利用AMDAR資料的已有內(nèi)容計(jì)算氣壓公式是通用的壓高方程,利用壓高方程,原則上可以進(jìn)行氣壓和高度間的換算,但直接計(jì)算還比較困難。因?yàn)樵诠街兄笖?shù)上的子式中,g和T都隨高度變化,而且R因不同高度上空氣組成的差異也會(huì)隨高度而變化,因而進(jìn)行積分是困難的。為了方便實(shí)際應(yīng)用,需要對(duì)方程作某些特定假設(shè)。比如忽略重力加速度的變化（在100km以下的低層大氣g隨高度的變化很小,可以忽略）和水汽影響,并假定氣溫不隨高度發(fā)生變化,此條件下的壓高方程,稱為等溫大氣壓高方程。在等溫大氣中,T可視為常數(shù)。

則（6）式可以寫成:

將絕對(duì)溫度 T換成攝氏溫度t,自然對(duì)數(shù)換成常用對(duì)數(shù),并將g和R代入,則（7）式就可以寫成氣象上常用的等溫大氣壓高方程:

式中:t為氣體溫度（℃）。

根據(jù)董濤,李永軍[11]的研究結(jié)論:在3000m高空,濕度僅為地面的25%,因此,在相對(duì)濕度未達(dá)到100%,高度0～3000m的范圍內(nèi),影響非常小,影響因子接近1,因此可以忽略把濕空氣處理為干空氣帶來的誤差;氣壓高度的計(jì)算值,絕對(duì)誤差會(huì)隨著高度的增加而增加,但相對(duì)誤差隨高度的增加而減小。

而王榮基與李君[12]取民勤站L波段高空氣象探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)資料中2006年1、4、7、10月的所有探測(cè)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)等壓面間氣壓相差1hPa時(shí)位勢(shì)高度平均差值的變化情況?？芍?中國(guó)大陸規(guī)定的民航客機(jī)巡航高度,從9000米至12000米,每300米為一個(gè)高度層。所以飛機(jī)飛行高度最高在12000m,接近150hPa,而在14174.00m高空上,絕對(duì)誤差達(dá)到47.25m,相對(duì)而言不到1hPa,而文中所介紹的資料處理處理,不需要精確地氣壓值,主要是要?jiǎng)澏ㄙY料所處的等壓面層。

綜合以上分析,可以得出結(jié)論:AMDAR資料處理方式中,對(duì)于飛機(jī)所處飛行高度的氣壓的計(jì)算方法,均可用公式（8）計(jì)算得到。

3 AMDAR資料的顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

AMDAR資料顯示系統(tǒng)是指,將AMDAR資料從采集到運(yùn)用于氣象預(yù)報(bào)的整個(gè)系統(tǒng)。AMDAR資料的顯示系統(tǒng)主要包含3個(gè)部分:數(shù)據(jù)采集及分級(jí)處理;數(shù)據(jù)處理計(jì)算;信息可視化。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖3所示。

由于AMDAR資料的分布特征,對(duì)于某些站點(diǎn),AMDAR資料可以單獨(dú)使用,但是總體來看,AMDAR資料與現(xiàn)有探空資料綜合利用,將對(duì)氣象預(yù)報(bào)做出貢獻(xiàn)。并且,現(xiàn)在國(guó)內(nèi)各地氣象中心基本都是使用MICAPS,為使AMDAR資料的使用更為便捷,將AMDAR資料轉(zhuǎn)換成MICAPS格式,在MICAPS中顯示。所以在資料的處理方面主要采用向MICAPS系統(tǒng)數(shù)據(jù)文件轉(zhuǎn)換。這里主要介紹高空觀測(cè)數(shù)據(jù)和剖面圖數(shù)據(jù)的處理。

3.2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)系統(tǒng)功能,歸為3個(gè)模塊:

（1）原始?xì)庀蠊珗?bào)處理模塊。主要實(shí)現(xiàn)AMDAR數(shù)據(jù)采集及AMDAR資料的處理（包括原始資料的格式處理,以及數(shù)據(jù)處理）;

（2）高空數(shù)據(jù)處理模塊。主要實(shí)現(xiàn)將已經(jīng)處理過的AMDAR原始資料再經(jīng)過二次處理用于MICAPS系統(tǒng),主要是垂直空間的處理;

（3）剖面圖數(shù)據(jù)處理模塊。主要實(shí)現(xiàn)與高空數(shù)據(jù)處理模塊類似,但主要是水平空間的處理。

圖3 AMDAR資料的顯示系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

4 AMDAR資料的應(yīng)用

根據(jù)2011年5月1日到3日的常規(guī)探空資料（圖略）,分析得到1日08時(shí)高原東部至盆地上空有一淺槽正在緩慢東移到晚上20時(shí)已經(jīng)到達(dá)貴州、湖南、湖北地區(qū),在延安經(jīng)西安到四川北部伸出一槽,到2日08時(shí)湖南湖北一帶的槽東移入海,西安一帶的槽有所加深,略微向東南方向移動(dòng),已經(jīng)影響到成都。到2日20時(shí)明顯東移,到達(dá)鄭州,湖北中部至湖南北部。3日08時(shí)該槽已經(jīng)東移入海。盆地上空出現(xiàn)氣旋性環(huán)流,甘肅南部至四川北部有一淺槽,到20時(shí)已到陜西東部到四處北部。根據(jù)地面觀測(cè)資料發(fā)現(xiàn),5月2日凌晨2時(shí)開始降水直到晚上八點(diǎn)以前停止。

選取5月1日到3日,每天11時(shí)、14時(shí)、17時(shí)3個(gè)時(shí)次的AMDAR資料分析（圖4）,貴陽(yáng)在1日11時(shí)風(fēng)向?yàn)槲髂巷L(fēng)到14時(shí)已經(jīng)轉(zhuǎn)為西風(fēng),可以判斷出,到1日14時(shí),高原東部之盆地上空的淺槽已經(jīng)移出盆地。而常規(guī)探空資料1日20時(shí)延安伸出的槽經(jīng)過AMDAR資料補(bǔ)充可以看出,該槽在14時(shí)的時(shí)候已經(jīng)出現(xiàn),緩慢加深。將2日14時(shí)的AMDAR資料與20時(shí)的常規(guī)資料疊加（圖5）后發(fā)現(xiàn),兩張圖基本重合,可以看出2日08時(shí)西安一帶的槽在14時(shí)就已經(jīng)移到了鄭州,湖南湖北一帶。并在成都上空有一小槽,到晚上17時(shí)已經(jīng)消失。根據(jù)3日AMDAR資料,盆地上空的氣旋性環(huán)流到10時(shí)左右消散（圖6、圖7）。

圖 4 2011年5月1日11、14、17時(shí) 500hPa AMDAR資料

圖5 2011年5月2日14時(shí)500hPa AMDAR資料與5月2日20時(shí)500hPa高空觀測(cè)疊加

圖7 2011年5月3日11時(shí)500hPa AMDAR資料

將同一時(shí)刻的AMDAR資料與常規(guī)資料綜合也更有利于分析,如將5月3日08時(shí)AMDAR資料與探空資料綜合后如圖8,圖中可以看出AMDAR資料主要分布在北京以南,天津,山東,安徽東部,貴陽(yáng),昆明,廣東東部沿岸疊加同時(shí)次的常規(guī)高空觀測(cè)后可以看到,AMDAR資料的與同時(shí)次的常規(guī)高空觀測(cè)具有相似性,同時(shí)在沒有常規(guī)探空資料的地方可以加以補(bǔ)充,更易分析等壓線、槽線。說明AMDAR資料的處理是具有可行性的。

根據(jù)2011年5月3日08時(shí)汕頭站（站號(hào)59316,116.66°E,23.43°N）探空資料溫度對(duì)數(shù)壓力圖（圖9）和對(duì)應(yīng)位置（116°E,23°N）AMDAR資料（圖10）對(duì)比分析,可以發(fā)現(xiàn),資料得出的結(jié)論是相似的,所以可以運(yùn)用AMDAR資料對(duì)常規(guī)探空資料進(jìn)行補(bǔ)充,同時(shí),在常規(guī)探空資料沒有的時(shí)次也可以分析天氣情況的變化。

圖8 2011年5月3日08時(shí)500hPa高空觀測(cè)資料,AMDAR資料,以及兩者疊加圖

圖10 2011年5月3日 08時(shí)（116°E,23°N）AMDAR資料 T-lnP圖

5 結(jié)論

AMDAR是民航班機(jī)上的自動(dòng)觀測(cè)儀器獲得的氣象數(shù)據(jù),具有高時(shí)空密度的特點(diǎn)。開發(fā)利用AMDAR數(shù)據(jù),能獲得更多的高空大氣信息,促進(jìn)對(duì)中小尺度系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)和認(rèn)識(shí),對(duì)提高民航和地方天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率具有重要意義。

（1）AMDAR資料集中在航線上,采集頻率高,具有高時(shí)空分布的特點(diǎn);

（2）中國(guó)AMDAR資料從每天08時(shí)（北京時(shí),下同）開始逐漸增多,到17時(shí)后迅速減少;

（3）對(duì)于高空氣壓的計(jì)算可直接用等溫大氣中的壓高方程代替;

（4）設(shè)計(jì)了民航飛機(jī)氣象數(shù)據(jù)處理顯示系統(tǒng),處理后的數(shù)據(jù)可以直接用于MICAPS顯示,便于推廣應(yīng)用;

（5）利用2011年5月1～3日的常規(guī)探空資料和AMDAR資料進(jìn)行了對(duì)比分析,發(fā)現(xiàn)根據(jù)AMDAR資料繪制等壓面圖、T-lnP圖能提供更多詳細(xì)的天氣信息。

致謝:感謝成都信息工程學(xué)院自然科學(xué)與技術(shù)發(fā)展基金（CSR200801）對(duì)本文的資助

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