AMDAR 資料的可視化開發(fā)與應(yīng)用

申午陽

（民航珠海空中交通管理站，廣東 珠海 519000）

隨著中國民航業(yè)的迅猛發(fā)展，機(jī)場航班量快速增加，飛機(jī)起降次數(shù)也越來越多，由此產(chǎn)生的航空器下發(fā)的氣象數(shù)據(jù)也在快速增加，并且隨著民航氣象工作的未來發(fā)展和面對更高更快更準(zhǔn)確的工作要求，大量氣象數(shù)據(jù)的綜合分析起著重要的作用。本文內(nèi)容為AMDAR數(shù)據(jù)（航空器下發(fā)氣象數(shù)據(jù)）的可視化分析和研究，目的在于將大量不同種類的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合性可視化開發(fā)，用于為航空氣象人員提供直觀準(zhǔn)確的中高低空實(shí)況氣象數(shù)據(jù)，提高航班的氣象保障能力。相信在不久的將來氣象數(shù)據(jù)的可視化將會日益完善，具有本地特點(diǎn)的氣象可視化平臺也將會逐步搭建起來。

1 AMDAR的發(fā)展背景與研究的意義

商用飛機(jī)大都裝有氣象傳感器以及自動數(shù)據(jù)收集和處理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以把飛機(jī)在飛行中得到的氣象數(shù)據(jù)自動轉(zhuǎn)播到地面，這就是AMDAR資料。該資料可用于常規(guī)氣象觀測數(shù)據(jù)的補(bǔ)充，可作為觀測和預(yù)報(bào)天氣的重要資料之一。中國在航空氣象資料收集領(lǐng)域發(fā)展較晚，從2003年開始記錄AMDAR資料，2004年實(shí)現(xiàn)全球共享，2009年中國每天在交換的資料數(shù)量達(dá)到了2萬多份，截至目前每日交換資料數(shù)量還在持續(xù)上漲。

本文所要處理的數(shù)據(jù)是參加交換的FM42格式的飛機(jī)報(bào)告，數(shù)據(jù)源具有數(shù)據(jù)與航線經(jīng)緯度一致，采集時(shí)間間隔較為固定，數(shù)據(jù)提供較為穩(wěn)定的特點(diǎn)。

隨著航班量的增加，特殊天氣條件下的航班保障也變得尤其重要，預(yù)報(bào)員預(yù)報(bào)天氣的時(shí)效性和特殊天氣條件下預(yù)報(bào)結(jié)果的復(fù)盤也都需要大量準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)以及理論作為依據(jù)。在航班量快速增加的今天，航空器所探測的氣象數(shù)據(jù)也大幅增加，但用于國際交換的航空器氣象報(bào)文數(shù)據(jù)是由固定格式文本組成的，這給報(bào)文的識別帶來了極大的不方便，這也是導(dǎo)致AMADR資料雖然數(shù)據(jù)量巨大但預(yù)報(bào)和觀測過程中卻很少使用的原因，本次研究的重點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)AMDAR資料的數(shù)據(jù)可視化，為提高預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性和觀測的時(shí)效性以及預(yù)報(bào)結(jié)果的復(fù)盤提供更多的實(shí)際測量數(shù)據(jù)。

2 數(shù)據(jù)可視化的實(shí)現(xiàn)

AMDAR資料中包含當(dāng)前飛機(jī)所在高度層的天氣數(shù)據(jù)，具有與探空數(shù)據(jù)相似的特性，能夠提供天氣預(yù)報(bào)和觀測過程中所缺少的空中氣象數(shù)據(jù)。目前實(shí)時(shí)收到航空器上探測的數(shù)據(jù)主要有飛行階段、飛機(jī)編碼、時(shí)間、經(jīng)緯度、高度、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速等，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 AMDAR航空數(shù)據(jù)資料

本文工作中的一部分是將其中的主要內(nèi)容進(jìn)行篩選，其內(nèi)容包括飛行狀態(tài)、飛機(jī)編碼、緯度、經(jīng)度、時(shí)間、高度、溫度、風(fēng)向風(fēng)速等，篩選結(jié)果如表2所示。

表2 AMDAR航空數(shù)據(jù)資料篩選結(jié)果

AMDAR大量數(shù)據(jù)為國際交換FM42格式，如果用于數(shù)據(jù)可視化需要進(jìn)行格式的更改和篩選，例如以下數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)ASC——上升狀態(tài)時(shí)觀測標(biāo)識，CNFOSS——飛機(jī)編碼，2445N——北緯24.45°，11826E——東經(jīng)118.26°，201330——時(shí)間為20日13點(diǎn)30分，F(xiàn)105——高度為10 500 ft（1 ft≈0.30 m），溫度PS065為6.5℃，其中的高度因國際交換需要，單位為英尺，經(jīng)過對該項(xiàng)數(shù)據(jù)的篩選整合和質(zhì)量控制，將其改成國內(nèi)通用單位m，溫度代碼前為PS，則溫度大于0℃，溫度代碼前為MS則溫度小于0℃，風(fēng)向?yàn)?72°，風(fēng)速為14 n mile/h（約為7.196 m/s）。

飛機(jī)報(bào)文中各項(xiàng)的含義如表3所示。

表3 飛機(jī)報(bào)文中各項(xiàng)的含義

將MICAPS數(shù)據(jù)與AMDAR數(shù)據(jù)進(jìn)行同步分析能為預(yù)報(bào)員在分析復(fù)雜天氣情況時(shí)提供更多更可靠的天氣數(shù)據(jù)，從而進(jìn)一步提高預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率。下面經(jīng)過對數(shù)據(jù)的篩選與整合，AMDAR在MICAPS中的數(shù)據(jù)格式如表4所示。

表4 MICAPS數(shù)據(jù)格式

將AMDAR數(shù)據(jù)利用Python編寫的程序按照格式自動處理生成文件名為201329.000的文件，文件內(nèi)容有部分省略，文件內(nèi)容如表5所示。

表5 處理后的MICAPS數(shù)據(jù)格式

經(jīng)過將處理的文件201329.000導(dǎo)入MICAPS系統(tǒng)中則會顯示文件中的AMDAR數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)顯示如圖1所示，該數(shù)據(jù)為多日累加的AMDAR數(shù)據(jù)顯示，其中黑色圖標(biāo)為風(fēng)羽標(biāo)，代表飛機(jī)航線上該高度的風(fēng)向和風(fēng)速，灰色圖標(biāo)為溫度，代表飛機(jī)航線該點(diǎn)的實(shí)際溫度，通過圖1可以直觀地發(fā)現(xiàn)全國范圍內(nèi)航空氣象數(shù)據(jù)顯示的特點(diǎn)為：AMDAR數(shù)據(jù)量巨大，在航線密集的空域分布很廣泛，數(shù)據(jù)顯示連續(xù)性較好。

圖1 全國AMDAR數(shù)據(jù)顯示圖

經(jīng)過對經(jīng)緯度的篩選可以將珠海機(jī)場附近地區(qū)AMDAR某一天資料進(jìn)行顯示，顯示結(jié)果如圖2所示。

圖2 珠海地區(qū)AMDAR資料顯示圖

利用經(jīng)緯度篩選將珠三角地區(qū)主要航路天氣資料顯示如圖3所示。

圖3 珠三角地區(qū)部分AMDAR資料顯示圖

經(jīng)過對AMDAR資料的篩選，結(jié)合本地?cái)?shù)據(jù)將發(fā)生在2017-02-04珠海機(jī)場附近的一次航班在中低空遇到風(fēng)向風(fēng)速急劇變化的起降過程進(jìn)行了可視化分析，MICAPS中風(fēng)向風(fēng)速的變化顯示如圖4所示，不難發(fā)現(xiàn)風(fēng)向和風(fēng)速在該航線上有著較大變化，溫度的變化更是高度降低的直接表現(xiàn)。但在MICAPS系統(tǒng)中由于缺少三維顯示圖像，所以對AMDAR數(shù)據(jù)中經(jīng)緯度和高度的數(shù)據(jù)進(jìn)行抓取并且結(jié)合python的3D庫將飛機(jī)的航線圖進(jìn)行可視化分析，顯示結(jié)果如圖5所示。

圖4 AMDAR資料的風(fēng)向風(fēng)速和溫度（航班起降在珠海地區(qū)的全過程）

圖5 Axes3D庫繪制的飛機(jī)航線3D圖組

以上是利用Axes3D庫追蹤并繪制的珠海機(jī)場航班起降的航線3D圖，兩條線分別為飛機(jī)實(shí)際航線和地面投影。氣象人員可根據(jù)MICAPS中的風(fēng)向風(fēng)速和溫度圖以及追蹤到的飛機(jī)航跡3D圖進(jìn)行分析，并復(fù)盤珠海機(jī)場小范圍內(nèi)季節(jié)性風(fēng)向風(fēng)速的變化對飛機(jī)起降的影響。

3 討論

AMDAR資料的分析可以彌補(bǔ)天氣預(yù)報(bào)與天氣觀測過程中探空數(shù)據(jù)的缺乏，特別是預(yù)警和復(fù)盤飛機(jī)起飛、降落過程中風(fēng)向變化帶來的航空安全事件，由于航空器探測的數(shù)據(jù)中有溫度的實(shí)時(shí)探測，也可以借此對大霧、局部降水等特殊天氣進(jìn)行更加準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)和觀測，AMDAR資料中位于海洋逆溫層的觀測數(shù)據(jù)將會改進(jìn)海面霧和層云的預(yù)報(bào)。隨著雷達(dá)管制的完善，區(qū)域管制的進(jìn)步，高空風(fēng)向風(fēng)速和高空溫度預(yù)報(bào)使管制員更準(zhǔn)確的掌握區(qū)域天氣情況，及時(shí)調(diào)配飛行流量，保障航班安全。AMDAR還是探測低空風(fēng)切變有效的資料之一，用來診斷機(jī)場附近的低空風(fēng)切變，對保障航班安全有很大幫助，并且為短臨預(yù)報(bào)提供了很重要的信息源。

經(jīng)過對AMDAR數(shù)據(jù)的分析，AMDAR資料也有自身的不足，其中收到的報(bào)文中有部分報(bào)文格式不明確，不是常規(guī)格飛行器氣象報(bào)文，因此在日后將AMDAR投入業(yè)務(wù)運(yùn)行過程中，需要解決幾個(gè)問題。例如：AMDAR數(shù)據(jù)有部分內(nèi)容格式不統(tǒng)一，MICAPS中顯示的AMDAR數(shù)據(jù)缺少時(shí)間序列，對于風(fēng)場的直觀判斷有影響；AMDAR數(shù)據(jù)內(nèi)容中雖然包含了高度數(shù)據(jù)，但在MICAPS3.2中無法將該項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，這給探空數(shù)據(jù)的分析帶來了缺陷，但可以通過MICAPS的二次開發(fā)，將飛行高度的篩選功能更新進(jìn)MICAPS系統(tǒng)中，這樣就可以完成風(fēng)向風(fēng)速在不同高度層上的顯示，為天氣預(yù)報(bào)員提供更直觀的數(shù)據(jù)顯示，幫助其分析氣象變化，為航班的保障提供重要依據(jù)。

4 結(jié)論

本文通過對AMDAR數(shù)據(jù)中的航班序號、時(shí)間、經(jīng)緯度、高度、溫度等條件進(jìn)行篩選和可視化分析，并在Micaps平臺對航空氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化展示和應(yīng)用，得出的主要結(jié)論如下：①AMDAR氣象數(shù)據(jù)的可視化填補(bǔ)了探空數(shù)據(jù)在航線上的缺失，更直觀準(zhǔn)確地顯示了高空氣象數(shù)據(jù)，為航路天氣的預(yù)報(bào)和觀測提供了很好的手段，對特殊天氣情況下的本地航班的保障工作提供了有力的依據(jù)；②對天氣過程的復(fù)盤提供歷史資料，特別是大霧的發(fā)生和消散，風(fēng)切變的預(yù)警和總結(jié)；③AMDAR數(shù)據(jù)可視化也直觀地為管制員展示了空中氣象數(shù)據(jù)，其中航空器的顛簸、水汽資料與積冰情況也可以作為管制員指揮飛機(jī)的有效參考；④未來AMDAR數(shù)據(jù)顯示平臺將更加完善，其中按照時(shí)間序列的顯示、高空垂直風(fēng)速的變化、湍流的變化、不同高度層的數(shù)據(jù)顯示都將是AMDAR可視化發(fā)展的趨勢；⑤AMDAR也存在著自身的不足，因?yàn)樵谔厥馓鞖鈼l件下往往航班的運(yùn)行受到很大影響，所收到的氣象資料準(zhǔn)確性也將大打折扣，這直接影響著AMDAR可視化的數(shù)據(jù)來源。

最后本文作者在進(jìn)行AMDAR數(shù)據(jù)可視化工作的同時(shí)，也在致力于將航空器探測氣象數(shù)據(jù)融合進(jìn)機(jī)場小范圍臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)，將其作為機(jī)場臨近預(yù)報(bào)系統(tǒng)的變量條件，在得到高空氣象數(shù)據(jù)資料后對其預(yù)報(bào)結(jié)果進(jìn)行修正，以用來得到更為準(zhǔn)確的臨近預(yù)報(bào)結(jié)論。由此可見AMDAR數(shù)據(jù)不僅可以作為獨(dú)立資料用于氣象觀測和預(yù)報(bào)，在系統(tǒng)性的預(yù)報(bào)和觀測軟件中的使用也可以使該類數(shù)據(jù)發(fā)揮其優(yōu)勢和特點(diǎn)。