民航飞机气象资料的应用及探讨

沈越婷, 向卫国,2

（1.成都信息工程学院大气科学学院,四川成都 610225;2.成都信息工程学院高原大气与环境研究中心,四川成都 610225）

AMDAR（Aircraft Meteorological Data Relay）是通过民航班机上的自动观测仪器获得的气象报告,是国际民航组织和世界气象组织在全球范围内积极推动的项目。目前AMDAR资料在航空运输业发达的国家和地区,诸如欧洲和北美已得到较为广泛的应用[1-2]。早在第一次世界大战期间的1919年,美国天气局就在当时美军使用的活塞式战斗机上捆绑了“高空气象计”,飞机飞行期间的观测结果被记录在圆柱状滚筒记录纸上,在飞机着陆后被机场气象人员取出并编发以“APOB”为指示码的飞机观测报与其他气象人员共享珍贵的高空记录[3]。2004年中国AMDAR数据开始参与全球电信系统（GTS）交换,标志着中国AMDAR项目的数据采集和传输部分基本完成[4]。

刘小魏等[5]对AMDAR资料特征进行分析,得出AMDAR资料是一种高时空密度的观测资料,航站上的AMDAR资料的质量接近探空资料,但其时间密度大约是探空资料的10倍。因此,AMDAR资料可以用来监测航站及附近地区天气系统及其演变的更细微的特征,为短时特别是临近预报提供更多的参考依据。

由于AMDAR数据在时间、空间分布上的特殊性,在国内开展AMDAR资料应用的工作较少。文中分析AMDAR数据特点,开展AMDAR资料处理技术研究,对推动AMDAR应用,促进对中小尺度系统的认识,提高天气预报准确率都具有重要意义。

由于现在气象台预报天气使用的都是MICAPS系统,所以,要使AMDAR资料得以充分的利用,最好的方法就是将AMDAR资料转化为MICAPS系统所需要的资料。而AMDAR资料具有很高的时间密度,这样不但可以帮助预报天气,还可以将天气系统的细微特征展现出来。

1 AMDAR资料的特征分析

1.1 AMDAR资料概述

AMDAR是一个全自动的高空观测系统,收集高精细度的高空资料,当然包含了传统探空观测的气象因子,温度、露点、风向、风速,唯一比较不同的是还有高空乱流的资料[6]。

由机场直接获得的AMDAR原始资料由空管局经过提取后下传到气象部门,AMDAR气象公报格式如表1所示。

SETION1 AMDAR YYGG（日时）

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

表1 AMDAR气象公报格式[7]

1.2 AMDAR资料的时空分布特点

常规高空观测只有00时和12时（UTC）,其他时间没有观测;而AMDAR资料是飞机观测,时间密度明显大。常规高空观测站点全国只有120多个,而在飞机航线上AMDAR资料较为密集。将全球观测资料的高度以100m为间隔分类统计得出以下结果:在飞机飞行的各个高度都有观测;由于民航客机的型号种类及飞行安全规则,飞机的飞行高度高、低不等;从整体来看主要的飞行高度在8000～10000m[5]。

选用2011年5月2日AMDAR资料,分析其时空分布,可以看出一天的AMDAR资料有9362条气象报文,空间分布如图1所示。时间分布如表所示。从图1可以看出,AMDAR资料是分布在航线上的,航站附近密集,主要是由于起飞和降落引起的,时间上可以看出高度的密集型。

图1 2011年5月2日双流机场AMDAR资料分布

表2 2011年5月2日双流机场AMDAR气象报文时间分布（UTC）

分析表2可知,AMDAR资料的时间分布特点是,主要分布在00:00（UTC,下同）至08:00但00:00和08:00时间,气象报文时间较少,报文数量从00:00开始曾多,到07:00达到最多,然后迅速减少,到10:00减少到最少（图 2）。

图2 2011年5月2日双流机场AMDAR气象报文时间分布（UTC）

2 AMDAR资料的处理技术研究

2.1 AMDAR资料与探空资料对比

与常规探空资料相比,虽然航空气象资料在准确性、数据在不同高度分布的均匀性还存在缺欠,但其优势也是明显的。首先在观测的时间分布上,常规探空资料一般仅限于每天2次观测,12 h的间隔很可能比一些中小尺度天气系统的生命期都长,也足以使一些大尺度的天气系统产生性质上的变化而给天气分析和预报带来困难。航空资料的时间分布相对要密集,可以在两次探空之间提供更多的高空大气信息。另外,当机场附近没有探空站,飞机起飞和降落时得到的大气廓线数据是最好的替代资料;航空气象资料在海洋上得到的海洋逆温层观测数据,大大改进了海面雾和层云的预报;航空气象观测在大气边界层和近地面得到的资料,对于预报和研究危害性很大的低层风切变、急流导致的剧烈湍流等现象都有不可替代的作用;具有较高时空分辨率的航空气象观测数据在中尺度气象研究上具有特殊的意义[8]。

AMDAR观测资料是由飞机在整个飞行过程中探测到的机外的环境气象要素,这个过程类似于探空资料的观测;如果AMDAR资料的观测结果与同地点、同时次观测的探空资料具有相似性,就可以像利用探空资料一样在预报业务中使用AMDAR资料。对于各种气象要素的测量,AMDAR和探空气球一样,都不是直接测量得到的,探空气球在升空过程中并不能直接测气压,风速风向等要素,只能测自己精确的地理位置,上升速度,所受压力等探空记录,而且常常使用的气压等气象要素都是根据气球获得的资料计算出来的,如高空风的测量按照定位方法,气球轨迹法测风可分为3类:单点测风、基线测风和导航测风[9]。

国家气象中心的刘小魏等[5],以北京探空资料为例与AMDAR资料对比分析。得出结论:国内AMDAR资料涵盖4种要素（高度、温度、风向、风速）,与同时次、同城市航站探空资料有一定相似性,可参照探空资料使用。而对于各种气象要素的测量,AMDAR和探空气球一样,也不是直接测量得到的,探空气球在升空过程中并不能直接测气压,风速风向等要素,这些要素都是根据气球获得的资料计算出来的。所以,虽然AMDAR资料的元素过少,要素种类较为单一,但是可以参照探空资料的观测方法,在现有资料的基础上通过计算得到。

2.2 AMDAR资料气象公报的处理方法

以2011年5月3日AMDAR资料为例:

由于AMDAR资料包含了经纬度,时间,高度,温度以及风向风速,但是一般的气象资料还需要露点和气压,所以除了将已有的资料进行处理外,还需要在现有基础上计算出所需要的其他气象要素。对于飞机飞行高度的资料的处理,经过高度单位换算后,得到[10]:

式中,H为目标物的海拔位势高度（gpm）;Z拔为目标物在球坐标系中的海拔几何高度（m）;R为地球平均半径,取值6371000m;G为标准重力加速度,取值9.80665m/s2;φ为纬度;gφ,0为纬度 φ对应海平面处的重力加速度。

计算露点时,对于现有的AMDAR资料,只有测量点的经纬度、飞行高度、温度、风向、风速,通过温度,计算饱和水汽压、露点,从而可以得到露点温度差。饱和水汽压力:

式中,t为温度,单位为摄氏度。

式中,td为露点温度,单位为摄氏度。

则露点温度为:

已知温度和露点温度,可计算出露点温度差,根据数据发现,温度露点差范围在-0.1℃到+0.1℃,此处将符号位负的温度露点差处理为0℃,也就是说,可认为水汽处于饱和状态。

利用AMDAR资料的已有内容计算气压公式是通用的压高方程,利用压高方程,原则上可以进行气压和高度间的换算,但直接计算还比较困难。因为在公式中指数上的子式中,g和T都随高度变化,而且R因不同高度上空气组成的差异也会随高度而变化,因而进行积分是困难的。为了方便实际应用,需要对方程作某些特定假设。比如忽略重力加速度的变化（在100km以下的低层大气g随高度的变化很小,可以忽略）和水汽影响,并假定气温不随高度发生变化,此条件下的压高方程,称为等温大气压高方程。在等温大气中,T可视为常数。

则（6）式可以写成:

将绝对温度 T换成摄氏温度t,自然对数换成常用对数,并将g和R代入,则（7）式就可以写成气象上常用的等温大气压高方程:

式中:t为气体温度（℃）。

根据董涛,李永军[11]的研究结论:在3000m高空,湿度仅为地面的25%,因此,在相对湿度未达到100%,高度0～3000m的范围内,影响非常小,影响因子接近1,因此可以忽略把湿空气处理为干空气带来的误差;气压高度的计算值,绝对误差会随着高度的增加而增加,但相对误差随高度的增加而减小。

而王荣基与李君[12]取民勤站L波段高空气象探测系统探测资料中2006年1、4、7、10月的所有探测数据,统计等压面间气压相差1hPa时位势高度平均差值的变化情况。可知,中国大陆规定的民航客机巡航高度,从9000米至12000米,每300米为一个高度层。所以飞机飞行高度最高在12000m,接近150hPa,而在14174.00m高空上,绝对误差达到47.25m,相对而言不到1hPa,而文中所介绍的资料处理处理,不需要精确地气压值,主要是要划定资料所处的等压面层。

综合以上分析,可以得出结论:AMDAR资料处理方式中,对于飞机所处飞行高度的气压的计算方法,均可用公式（8）计算得到。

3 AMDAR资料的显示系统设计

3.1 系统总体架构

AMDAR资料显示系统是指,将AMDAR资料从采集到运用于气象预报的整个系统。AMDAR资料的显示系统主要包含3个部分:数据采集及分级处理;数据处理计算;信息可视化。系统总体架构如图3所示。

由于AMDAR资料的分布特征,对于某些站点,AMDAR资料可以单独使用,但是总体来看,AMDAR资料与现有探空资料综合利用,将对气象预报做出贡献。并且,现在国内各地气象中心基本都是使用MICAPS,为使AMDAR资料的使用更为便捷,将AMDAR资料转换成MICAPS格式,在MICAPS中显示。所以在资料的处理方面主要采用向MICAPS系统数据文件转换。这里主要介绍高空观测数据和剖面图数据的处理。

3.2 系统功能实现

根据系统功能,归为3个模块:

（1）原始气象公报处理模块。主要实现AMDAR数据采集及AMDAR资料的处理（包括原始资料的格式处理,以及数据处理）;

（2）高空数据处理模块。主要实现将已经处理过的AMDAR原始资料再经过二次处理用于MICAPS系统,主要是垂直空间的处理;

（3）剖面图数据处理模块。主要实现与高空数据处理模块类似,但主要是水平空间的处理。

图3 AMDAR资料的显示系统总体架构图

4 AMDAR资料的应用

根据2011年5月1日到3日的常规探空资料（图略）,分析得到1日08时高原东部至盆地上空有一浅槽正在缓慢东移到晚上20时已经到达贵州、湖南、湖北地区,在延安经西安到四川北部伸出一槽,到2日08时湖南湖北一带的槽东移入海,西安一带的槽有所加深,略微向东南方向移动,已经影响到成都。到2日20时明显东移,到达郑州,湖北中部至湖南北部。3日08时该槽已经东移入海。盆地上空出现气旋性环流,甘肃南部至四川北部有一浅槽,到20时已到陕西东部到四处北部。根据地面观测资料发现,5月2日凌晨2时开始降水直到晚上八点以前停止。

选取5月1日到3日,每天11时、14时、17时3个时次的AMDAR资料分析（图4）,贵阳在1日11时风向为西南风到14时已经转为西风,可以判断出,到1日14时,高原东部之盆地上空的浅槽已经移出盆地。而常规探空资料1日20时延安伸出的槽经过AMDAR资料补充可以看出,该槽在14时的时候已经出现,缓慢加深。将2日14时的AMDAR资料与20时的常规资料叠加（图5）后发现,两张图基本重合,可以看出2日08时西安一带的槽在14时就已经移到了郑州,湖南湖北一带。并在成都上空有一小槽,到晚上17时已经消失。根据3日AMDAR资料,盆地上空的气旋性环流到10时左右消散（图6、图7）。

图 4 2011年5月1日11、14、17时 500hPa AMDAR资料

图5 2011年5月2日14时500hPa AMDAR资料与5月2日20时500hPa高空观测叠加

图7 2011年5月3日11时500hPa AMDAR资料

将同一时刻的AMDAR资料与常规资料综合也更有利于分析,如将5月3日08时AMDAR资料与探空资料综合后如图8,图中可以看出AMDAR资料主要分布在北京以南,天津,山东,安徽东部,贵阳,昆明,广东东部沿岸叠加同时次的常规高空观测后可以看到,AMDAR资料的与同时次的常规高空观测具有相似性,同时在没有常规探空资料的地方可以加以补充,更易分析等压线、槽线。说明AMDAR资料的处理是具有可行性的。

根据2011年5月3日08时汕头站（站号59316,116.66°E,23.43°N）探空资料温度对数压力图（图9）和对应位置（116°E,23°N）AMDAR资料（图10）对比分析,可以发现,资料得出的结论是相似的,所以可以运用AMDAR资料对常规探空资料进行补充,同时,在常规探空资料没有的时次也可以分析天气情况的变化。

图8 2011年5月3日08时500hPa高空观测资料,AMDAR资料,以及两者叠加图

图10 2011年5月3日 08时（116°E,23°N）AMDAR资料 T-lnP图

5 结论

AMDAR是民航班机上的自动观测仪器获得的气象数据,具有高时空密度的特点。开发利用AMDAR数据,能获得更多的高空大气信息,促进对中小尺度系统的监测和认识,对提高民航和地方天气预报的准确率具有重要意义。

（1）AMDAR资料集中在航线上,采集频率高,具有高时空分布的特点;

（2）中国AMDAR资料从每天08时（北京时,下同）开始逐渐增多,到17时后迅速减少;

（3）对于高空气压的计算可直接用等温大气中的压高方程代替;

（4）设计了民航飞机气象数据处理显示系统,处理后的数据可以直接用于MICAPS显示,便于推广应用;

（5）利用2011年5月1～3日的常规探空资料和AMDAR资料进行了对比分析,发现根据AMDAR资料绘制等压面图、T-lnP图能提供更多详细的天气信息。

致谢:感谢成都信息工程学院自然科学与技术发展基金（CSR200801）对本文的资助

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