多源風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)集成分析系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

安志強(qiáng)

本系統(tǒng)以烏魯木齊機(jī)場(chǎng)及周邊區(qū)域內(nèi)風(fēng)廓線、AMDAR、探空以及數(shù)值預(yù)報(bào)等風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過數(shù)據(jù)解碼、質(zhì)量控制、高度轉(zhuǎn)換等預(yù)處理，實(shí)現(xiàn)不同探測(cè)特性的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)綜合管理與顯示；利用相應(yīng)的資料實(shí)現(xiàn)風(fēng)切變指數(shù)的計(jì)算與告警功能；并結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)和風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)，改善多源氣象數(shù)據(jù)的融合分析水平，為終端區(qū)風(fēng)場(chǎng)、低空風(fēng)切變等提供有效監(jiān)視、科學(xué)預(yù)測(cè)的平臺(tái)工具。

【關(guān)鍵詞】風(fēng)廓線 AMDAR 探空資料 集成分析 風(fēng)切變指數(shù)

1 前言

隨著烏魯木齊機(jī)場(chǎng)探測(cè)設(shè)備的建設(shè)，以及與地方機(jī)構(gòu)合作引接的氣象數(shù)據(jù)的增多，目前，新疆空管局氣象中心用于探測(cè)烏魯木齊機(jī)場(chǎng)周邊環(huán)境風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)由單一的地面測(cè)站，發(fā)展到風(fēng)廓線雷達(dá)、AMDAR數(shù)據(jù)、VAD風(fēng)場(chǎng)等非常規(guī)資料，風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)涵蓋機(jī)場(chǎng)地面至低空3000米，并實(shí)現(xiàn)烏魯木齊機(jī)場(chǎng)風(fēng)場(chǎng)的客觀預(yù)報(bào)，形成了高時(shí)空分辨率的探測(cè)、以及精細(xì)化的風(fēng)場(chǎng)預(yù)報(bào)資料。但伴隨風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)資料種類的豐富，現(xiàn)有的業(yè)務(wù)系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)上述多種類型、不同特性的數(shù)據(jù)的集成顯示分析，極大的制約了氣象數(shù)據(jù)的應(yīng)用水平。如何使用各類常規(guī)、非常規(guī)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，改善數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)輸出產(chǎn)品的預(yù)報(bào)效果，提高氣象信息數(shù)據(jù)集成，是目前亟需解決的問題。

國(guó)內(nèi)對(duì)于風(fēng)場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)的處理顯示軟件，通常由一些分散的系統(tǒng)組成，地面自動(dòng)站、探空資料通常由MICAPS系統(tǒng)進(jìn)行分析顯示，風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)則由雷達(dá)廠家提供的專用顯示軟件進(jìn)行處理，VAD風(fēng)場(chǎng)反演則由多普勒雷達(dá)實(shí)現(xiàn)。由于涉及數(shù)據(jù)格式、解碼以及反演算法的限制，目前國(guó)內(nèi)并無較為成熟、成功的應(yīng)用軟件。本文將基于新疆空管局氣象中心現(xiàn)有風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)探測(cè)、預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的集成分析顯示，并結(jié)合成熟的算法進(jìn)行風(fēng)切變、VAD風(fēng)場(chǎng)反演以及數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的釋用，充分發(fā)揮現(xiàn)有信息數(shù)據(jù)的作用，為機(jī)場(chǎng)的短時(shí)臨近預(yù)報(bào)提供科學(xué)的數(shù)據(jù)支持。

2 風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)分析

2.1 地面風(fēng)探測(cè)數(shù)據(jù)

本類數(shù)據(jù)主要通過各類型氣象自動(dòng)站設(shè)備采集，包含烏魯木齊機(jī)場(chǎng)自動(dòng)觀測(cè)系統(tǒng)、機(jī)場(chǎng)周邊自動(dòng)站以及地方氣象局自動(dòng)站數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地面風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)。該類型數(shù)據(jù)通常由各類氣象要素的數(shù)據(jù)編碼組成，更新頻率最高為1分鐘。

2.2 高空探空數(shù)據(jù)

本類數(shù)據(jù)由地方氣象局探測(cè)獲得，為GD-04III報(bào)文編碼組成，包含烏魯木齊（51463）測(cè)站高空的風(fēng)場(chǎng)、溫度等氣象要素，更新頻率為12小時(shí)。

2.3 風(fēng)廓線雷達(dá)

目前已有烏魯木齊機(jī)場(chǎng)、烏魯木齊市兩部風(fēng)廓線雷達(dá)，實(shí)現(xiàn)上述兩個(gè)區(qū)域3000米以下風(fēng)場(chǎng)的探測(cè)，烏魯木齊市風(fēng)廓線雷達(dá)使用氣象局Z文件格式編碼，機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)使用ACCESS數(shù)據(jù)庫(kù)存儲(chǔ)，該資料實(shí)現(xiàn)低空風(fēng)場(chǎng)的高時(shí)空分辨率的探測(cè)。

2.4 AMDAR資料

目前烏魯木齊機(jī)場(chǎng)周邊40km范圍內(nèi)每日AMDAR數(shù)據(jù)達(dá)近千條，尤其在航班密集期間，是對(duì)其他類型的探空資料的補(bǔ)充。該數(shù)據(jù)以FM-24格式存儲(chǔ)在Oracle數(shù)據(jù)庫(kù)中。

2.5 多普勒雷達(dá)VAD風(fēng)場(chǎng)

烏魯木齊機(jī)場(chǎng)多普勒雷達(dá)處理軟件可實(shí)現(xiàn)VAD風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的反演，目前該產(chǎn)品為圖片形式輸出，無法實(shí)現(xiàn)與其它類型的探測(cè)資料進(jìn)行集成分析使用。

2.6 數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場(chǎng)輸出產(chǎn)品

隨著數(shù)值預(yù)報(bào)在預(yù)報(bào)業(yè)務(wù)中的廣泛應(yīng)用，目前已有多個(gè)數(shù)值預(yù)報(bào)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品的輸出，例如EC、T639、WRF、MM5、WAFS等，并且數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品具備較高的時(shí)間分辨率，對(duì)系統(tǒng)性天氣預(yù)報(bào)有較好的效果，如何分析各類數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合應(yīng)用數(shù)值預(yù)報(bào)，是目前亟需解決的問題。

3 功能設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的集成分析顯示，通過分析各類數(shù)據(jù)格式、探測(cè)數(shù)據(jù)特性以及時(shí)間間隔等信息，進(jìn)行氣象數(shù)據(jù)的解碼、質(zhì)量控制以及可視化界面的功能設(shè)計(jì)。

3.1 數(shù)據(jù)解碼算法

由于涉及的氣象數(shù)據(jù)格式種類繁多，本系統(tǒng)通過梳理數(shù)據(jù)格式，分類對(duì)報(bào)文、數(shù)據(jù)庫(kù)文件、數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品以及MICAPS數(shù)據(jù)格式進(jìn)行整理整合，其中，自動(dòng)站數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)機(jī)場(chǎng)AWOS、氣象局自動(dòng)站Z文件以及周邊自動(dòng)站數(shù)據(jù)庫(kù)文件的分析解碼；探空資料實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象局GD-04III格式的報(bào)文解碼；風(fēng)廓線雷達(dá)實(shí)現(xiàn)氣象局風(fēng)廓線雷達(dá)Z文件、機(jī)場(chǎng)風(fēng)廓線雷達(dá)Access數(shù)據(jù)文件的解碼；AMDAR資料完成FM-24報(bào)文解碼；數(shù)值預(yù)報(bào)輸出產(chǎn)品結(jié)合MICAPS數(shù)據(jù)接口實(shí)現(xiàn)相應(yīng)網(wǎng)格點(diǎn)數(shù)據(jù)的提取。多普勒雷達(dá)VAD風(fēng)場(chǎng)產(chǎn)品目前為圖片格式，無法直接獲取原始數(shù)據(jù)，目前正在嘗試?yán)孟嚓P(guān)算法結(jié)合基數(shù)據(jù)重新進(jìn)行VAD反演。

3.2 質(zhì)量控制

對(duì)風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)的質(zhì)量控制主要分為兩部分：數(shù)據(jù)合理性檢查和連續(xù)性檢查，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)設(shè)備獲得的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。

數(shù)據(jù)合理性檢查規(guī)定風(fēng)向必須在0-360度之間，而風(fēng)速必須大于零且小于某一最大速度，否則將標(biāo)置為無效數(shù)據(jù)。本程序事先規(guī)定各個(gè)氣壓高度層可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速（見表1），將探測(cè)的值與可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速進(jìn)行比較，對(duì)超出最大風(fēng)速限制的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行去除。

連續(xù)性檢查包括對(duì)一次觀測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性檢驗(yàn)和對(duì)一個(gè)觀測(cè)時(shí)間序列的連續(xù)性檢查。一次觀測(cè)得到的廓線數(shù)據(jù)在高度上應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的，并且同高度的觀測(cè)與前一時(shí)次的觀測(cè)不應(yīng)有劇烈的變化，由于誤差、探測(cè)設(shè)備特性等元嬰，在個(gè)別高度、個(gè)別時(shí)次上出現(xiàn)較大偏差或缺值的現(xiàn)象，造成廓線的不連續(xù)。通過風(fēng)場(chǎng)的連續(xù)性檢查，實(shí)現(xiàn)對(duì)偏差較大的數(shù)據(jù)進(jìn)行剔除，

3.3 可視化界面設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)地面、低空的風(fēng)場(chǎng)探測(cè)數(shù)據(jù)以及數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的集成顯示，風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過集中管理、解碼以及質(zhì)量控制之后，以統(tǒng)一的風(fēng)廓線圖形式實(shí)現(xiàn)風(fēng)廓線雷達(dá)、AMDAR資料以及數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的對(duì)比顯示，并用時(shí)間軸形式完成地面風(fēng)場(chǎng)的顯示。為預(yù)報(bào)人員提供豐富、全面的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

3.4 風(fēng)切變算法的開發(fā)

風(fēng)廓線資料具有高時(shí)空分辨率的特征，研究證實(shí)在探測(cè)垂直風(fēng)切變、低空急流等方面具有重要的作用。根據(jù)風(fēng)切變計(jì)算的公式：β=SQRT（U12+U22-2U1U2Cosθ）/ΔZ，其中U1，U2分別代表二層風(fēng)速，θ為兩層的風(fēng)向差，ΔZ一般為30m，β的單位為1/S。如表2所示。

本軟件通過檢索實(shí)時(shí)風(fēng)廓線數(shù)據(jù)，使用風(fēng)切變計(jì)算公式，計(jì)算垂直方向相鄰兩層風(fēng)的垂直切變，并將某一時(shí)刻垂直方向所有層次的垂直切變填繪出來，為預(yù)報(bào)人員監(jiān)測(cè)機(jī)場(chǎng)低空風(fēng)切變提供依據(jù)。后續(xù)將繼續(xù)結(jié)合已有的經(jīng)驗(yàn)公式完成風(fēng)場(chǎng)的水平切變的計(jì)算和告警功能。

4 實(shí)現(xiàn)效果和應(yīng)用前景

本系統(tǒng)以烏魯木齊機(jī)場(chǎng)所有的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，分別完成不同氣象數(shù)據(jù)的解碼、質(zhì)量控制、坐標(biāo)轉(zhuǎn)換以及界面顯示等功能，實(shí)現(xiàn)不同探測(cè)特性的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)綜合管理與顯示的功能，提高氣象數(shù)據(jù)的自動(dòng)處理能力，結(jié)合數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品進(jìn)行預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)和風(fēng)場(chǎng)預(yù)測(cè)，為終端區(qū)風(fēng)場(chǎng)、低空風(fēng)切變等的預(yù)測(cè)提供有效監(jiān)視、科學(xué)預(yù)測(cè)的平臺(tái)工具，改善氣象數(shù)據(jù)的融合分析水平。該系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計(jì)中所使用的風(fēng)場(chǎng)數(shù)據(jù)解碼處理、可視化解決方案可為其他氣象要素的集成分析提供實(shí)現(xiàn)思路，并為其他氣象部門的信息管理、應(yīng)用提供基礎(chǔ)技術(shù)支撐，進(jìn)而改善氣象信息數(shù)據(jù)應(yīng)用的自動(dòng)化水平。

作者單位

民航新疆空中交通管理局氣象中心 新疆維吾爾自治區(qū)烏魯木齊市 830000