AMDAR 資料的可視化開發與應用

申午陽

（民航珠海空中交通管理站，廣東 珠海 519000）

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

1 AMDAR的發展背景與研究的意義

商用飛機大都裝有氣象傳感器以及自動數據收集和處理系統，該系統可以把飛機在飛行中得到的氣象數據自動轉播到地面，這就是AMDAR資料。該資料可用于常規氣象觀測數據的補充，可作為觀測和預報天氣的重要資料之一。中國在航空氣象資料收集領域發展較晚，從2003年開始記錄AMDAR資料，2004年實現全球共享，2009年中國每天在交換的資料數量達到了2萬多份，截至目前每日交換資料數量還在持續上漲。

本文所要處理的數據是參加交換的FM42格式的飛機報告，數據源具有數據與航線經緯度一致，采集時間間隔較為固定，數據提供較為穩定的特點。

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，預報員預報天氣的時效性和特殊天氣條件下預報結果的復盤也都需要大量準確的數據以及理論作為依據。在航班量快速增加的今天，航空器所探測的氣象數據也大幅增加，但用于國際交換的航空器氣象報文數據是由固定格式文本組成的，這給報文的識別帶來了極大的不方便，這也是導致AMADR資料雖然數據量巨大但預報和觀測過程中卻很少使用的原因，本次研究的重點就是實現AMDAR資料的數據可視化，為提高預報的準確性和觀測的時效性以及預報結果的復盤提供更多的實際測量數據。

2 數據可視化的實現

AMDAR資料中包含當前飛機所在高度層的天氣數據，具有與探空數據相似的特性，能夠提供天氣預報和觀測過程中所缺少的空中氣象數據。目前實時收到航空器上探測的數據主要有飛行階段、飛機編碼、時間、經緯度、高度、溫度、風向、風速等，具體數據如表1所示。

表1 AMDAR航空數據資料

本文工作中的一部分是將其中的主要內容進行篩選，其內容包括飛行狀態、飛機編碼、緯度、經度、時間、高度、溫度、風向風速等，篩選結果如表2所示。

表2 AMDAR航空數據資料篩選結果

AMDAR大量數據為國際交換FM42格式，如果用于數據可視化需要進行格式的更改和篩選，例如以下數據：數據ASC——上升狀態時觀測標識，CNFOSS——飛機編碼，2445N——北緯24.45°，11826E——東經118.26°，201330——時間為20日13點30分，F105——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，經過對該項數據的篩選整合和質量控制，將其改成國內通用單位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℃，風向為272°，風速為14 n mile/h（約為7.196 m/s）。

飛機報文中各項的含義如表3所示。

表3 飛機報文中各項的含義

將MICAPS數據與AMDAR數據進行同步分析能為預報員在分析復雜天氣情況時提供更多更可靠的天氣數據，從而進一步提高預報準確率。下面經過對數據的篩選與整合，AMDAR在MICAPS中的數據格式如表4所示。

表4 MICAPS數據格式

將AMDAR數據利用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，文件內容有部分省略，文件內容如表5所示。

表5 處理后的MICAPS數據格式

經過將處理的文件201329.000導入MICAPS系統中則會顯示文件中的AMDAR數據，數據顯示如圖1所示，該數據為多日累加的AMDAR數據顯示，其中黑色圖標為風羽標，代表飛機航線上該高度的風向和風速，灰色圖標為溫度，代表飛機航線該點的實際溫度，通過圖1可以直觀地發現全國范圍內航空氣象數據顯示的特點為：AMDAR數據量巨大，在航線密集的空域分布很廣泛，數據顯示連續性較好。

圖1 全國AMDAR數據顯示圖

經過對經緯度的篩選可以將珠海機場附近地區AMDAR某一天資料進行顯示，顯示結果如圖2所示。

圖2 珠海地區AMDAR資料顯示圖

利用經緯度篩選將珠三角地區主要航路天氣資料顯示如圖3所示。

圖3 珠三角地區部分AMDAR資料顯示圖

經過對AMDAR資料的篩選，結合本地數據將發生在2017-02-04珠海機場附近的一次航班在中低空遇到風向風速急劇變化的起降過程進行了可視化分析，MICAPS中風向風速的變化顯示如圖4所示，不難發現風向和風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。但在MICAPS系統中由于缺少三維顯示圖像，所以對AMDAR數據中經緯度和高度的數據進行抓取并且結合python的3D庫將飛機的航線圖進行可視化分析，顯示結果如圖5所示。

圖4 AMDAR資料的風向風速和溫度（航班起降在珠海地區的全過程）

圖5 Axes3D庫繪制的飛機航線3D圖組

以上是利用Axes3D庫追蹤并繪制的珠海機場航班起降的航線3D圖，兩條線分別為飛機實際航線和地面投影。氣象人員可根據MICAPS中的風向風速和溫度圖以及追蹤到的飛機航跡3D圖進行分析，并復盤珠海機場小范圍內季節性風向風速的變化對飛機起降的影響。

3 討論

AMDAR資料的分析可以彌補天氣預報與天氣觀測過程中探空數據的缺乏，特別是預警和復盤飛機起飛、降落過程中風向變化帶來的航空安全事件，由于航空器探測的數據中有溫度的實時探測，也可以借此對大霧、局部降水等特殊天氣進行更加準確的預報和觀測，AMDAR資料中位于海洋逆溫層的觀測數據將會改進海面霧和層云的預報。隨著雷達管制的完善，區域管制的進步，高空風向風速和高空溫度預報使管制員更準確的掌握區域天氣情況，及時調配飛行流量，保障航班安全。AMDAR還是探測低空風切變有效的資料之一，用來診斷機場附近的低空風切變，對保障航班安全有很大幫助，并且為短臨預報提供了很重要的信息源。

經過對AMDAR數據的分析，AMDAR資料也有自身的不足，其中收到的報文中有部分報文格式不明確，不是常規格飛行器氣象報文，因此在日后將AMDAR投入業務運行過程中，需要解決幾個問題。例如：AMDAR數據有部分內容格式不統一，MICAPS中顯示的AMDAR數據缺少時間序列，對于風場的直觀判斷有影響；AMDAR數據內容中雖然包含了高度數據，但在MICAPS3.2中無法將該項數據進行顯示，這給探空數據的分析帶來了缺陷，但可以通過MICAPS的二次開發，將飛行高度的篩選功能更新進MICAPS系統中，這樣就可以完成風向風速在不同高度層上的顯示，為天氣預報員提供更直觀的數據顯示，幫助其分析氣象變化，為航班的保障提供重要依據。

4 結論

本文通過對AMDAR數據中的航班序號、時間、經緯度、高度、溫度等條件進行篩選和可視化分析，并在Micaps平臺對航空氣象數據進行可視化展示和應用，得出的主要結論如下：①AMDAR氣象數據的可視化填補了探空數據在航線上的缺失，更直觀準確地顯示了高空氣象數據，為航路天氣的預報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；②對天氣過程的復盤提供歷史資料，特別是大霧的發生和消散，風切變的預警和總結；③AMDAR數據可視化也直觀地為管制員展示了空中氣象數據，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的有效參考；④未來AMDAR數據顯示平臺將更加完善，其中按照時間序列的顯示、高空垂直風速的變化、湍流的變化、不同高度層的數據顯示都將是AMDAR可視化發展的趨勢；⑤AMDAR也存在著自身的不足，因為在特殊天氣條件下往往航班的運行受到很大影響，所收到的氣象資料準確性也將大打折扣，這直接影響著AMDAR可視化的數據來源。

最后本文作者在進行AMDAR數據可視化工作的同時，也在致力于將航空器探測氣象數據融合進機場小范圍臨近預報系統，將其作為機場臨近預報系統的變量條件，在得到高空氣象數據資料后對其預報結果進行修正，以用來得到更為準確的臨近預報結論。由此可見AMDAR數據不僅可以作為獨立資料用于氣象觀測和預報，在系統性的預報和觀測軟件中的使用也可以使該類數據發揮其優勢和特點。