安志強(qiáng)
本系統(tǒng)以烏魯木齊機(jī)場及周邊區(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)不同探測特性的風(fēng)場數(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)場預(yù)測,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、低空風(fēng)切變等提供有效監(jiān)視、科學(xué)預(yù)測的平臺工具。
【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)場探測設(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烏魯木齊機(jī)場周邊環(huán)境風(fēng)場數(shù)據(jù)由單一的地面測站,發(fā)展到風(fēng)廓線雷達(dá)、AMDAR數(shù)據(jù)、VAD風(fēng)場等非常規(guī)資料,風(fēng)場數(shù)據(jù)涵蓋機(jī)場地面至低空3000米,并實(shí)現(xiàn)烏魯木齊機(jī)場風(fēng)場的客觀預(yù)報(bào),形成了高時(shí)空分辨率的探測、以及精細(xì)化的風(fēng)場預(yù)報(bào)資料。但伴隨風(fēng)場數(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)場數(shù)據(jù),改善數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場輸出產(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。
國內(nèi)對于風(fēng)場探測數(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)場數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)風(fēng)場探測、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)場反演以及數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場數(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)場數(shù)據(jù)分析
2.1 地面風(fēng)探測數(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)場自動(dòng)觀測系統(tǒng)、機(jī)場周邊自動(dòng)站以及地方氣象局自動(dòng)站數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)對地面風(fēng)場的探測。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)由地方氣象局探測獲得,為GD-04III報(bào)文編碼組成,包含烏魯木齊(51463)測站高空的風(fēng)場、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、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)場的探測,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)場風(fēng)廓線雷達(dá)數(shù)據(jù)使用ACCESS數(shù)據(jù)庫存儲,該資料實(shí)現(xiàn)低空風(fēng)場的高時(shí)空分辨率的探測。
2.4 AMDAR資料
目前烏魯木齊機(jī)場周邊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格式存儲在Oracle數(shù)據(jù)庫中。
2.5 多普勒雷達(dá)VAD風(fēng)場
烏魯木齊機(jī)場多普勒雷達(dá)處理軟件可實(shí)現(xiàn)VAD風(fēng)場數(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)與其它類型的探測資料進(jìn)行集成分析使用。
2.6 數(shù)值預(yù)報(bào)風(fēng)場輸出產(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,分類對報(bào)文、數(shù)據(jù)庫文件、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AWOS、氣象局自動(dòng)站Z文件以及周邊自動(dòng)站數(shù)據(jù)庫文件的分析解碼;探空資料實(shí)現(xiàn)對氣象局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
對風(fēng)場數(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)對探測設(shè)備獲得的風(fēng)場數(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),將探測的值與可能出現(xiàn)的最大風(fēng)速進(jìn)行比較,對超出最大風(fēng)速限制的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行去除。
連續(xù)性檢查包括對一次觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性檢驗(yàn)和對一個(gè)觀測時(shí)間序列的連續(xù)性檢查。一次觀測得到的廓線數(shù)據(jù)在高度上應(yīng)當(dāng)是連續(xù)的,并且同高度的觀測與前一時(shí)次的觀測不應(yīng)有劇烈的變化,由于誤差、探測設(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)場的連續(xù)性檢查,實(shí)現(xiàn)對偏差較大的數(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)場探測數(shù)據(jù)以及數(shù)值預(yù)報(bào)產(chǎn)品的集成顯示,風(fēng)場數(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)品的對比顯示,并用時(shí)間軸形式完成地面風(fēng)場的顯示。為預(yù)報(bào)人員提供豐富、全面的風(fēng)場數(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)測機(jī)場低空風(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)場所有的風(fēng)場數(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)不同探測特性的風(fēng)場數(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)場預(yù)測,為終端區(qū)風(fēng)場、低空風(fēng)切變等的預(yù)測提供有效監(jiān)視、科學(xué)預(yù)測的平臺工具,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