多源風(fēng)場數(shù)據(jù)集成分析系統(tǒng)的設(shè)計

安志強

本系統(tǒng)以烏魯木齊機場及周邊區(qū)域內(nèi)風(fēng)廓線、AMDAR、探空以及數(shù)值預(yù)報等風(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)的資料實現(xiàn)風(fēng)切變指數(shù)的計算與告警功能；并結(jié)合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品進行預(yù)報效果檢驗和風(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

隨著烏魯木齊機場探測設(shè)備的建設(shè)，以及與地方機構(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、AMDAR數(shù)據(jù)、VAD風(fēng)場等非常規(guī)資料，風(fēng)場數(shù)據(jù)涵蓋機場地面至低空3000米，并實現(xiàn)烏魯木齊機場風(fēng)場的客觀預(yù)報，形成了高時空分辨率的探測、以及精細化的風(fēng)場預(yù)報資料。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)報風(fēng)場輸出產(chǎn)品的預(yù)報效果，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，地面自動站、探空資料通常由MICAPS系統(tǒng)進行分析顯示，風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)則由雷達廠家提供的專用顯示軟件進行處理，VAD風(fēng)場反演則由多普勒雷達實現(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)，實現(xiàn)風(fēng)場探測、預(yù)報數(shù)據(jù)的集成分析顯示，并結(jié)合成熟的算法進行風(fēng)切變、VAD風(fēng)場反演以及數(shù)值預(yù)報風(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，為機場的短時臨近預(yù)報提供科學(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站設(shè)備采集，包含烏魯木齊機場自動觀測系統(tǒng)、機場周邊自動站以及地方氣象局自動站數(shù)據(jù)，實現(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。

2.3 風(fēng)廓線雷達

目前已有烏魯木齊機場、烏魯木齊市兩部風(fēng)廓線雷達，實現(xiàn)上述兩個區(qū)域3000米以下風(fēng)場的探測，烏魯木齊市風(fēng)廓線雷達使用氣象局Z文件格式編碼，機場風(fēng)廓線雷達數(shù)據(jù)使用ACCESS數(shù)據(jù)庫存儲，該資料實現(xiàn)低空風(fēng)場的高時空分辨率的探測。

2.4 AMDAR資料

目前烏魯木齊機場周邊40km范圍內(nèi)每日AMDAR數(shù)據(jù)達近千條，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VAD風(fēng)場

烏魯木齊機場多普勒雷達處理軟件可實現(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，無法實現(xiàn)與其它類型的探測資料進行集成分析使用。

2.6 數(shù)值預(yù)報風(fēng)場輸出產(chǎn)品

隨著數(shù)值預(yù)報在預(yù)報業(yè)務(wù)中的廣泛應(yīng)用，目前已有多個數(shù)值預(yù)報系統(tǒng)實現(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)報產(chǎn)品具備較高的時間分辨率，對系統(tǒng)性天氣預(yù)報有較好的效果，如何分析各類數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的優(yōu)缺點，綜合應(yīng)用數(shù)值預(yù)報，是目前亟需解決的問題。

3 功能設(shè)計

為實現(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)特性以及時間間隔等信息，進行氣象數(shù)據(jù)的解碼、質(zhì)量控制以及可視化界面的功能設(shè)計。

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，分類對報文、數(shù)據(jù)庫文件、數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品以及MICAPS數(shù)據(jù)格式進行整理整合，其中，自動站數(shù)據(jù)實現(xiàn)機場AWOS、氣象局自動站Z文件以及周邊自動站數(shù)據(jù)庫文件的分析解碼；探空資料實現(xiàn)對氣象局GD-04III格式的報文解碼；風(fēng)廓線雷達實現(xiàn)氣象局風(fēng)廓線雷達Z文件、機場風(fēng)廓線雷達Access數(shù)據(jù)文件的解碼；AMDAR資料完成FM-24報文解碼；數(shù)值預(yù)報輸出產(chǎn)品結(jié)合MICAPS數(shù)據(jù)接口實現(xiàn)相應(yīng)網(wǎng)格點數(shù)據(jù)的提取。多普勒雷達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)，目前正在嘗試利用相關(guān)算法結(jié)合基數(shù)據(jù)重新進行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，實現(xiàn)對探測設(shè)備獲得的風(fēng)場數(shù)據(jù)進行質(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，否則將標置為無效數(shù)據(jù)。本程序事先規(guī)定各個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)速進行比較，對超出最大風(fēng)速限制的觀測數(shù)據(jù)進行去除。

連續(xù)性檢查包括對一次觀測數(shù)據(jù)的連續(xù)性檢驗和對一個觀測時間序列的連續(xù)性檢查。一次觀測得到的廓線數(shù)據(jù)在高度上應(yīng)當是連續(xù)的，并且同高度的觀測與前一時次的觀測不應(yīng)有劇烈的變化，由于誤差、探測設(shè)備特性等元嬰，在個別高度、個別時次上出現(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，實現(xiàn)對偏差較大的數(shù)據(jù)進行剔除，

3.3 可視化界面設(shè)計

本系統(tǒng)用于實現(xiàn)地面、低空的風(fēng)場探測數(shù)據(jù)以及數(shù)值預(yù)報產(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)廓線圖形式實現(xiàn)風(fēng)廓線雷達、AMDAR資料以及數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品的對比顯示，并用時間軸形式完成地面風(fēng)場的顯示。為預(yù)報人員提供豐富、全面的風(fēng)場數(shù)據(jù)。

3.4 風(fēng)切變算法的開發(fā)

風(fēng)廓線資料具有高時空分辨率的特征，研究證實在探測垂直風(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。

本軟件通過檢索實時風(fēng)廓線數(shù)據(jù)，使用風(fēng)切變計算公式，計算垂直方向相鄰兩層風(fēng)的垂直切變，并將某一時刻垂直方向所有層次的垂直切變填繪出來，為預(yù)報人員監(jiān)測機場低空風(fēng)切變提供依據(jù)。后續(xù)將繼續(xù)結(jié)合已有的經(jīng)驗公式完成風(fēng)場的水平切變的計算和告警功能。

4 實現(xiàn)效果和應(yīng)用前景

本系統(tǒng)以烏魯木齊機場所有的風(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、坐標轉(zhuǎn)換以及界面顯示等功能，實現(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)的自動處理能力，結(jié)合數(shù)值預(yù)報產(chǎn)品進行預(yù)報效果檢驗和風(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，進而改善氣象信息數(shù)據(jù)應(yīng)用的自動化水平。

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