多源风场数据集成分析系统的设计

安志强

本系统以乌鲁木齐机场及周边区域内风廓线、AMDAR、探空以及数值预报等风场数据为基础，通过数据解码、质量控制、高度转换等预处理，实现不同探测特性的风场数据综合管理与显示；利用相应的资料实现风切变指数的计算与告警功能；并结合数值预报产品进行预报效果检验和风场预测，改善多源气象数据的融合分析水平，为终端区风场、低空风切变等提供有效监视、科学预测的平台工具。

【关键词】风廓线 AMDAR 探空资料 集成分析 风切变指数

1 前言

随着乌鲁木齐机场探测设备的建设，以及与地方机构合作引接的气象数据的增多，目前，新疆空管局气象中心用于探测乌鲁木齐机场周边环境风场数据由单一的地面测站，发展到风廓线雷达、AMDAR数据、VAD风场等非常规资料，风场数据涵盖机场地面至低空3000米，并实现乌鲁木齐机场风场的客观预报，形成了高时空分辨率的探测、以及精细化的风场预报资料。但伴随风场数据资料种类的丰富，现有的业务系统无法实现上述多种类型、不同特性的数据的集成显示分析，极大的制约了气象数据的应用水平。如何使用各类常规、非常规风场数据，改善数值预报风场输出产品的预报效果，提高气象信息数据集成，是目前亟需解决的问题。

国内对于风场探测数据的处理显示软件，通常由一些分散的系统组成，地面自动站、探空资料通常由MICAPS系统进行分析显示，风廓线雷达数据则由雷达厂家提供的专用显示软件进行处理，VAD风场反演则由多普勒雷达实现。由于涉及数据格式、解码以及反演算法的限制，目前国内并无较为成熟、成功的应用软件。本文将基于新疆空管局气象中心现有风场数据，实现风场探测、预报数据的集成分析显示，并结合成熟的算法进行风切变、VAD风场反演以及数值预报风场数据的释用，充分发挥现有信息数据的作用，为机场的短时临近预报提供科学的数据支持。

2 风场数据分析

2.1 地面风探测数据

本类数据主要通过各类型气象自动站设备采集，包含乌鲁木齐机场自动观测系统、机场周边自动站以及地方气象局自动站数据，实现对地面风场的探测。该类型数据通常由各类气象要素的数据编码组成，更新频率最高为1分钟。

2.2 高空探空数据

本类数据由地方气象局探测获得，为GD-04III报文编码组成，包含乌鲁木齐（51463）测站高空的风场、温度等气象要素，更新频率为12小时。

2.3 风廓线雷达

目前已有乌鲁木齐机场、乌鲁木齐市两部风廓线雷达，实现上述两个区域3000米以下风场的探测，乌鲁木齐市风廓线雷达使用气象局Z文件格式编码，机场风廓线雷达数据使用ACCESS数据库存储，该资料实现低空风场的高时空分辨率的探测。

2.4 AMDAR资料

目前乌鲁木齐机场周边40km范围内每日AMDAR数据达近千条，尤其在航班密集期间，是对其他类型的探空资料的补充。该数据以FM-24格式存储在Oracle数据库中。

2.5 多普勒雷达VAD风场

乌鲁木齐机场多普勒雷达处理软件可实现VAD风场数据的反演，目前该产品为图片形式输出，无法实现与其它类型的探测资料进行集成分析使用。

2.6 数值预报风场输出产品

随着数值预报在预报业务中的广泛应用，目前已有多个数值预报系统实现风场产品的输出，例如EC、T639、WRF、MM5、WAFS等，并且数值预报产品具备较高的时间分辨率，对系统性天气预报有较好的效果，如何分析各类数值预报产品的优缺点，综合应用数值预报，是目前亟需解决的问题。

3 功能设计

为实现风场数据的集成分析显示，通过分析各类数据格式、探测数据特性以及时间间隔等信息，进行气象数据的解码、质量控制以及可视化界面的功能设计。

3.1 数据解码算法

由于涉及的气象数据格式种类繁多，本系统通过梳理数据格式，分类对报文、数据库文件、数值预报产品以及MICAPS数据格式进行整理整合，其中，自动站数据实现机场AWOS、气象局自动站Z文件以及周边自动站数据库文件的分析解码；探空资料实现对气象局GD-04III格式的报文解码；风廓线雷达实现气象局风廓线雷达Z文件、机场风廓线雷达Access数据文件的解码；AMDAR资料完成FM-24报文解码；数值预报输出产品结合MICAPS数据接口实现相应网格点数据的提取。多普勒雷达VAD风场产品目前为图片格式，无法直接获取原始数据，目前正在尝试利用相关算法结合基数据重新进行VAD反演。

3.2 质量控制

对风场数据的质量控制主要分为两部分：数据合理性检查和连续性检查，实现对探测设备获得的风场数据进行质量控制。

数据合理性检查规定风向必须在0-360度之间，而风速必须大于零且小于某一最大速度，否则将标置为无效数据。本程序事先规定各个气压高度层可能出现的最大风速（见表1），将探测的值与可能出现的最大风速进行比较，对超出最大风速限制的观测数据进行去除。

连续性检查包括对一次观测数据的连续性检验和对一个观测时间序列的连续性检查。一次观测得到的廓线数据在高度上应当是连续的，并且同高度的观测与前一时次的观测不应有剧烈的变化，由于误差、探测设备特性等元婴，在个别高度、个别时次上出现较大偏差或缺值的现象，造成廓线的不连续。通过风场的连续性检查，实现对偏差较大的数据进行剔除，

3.3 可视化界面设计

本系统用于实现地面、低空的风场探测数据以及数值预报产品的集成显示，风场数据通过集中管理、解码以及质量控制之后，以统一的风廓线图形式实现风廓线雷达、AMDAR资料以及数值预报产品的对比显示，并用时间轴形式完成地面风场的显示。为预报人员提供丰富、全面的风场数据。

3.4 风切变算法的开发

风廓线资料具有高时空分辨率的特征，研究证实在探测垂直风切变、低空急流等方面具有重要的作用。根据风切变计算的公式：β=SQRT（U12+U22-2U1U2Cosθ）/ΔZ，其中U1，U2分别代表二层风速，θ为两层的风向差，ΔZ一般为30m，β的单位为1/S。如表2所示。

本软件通过检索实时风廓线数据，使用风切变计算公式，计算垂直方向相邻两层风的垂直切变，并将某一时刻垂直方向所有层次的垂直切变填绘出来，为预报人员监测机场低空风切变提供依据。后续将继续结合已有的经验公式完成风场的水平切变的计算和告警功能。

4 实现效果和应用前景

本系统以乌鲁木齐机场所有的风场数据为基础，分别完成不同气象数据的解码、质量控制、坐标转换以及界面显示等功能，实现不同探测特性的风场数据综合管理与显示的功能，提高气象数据的自动处理能力，结合数值预报产品进行预报效果检验和风场预测，为终端区风场、低空风切变等的预测提供有效监视、科学预测的平台工具，改善气象数据的融合分析水平。该系统的开发设计中所使用的风场数据解码处理、可视化解决方案可为其他气象要素的集成分析提供实现思路，并为其他气象部门的信息管理、应用提供基础技术支撑，进而改善气象信息数据应用的自动化水平。

作者单位

民航新疆空中交通管理局气象中心 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市 830000