AMDAR 资料的可视化开发与应用

申午阳

（民航珠海空中交通管理站，广东 珠海 519000）

随着中国民航业的迅猛发展，机场航班量快速增加，飞机起降次数也越来越多，由此产生的航空器下发的气象数据也在快速增加，并且随着民航气象工作的未来发展和面对更高更快更准确的工作要求，大量气象数据的综合分析起着重要的作用。本文内容为AMDAR数据（航空器下发气象数据）的可视化分析和研究，目的在于将大量不同种类的气象数据进行综合性可视化开发，用于为航空气象人员提供直观准确的中高低空实况气象数据，提高航班的气象保障能力。相信在不久的将来气象数据的可视化将会日益完善，具有本地特点的气象可视化平台也将会逐步搭建起来。

1 AMDAR的发展背景与研究的意义

商用飞机大都装有气象传感器以及自动数据收集和处理系统，该系统可以把飞机在飞行中得到的气象数据自动转播到地面，这就是AMDAR资料。该资料可用于常规气象观测数据的补充，可作为观测和预报天气的重要资料之一。中国在航空气象资料收集领域发展较晚，从2003年开始记录AMDAR资料，2004年实现全球共享，2009年中国每天在交换的资料数量达到了2万多份，截至目前每日交换资料数量还在持续上涨。

本文所要处理的数据是参加交换的FM42格式的飞机报告，数据源具有数据与航线经纬度一致，采集时间间隔较为固定，数据提供较为稳定的特点。

随着航班量的增加，特殊天气条件下的航班保障也变得尤其重要，预报员预报天气的时效性和特殊天气条件下预报结果的复盘也都需要大量准确的数据以及理论作为依据。在航班量快速增加的今天，航空器所探测的气象数据也大幅增加，但用于国际交换的航空器气象报文数据是由固定格式文本组成的，这给报文的识别带来了极大的不方便，这也是导致AMADR资料虽然数据量巨大但预报和观测过程中却很少使用的原因，本次研究的重点就是实现AMDAR资料的数据可视化，为提高预报的准确性和观测的时效性以及预报结果的复盘提供更多的实际测量数据。

2 数据可视化的实现

AMDAR资料中包含当前飞机所在高度层的天气数据，具有与探空数据相似的特性，能够提供天气预报和观测过程中所缺少的空中气象数据。目前实时收到航空器上探测的数据主要有飞行阶段、飞机编码、时间、经纬度、高度、温度、风向、风速等，具体数据如表1所示。

表1 AMDAR航空数据资料

本文工作中的一部分是将其中的主要内容进行筛选，其内容包括飞行状态、飞机编码、纬度、经度、时间、高度、温度、风向风速等，筛选结果如表2所示。

表2 AMDAR航空数据资料筛选结果

AMDAR大量数据为国际交换FM42格式，如果用于数据可视化需要进行格式的更改和筛选，例如以下数据：数据ASC——上升状态时观测标识，CNFOSS——飞机编码，2445N——北纬24.45°，11826E——东经118.26°，201330——时间为20日13点30分，F105——高度为10 500 ft（1 ft≈0.30 m），温度PS065为6.5℃，其中的高度因国际交换需要，单位为英尺，经过对该项数据的筛选整合和质量控制，将其改成国内通用单位m，温度代码前为PS，则温度大于0℃，温度代码前为MS则温度小于0℃，风向为272°，风速为14 n mile/h（约为7.196 m/s）。

飞机报文中各项的含义如表3所示。

表3 飞机报文中各项的含义

将MICAPS数据与AMDAR数据进行同步分析能为预报员在分析复杂天气情况时提供更多更可靠的天气数据，从而进一步提高预报准确率。下面经过对数据的筛选与整合，AMDAR在MICAPS中的数据格式如表4所示。

表4 MICAPS数据格式

将AMDAR数据利用Python编写的程序按照格式自动处理生成文件名为201329.000的文件，文件内容有部分省略，文件内容如表5所示。

表5 处理后的MICAPS数据格式

经过将处理的文件201329.000导入MICAPS系统中则会显示文件中的AMDAR数据，数据显示如图1所示，该数据为多日累加的AMDAR数据显示，其中黑色图标为风羽标，代表飞机航线上该高度的风向和风速，灰色图标为温度，代表飞机航线该点的实际温度，通过图1可以直观地发现全国范围内航空气象数据显示的特点为：AMDAR数据量巨大，在航线密集的空域分布很广泛，数据显示连续性较好。

图1 全国AMDAR数据显示图

经过对经纬度的筛选可以将珠海机场附近地区AMDAR某一天资料进行显示，显示结果如图2所示。

图2 珠海地区AMDAR资料显示图

利用经纬度筛选将珠三角地区主要航路天气资料显示如图3所示。

图3 珠三角地区部分AMDAR资料显示图

经过对AMDAR资料的筛选，结合本地数据将发生在2017-02-04珠海机场附近的一次航班在中低空遇到风向风速急剧变化的起降过程进行了可视化分析，MICAPS中风向风速的变化显示如图4所示，不难发现风向和风速在该航线上有着较大变化，温度的变化更是高度降低的直接表现。但在MICAPS系统中由于缺少三维显示图像，所以对AMDAR数据中经纬度和高度的数据进行抓取并且结合python的3D库将飞机的航线图进行可视化分析，显示结果如图5所示。

图4 AMDAR资料的风向风速和温度（航班起降在珠海地区的全过程）

图5 Axes3D库绘制的飞机航线3D图组

以上是利用Axes3D库追踪并绘制的珠海机场航班起降的航线3D图，两条线分别为飞机实际航线和地面投影。气象人员可根据MICAPS中的风向风速和温度图以及追踪到的飞机航迹3D图进行分析，并复盘珠海机场小范围内季节性风向风速的变化对飞机起降的影响。

3 讨论

AMDAR资料的分析可以弥补天气预报与天气观测过程中探空数据的缺乏，特别是预警和复盘飞机起飞、降落过程中风向变化带来的航空安全事件，由于航空器探测的数据中有温度的实时探测，也可以借此对大雾、局部降水等特殊天气进行更加准确的预报和观测，AMDAR资料中位于海洋逆温层的观测数据将会改进海面雾和层云的预报。随着雷达管制的完善，区域管制的进步，高空风向风速和高空温度预报使管制员更准确的掌握区域天气情况，及时调配飞行流量，保障航班安全。AMDAR还是探测低空风切变有效的资料之一，用来诊断机场附近的低空风切变，对保障航班安全有很大帮助，并且为短临预报提供了很重要的信息源。

经过对AMDAR数据的分析，AMDAR资料也有自身的不足，其中收到的报文中有部分报文格式不明确，不是常规格飞行器气象报文，因此在日后将AMDAR投入业务运行过程中，需要解决几个问题。例如：AMDAR数据有部分内容格式不统一，MICAPS中显示的AMDAR数据缺少时间序列，对于风场的直观判断有影响；AMDAR数据内容中虽然包含了高度数据，但在MICAPS3.2中无法将该项数据进行显示，这给探空数据的分析带来了缺陷，但可以通过MICAPS的二次开发，将飞行高度的筛选功能更新进MICAPS系统中，这样就可以完成风向风速在不同高度层上的显示，为天气预报员提供更直观的数据显示，帮助其分析气象变化，为航班的保障提供重要依据。

4 结论

本文通过对AMDAR数据中的航班序号、时间、经纬度、高度、温度等条件进行筛选和可视化分析，并在Micaps平台对航空气象数据进行可视化展示和应用，得出的主要结论如下：①AMDAR气象数据的可视化填补了探空数据在航线上的缺失，更直观准确地显示了高空气象数据，为航路天气的预报和观测提供了很好的手段，对特殊天气情况下的本地航班的保障工作提供了有力的依据；②对天气过程的复盘提供历史资料，特别是大雾的发生和消散，风切变的预警和总结；③AMDAR数据可视化也直观地为管制员展示了空中气象数据，其中航空器的颠簸、水汽资料与积冰情况也可以作为管制员指挥飞机的有效参考；④未来AMDAR数据显示平台将更加完善，其中按照时间序列的显示、高空垂直风速的变化、湍流的变化、不同高度层的数据显示都将是AMDAR可视化发展的趋势；⑤AMDAR也存在着自身的不足，因为在特殊天气条件下往往航班的运行受到很大影响，所收到的气象资料准确性也将大打折扣，这直接影响着AMDAR可视化的数据来源。

最后本文作者在进行AMDAR数据可视化工作的同时，也在致力于将航空器探测气象数据融合进机场小范围临近预报系统，将其作为机场临近预报系统的变量条件，在得到高空气象数据资料后对其预报结果进行修正，以用来得到更为准确的临近预报结论。由此可见AMDAR数据不仅可以作为独立资料用于气象观测和预报，在系统性的预报和观测软件中的使用也可以使该类数据发挥其优势和特点。