我国飞机观测气象资料概况及质量分析

为全面了解我国飞机观测气象资料的时空分布特征和质量状况,该文介绍了AMDAR(Aircraft MeteorologicalData Relay)计划的发展及我国通过AMDAR计划实施获取的飞机观测气象资料(又称AMDAR资料)的时空分布特征,分析了起飞和降落阶段飞机观测所获廓线资料的可用性,并分别对全球AMDAR资料和我国AMDAR资料进行极值检查、空间位置检验和时间一致性检验,对我国AMDAR资料错误率的月值变化和垂直分布特征进行了分析。结果表明:我国三分之二的AMDAR资料集中在飞机的起飞和降落阶段,并主要集中在我国中东部地区;利用我国AMDAR资料制作的廓线垂直分辨率大部分高于10 hPa。我国AMDAR资料的气温错误率低于全球水平,但风速错误率高于全球水平,错误资料主要集中在近地面层。从2008年开始,我国AMDAR资料的质量状况较往年有了明显改善,风速错误率一直维持在1.3%以下,气温错误率维持在0.2%以下。总体来说,我国AMDAR资料已成为我国高空气象观测资料的重要组成部分,资料质量稳定,具有较高的应用价值。     

AMDAR观测资料分析及质量控制

随着中国气象局与民航总局AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)合作项目的开展,气象部门获得的AMDAR观测资料逐渐增加.为获取高质量的AMDAR观测资料和充分合理地使用这些观测资料,必须对AMDAR观测资料时空分布、飞行状态信息、观测资料质量等信息进行充分调研分析,并开发设计出具有实际运用价值和能力的质量控制(QC)技术,使AMDAR观测资料在数值预报业务模式系统中发挥更大作用.AMDAR QC方案在参考国际先进AMDAR QC方案的基础上,根据AMDAR资料的特点和数值天气预报模式对AMDAR资料应用的要求而设计,其目的是解决AMDAR观测资料在数值预报中应用的质量问题.文中方案采用多种质量控制技术,其中包括气候极值检查、要素间一致性检查、时间一致性检查、持续性检查、背景场一致性检查、空间一致性检查、综合决策算法、自动统计评估反馈技术,并将该方案应用于2007年6-8月的实际观测资料.试验结果表明:该方案能有效地识别观测资料中存在明显错误的资料,有效地为AMDAR资料在数值模式中的应用提供客观质量依据.     

AMDAR气温资料和常规高空观测气温资料的对比分析

为了解飞机观测气象资料(AMDAR资料)的可用性,推进AMDAR资料在湖南气象预报业务中的应用,对2013年5月至2016年12月的AMDAR资料时空分布特征进行了分析,并参考美国国家环境预报中心(NCEP)提供的AMDAR资料质量控制方法,对AMDAR气温资料进行质量控制,并在此基础上对湖南范围内的AMDAR气温资料和常规高空观测气温资料(长沙、怀化、郴州)进行了对比分析。结果表明:我国AMDAR资料主要分布在100 h Pa气压层以下,起飞和降落阶段资料约占68. 75%。AMDAR气温资料数据质量稳定,气温疑误率低于0. 13%。在对比样本上,AMDAR观测气温(t_a)与常规高空观测气温(ts)存在非常显著相关性,相关系数为0. 9966,均方根误差为1. 065℃,AMDAR观测气温平均偏低0. 13℃,差值呈准正态分布,且73. 76%的差值在-1~1℃。AMDAR观测气温与常规高空观测气温的差值分布与飞行状态和飞行高度相关,上升状态AMDAR气温偏高,下降状态AMDAR气温偏低。500 h Pa高度以下,样本飞行状态多为下降,t_a较ts平均偏低0. 25℃; 500h Pa高度以上,样本飞行状态多为上升和平飞,t_a较ts平均偏高0. 03℃。     

AMDAR温度观测的误差统计特征分析

观测资料的误差结构特征是影响资料同化效果的重要因素之一,在GRAPES资料同化系统中使用的观测资料误差结构特征是借鉴国外的同化系统或参考文献,没有直接使用实际观测资料统计。因为同化系统的差异和观测系统的不断改进,观测资料误差结构特征也应随着改变。现在同化系统中的观测误差结构特征不能满足同化系统的精细化要求,比如飞机的观测误差特征没有按飞机标识、纬度带和飞行状态进行区分。为了提高AMDAR资料的应用效果,本文对AMDAR资料的误差特征进行统计分析。通过对比AMDAR资料和NECP再分析资料,分别对全球不同纬度带、不同飞行状态和不同飞行标识两者的温度差异进行统计。本文使用的AMDAR资料是从国家信息中心实时库获取的,资料时段为2013年5—7月。统计结果显示在北半球中纬度(20°~50°N)AMDAR资料最密集的区域,AMDAR资料的温度偏差最大,约-2~-1℃,标准差约1.2~1.6℃。温度的标准差在不同飞行状态随纬度而异,赤道地区(20°S~20°N)平飞状态最小,约0.8℃,北半球高纬度(50°~90°N)平飞状态最大,约1.5~2℃。通过分析AMDAR资料的误差特征,可以更有针对性地做好AMDAR资料质量控制及偏差订正,改进同化预报效果。     

AMDAR资料的风温信息在机场终端区强对流天气分析中的应用

强对流天气引起风矢量和温度等气象要素突变,影响飞机正常起降和飞行。高时空分辨率的飞机气象资料中继AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)是天气预报重要的资料源之一,可为机场终端区的强对流天气短临预报提供高时间密度的垂直探测信息。通过白云机场终端区的AMDAR资料,提取三维风矢和温度廓线,制作了风切变和湍流的预警分析图。以2011年4月17日一次广东省的强对流天气过程为例,将AMDAR资料结合雷达、卫星、探空等多源资料进行了分析。研究表明,在AMDAR资料的风矢-时间高度剖面上形成三维预警指示,对机场的强对流预报有指导意义;当1 km以下发生强风切变,对飞机起降威胁严重,AMDAR资料水平风的垂直分布印证了多普勒天气雷达强辐散区的回波特征;高时空分辨率的AMDAR风速和温度扰动,可揭示大气中的风切变及湍流运动。AMDAR资料为保障飞机的安全起降提供了一种实时、密集的垂直观测信息,有助于研发临近预报预警产品,弥补探空资料的不足。     

AMDAR资料特征及质量分析

利用统计学方法,分析了AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)资料的时空分布特征,并将航站上的AMDAR资料与常规探空资料进行了对比。研究表明:AMDAR资料是一种高时空密度的观测资料,航站上的AMDAR资料的质量接近探空资料,但其时间密度大约是探空资料的10倍。因此,可以用来监测航站及附近地区天气系统及其演变的更细微的特征,为短时特别是临近预报提供更多的参考依据。     

辽宁内蒙古AMDAR资料统计及个例预报应用

利用2005年1~6月AMDAR资料,根据天气预报业务需求,对辽宁、内蒙古地区具有业务应用意义的逐日数据进行遴选和统计,揭示了资料的时空分布规律,并对2005年5~9月实时接收的AMDAR资料进行了个例预报业务试验,结果表明AMDAR资料在天气预报业务中,尤其是在临近预报中具有参考价值。     

上海机场终端区AMDAR资料系统及应用

介绍了民航华东气象中心开发的上海机场终端区AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)资料实时显示系统,简述了系统的基本原理和工作流程;并统计了AMDAR资料的分布特征,对机场出现的雷暴、大风、冰雪等天气进行了实例分析。结果表明:上海机场终端区AMDAR资料实时显示系统直观、实用,有效地提高该资料的使用率;AMDAR资料时空分辨率高,但分布不均匀,资料97.4%集中在00:00—15:00UTC时段和67.3%集中在4km以下的中低空区域;系统能够提供连续的高空风温分布,也能够捕捉到高空中小尺度天气特征,在某些天气过程中能够为短临预报提供良好的客观依据和辅助手段,具有一定的实用价值。     

杭州飞机气象观测资料处理及质量分析

为了更好地将全球共享的飞机气象观测资料(AMDAR资料)应用于本地气象业务,解决由AMDAR资料时空分布不均匀带来的应用不便的问题,利用2019年4月至2020年5月杭州地区获取的AMDAR资料,在质量控制处理基础上提出一种新的提取AMDAR廓线数据的处理方法,将机场周边一定时间和空间范围内的飞机探测资料视作探空气球漂移至不同位置的观测,垂直方向采用插值算法实现廓线数据均匀分布,并利用中值滤波算法对廓线做进一步质控。最终提取的AMDAR廓线数据与杭州探空数据进行了对比误差分析。结果表明：温度、风速和风向的总体平均偏差分别为-0.83℃、0.02 m/s、0.47°,均方根误差分别为1.93℃、2.02 m/s、25.05°,AMDAR温度廓线数据整体偏小,且相对暖湿的季节比相对干冷的季节偏小更加明显,AMDAR风廓线数据无明显系统误差,数据质量较好;温度和风速对比误差在2000 m及以上高度范围随高度增加而增大,但风向的对比误差相反;环境风速越大,风速的对比误差越大,风向的对比误差却越小;AMDAR廓线数据与探空数据具有较好的一致性,但在02:00—06:00以及5000 m以上高度缺...     

AMDAR资料在天气预报中的应用

使用国内的AMDAR资料对几次重大天气过程进行了动力和热力学分析研究。结果表明：飞机在航站上起降时探测的高时空分辨率的AMDAR资料与其它资料结合能够较连续地监视机场附近气象要素的时空变化特征，进而捕捉到一些常规观测资料难于发现的引发冰雹等强对流天气的中尺度天气系统。该资料对稳定性天气大雾的定点分析和预报，较之常规观测资料有更好的业务使用价值。该资料不仅可为制作定点的临近和短时预报提供精细的预报依据，而且可在一定程度上增强对灾害性天气的认知和预见性。     

AMDAR资料在北京数值预报系统中的同化应用

该文针对北京市气象局业务快速更新循环同化预报系统(BJ-RUC),通过对有无飞机观测资料参加同化的预报试验客观要素预报均方根误差和降水量TS评分的对比分析,探讨了飞机观测资料对短期数值天气预报的影响。结果表明:飞机观测资料的同化对于前9 h预报时效内的高空风和温度预报有明显的正面影响。其中,对风预报的正面影响集中在925~250 hPa高度上;而对温度预报的正面影响主要体现在850~400 hPa之间的各层内。在快速更新循环的暖启动模式下,飞机观测资料同化比冷启动模式下带给预报结果更明显的正面贡献。飞机观测资料参加同化对于降水预报技巧的提高也有正面效应,对24 h和12 h累积降水量TS评分以及12~18 h和18~24 h时段内的6 h累积降水TS评分有明显提高,提高的最大幅度达50%,并对相应阈值和时段内无飞机观测资料参加同化的试验中雨区偏大现象有改善。分析增量分布特征与同化带来的风温要素3 h预报改进的垂直特征基本对应,表明飞机观测资料参加同化对初始场中风场和温度场质量的改进。     

飞机气象探测资料(AMDAR)质量控制与质量分析

文章基于NCEP的AMDAR质控方法,建立了一套业务质量控制系统。选取2014年全球AMDAR资料对系统进行测试,系统运行稳定,并根据质控结果统计分析了AMDAR资料各质量类型演变及分布特征。主要结论如下:(1)2014年全年平均逐小时剔除率为5.79%,其中重复性报文占主要部分。(2)报文数量和报文质量均表现出明显的日变化特征,重复性报文在报文数量密集时剔除率增加,可疑数据和时空不一致性相反。(3)飞机报文质量在各个高度层表现出不同的特征,质量问题主要出现在近地面层、动力调整高度和飞行状态转换及巡航高度。(4)经纬度阈值变化对重复报文剔除结果影响敏感度最高,主要反映在中高层,高度阈值影响表现在中低层。(5)剔除疑误报文后计算的全球平均温度呈现明显正异常,风速负异常。     

不同 AMDAR资料同化时间窗对台风“摩羯”预报影响研究

2018年第14号台风“摩羯”对山东造成了大范围暴雨和大风天气,基于WRF（Weather Research and Forecasting）模式及其Hybrid-3DVAR混合同化预报系统,对Hybrid-3DVAR不同集合协方差比例和不同航空气象数据转发（aircraft meteorological data relay,以下简称AMDAR）资料同化时间窗对台风“摩羯”预报的影响进行了数值研究。结果表明：加大集合协方差比例对台风“摩羯”路径预报有较大影响和改进;当全部取来自集合体的流依赖误差协方差时,预报的台风路径最好,降水预报也最接近实况;AMDAR资料同化对于台风路径和降水预报也有正的改进作用,但加大集合协方差比例到100%时对台风路径预报影响更大;不同资料同化时间窗会影响同化的AMDAR资料数量,从而影响台风降水精细化预报;45 min同化时间窗的要素预报误差最小,对台风造成的强降水精细特征预报最接近实况;不同资料同化时间窗主要影响台风降水预报落区分布,对台风路径预报影响相对较小。     

Wind Speed and Altitude Dependent AMDAR Observational Error and Its Impacts on Data Assimilation and Forecasting

Aircraft Meteorological Data Relay (AMDAR) observations have been widely used in numerical weather prediction (NWP) because of its high spatiotemporal resolution. The observational error of AMDAR is influenced by aircraft flight altitude and atmospheric condition. In this study, the wind speed and altitude dependent observational error of AMDAR is estimated. The statistical results show that the temperature and the observational error in wind speeds slightly decrease as altitude increases, and the observational error in wind speed increases as wind speed increases. Pseudo single AMDAR observation assimilation tests demonstrate that the wind speed and altitude dependent observational error can provide more reasonable analysis increment. Furthermore, to assess the performance of wind speed and altitude dependent observational error on data assimilation and forecasting, two-month 3-hourly cycling data assimilation and forecast experiments based on the Weather Research and Forecasting Model (WRF) and its Data Assimilation system (WRFDA) are performed for the period during 1 September-31 October, 2017. The results of the two-month 3-hourly cycling experiments indicate that new observational error improves analysis and forecast of wind field and geo-potential height, and has slight improvements on temperature. The Fractions Skill Score (FSS) of the 6-h accumulated precipitation shows that new wind speed and altitude dependent observational error leads to better precipitation forecast skill than the default observational error in the WRFDA does.