AMDAR资料质量控制及同化对2020年春季数值预报的影响研究

航空气象数据转发(Aircraft Meteorological Data Relay,AMDAR)资料具有采样频度高、探测层次密集等特点,能够有效补充高空资料时空分辨率的不足。利用2020年3月1日至5月31日(春季)国家气象信息中心提供的中国区域AMDAR资料和美国国家环境预报中心(National Centers for Environmental Prediction,NCEP)提供的全球预报模式(Global Forecast System,GFS)资料,对不同高度的AMDAR观测资料进行质量分析和控制,通过两周循环同化对比试验检验同化质量控制后的AMDAR资料对分析场和预报场的影响。结果表明:AMDAR资料风速与GFS资料的均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)呈明显的随高度增加而增大趋势,风速、温度的偏差(Bias)也存在随高度增加而增大趋势。对不同高度的AMDAR资料进行质量控制后,AMDAR与GFS资料的RMSE和Bias都有所改进,且AMDAR资料和GFS资料的差值(Observation Minus Background,OMB)更加符合高斯分布。同化质量控制后的AMDAR资料对风、温度和位势高度分析场有一定的改进作用,并且改进可以影响到12 h甚至24 h预报场。同化质量控制后的AMDAR资料能一定程度上提高降水预报技巧,其中中等量级降水预报改进效果明显。

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9h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925-250hPa高度上；而对温度预报的正面影响主要体现在850～400hPa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24h和12h累积降水量TS评分以及12～18h和18～24h时段内的6h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3h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。

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资料在机场天气预报中的应用

介绍了我国航空器空中报告(AMDAR)的下传及应用情况,包括AM-DAR的数据特点、资料的实时分析及应用。重点介绍了AMDAR资料在机场临近预报中的应用,包括在风场分析、颠簸的诊断及警报以及在天气分析中的应用。

用AMDAR资料分析两次强飞机积冰过程

利用常规气象资料和AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay,航空器气象资料中继)飞机气象资料,对2012年1月5日和23日贵阳机场飞机报告的两次强积冰个例过程进行了客观诊断分析。结果表明:"1.5"和"1.23"强积冰个例是静止锋形势下导致的,逆温层维持时间长,逆温层顶、逆温厚度基本不变且逆温强度有所增强;饱和冷云维持且冷云含水量不断加大,为强积冰的发生提供了有利的温度和水汽条件。AMDAR资料对于探空资料是有力的补充,能显示大气层结随时间细微的变化,为积冰预警预报服务提供参考。

基于AMDAR资料应用于中国周边海域飞机颠簸的统计分析

基于2002—2011年共10 a的AMDAR资料,用于中国周边海域（0 ～35°N,110 ～ 150°E）越洋飞行飞机颠簸的时空分布和变化规律分析.研究指出：南海比西北太平洋海域更容易发生重度以上的飞机颠簸;全年中6月最容易发生颠簸,而9月至次年2月发生重度和严重颠簸的百分率明显减小;5 km以下,发生轻度和重度颠簸的百分率随高度增大而减小,8 km以上重度颠簸的发生百分率稳定在0.2％左右,边界层顶和对流层顶附近容易发生严重颠簸,发生的百分率分别为0.27％和0.18％;随着风速增大发生颠簸的概率一般也增大,在对流层上层风速大于40 m/s时,发生重度和严重颠簸的百分率都明显增大,达到0.2％左右.冷半年风向为NNE以及暖半年风向为SSW时,发生重度颠簸的百分率达4％左右;严重颠簸发生在暖半年的概率较大,暖半年吹SSE至ESE风时,发生百分率为0.25％～0.3％,但暖半年吹正北风或冷半年吹正南风时,也易发生严重颠簸.

AMDAR温度资料的偏差订正及对GRAPES系统的影响

通过对AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)温度资料进行了偏差订正来改善数值预报同化预报效果。方法是以NECP(National Centers for Environmental Prediction)的GFS(Global Forecast System)的6 h预报场作为参考场来统计AM DAR观测温度减去参考场的偏差,根据飞机上升率和下降率,应用最小二乘法拟合温度资料偏差的线性回归方程,然后用回归方程结合探空资料对温度观测进行偏差订正。AMDAR资料来源是国家气象信息中心数据库,偏差统计时间为冬季(2014年12月到2015年1—2月)和夏季(2014年6—8月)。另外,应用GRAPES(Global Regional Assimilation and Prediction System)系统对订正后的AM DAR温度资料进行了1个月(2013年12月)的同化预报影响试验,结果表明,同NCEP的FNL(Final Operational Global Analysis data)资料相比,加入订正后的AMDAR温度资料可以减小高度分析场的偏差和均方根误差,尤其在平飞阶段(300~150 hPa),其偏差、均方根误差减小了2 gpm,对温度分析场的影响也有正效果,偏差和均方根误差最多减小0.15℃。高度场和温度场的预报距平相关系数在250 hPa以上也比温度资料订正前有所提高,温度场的预报时效提高了0.5天。

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资料质量分析及对GRAPES系统同化和预报影响

为了研究AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)资料对GRAPES(Global Regional Assimilation and Prediction System)系统的影响,针对从国家气象信息中心实时库检索的业务AMDAR资料,分析了该资料的偏差和标准差等质量特性;利用GRAPES数值预报系统,做了两个月的同化预报循环试验。选取资料和试验的时间是2013年5月、6月,同化窗口6 h,预报时效7 d。结果表明,与背景场该资料的温度要素的平均偏差在0.2°C,标准差在2°C,风的平均偏差在0.2 m/s,标准差在3 m/s,偏差基本符合正态分布;AMDAR资料对同化和预报效果均有改善。

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。

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。

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。

AMDAR数据在数值天气预报中的影响评估

简要回顾了飞机自动化气象观测发展的历程,讨论了飞机观测数据的质量和偏差校正方法,评估了飞机观测数据对地区和全球数值天气预报的积极作用,特别是在急流附近的高动能地区的重要性,并介绍了国内航空器气象数据中继(AMDAR)的发展状况。

多源观测数据逐半小时同化对一次区域持续性暴雨的敏感性试验

利用基于WRF模式(Weather Research and Forecasting model)的逐半小时快速更新预报系统,对2020年8月13—14日鲁南一次区域持续性特大暴雨过程进行逐小时同化和逐半小时同化敏感性试验,以探讨高频资料同化应用问题,其中,逐半小时同化敏感性试验方案包括在半点同时同化地面自动气象站(AWS)观测资料和飞机报(AMDAR)资料及分别“拒绝”其中一种同化资料共三种方案。结果发现:半点同时同化AWS资料和AMDAR资料的试验对此次持续性暴雨24 h累计降水和短时强降水预报较逐时同化试验有显著改进作用,说明提高同化频次以提高高频资料的利用率对数值预报有正效果;在半点增加高频资料同化过程中,同时同化AWS资料和AMDAR资料的试验,均比“拒绝”其中一种同化资料的试验准确;“拒绝”同化AMDAR资料的试验比“拒绝”同化AWS资料的试验预报效果差,说明半小时同化试验中AMDAR资料同化起到了更为重要的作用;快速更新循环同化对初始场的改善是一个逐步调整的过程,不同同化资料和频次的试验对分析场的影响各有不同,同时同化AWS资料和AMDAR资料的半小时同化试验初始场与实况最接近;不同同化方案地面要素场高温高湿区相对辐合线的位置不同和高空冷暖空气强弱及配置不同,造成飑线系统的运动方向不同,是导致各试验区域持续性降水落区存在较大差异的主要原因;而飑线系统位置的差异导致其与西南暖湿气流中的新生系统结合程度不同,造成了未来降水强弱的差异。

华北地区一次大雾过程的三维变分同化试验

文中采用WRF非静力数值预报模式及其三维变分同化系统(WRF3D-Var),对2006年1月13—14日发生在华北地区及山东半岛的一次大雾过程进行了包括GTS(Global Telecommunication System)资料、AMDAR(Aircraft Meteorological Data Relay)资料和9210资料的不同资料组合的三维变分同化试验,以及时间间隔分别为6、3和1h不同时间频率的循环同化试验,并以同化分析场为初始场进行了36h的模拟试验。对同化分析场和模拟结果进行了分析,分析结果表明,采用三维变分方法同化AMDAR等多种非常规观测资料后,分析场均有明显的改变,对雾区的模拟结果也有局部不同程度的修正。进一步分析起修正作用的原因得知同化资料后对低层的湿度和层结趋稳性有所改善。同化GTS资料对低层的增湿贡献明显,但对层结趋稳性贡献不大;而同化AMDAR资料主要使层结趋稳性明显,对增湿无贡献;9210资料对低层湿度和层结趋稳性均有贡献。不同时间间隔的循环同化试验表明,多时次的循环同化比单时次的同化分析增量要大,逐时循环同化与6和3h循环同化相比,可明显改善模拟效果。

风切变对飞行的影响及其预报时效分析

利用NCEP再分析资料和AMDAR资料,对2008年11月1日首都机场冷锋过境前后风切变现象及其可预报时效进行分析。分析认为:在冷锋过境前后,首都机场存在多种形式的风切变,有高空槽前后的水平风切变、高层和中层急流轴引起的水平风切变、冷锋前逆温层顶上下的水平风切变和地面锋面过境时跑道面上的水平和侧风切变。对各种风切变的可预报时效进行了分析。

一种基于航空器气象资料下传数据的飞行剖面生成方法

由于飞行剖面识别是航空器四维(Four-dimensional,4D)航迹预测研究的热点问题,提出一种基于航空器气象资料下传(Aircraft meteorological data relay,AMDAR)数据的全飞行过程剖面生成方法,包括由高度-航程构成的标称高度剖面和空速-航程构成的标称速度剖面。首次将动态空间规整算法(Dynamic space warping,DSW)应用到飞行高度剖面的相似距离计算中,计算出标称飞行高度剖面;为解决在地速未知情况下标称速度剖面的计算问题,结合大椭圆距离算法与航空器基本性能数据库(Base of aircraft data,BADA),给出一种标称飞行速度剖面的计算方法,该方法保留了AMDAR实测历史数据中所隐含的飞行意图与气象因素。实际算例表明,本文提出的方法能够有效地得到真实反映航空器飞行状态的全飞行剖面。

民用航空气象观测综述

介绍了民用航空气象观测这一全球大气监测网中的重要观测平台的发展历史 ,航空气象资料的特点及其在气象业务与大气科学研究中的应用现状 ,详细分析了航空气象资料的获取、优势、存在的局限和未来的改进方向。指出民用航空飞机观测这一常规大气探测手段具有广阔的应用前景 ,受到了气象部门和航空业的共同重视 ,航空气象资料对提高天气预报准确率和气象服务水平将起到积极的促进作用 ,在未来的数值天气预报业务和大气科学研究中占据越来越重要的地位。

南海周边海域越洋航线晴空颠簸的数值预报研究

采用WRF v3模式,利用AMDAR资料与NCEP再分析资料,对2007年发生于南海周边海域的高空越洋航线上,110个中度以上晴空颠簸事例与196个无颠簸事例进行数值模拟。选取布朗指数、水平风切变指数等6个晴空颠簸诊断指数,通过计算各指数的有颠簸诊断准确率、无颠簸诊断准确率、TS评分、ETS评分等指标,研究指数及其阈值的适用性。研究表明:(1)布朗指数是诊断南海周边海域越洋航线上的晴空颠簸的最佳指数,并在取"3.2×10-5"为阈值时诊断效果最佳。(2)南海周边海域的越洋航线上的晴空颠簸对于诊断指数阈值的选取十分敏感,在晴空颠簸的数值预报中,在合理选择指数的基础之上,应当认真研究设定指数的阈值。