ADS-B数据在航空气象服务中的应用

ADS-B数据在航空气象服务中的应用

随着科技的进步，航空气象预报员现在可以利用各种工具和数据来提升航空气象服务，其中包括应用广播式自动相关监视（ADS-B）的数据。本文将详细介绍ADS-B技术的工作原理及其在香港天文台的具体应用，以及如何利用这些数据来监测湍流和推导风速等气象信息。

什么是ADS-B？

ADS-B（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast）是一种用于支持空中交通管理的监视技术。它让飞机通过机载系统自动广播其位置、高度、速度和其他信息。ADS-B依靠卫星导航和机载航空电子设备，使其更加精确且高效[1]。

ADS-B包括两个主要组成部分（图一）：

• ADS-B Out：飞机向地面站和附近的其他飞机广播其位置、高度、速度和其他飞行数据。
• ADS-B In：飞机接收来自其他飞机和地面系统的ADS-B信号，增强情境意识。

图一：ADS-B通信技术示意图[2]

ADS-B在香港天文台的应用

香港天文台于2016年在大帽山天气雷达站安装了ADS-B接收器（图二），可以追踪约500公里范围内配备ADS-B的飞机。接收到的数据经处理后展示在综合显示界面上（图三）。

图二：大帽山气象雷达站的ADS-B天线（蓝色箭头）

图三：由香港天文台开发的综合显示界面上显示的飞机位置、航线及天气雷达影像

ADS-B数据如何支持航空预报员的工作？

ADS-B数据可以让预报员实时监察飞机资料以支援天气风险的监测、加强与航空用户关于潜在天气影响的沟通。航空气象预报员可以即时了解天气对飞机的影响（图三），这对于他们每天向空中交通管制单位进行日常天气简报时非常有帮助。

ADS-B数据的应用：湍流侦测和风速推导

除了实时飞机监控之外，ADS-B数据还支援航空气象服务另外两个主要应用：湍流侦测和背景风的估算。受到湍流影响的飞机通常会显示突然变化的垂直速度及高度。我们可以通过分析飞机高度和位置的变化，识别湍流区域[3]，获得更多有关湍流观测的资料。

图四：二次监视雷达以Mode-S形式进行数据询问。

ADS-B数据加上由二次监视雷达进行的Mode-S数据询问所得的数据（图四），可用於推导背景风场资料[4]。通过分析从ADS-B获得的飞机地面速度与真航迹角，与从Mode-S获得的真空速与真磁航向之间的差异，可以计算出不同高度的背景风速与风向（图五）。这些有用的风场观测可用於验证数值天气预报（NWP）模型，以及通过数据同化提升NWP模型的预报性能[5]。

图五：使用ADS-B数据和Mode-S数据推导背景风向量及其风速和风向。

参考文献：

[1] 国际民航组织. (2020). 机载监视应用手册（Doc 9994，第2版）. 蒙特利尔，加拿大：ICAO. ISBN: 978-92-9265-322-4.

[2] Viswanathan, A., & R, K. (2024). 在空中交通管制中利用自动化和IIoT实现先进效率和安全. 国际多学科研究科学、工程与技术杂志，7，9979-9984.

[3] Leung, C. Y. Y. 和 Leung, H. T.：使用ADS-B飞机数据估算航路湍流，EMS年度会议2024，巴塞罗那，西班牙，2024年9月1-6日，EMS2024-635

[4] De Haan, S., De Haij, M., & Sondij, J. (2013). 在荷兰使用商用ADS-B接收器从Mode-S EHS信息中推导高空风和温度观测. 荷兰皇家气象研究所（KNMI）.

[5] 世界气象组织. (2023). 将ADS-B作为全球飞机观测数据源. WMO ABO通讯 - 第25卷.

[6] 同化Mode-S EHS风速对英国气象局高分辨率NWP模型的影响.

本文原文来自香港天文台