一个自动统计飞行器在欧洲和东北大西洋上空遭遇湍流数量的系统外文翻译资料

 2022-11-22 16:27:43

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一个自动统计飞行器在欧洲和东北大西洋上空遭遇湍流数量的系统

ELENA MENEGUZ,HELEN WELLS,AND DEBI TURP

英国，埃克塞特气象局

(手稿接收于2015年6月23日，最后定稿于2016年1月28日)

摘要

众所周知，遭遇一般强度或者很强烈的湍流会导致乘客和机组人员的受伤，并且给航空公司招致高额的保险费用。大气对流被认为是导致民航遇到湍流的一个重要原因，但是还没有一个系统地方法可以定量分析它在欧洲和东北大西洋地区的相关重要性。在本次研究中，一个自动捕捉和对流相关的湍流活动的新方法发展起来。欧洲和东北大西洋上空的对流观测从气象局的到达时间捕捉系统和气象卫星图像中获得。这个系统运行所有从民航公司接收到的，2个6个月阶段（2013年夏季和2014年夏季）的湍流的原地报告。我们发现，在月平均的情况下，飞行器遭遇的湍流有14%发生在对流风暴附近。这些发现被拿来和系统的弊端以及研究中的观测资料一起解释和讨论。

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  1. 引言

湍流仍然是对在途中的空中交通造成危险的主要气象灾害之一，毕竟湍流遭遇占了天气影响的商业飞机事故原因的65%（Sharman等，2006）。尤其是遭遇强烈湍流会给乘客和机组人员带来伤害，飞机损伤和飞机绕湍流区域改道等情况。因此，一个致力于提高提高湍流预测精度的重要研究正在进行当中。

从商业飞机获取的数据为更好地了解湍流提供了很好的基础。可获得的观测资料有几种，包括飞行员报告（PIREPs）和自动原地湍流观测以垂直加速度、涡旋耗散率（EDR）、或者等价垂直风（DEVG）的形式报告出来。这些观测资料（一小部分除外）不包括任何关于引起湍流的可能原因的信息。在飞行高度上有很多可能引起大气湍流的原因，包含和急流相关的风切边，高层前方的阻断山地波，对流层顶折叠和对流。已知的是飞机经历的由对流引起的湍流不止会发生在对流云里，而且会发生在对流云上（Lane和Sharman2006;Lane等2006）和距离对流云有一些距离的地方（Kaplan等，2005）。湍流的相关信息的重要性体现在两方面：第一个是集中（有限的）研究资源在对航空影响最大的因子上；第二个是能根据一个只影响因子（这个因子只影响可能和它相关的湍流遭遇）进行湍流预报的确定，从而确保湍流预报的评估和提高。

过去的研究表明，在所有可能的例子中，潮湿的对流可能对飞机遭遇湍流有重要影响。Kaplan等2005年做的一个研究，它的目的在于找到和引起商业飞机事故的强烈湍流相关状况的特点。作者从44件事故（37件在美国，7件在温暖海洋区域）的分析中总结出：大多数（86%）事件发生在距离潮湿的对流100km以内的地方。Wolff和Sharman在更临近的时候（2008）尝试了用中高强度湍流遭遇的12年的PIREPs资料识别邻近的美国上空的高层湍流的引起原因。作者在重要的地形上空识别到的飞机遭遇湍流的数量比先前预测的多了相当多，这表明了在冬季山地波引起湍流和在夏季地形强迫引起风暴活动的重要性。他们还发现一些区域的MOG PIREPs和30分钟、40km内的闪电数据的相关系数有20%，说明了在那些区域对流引起湍流的重要性。Gill和Stirling2013年分类了原地湍流报告，它们和从气象局到达时间观测网（ATDnet）中得到的闪电观测资料并列（在空间和时间上），分类表明了在一次8个月阶段中，82%的MOG湍流遭遇发生在闪电袭击附近。他们还表示，如果除了风切变和山地波的预测，像对流降水率这样的对流预测也被使用进来的话，高层湍流预报的技术可以得到很重要地提高。最近的研究，例如Krozel等2015年和AL-Momar等2015年所做的，调查了全部（从云到地面和云层之间以及云层内部的）闪电和EDR湍流尺度的关系，发现了和研究例子的紧密联系。总地说起来，这五个研究表明了对流因子对危害性（中度和强烈的）湍流的重要性。

现在已经有一系列捕捉欧洲大陆上空强对流风暴的自动方法被构建出来。Morel和Senesi2002年提出了一个用红外（IR）卫星图像自动鉴定中尺度对流风暴的存在和发展的方法。他们的技术用单一的红外亮温临界值去识别深对流云。一个算法会被用来提取这些系统的结构性质（例如区域和方向），从而依次用作追踪他们的瞬时演变。更现代化的方法是基于结合数值天气预报（NWP）模型数据的第二代气象卫星（MSG）数据的开发，二者都是为了识别在大约47%的剧烈天气过程中出现的过高的云顶（Bedka,2011），还可以用来做实时预报（Zinner等，2013）。文献中的其他方法还包括图像

识别鉴定和中尺度对流系统发展相关的云的特点，横云带的卫星图像还有用红外和水汽亮温的不同去鉴定深对流（Martin等，2008）等。

飞机遭遇的湍流可能会发生在观测的对流风暴（CSs）附近，这篇文章会展示一个自动识别这样的湍流的方法。在这里，我们的目的不是追踪中尺度对流系统的发展(例如Morel和Senesi，2002)，而是为了获得飞机遭遇对流引起的湍流的事件在欧洲上空和东北大西洋区域部分的数量。气象局ATDnet系统的闪电数据和MSG（复合和红外）图像两个独立的观测数据集被用来表示是否有对流发生。在这个研究中，NWP诊断被故意省略，使结果对数值模型错误的依赖性达到最小化（由于分类系统的输出是为了NWP核查的使用）。这个新的自动系统现在被投入常规使用，来获取发生在湿对流附近的湍流遭遇的数据组。

文章的剩下部分是这样组织的：第二部分介绍了这次研究中用到的从商业飞机获得的原地湍流观测资料。第三部分阐明了用来代替大气对流的观测资料的主要特点，资料有ATDnet系统，MSG强对流红蓝绿（RGB）和红外10.8微米卫星图像。第四部分致力于说明自动系统的工作原理，包括卫星图像上对流云的自动识别的算法的介绍。第五部分中展示和讨论了欧洲和东北大西洋上空的初步气候研究结果。最后，第六部分的中心是总结和对未来工作的建议。

  1. 湍流的航测

目前湍流报告的标准的度量单位ICAO是指涡旋耗散率（ICAO,2010），但是EDR的航测目前只能在美国广泛使用。一个可供选择接受的措施是推导出的等价速度阵风（Sherman，1985；Truscott，2000）。DEVG是飞机独立的度量单位以米每秒为单位并且被定义为

（1）

是飞机垂直加速度和以垂直加速度g单位的1g的分数偏差的模量峰值，m是飞机整体的质量，以吨为单位，V是加速度峰值出现时的标准空气速度，以海里每小时（1海里/小时asymp;0.51米/秒）为单位，A是飞机特殊参数，随飞行情况变化（更多细节见Truscott（2000））。DEVG的值可以像表1中展示的一样理解。

表格 1飞机测量的湍流强度和其对应DEVG值和指数

这次研究使用来自全球飞机数据集（GADS；Gill，2014）的自动飞机测量值，DEVG的值从中计算得出并且用来鉴定和湍流的遭遇。这个数据库在之前被几家预报中心在气象研究中使用了（例如Cardinali等，2004；Rickard等，2001）。GADS的飞机观测资料已经被更现代化地用来提高和核查世界气象预报中心的湍流预报（Trup和Gill，2008；Gill和Stirlinng，2013；Gill，2014；Gill和Buchanan，2014）。最好的数据覆盖区域在欧洲，北美和东北大西洋上空，南半球的资料要少一些。观测资料每4秒记录一次，包括几个不同参数：纬度，精度，高度，空气速度，飞机质量和垂直加速度。最大和最小的垂直加速度从之前得到的32个测量量中得到。为了排除错值，标准质量控制方法被应用进来（例如重复和废弃的记录被移除，从黑名单飞机上得到的资料被忽略）。除此之外，只有在飞机航行高度上的观测资料被用来排除从演习飞机上发出的错误的警报，尽管大的客机演习通常持保证在最短时间来减少乘客不舒服的风险（Sherman,1985）。

3.对流的观测资料

强对流天气经常和深厚的积雨云和雷暴有关，所以通过资料的平均用闪电探测网络和卫星图像来评估对流的发生是一个正常的方法。从最近的研究中可以很清楚的发现，全世界不同区域的对流风暴特点有显著的不同（例如Kaltenbock等，2009）。例如，陆地上的雷暴会出现比海洋上更多的闪电的闪光（Christian等2003；Orville和Henderson，1986）。为了抓住感兴趣的区域上空对流特点的变化，在这个研究中使用了两个独立观测资料集：ATDnet和MSG图像。

  1. ATDnet数据

气象局从1987年开始一直在使用闪电定位网络。最新版本的ATDnet用一个带有低频波接收器的贯穿欧洲的基于地面的网格来记录闪电释放信号的绝对到达时间。通过比较几个测站的到达时间的不同，就能找到闪电打击的方位（如需更多关于雷电探测技术的细节，推荐Gaffard等，2008或者Anderson和Klugmann，2014）。然后这些数据被存入数据库。雷电探测技术对雷电袭击的几何结构很敏感，所以不是所有的雷电都能探测到。尤其是，这个系统探测到的主要的云到地面的打击，占所有雷电活动的25%，剩下的是云间和云内的。这个缺点被它探测大范围闪电的能力和覆盖欧洲的大部分地区的相当连续的覆盖性抵消，而欧洲是ATDnet表现最好的区域（位置不确定性只有零点几公里，90%的云到地面的闪电可以被探测到），但他在北非和东北大西洋的能力有限。

B.MSG图像

气象卫星稳定地旋转，带着设计来提供地球的永久的可见光和红外图像的仪器。特别是，MSG卫星装备了预估地球的辐射的可见光红外辐射计和旋转增强的可见光和红外成像器

图 1世界时2014年10月13日08时的10.8mu;m红外通道产品

（SEVIRI），在12个通道观测地球（Schmetz等，2002）。SEVIRI记录数据以15分钟为一个周期，提供精确的气象监测服务。

然后这些数据被投映到地图上：这个研究中检索到的卫星图像覆盖了欧洲和东北大西洋地区，用极射赤面投影。在这种投影方式中，地球（假设是球面）上的每个点都是从南极点投影到垂直于地轴的面上。有种投影叫正形投影，是因为一个球面上的角投影到投影面上保持不变，反之亦然。这不是等面积投影（网格点经向分布均匀但纬向分布不均匀），网格的平均空间分辨率是6kmtimes;6km。这项研究利用两个MSG产品（用一个互相排斥的方法）：强对流RGB和红外10.8mu;m。

红外窗区通道图像是一个24小时产品，对应波长为10.8mu;m。这个红外通道用来观测云顶和表面温度（在中纬度无云大气在这些波长上是透明的）。温度的高低被转变成灰色调，浅色区域的云对应高的云顶。对流云顶通常在亮温临界值下，近似地呈圆形。图1显示了一个世界时2014年10月13日8点的10.8mu;m波长红外图像的例子，图中可以看到对流单体在意大利背部上空。

这个系统也用强对流RGB产品（http://oiswww.eumetsat.org/IPPS/html/MSG/RGB）。RGB图像是复合两个或两个以上通道然后给输出图像上色后得到的复合图像。命名方法描述了通道被分配给了红，绿和蓝色光。强对流产品用了6.3-7.3mu;m的差别（红色）表示大气中云的高度，1.6-0.6mu;m的差别（蓝色）突出云的发展阶段，3.9-10.8mu;m的差别（绿色）来提取颗粒尺度的信息。在这个产品中，对流表现为亮橙色，表示冰晶云在对流层中很高但是有相当大的冰晶颗粒，或者表现为亮黄色，表示对流很强并且空气在对流层中急剧上升，导致很小的冰晶颗粒生成。图2阐述了一个世界时2014年6月11日11点的RGB产品的例子，途中对流单体出现在德国东北部离波兰很近的地方。因为它使用可见光通道，所以这个产品只能在白天使用。

4.关于和对流风暴接近的湍流活 动的自动识别系统的简介

半操作系统每个月运行核查模式以及进行在接下来几段 图 2世界时2014年6月11日11时的可见光（RGB）产品

中介绍的运算。

  1. 湍流观测资料的检索

一个包含GADS湍流数据的文件被读入系统（第二部分中描述的）。它包含所有发生在欧洲和东北大西洋上空发生的湍流遭遇的时间，位置和严重程度，这个区域被定义为30°-60°N，30°W-30°E之内的地区。

B.闪电观测资料的检索

ATDnet数据（闪电发生的经纬度）在感兴趣的区域上空被检索，闪电打击时间被记录到最相近的分钟。

C.卫星图像的检索和后加工

这个系统以每小时的频率检索强对流RGB或者红外10.8mu;m产品。因为第一个产品已经被特地地设计来识别对流云顶，所以在红外图像之前优先使用它是合适的，但是它的可用性被限制在白天。为了能让系统自动区分白天和黑夜的区别，太阳天顶角（SZA）被计算出来。这个角度通过从天顶到太阳的几何中心测量出来，它关于时间，赤纬和每次湍流事件的纬度的函数是

（2）

其中alpha;，beta;和gamma;分别表示太阳赤纬，纬度（定义北半球为正）和时角（当地时间的一种测量单位）。如果SZAlt;82，就

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