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ADS-B数据在航空气象服务的应用

ADS-B数据在航空气象服务的应用

卢俊颖
2025年1月

航空气象在航空飞行的安全和效率方面扮演著至关重要的角色。随著科技的进步，预报员现在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察（ADS-B）的数据。
甚么是ADS-B？
ADS-B 是一种用于支持空中交通管理的监察技术。它让飞机通过机载系统自动广播其位置、高度、速度和其他资讯。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 讯号，增强情境意识。
图一
图一   ADS-B通讯技术示意图 [2] 。
ADS-B的应用加强了空中交通管制的运作，实现了飞机的实时追踪并改善了监察的复盖范围，特别是在偏远或海洋地区。除了空中交通管理之外，ADS-B 数据还可以应用于航空气象服务。以下部分会介绍香港天文台如何接收 ADS-B 数据、航空气象预报员如何使用这些数据，以及 ADS-B 数据的一些应用。
香港天文台安装的ADS-B接收器及其数据显示
图二
图二   大帽山气象雷达站的 ADS-B 天线（蓝色箭头）。
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介面上（图三）。
图三
图三   由香港天文台开发的综合显示介面上显示的飞机位置、航线及天气雷达影像。
ADS-B 数据如何支援航空预报员的工作？
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，包括湍流侦测和风速推导
除了实时飞机监察之外，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。我们可以透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
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），可用于推导背景风场资料 [4]。透过分析从 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于验证数值天气预报（NWP）模型，以及透过数据同化提升 NWP 模型的预报性能 [5]。
图五
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。
参考资料：

[1]  International Civil Aviation Organization. (2020). Manual on airborne surveillance applications (Doc 9994, 2nd ed.). Montreal, Canada: ICAO. https://www.icao.int. ISBN: 978-92-9265-322-4.（只有英文版）
[2]  Viswanathan, A., & R, K. (2024). Harnessing Automation and IIoT in Air Traffic Control for Advanced Efficiency and Safety. International Journal of Multidisciplinary Research in Science, Engineering and Technology, 7, 9979-9984. （只有英文版）
[3]   Leung, C. Y. Y. and Leung, H. T.: Estimating en-route turbulence using ADS-B aircraft data, EMS Annual Meeting 2024, Barcelona, Spain, 1–6 Sep 2024, EMS2024-635 （只有英文版）
[4]  De Haan, S., De Haij, M., & Sondij, J. (2013). The use of a commercial ADS-B receiver to derive upper air wind and temperature observations from Mode-S EHS information in The Netherlands. Royal Netherlands Meteorological Institute (KNMI).（只有英文版）
[5]  WMO. (2023). ADS-B as a Source of Global Aircraft-Based Observations Data. WMO ABO Newsletter - Volume 25.（只有英文版）
[6]   Impact of assimilating Mode-S EHS winds in the Met Office's high-resolution NWP model.（只有英文版）